Конструкция дорожной одежды

Полезная модель относится к области транспортного строительства и может быть использована для устройства и укрепления покрытий и оснований транспортных сооружений, в частности автомобильных дорог и других транспортных сооружений, конструкций дорожного покрытия, откосов, укрепленных обочин, конусов мостов, оснований автомобильных дорог, велосипедных дорожек, а также аэродромов, промышленных и строительных площадок, для защиты водоотводных канав, надводного и подводного пространства береговых линий, русел водоемов от размыва, при благоустройстве и строительстве объектов гидротехнического, гражданского и промышленного строительства, например набережных городского, курортного и промышленного типов и т.п.
Конструкция дорожной одежды вне зависимости от рельефа и состояния грунта должна обеспечивать условия для комфортного и безопасного движения транспортных средств, например, автомобилей, велосипедов, инвалидных колясок и др. и равномерного распределения веса автомобилей, горизонтальных и вертикальных статических и динамических нагрузок по большой площади конструктивных слоев сооружения.
Дорожной одеждой называют многослойную конструкцию, устраиваемую на проезжей части для удобного и безопасного движения транспортных средств с расчетной скоростью. Дорожная одежда состоит из дорожного покрытия, основания и дополнительных слоев (см. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог и городских улиц. - М.: Издательский центр «Академия», 2008 г.).
Автомобильная дорога должна быть, прежде всего, устойчивой к воздействию нагрузок от транспортных средств, для пропуска которых она предназначена. Нагрузки от транспортных средств являются статическими и динамическими. Действие таких нагрузок особенно опасно для дорожной одежды в период сильного переувлажнения ее основания и земляного полотна, а также в местах интенсивного разгона, торможения и на виражах.
Одним из показателей дорожной одежды является ее статическая и динамическая прочность, определяющая несущую способность дорожной одежды.
При движении автомобиля вдоль дороги происходит его пространственное перемещение как поступательное, так и поворотное. При этом возникают вертикальные и горизонтальные приращения сил, вызывающие деформацию дорожного покрытия, и касательные усилия, наиболее значительные при разгоне и торможении автомобиля в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием, вызывающие относительное продольное и поперечное сдвиговое смещение верхних слоев дорожного покрытия (там же).
При действии нагрузки верхней части дорожной одежды испытывают сжатие, а нижней части - растяжение, между ними имеется нейтральная линия с нулевой относительной деформацией.
Комплекс технических мер по повышению качества и технико-экономической эффективности конструкций дорожных одежд с основаниями из каменных материалов различных горных пород изложен в Методических рекомендациях по повышению качества дорожных оснований из щебня различных пород. Союздорнии. М., 1980 и включает трехстадийное уплотнение щебня или смесей из каменных материалов до состояния монолита и укрепление основания цементопесчаной смесью по способу пропитки.
Недостатками данных рекомендаций является высокий риск необеспечения однородности прочностных свойств по поперечному и продольному направлению, вызванному высокой вариативностью и изменчивостью химических, физических и гранулометрических показателей применяемого фракционированного щебня.
Для увеличения прочности щебеночных слоев основания широко используют функцию сокращения деформационного способности в виде армирующих эффектов преднапряжения и преднатяжения от сплошных тканых геосинтетических материалов, геосеток и георешеток для армирования земляных сооружений и их оснований при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте и ремонте (см., например, ОДМ 218.5.003-2010, Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог, патент РФ 2131493, МПК Е02В 3/12, Е02В 3/04, E02D 17/20, опубл. 10.06.1999 г.).
Недостатком использования геосинтетических материалов является сложность их конструкции и монтажа и сравнительно низкая надежность системы укрепления щебеночных слоев, особенно на непрямолинейных участках автомобильных дорог, на участках сопряжения пересечения и примыкания с имеющимися зонами конструкционной или наведенной неоднородности.
Применение геосинтетических конструкций на таких участках автомобильных дорого нецелесообразно из-за повышенного коэффициента вариации, более 0,5 относительно требуемых 0,2, что противоречит целям и требованиям Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
Известна конструкция дорожной одежды, включающая, по крайней мере, один слой, состоящей из сотовой конструкции, в ячейках которой диспергированы гранулированные агрегаты, такие как щебень, смешанные со связующим из полимерного материала (см. патент JP № Н 09195211, МПК Е01С 7/10; Е01С 7/30; опубл. 29.07.1997 г.).
