ПОДВЕСНАЯ ВАКУУМНАЯ КАМЕРА ДЛЯ ДОРОЖНОГО КАТКА

Полезная модель относится к области дорожного строительства и может быть наиболее эффективно использовано при сооружении верхнего слоя дорожного покрытия, выполненного из горячей асфальтобетонной смеси.
Известен способ уплотнения дорожного покрытия, выполненного из горячей асфальтобетонной смеси, состоящий в ее укатке механическим двухвальцовым катком [Гезенцвей Л.Б., Дорожный асфальтобетон, М, Транспорт, 1967, с.322-324].
Существующая технология уплотнения горячих асфальтобетонных смесей, уложенных слоем в дорожное покрытие звеном дорожных катков, выражается в пассивном силовом воздействии на слой уплотняемого материала. Вне зависимости от того, какой тип рабочего органа воздействует на уплотняемый материал: жесткий металлический валец или пневматическое колесо, вибрационный валец или трамбующий брус асфальтоукладчика - все они передают на уплотняемый слой односторонне направленную нагрузку.
Известна конструкция самоходного дорожного катка, снабженного вакуумной камерой, выполняющей функцию балластного устройства, т.е. обеспечивающего изменение нагрузки на вальцы в процессе уплотнения горячей асфальтобетонной смеси. Балластное устройство, в целом, представляет собой сочетание вакуумной камеры со средством создания в ней разрежения и с приводом ее подъема. Собственно камера выполнена в виде цилиндрической обечайки, в которой свободно размещен поршень, связанный с приводом подъема. Свободный торец обечайки снабжен уплотнением, в рабочем состоянии взаимодействующим с покрытием, а другой торец соединен с поршнем посредством сильфона [Авторское свидетельство №859526, кл. Е01С 19/26].
Основным недостатком описанной выше конструкции вакуумной камеры является ее конструктивная сложность, выражающаяся в том, что, во-первых она состоит из трех взаимноподвижных деталей (обечайка, поршень, сильфон), во-вторых средство создания разрежения расположено на раме катка и сообщается с полостью камеры с помощью гибкого трубопровода, в-третьих, связь поршня камеры с рамой катка выполнена в виде гидропривода, замкнутого на гидравлическую систему катка. Кроме того, как показала практика эксплуатации подобных камер, надежность ее работы вызывает нарекания со стороны строителей, так как требует очень четкого согласования величины создаваемого разрежения с температурой уплотняемой горячей асфальтобетонной смеси, как известно, обладающей при высоких температурах низкой прочностью. Рассогласование указанных величин приводит к тому, что слой асфальтобетона, находящийся в пределах обечайки камеры, растягиваясь в направлении движения потока воздуха, отрывается от основания и стоит больших затрат восстановить нарушенное покрытие. Это обстоятельство, как показали проведенные авторами исследования, может быть весьма полезно использовано для повышения качества уплотнения горячей асфальтобетонной смеси и способно придать вакуумной камере новые полезные свойства при устранении указанных выше ее недостатков.
Суть сказанного выше заключается в том, что асфальтобетонные смеси и асфальтобетон относятся к коагуляционным системам. Выбор оптимальных технологических параметров процессов структурообразования таких систем должен осуществляться в соответствии с основным требованием коагуляционного структурообразования, т.е. предельному разрушению структуры на каждой стадии ее образования. Другими словами, эффект технологического воздействия на смесь тем выше, чем больше при этом разрушено связей, а значит и меньше сопротивление дисперсной системы изменению формы или размера.
Применение традиционных уплотняющих машин (дорожных катков) ведет к изменению структуры асфальтобетона, сближению его частиц и агрегатов, что выражается в увеличении числа контактов зерен заполнителя и деформировании битумных пленок в местах контактов, защемлении и сжатии пузырьков воздуха в структуре материала. Все это приводит к росту внутреннего сопротивления материала внешнему силовому воздействию. Это обстоятельство обусловливает возникновение и накопление в материале остаточных напряжений, которые достигают 20-30% от первоначально действующих нагрузок со стороны рабочих органов уплотняющих машин.
