СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ГОРОДСКИХ УЛИЦ
METHOD OF FORMING LAYERS OF ROAD PAVEMENT OF ROADS AND CITY STREETS

Изобретение относится к области строительства автомобильных дорог и городских улиц, в частности к системе слоев дорожной одежды и способам их формирования в ней.
Известно, что в общем случае система слоев дорожной одежды может включать в себя слои износа, верхний слой дорожного покрытия, нижний слой дорожного покрытия, основание и дополнительный слой с опорой на подстилающий грунт [1], которую условно можно принять за аналог предлагаемого технического решения. При этом все системы слоев как конструкции дорожных одежд принято подразделять по сопротивлению изгибу на жесткие (цементобетонные) и нежесткие, а в каждой из них имеется слой, служащий в качестве системообразующего слоя. По виду исполнения слои дорожной одежды бывают из сыпучих материалов, уплотненных катками и движением транспортных средств, набирающих прочность в результате уплотнения и развития сил трения (расклинки), удерживающих отдельные частицы в слое; асфальтобетонных и цементобетонных смесей, образующих монолит после укладки, уплотнения и твердения; сборные цементобетонные покрытия из плит [1].
Типы дорожных покрытий регламентируются согласно СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги» по четырем категориям дорог (т.е. I, II, III и IV), располагаемым с учетом порядка снижения эксплуатационных требований к ним по интенсивности движения и нагрузки транспортных средств. Дорожные покрытия автомобильных дорог, как правило, относятся к первой (I) и (II) категориям, т.е. так, например, с видом исполнения для 1-й категории дорог: цементобетонные монолитные и сборные; асфальтобетонные их горячих и теплых смесей; мостовые из брусчатки, мозаики на каменном или бетонном основании.
В процессе эксплуатации автомобильных дорог и городских улиц неизбежно появляются дефекты на дорожном покрытии, возникающие как под действием движения автомобилей, так и под влиянием природно-климатических факторов и исходного качества применяемых материалов и технологии исполнения дорожного покрытия.
Практика показывает, что наибольшее число проявляемых различного вида дефектов при эксплуатации дорог наблюдается на дорогах с нежесткой одеждой их слоев, т.е. на дорогах с асфальтобетонным покрытием, количество которых в стране является преобладающим по протяженности.
Так основными видами деформаций и разрушений дорожной одежды асфальтобетонных дорог являются:
- деформации и разрушения, вызванные причинами, происходящими в весенний период при оттаивании грунта земляного полотна на участках с неблагоприятными условиями водоотвода и защиты земляного полотна от температурных воздействий, а также применения некачественных материалов и их неоднородность, плохое уплотнение земляного полотна и дорожной одежды и переувлажнение земляного полотна;
- просадки нежестких дорожных одежд в виде впадин, возникающих в результате местных просадок неуплотненного грунта или слоев дорожной одежды;
- пролом - разрушения дорожной одежды в виде длинных прорезей по полосам наката колес;
- выкрашивание - разрушение дорожного покрытия за счет потери им отдельных зерен гравийного и щебеночного материала;
- трещины - деформации, обычно вызываемые резкими температурными изменениями из-за недостаточной прочности основания или покрытия;
- выбоины - углубления со сравнительно крутыми краями, образовавшиеся в результате местного разрушения материала дорожного покрытия.
Все виды деформаций и разрушений дорожного полотна в той или иной мере связаны с проявлением действия различного рода эффектов, каждый их которых имеет свою физическую природу и механизм воздействия на слои дорожной одежды.
Так как в весенний период при оттаивании грунта земляного полотна на участках с неблагоприятными условиями водоотвода сохраняется застойная вода, которая за счет капиллярного эффекта пропитывает пористую структуру основания дорожной одежды сплошь, превращая его в «псевдожидкость» [2] с проявлением ряда негативных последствий, т.е. резкое снижение несущей способности полотна дороги; образование пустот в структуре основания из-за произвольной миграции содержащихся в нем гранул (зерен); отслоение дорожного покрытия от основания при действии капиллярного эффекта в зоне их контакта.
Это, в свою очередь, при смене температуры атмосферного воздуха от положительной до отрицательной имеющаяся вода в пустотах основания дорожной одежды замерзает, что ведет к повышению давления в них и, как следствие, трещинообразованию в дорожном покрытии с появлением далее сопутствующих дефектов, таких как впадины, проломы, выкрашивания и выбоины.
Кроме того, периодические импульсные воздействия от нагрузки колес транспортных средств на дорожное покрытие в пределах упругости создают необходимые предпосылки возникновения в псевдосжиженном слое основания дорожной одежды явления турбулентности, т.е. смещения его наполнителя.
В этом случае, повышение несущей способности асфальтобетонного покрытия путем введения в него только армирующих элементов в виде асбестовых волокон [3] или торфа и льняной соломы [4] не дает должного результата, потому что входящий в него битум в узком диапазоне температур (от плюса до минуса) воздуха резко изменяет свои реологические свойства от вязкотекучего до хрупкого состояния. Следовательно, для системы слоев дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием и основанием из сыпучих материалов указанные недостатки, по сути, являются органически присущими ей, и их устранение требует других системных технических решений.
Задачей изобретения является повышение эксплуатационных свойств автомобильных дорог и улиц с асфальтобетонным покрытием путем структурного изменения слоев в системе дорожной одежды и способов их формирования в ней.