Недостаток известной конструкции заключается в том, что между конструктивными элементами ячеек каждая отдельная щебенка ведет самостоятельную жизнь в виде миграции или колебаний в окрестности ячейки и не является элементом, формирующим монолитную конструкцию, либо является концентратором напряжения с высокими режущими свойствами своих острых граней в отношении элемента геосинтетики.
Известна конструкция дорожной одежды, включающая основание - подстилающий слой, слой уплотненного песка, уплотненного щебня и слой горячего крупнозернистого пористого асфальтобетона, на котором размещено покрытие из щебеночно-мастичного асфальтобетона, при этом в качестве материала покрытия используется щебеночно-мастичный асфальтобетон с добавлением высокодисперсных отсевов дробления керамзита толщиной 40 мм при определенном соотношении компонентов (см. патент RU №2603310, МПК Е01С 7/18, С04В 26/26; опубл. 27.11.2016 г.).
Недостаток известного технического решения заключается в пониженных вяжущих способностях битума, не обеспечивающих достаточную сдвиговую и динамическую прочность покрытия дорожной одежды.
Известна конструкция дорожной одежды, содержащая верхнее асфальтобетонное покрытие, промежуточный слой и нижний слой, расположенные на основании из щебня, и/или песка, и/или грунта, при этом нижний слой выполнен из сборного или монолитного цементобетона толщиной от 14 до 24 см, верхнее асфальтобетонное покрытие выполнено из мелкозернистого и/или крупнозернистого асфальтобетона толщиной от 5 до 14 см, а промежуточный слой выполнен в виде трещинопрерывающей прослойки из пластика, и/или стекловолокна, и/или геотекстиля, причем трещинопрерывающая прослойка уложена по всей площади контакта и выполнена с прочностью на растяжение не менее 100 кН (см. патент RU №88030, МПК Е01С 5/00; опубл. 27.10.2009 г.).
Недостатком является высокая вариативность и слабая совместимость трещинопрерывающей прослойки с другими конструктивными слоями, причем при динамических нагрузках элемент прослойки выполняет роль концентратора напряжения и является источником зарождения новых трещин.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является традиционная многослойная конструкция дорожной одежды, это конструкция, состоящая из дорожного покрытия, слоев основания и подстилающего слоя, при этом основание может состоять из двух-трех слоев: верхний слой из крупнозернистого пористого или плотного асфальтобетонов, нижние слои из укрепленных или слабосвязных каменных материалов (см. ОДМ 218.2.056-2015 Методические рекомендации по конструированию нежестких дорожных одежд в условиях воздействия интенсивного грузового транспортного потока).
В большей мере воздействию механических и природных факторов подвергаются верхние конструктивные слои основания, в связи с чем нормативными документами рекомендуетсмя материалы в нем размещать таким образом, чтобы их прочность (или жесткость) была убывающей по глубине (Методические рекомендации по строительству щебеночных оснований повышенной жесткости. СоюздорНИИ. М., 1978).
Данные рекомендации малоэффективны в связи с тем, что верхний конструктивный слой основания максимально приближен к нейтральному слою, который находится в слое покрытия (например, асфальтобетонный слой), там, где деформации растяжения нет.
Наибольшая деформация растяжения возникает в нижних слоях щебеночного слоя (на глубине), там, где уплотнение и свойства однородности недостаточны. Это приводит к относительному перемещению щебенок нижнего слоя и нижележащих слоев в виде крупнозернистого песка или других материалов между собой.
При этом происходит преждевременный износ щебенок, деструкция конструктивных слоев с взаимным проникновением их компонентов друг в друга, нарушением однородности, водопроницаемости, возникновению зародышей трещин.
Задачей настоящего технического решения является повышение прочности дорожной одежды путем формирования монолитного слоя щебня с заданной фракцией или фракциями с обеспеченными повышенными однородными свойствами размерно-механических характеристик с коэффициентом вариации меньше 0,1.
Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в обеспечении однородности и повышенных деформативных свойств щебеночного слоя за счет образования преднапряженного слоя в зоне максимальной деформации щебеночного слоя за счет применения технологии обработки щебня, выполняемых на месте производства работ по устройству дорожной одежды.
Поставленная задача достигается тем, что в конструкции дорожной одежды, состоящей из дорожного покрытия, слоев основания из щебеночного материала и подстилающего слоя, согласно технического решения, щебеночный слой основания выполнен из двух слоев - верхнего слоя из уплотненного щебня заданной фракции и нижнего слоя, выполненного в виде каркасной конструкции из зерновых элементов, покрытых оболочками отвержденного вяжущего, вертикальных нитей отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов, и случайно распределенных пустот, образованных в области точечных соединений мест контакта оболочек друг с другом, при этом высота нижнего слоя составляет 5-50% от общей высоты щебеночного слоя.
При этом в качестве вяжущего используют полиуретан, полимочевину, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Кроме того, вяжущее дополнительно содержит активированный микропорошок с избирательной способностью в отношении влаги.
Заявляемая совокупность признаков позволяет повысить прочность дорожной одежды за счет того, что нижний слой в виде каркасной конструкции выполняет роль преднапряженного и преднатянутого армирующего элемента.
Это объясняется тем, что вяжущее при затвердевании дает усадку, воздействуя после усадки сжимающим усилием оболочек отвержденного вяжущего на поверхность щебенок.
Вертикальные нити при отверждении вяжущего также дают усадку и преднатяжение, за счет чего весь слой щебня преднапрягается и работает как однородная монолитная конструкция.
Регулирование усадки вяжущего достигается за счет дополнительного введения наполнителя в виде активированного микропорошка, например доломита Балаковского завода минеральных наполнителей, а также регулированием соотношения компонентов вяжущего, например, полиизоционата и полиола в полиуретановой смеси.
Соотношение высоты нижнего и верхнего слоев определяет возможность регулирования жесткости щебеночного слоя по отношению к весовым нагрузкам на конструкцию линейного сооружения, например, проезжей части ГЭС, автомобильной дороги и др., со стороны транспортного потока.
Соотношение высоты нижнего слоя щебеночного основания, пролитого вяжущим, от общей высоты щебеночного слоя (сумме высот верхнего и нижнего слоев) определяет возможность регулирования статической и динамической прочности основания линейного сооружения и их сочетание.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид конструкции дорожной одежды, на фиг. 2 - условно, увеличенный фрагмент каркасной конструкции щебеночного слоя; на фиг. 3 - условно, схема распределения нагрузки на дорожную одежду.
Позиции на чертежах означают следующее: 1 - слой дорожного покрытия; 2 - слой основания из щебеночного материала; 3 - подстилающий слой; 4 - верхний слой основания 2 из уплотненного щебня заданной фракции; 5 - нижний слой основания 2; 6 - зерновые элементы каркасной конструкции нижнего слоя 5 основания 2; 7 - оболочки отвержденного вяжущего на зерновых элементах 6; 8 - вертикальные нити отвержденного вяжущего; 9 - случайно распределенные пустоты каркасной конструкции 4; 10 - точечные соединения мест контакта оболочек 7 друг с другом.
Конструкция дорожной одежды состоит из дорожного покрытия 1, слоев 2 основания из щебеночного материала и подстилающего слоя 3 (фиг. 1).
Щебеночный слой 2 основания выполнен из двух слоев - верхнего слоя 4 из уплотненного щебня заданной фракции и нижнего слоя 5, выполненного в виде каркасной конструкции из зерновых элементов 6, покрытых оболочками 7 отвержденного вяжущего, вертикальных нитей 8 отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов 6, и случайно распределенных пустот 9, образованных в области точечных соединений мест контакта оболочек 7 друг с другом (фиг. 2).
При этом высота «h» нижнего слоя 5 составляет 5-50% от общей высоты «Н» щебеночного слоя 2.
За счет усадки вяжущего при его затвердевании создают значительные сжимающие напряжения на поверхность зерновых элементов 6 от воздействия сжимающего усилия на них оболочек 7 и вертикальных нитей 8 из отвержденного вяжущего.