Существующая технология уплотнения не предусматривает возможности активного вмешательства в процесс структурообразования асфальтобетона, снижения в нем остаточных напряжений, регулирования величины и направления силового воздействия, т.е. создания условий, ускоряющих этот процесс. На необходимость снижения внутреннего сопротивления при уплотнении указано во многих научно-исследовательских работах. При этом существующая технология характеризуется применением традиционных уплотняющих машин - дорожных катков, что связано с необходимостью многократного приложения нагрузки для получения требуемой структуры и плотности асфальтобетона, а это, в конечном итоге, выражается в низкой производительности и росте стоимости работ.
В свете вышесказанного, вакуумная камера позволяет использовать, так называемый, девиаторный характер нагружения, который заключается в приложении к уплотняемому катками асфальтобетону дополнительного силового воздействия неравного в трех взаимоперпендикулярных направлениях (рыхление). Это обстоятельство обусловливает максимальное воздействие по разрушению первоначально сформировавшихся коагуляционных связей в структуре уплотняемого материала и ведет к снижению остаточных напряжений. Это способствует ускоренному развитию и накоплению остаточных деформаций, формированию более плотной, чем прежде, структуры материала под действием последующих уплотняющих нагрузок от вальцов катка. Таким образом, имеет место сочетание двух антагонистических действий - рыхления и уплотнения, в конечном итоге, приводящих к значительному повышению качества сооружаемого покрытия.
Таким образом, задачей полезной модели является упрощение конструкции вакуумной камеры и обеспечение возможности ее использования в качестве технологического средства ускоряющего процесс структурообразования уплотняемого материала, а, следовательно, способствующего повышению производительности работ и снижению их стоимости.
Поставленная задача осуществляется за счет того, что подвесная вакуумная камера выполнена в виде емкости, открытой частью обращенной к покрытию, торец которой снабжен уплотнением, а полость сообщена с источником разрежения. При этом емкость выполнена в виде корыта, опирающегося на расположенную внутри него тележку с опорами качения и несущего на своем днище автономный источник разрежения. Тележка со стороны покрытия снабжена ограничителем деформации покрытия, выполненным в виде перфорированного листа. Камера связана с рамой катка с помощью пары струбцин, соединенных с днищем корыта посредством шарнирного параллелограмма.
На прилагаемых к описанию чертежах даны две проекции общего вида подвесной вакуумной камеры (фиг.1 и 2) и поперечное сечение Б-Б собственно камеры (фиг.3).
Подвесная вакуумная камера включает корыто 1, на торце 2 которого смонтировано уплотнение 3. Корыто 1 подвешивается к раме катка 4 с помощью пары струбцин 5, каждая из которых представляет собой трубу 6, в концевых полостях которой установлены и закреплены с помощью сварки бобышки 7 с буртами 8. Вместе с рычагами 9 бобышки 7 образуют полноповоротный шарнир. Свободные концы рычагов несут винты 10, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения. На концах винтов 10 установлены упоры 11, снабженные резиновыми прокладками 12. Струбцины 5 установлены параллельно друг другу и предназначены для закрепления вакуумной камеры на раме 4 катка. Трубы 6 обеих струбцин связаны между собой посредством пластин 13, образуя раму, к которой с помощью пары шарнирных параллелограммов 14 за днище 15 подвешено корыто 1. которое в рабочем положении опирается на тележку, расположенную внутри. Тележка содержит опоры качения 16, выполненные в виде цилиндров, связанных между собой продольными пластинами 17 и швеллерами 18, на которые опирается корыто 1. В средней части корыта 1 установлен автономный источник разрежения, выполненный в виде вентилятора 19. К нижней полке швеллеров 18 прикреплен ограничитель деформации покрытия в виде перфорированного листа 20.
Монтируется вакуумная камера к дорожному катку следующим образом.