Это достигается тем, что в системе слоев дорожной одежды автомобильных дорог и городских улиц, содержащей в общем случае слой износа, верхний слой дорожного покрытия, нижний слой дорожного покрытия, основание из сыпучих материалов и дополнительный слой с опорой на подстилающий грунт, содержит переходный несущий слой в качестве системообразующего слоя, расположенный между нижним слоем дорожного покрытия и основанием дорожной одежды из эластичного водонепроницаемого материала с заданным уровнем эксплуатационных свойств элементов его структуры к восприятию воздействующих при эксплуатации на них переменных силовых нагрузок и факторов окружающей среды и их демпфированию с учетом релаксации возникающих в них напряжений. В качестве эластичного водонепроницаемого материала могут быть листы из технической резины с усилением кордом как продукта утилизации шин; листы (полосы) полимерных материалов, армированные волокнами из минеральных материалов; многослойные композиции с различным наполнителем, обладающие синергизмом заданных свойств. Кроме того, для решения поставленной задачи еще необходимо осуществить ряд технических решений, связанных с формированием отдельных слоев дорожной одежды.
Так, в этом случае переходный несущий слой из эластичного водонепроницаемого материала в системе слоев дорожной одежды формируют из плит, изготовленных прессованием из волокнистой части стеблей растений, например соломы ржи и пшеницы, с пропиткой антисептиком и вяжущим составом, например полиуретановым герметиком или битумной мастикой, до образования монолитной композиции. Данный способ формирования переходного несущего слоя позволяет непосредственно на местах добиться получения недорогого возобновляемого материала (ресурса), круглогодично в простых производственных условиях, с малыми затратами энергии, при низкой квалификации рабочих вести, практически, массовое производство дешевых водонепроницаемых плит.
При этом во избежание негативного проявления действия капиллярного эффекта в основании дорожной одежды, т.е. возможности его псевдоожижения, слой основания дорожной одежды формируют из сыпучих каменистых материалов с гидрофобной поверхностью по ширине проезжей части дороги, но не менее ее половины с двух сторон от обочин по направлениям движения автомобилей.
По сути, описанные технические решения образуют собой системную группу изобретений, направленных на обеспечение эксплуатационной надежности системы слоев дорожной одежды.
Реализация изобретения на системном уровне формирования структуры дорожной одежды для достижения технического результата состоит в наделении основания дорожной одежды гидрофобными свойствами и размещениие отдельно переходного несущего слоя из эластичного водонепроницаемого материала между слоем дорожного покрытия и основанием дорожной одежды (фиг. 1). Для этого верхний слой земляного полотна 1 тщательно уплотняют и на нем устраивают дорожную одежду. Вначале на него укладывают при необходимости дополнительный слой основания 2, который может быть дренирующим, противозаливающим, морозозащитным. А далее устраивают основание 3 как несущую часть дорожной одежды из сыпучих каменистых материалов с гидрофобной поверхностью, получаемой путем обработки их, например, асидолом или олеиновой кислотой. Затем на поверхность основания дорожной одежды укладывают переходный несущий слой 4 из эластичного водонепроницаемого материала с характеристиками в зависимости от категории дорог. Завершающим звеном в формировании дорожной одежды является то, что на переходный несущий слой 4 укладывают слой из асфальтобетонной смеси для образования дорожного покрытия 5 с последующим уплотнением его катками.
В этом случае осуществимость и эффективность предлагаемого технического решения просто и наглядно подтверждена физическим моделированием методом аналогии, состоящим в том, что на плоский сосуд с водой h=10 мм помещалась пластмассовая губка (размеры: l×b×h=40×40×30 мм) с предварительной пропиткой ее верхнего слоя растительным маслом на толщину l=3 мм, а сверху она накрывалась листом бумаги с размещением на нем слоя поваренной соли. Далее при периодическом нажатии сверху на губку через слой соли вода с плоского сосуда по капиллярам губки заполняла весь ее объем до поверхности масляного слоя в ней, а соль на нем оставалась сухой. При этом следует отметить, что при моделировании воплощения технического решения методом аналогии происходила структурная замена одного слоя дорожной одежды на другой в следующем порядке: влажная почва земляного полотна на плоский сосуд с водой; пористая структура основания дорожной одежды на губку с пористой структурой; гидрофобная поверхность основания из сыпучего каменистого материала на поверхность масляного слоя губки; переходный слой дорожной одежды из эластичного материала на лист бумаги; асфальтобетонное дорожное покрытие на слой поваренной соли.
Достоинством предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности автомобильных дорог и улиц с асфальтобетонным покрытием, достигаемое, в частности, путем: избежания псевдоожижения основания дорожной одежды и, как следствие, сохранения его несущей способности; исключения образования дефектов на дорожном покрытии глубиной более, чем его толщина, за счет применения переходного несущего слоя из эластичного водонепроницаемого материала, что, в случае необходимости, значительно упрощает ремонт дорог.
Источники информации
1. Сильянов В.В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог и городских улиц: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.В. Сильянов, Э.Р. Домке. - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2009, - 352 с.
2. Политехнический словарь, гл. ред. И.И. Артоболевский. - М.: Советская Энциклопедия, 1976.
3. Патент РФ на изобретение №2351561 С2, МПК С04В 26/26, C08L 95/00. - Опубл. 10.04.2009. Бюл. №10.
4. Патент РФ на изобретение №2479524 С2, МПК С04В 26/26, C08L 95/00. - Опубл. 20.04.2013. Бюл. №11.