Это придает нижнему слою 5 щебеночного основания 2 свойства преднапряженного армирующего элемента, что позволяет в процессе эксплуатации дорожной одежды снизить воздействие от интенсивного грузового транспортного потока в зоне наибольших деформаций растяжения.
Верхний слой 4 щебеночного основания 2 представляет собой слой щебня фракции 17-40 см, уплотняемый по технологии предварительного прохода сегментными пневматическими трамбовками (валками катков) с геометрией элементов сферы. Это дает подповерхностное однородное по высоте уплотнение, с клинкерованием щебня мелкой фракции (распределение и последующее уплотнение гладко-вальцованными катками).
Соотношение высоты нижнего «h» слоя 4 основания к общей высоте «Н» щебеночного слоя 2 основания определяет возможность регулирования жесткости щебеночного слоя по отношению к весовым нагрузкам на конструкцию автомобильной дороги со стороны транспортного потока.
1
1
Физический смысл достигаемых технических эффектов заключается в том, что под действием вертикальной нагрузки «А» от колеса транспортного средства нейтральная линия «О-О» отсутствия относительной деформации принимает криволинейный вид в виде вогнутой кривой «O-O», нижняя точка которого может достигать слоя 5 щебеночного основания, пропитанного вяжущим (фиг. 3).
1
1
Над криволинейной нейтральной линией «О-О» находится зона, испытывающая деформацию сжатия «+», ниже нейтральной зоны находится деформация растяжения «-».
Практика исследований показала, что обычно глубина нейтральной линии «О-О» при взаимодействии покрытия и колеса транспортного средства находится на расстоянии более 4 см от поверхности сооружения.
Для обеспечения попадания нижней точки нейтральной линии «О-О» при нагружением колесом транспортного средства (задача гибки с растяжением через центральную точечную опору) в геометрическую область пропитанного слоя 5 щебеночного основания расчетным путем установлено, что оптимальное соотношение высоты «h» нижнего слоя 4 основания к общей высоте «Н» щебеночного слоя 2 основания составляет 5-50%.
При значении менее 5% для конструкции характерен высокий риск разрушения от влияния динамических нагрузок, обусловленных квадратом скорости транспортных средств и показателями неровности дорожного покрытия на этапах строительства и эксплуатации.
При значении более 50% слой начинает работать на сжатие и использование в нем полиуретана нецелесообразно и не имеет физического смысла ввиду того, что вяжущее работает в данной конструкции на растяжение, а не на сжатие.
Кроме того, ввиду высокой стоимости вяжущего увеличение высоты «h» нижнего слоя 5 экономически нецелесообразно.
В качестве вяжущего может быть использован полиуретан, полимочевина, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Полиуретановые композиции обладают высокой гидролитической устойчивостью, стойкостью к воздействиям внешней среды в различных климатических зонах, морозостойкостью и хорошей совместимостью с различными видами фракционных наполнителей, таких как щебень, гравий и т.д.
Полимочевина имеет высокую скорость отверждения и поэтому мало чувствительна к влажности и может использоваться при проведении работ в условиях повышенной влажности.
Эпоксидная смола является разновидностью синтетических смол, при полимеризации в смеси с отвердителем образуется сшитый полимер.
Использование эпоксидных смол различных составов позволяет варьировать конечные свойства каркасной структуры после отверждения в большом диапазоне.
Выбор материала вяжущего определяется конкретными условиями эксплуатации конструкции дорожного сооружения.
Наибольшее предпочтение использования в качестве вяжущего имеет двухкомпонентная полиуретановая система из смеси смолы и отвердителя, обусловленное ее эксплуатационными свойствами: высокой механической прочностью, абсолютной водостойкостью, устойчивостью к износу, химической и биологической стойкостью, не токсичностью, экологичностью и долговечностью.
В вяжущем на основе двухкомпонентной реакционной смеси из смолы и отвердителя, предпочтительно, в качестве отвердителя используют изоцианаты, а в качестве смолы - соединения, содержащие, по меньшей мере, два атома водорода, активных в отношении изоцианатов, которые содержат гидроксифункциональное соединение с гидрофобными группами
В качестве изоцианатов могут использоваться все изоцианаты, содержащие функциональную уретановую группу -N=C=O.
