Aрмирование асфальтовых покрытий геосинтетическими материалами
Статья подготовлена сотрудниками "АРЕАН-Геосинтетикс"
Асфальтобетон является основным материалом в верхнем покрытии автомобильных дорог. В процессе эксплуатации в новом асфальтобетонном покрытии могут начать появляться трещины, вызванные трещинами в старых поврежденных слоях асфальтобетона.
Необходимо проанализировать природу образования трещин, чтобы устранить их.
Условно все трещины, возникающие в асфальтобетонном покрытии, могут быть разделены на группы:
- Трещины, вызванные в нижнем слое асфальта в результате температурных напряжений или нагрузок от движения в сочетании с уже существующими трещинами от сжатия в цементной основе покрытия или резкими переходами между различными типами оснований.
Трещины могут возникать на поверхности также в случае быстрого охлаждения верхнего покрытия, создавая большой температурный перепад в толщине покрытия.
- Усталостные трещины, появляющиеся при многократном приложении нагрузки в процессе эксплуатации дороги, вследствие старения асфальтового вяжущего и повышения его хрупкости.
Когда конструктивный вклад асфальтового покрытия в упругие свойства общей конструкции уменьшается, это приводит к увеличению нагрузки на основу и основание дорожной одежды. Это может привести к локальной усталости основания дорожного покрытия, которая становится причиной увеличения напряжений и деформаций в уже ослабленном асфальтовом покрытии.
- Деформативные трещины, связанные со значительными деформациями слоев основания в местах, где нарушена его однородность, или обусловленные деформациями морозного пучения, достигшими опасных для асфальтобетонного покрытия величин.
Возникновение деформативных трещин связано с сдвиговыми усилиями, вертикальными деформациями морозного пучения. Такого рода трещины возникают при уширении проезжей части, над траншеями с инженерными коммуникациями и в местах стыковки различных конструкций оснований.
- Трещины, возникшие в результате растягивающих усилий в нижних слоях покрытия, в местах изгиба (см. рис.2)
Асфальтобетон является основным материалом в верхнем покрытии автомобильных дорог. В процессе эксплуатации в новом асфальтобетонном покрытии могут начать появляться трещины, вызванные трещинами в старых поврежденных слоях асфальтобетона.
Необходимо проанализировать природу образования трещин, чтобы устранить их.
Условно все трещины, возникающие в асфальтобетонном покрытии, могут быть разделены на группы:
- Трещины, вызванные в нижнем слое асфальта в результате температурных напряжений или нагрузок от движения в сочетании с уже существующими трещинами от сжатия в цементной основе покрытия или резкими переходами между различными типами оснований.
Трещины могут возникать на поверхности также в случае быстрого охлаждения верхнего покрытия, создавая большой температурный перепад в толщине покрытия.
- Усталостные трещины, появляющиеся при многократном приложении нагрузки в процессе эксплуатации дороги, вследствие старения асфальтового вяжущего и повышения его хрупкости.
Когда конструктивный вклад асфальтового покрытия в упругие свойства общей конструкции уменьшается, это приводит к увеличению нагрузки на основу и основание дорожной одежды. Это может привести к локальной усталости основания дорожного покрытия, которая становится причиной увеличения напряжений и деформаций в уже ослабленном асфальтовом покрытии.
- Деформативные трещины, связанные со значительными деформациями слоев основания в местах, где нарушена его однородность, или обусловленные деформациями морозного пучения, достигшими опасных для асфальтобетонного покрытия величин.
Возникновение деформативных трещин связано с сдвиговыми усилиями, вертикальными деформациями морозного пучения. Такого рода трещины возникают при уширении проезжей части, над траншеями с инженерными коммуникациями и в местах стыковки различных конструкций оснований.
- Трещины, возникшие в результате растягивающих усилий в нижних слоях покрытия, в местах изгиба (см. рис.2)
Рис.2. Механизм работы асфальтобетонного покрытия на растяжение при изгибе:
а) до образования трещин; б) после образования трещин
Трещина распространяется от нижней растянутой зоны, причем в зоне трещины асфальтобетон не воспринимает растягивающих напряжений, что равнозначно уменьшению толщины слоя асфальтобетона (см.рис.2). При повторных приложениях нагрузки толщина слоя, воспринимающая нагрузку уменьшается, причем скорость развития трещины с течением времени увеличивается.
