ПОДВЕСНАЯ ВАКУУМНАЯ КАМЕРА ДЛЯ ДОРОЖНОГО КАТКА
SUSPENDED VACUUM CHAMBER FOR ROAD ROLLER

Изобретение 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, совместно образующие корпус. При этом поршень связан с приводом подъема камеры. 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. Нарушение сплошности покрытия, не доведенное до его разрушения (отрыва от основания), 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 для дорожного катка, включающая корпус, снабженный по периметру уплотнением, полость которого связана с источником разрежения, выполнен в виде плоской плиты, а источник разрежения образован совокупностью прямых воздушных клапанов, расположенных на плите и связывающих полость камеры с наружным пространством, и вибрационного механизма возвратно-поступательного движения, соединяющего плиту и раму катка. При этом вибрационный механизм выполнен в виде электромагнитного двигателя, якорь которого связан с плитой, а статор - с рамой катка. Решению поставленной задачи способствует и то, что в полости камеры установлен, по меньшей мере, один уплотняющий брус, равный ширине плиты и смонтированный на ней перпендикулярно направлению движения катка и выполненный, например, из термостойкой резины с твердостью от 50 до 80 единиц по Шору.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение подвесной вакуумной камеры для дорожного катка усовершенствованной конструкции.
Подвесная вакуумная камера для дорожного катка содержит плиту 1, снабженную по всему периметру уплотнением 2, выполненным из упруго-эластичного материала, совместно образующих внутреннюю полость 3. На плите 1 смонтированы воздушные прямые клапаны 4, сообщающие полость 3 с наружным пространством. Плита 1 связана с рамой 5 дорожного катка с помощью вибрационного механизма, выполненного в виде электромагнитного двигателя возвратно-поступательного движения, якорь 6 которого непосредственно соединен с плитой 1, а статор 7 через шарнирный параллелограмм 8 - с рамой 5. Шарнирный параллелограмм 8 и связанный с ним пневмоцилиндр 9, замкнутый на раму 5, образуют механизм подъема вакуумной камеры в транспортное положение А. В полости 3 на нижней плоскости плиты 1 по всей ее ширине установлены пара уплотняющих брусьев 10, смонтированных перпендикулярно направлению движению катка. Брусья 10 выполнены из термостойкой резины с исходной твердостью от 50 до 80 единиц по Шору. Высота брусьев 10 зависит от амплитуды колебаний, задаваемых плите 1 вибрационным механизмом. В любом случае она (высота) не должна выходить за пределы полости 1, ограниченной суммарной высотой плиты и уплотнения.
Работает вакуумная камера 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 некотором перераспределении 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, опирающейся в рабочем положении Б уплотнением 2 на поверхность сформированного асфальтобетонного слоя. Для этого в работу включают электромагнитный двигатель, якорь 6 которого начинает совершать возвратно-поступательные перемещения с определенной амплитудой. При движении плиты 1 вниз в полости 3 камеры начинает возрастать давление, под действием которого открываются прямые клапаны 4 и происходит окончательный сброс этого избыточного давления в нижнем крайнем положении за счет выхода наружу части воздуха. При движении плиты 1 вверх клапаны 4 автоматически закрываются, и давление в полости 3 падает ниже атмосферного, т.е. имеет место разрежение. Последнее побуждает воздух, защемленный в порах асфальтобетонного слоя и из окружающего камеру пространства, перемещаться в полость 3, создавая в материале напряжение растяжения, способствующее его рыхлению, тем более что прочность асфальтобетона при температуре его укладки является крайне низкой. 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 так же, 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 имеющую 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. Наличие брусьев 10 обеспечивает дополнительную деформацию асфальтобетона, его ворошение, что приводит к повышению эффективности удаления защемленного воздуха, формированию новых связей между частицами, в конечном итоге, способствуя более качественному уплотнению асфальтобетонной смеси.