В рамках данного технического решения могут быть использованы известные в производстве полиуретановых смесей изоцианаты - толуилендиизоцианаты (2,4- и 2,6-изомеры или их смесь в соотношении, например, 65:35), 4,4'-дифенилметан-, 1,5-нафтилен-, гекса-метилендиизоцианаты, полиизоцианаты, трифенилметан-триизоцианат, биуретизоцианат, изоциануратизоцианаты, димер 2,4-толуилендиизоцианата, блокированные изоцианаты (http://www.pktmt.ru/practice/chto_takoe_poliuetan_i_penopoliuretan/).
Гидроксилсодержащми компонентами являются:
- олигогликоли - продукты гомо- и сополимеризации тетрагидрофурана, пропилен- и этиленоксидов, дивинила, изопрена;
- сложные полиэфиры с концевыми группами ОН - линейные продукты поликонденсации адипиновой, фталевой и других дикарбоновых кислот с этилен-, пропилен-, бутилен- или другими низкомолекулярным гликолями;
- разветвленные продукты поликонденсации перечисленных кислот и гликолей с добавкой триолов (глицерина, триметилол-пропана), продукты полимеризации ε-капролактона.
Предпочтительно в качестве гидроксилсодержащего компонента использовать высокомолекулярные соединения, такие как простые полиэфирные спирты и сложные полиэфирные спирты,
Полиэфиры являются источниками гидроксильных (-ОН) групп, которые, реагируя с изоцианатом, образуют полиуретановую структуру.
Полиуретановая композиция обладает высокой гидролитической устойчивостью, стойкостью к воздействиям внешней среды в различных климатических зонах, морозо-стойкостью и хорошей совместимостью с различными видами фракционных наполните-лей, таких как щебень, гравий и т.д.
Регулированием соотношения полиизоционата и полиола в полиуретановой смеси достигается необходимая в зависимости от условий эксплуатации дорожного сооружения усадка вяжущего (от 0,001 до 0,1%).
Регулируемая усадка вяжущего достигается также за счет дополнительного введения минерального наполнителя, например, активированного микропорошка с избирательной способностью в отношении влаги.
Избирательная способность микропорошка в отношении влаги проявляется в его повышенной адсорбирующей способности, вследствие чего он поглощает влагу из вяжущего, усиливая процесс его усадки.
В качестве минерального наполнителя может быть использован, например доломит Балаковского завода минеральных наполнителей.
Подбором дополнительных компонентов и регулированием соотношения компонентов вяжущего возможно регулирование коэффициента усадки, в частности для дополнительного упрочнения конструкции путем ее преднапряжения вертикальными нитями в диапазоне 0,01-0,1% относительного укорочения.
Конструкция дорожной одежды может быть получена следующим образом.
Перемешивание щебня с полиуретаном, например, бетономешалкой на месте производства работ. Щебень фракции от 20 до 40 мм, требуется 1 кг изоционата и 650 г полиола. И распределяют на поверхность основания лопатами. После распределения рекомендуется виброуплотнение плитой, смоченной силиконом, и вручную деревянными трамбовками, замоченными в воде. Распределение щебня толщиной в 3-5 щебенок на подготовленное основание, его уплотнение и распределение полиуретана новой реакционноспособной смеси осуществляют ручным способом с помощью лейки или механизированным с помощью безвоздушного напыления.
После затвердевания полиуретана (через 20 ч) насыпают слой щебня и утрамбовывают его вибротрамбовкой или виброкатком.
В пределах заявленной совокупности признаков настоящее техническое решение не ограничивается приведенными примерами его выполнения и охватывает любые иные варианты, попадающие в объем прилагаемой формулы для достижения заявленного технического результата.
Заявляемая конструкция дорожной одежды транспортного сооружения позволяет применить технологию обработки щебеночных оснований, выполняемых на месте производства работ по устройству дорожной одежды и повысить прочность дорожной одежды за счет обеспечения однородности и повышенных деформативных свойств щебеночного слоя, что наиболее эффективно проявляется на непрямолинейных участках автомобильных дорог, на участках сопряжения пересечения и примыкания с имеющимися зонами конструкционной или наведенной неоднородности.