За счет шарнирных параллелограммов 14 струбцины 5 лежат на коробе 1. В таком положении вакуумная камера подводится под раму 4 катка и устанавливается строго по полосе укатки, т.е. не выходя за габариты, ограниченные шириной вальцов. Затем струбцины 5 приподнимаются практически до упора труб 6 в раму 4 и рычаги 9 поворотом на бобышках 7 выводятся вверх (см. фиг.1). Винтами 10 упоры 11 доводятся до контакта со стенками рамы 4 катка, после чего осуществляется силовая затяжка винтов и окончательное закрепление струбцин на катке. Корыто 1 свободно опирается через ролики 16 на поверхность формируемого покрытия. Перфорированный лист 20 располагается на расстоянии 2-3 мм от опорной поверхности.
Работает вакуумная камера предлагаемой конструкции следующим образом.
После первого проезда переднего вальца катка по выложенному слою происходит традиционное уплотнение асфальтобетонной смеси, что приводит к формированию структуры асфальтобетона, выражающееся в увеличении его плотности, снижении пористости и некоторым перераспределением битумного вяжущего. Это состояние структуры характерно до момента начала рыхления асфальтобетона, т.е. создания разрежения над поверхностью сооружаемого покрытия, что достигается с помощью вакуумной камеры путем включения в работу вентилятора 19, работающего на отсос воздуха из полости корыта 1. Процесс натекания воздуха в вакуумную камеру через слой горячей асфальтобетонной смеси происходит в соответствии с законами течения жидкостей и газа через пористые среды. Поток воздуха принципиально изменяет процессы формирования пористой структуры и взаимодействия с минеральным заполнителем.
На начальном этапе уплотнения асфальтобетонная смесь имеет высокую температуру, незначительную вязкость вяжущего (битум) и высокую пористость. Процесс натекания воздуха в вакуумную камеру начинается сначала по каналам открытых пор. Малая прочность смеси приводит к увеличению объема уложенного слоя в направлении движения потока воздуха или, иначе говоря, к его разрыхлению. Как следствие, открытые каналы объединяются и увеличиваются, пронизывая снизу вверх весь слой формируемого асфальтобетонного покрытия, находящегося в этот момент под камерой, размеры которой не должны быть больше ширины полосы укатки. Давление воздуха в этих каналах, также как и в вакуумной камере, меньше атмосферного. Поэтому воздушные пузырьки замкнутых пор, расположенные между зернами заполнителя, а также в углублениях и трещинах на поверхности самих зерен, начинают перемещаться в сторону меньшего давления. При этом, прорывая битумные пленки горячего вяжущего, окружающего их, они вливаются в русла каналов образованных движением воздушного потока, способствуя тем самым удалению из этих мест защемленного воздуха.
Полное или частичное удаление пузырьков воздуха с поверхности зерен заполнителя нарушает равновесие сил трех фаз газообразной, жидкой и твердой. Это способствует процессу перераспределения битума на зернах, увеличению его адсорбции в местах ранее недоступных: в разломах, углублениях и трещинах. Дальнейшее проникновение в них вяжущего происходит под действием поверхностных сил натяжения, что, в конечном итоге, приводит к увеличению площади смачивания зерен заполнителя жидкой фазой. Битумные пленки, при этом, становятся тоньше, а напряженное состояние слоя снижается, как за счет удаления газа из замкнутых пор, так и снижения напряжения в битумных пленках, что дает возможность осуществить относительную сдвижку агрегатов и отдельных зерен материала с меньшими силовыми затратами. Появляется возможность совершения угловых поворотов отдельных плоских зерен заполнителя, которые под действием потока воздуха ориентируются в направлении этого потока, т.е. вертикально, чем увеличивают сопротивление асфальтобетона сдвиговым эксплуатационным нагрузкам от движущихся автомобилей
Таким образом, разрыхление уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси путем разрежения формирует структуру материала, характеризующуюся более высокой открытой пористостью и имеющей большие потенциальные возможности для последующего его уплотнения задним (по ходу движения) вальцом катка. Уплотняющее воздействие заднего вальца достигает максимального эффекта, поскольку удалять воздух из открытых пор легче, чем из закрытых, а напряженное состояние в слое снижено до минимума за счет разрушения связей предыдущей сформированной коагуляционной структуры.