Отраженные трещины, копирующие швы и трещины существующего покрытия при усилении его слоями асфальтобетона.
Механизм образования отраженных связан со значительными как горизонтальными, так и вертикальными перемещениями нижележащих более жестких слоев. Возможным методом ограничения распространения трещин в новом асфальтовом покрытии может быть применение геосинтетических покрытий между старым и новым асфальтом. Возможными функциями этих покрытий являются:
Рассмотрим несколько способов армирования асфальтобетона гибкими материалами.
1.Армирование нетканым геотекстилем.
На существующем покрытии используется около 1кг/м2 битума перед раскатыванием геотекстиля.
Первичная функция геотекстиля - сдвиговое покрытие. Деформации в местах трещин не передаются к новому покрытию. Однако они распределяются по зоне, в которой имеет место сдвиг. Отражение трещин замедляется и конечным результатом является не появление одной трещины, а нескольких маленьких.
Применение сдвигового покрытия будет значительно уменьшать конструктивный вклад верхнего покрытия. Возникновение отраженных трещин может быть предотвращено в течение всего времени существования сдвигового покрытия
Укрепление асфальта возможно только материалами с модулем упругости и деформацией большими, чем у асфальта.
Более того, функция армирования нетканых материалов может не выполняться особенно в зонах высоких растягивающих напряжений, вызванных температурой и влагой, по отношению к сжатию и расширению.
Из-за структуры нетканого сплошного материала, нетканые материалы могут действовать как гидроизоляция, когда они пропитаны битумом. Но это свойство имеет относительное значение. Нет уверенности в том, что в течение длительного времени большие протяженные трещины будут постоянно защищены от воды.
2. Армирование тканым геотекстилем.
Если тканый геотекстиль достаточно пропитан битумом и его текстура достаточно открытая, позволяя битуму проникать через ткань, тканый геотекстиль может использоваться в тех же случаях, что и нетканый. Первичной функцией армирования является образование сдвиговых покрытий между старым асфальтом и новым. Кроме того, оно может выполнять роль гидроизоляции. Если текстура тканого геотекстиля является плотной, битум и смесь не могут обеспечивать достаточную связь между старым и новым асфальтом. Отрицательным эффектом может быть образование колей и неровностей.
3. Армирование стеклосектками.
Если говорить о сетках из стеклянных волокон, то, учитывая очень высокий модуль упругости эти сетки должны быть многообещающими. Исследования показали, что в некоторых случаях могут быть получены очень хорошие результаты, а в других случаях связь между стеклянными волокнами и асфальтом проблематична. Так же выявлено, что стеклянные волокна меньше выдерживают цикличность нагрузок. В результате, исследование участков, армированных стеклосетками, выявило присутствие белого стеклянного порошка. Армирование асфальтобетона в зонах многоцикличной смены нагрузки и температуры должно быть изучено.
4. Добавление волокон в асфальт.
Стеклянные, синтетические или стальные волокна могут быть добавлены в асфальт на стадии смешивания. Это является более современным развитием в этой области, и немногие еще знают об этом. Они могут распределять некоторую нагрузку в направлении длины и локально уменьшать пиковые напряжения.
5. Армирование георешетками.
Георешетки могут в действительности увеличить структурную прочность асфальтового покрытия армированием, если несколько важных условий выполняется:
Армирование может увеличивать прочность на растяжение, так и напряжение разрыва. В дополнение к этому горизонтальные деформации (напряжения) распределяются на большую зону. Пиковые напряжения в асфальте уменьшаются, и, таким образом, возможность распространения трещин также уменьшается. Открытые материалы (решетки и сетки) обеспечивают взаимопроникновение и поэтому лучше обеспечивают связь между старым и новым асфальтом без значительной потери прочности на сдвиг по сравнению со сплошными геотекстилями.
Гибкие полиэстерные решетки имеют долгую историю. Они начали применяться с 70-х годов. Лабораторные тесты показали, что максимальное напряжение, так и деформация при разрыве увеличиваются при применении полиэстерных решеток. Другие тесты показали, что соотношение числа нагрузочных циклов, до момента возникновения трещины, для неармированного асфальта, асфальта с применением нетканого материала (сдвиговое покрытие) и асфальта, укрепленного полиэстерной решеткой приблизительно равно 1:2:4. Это подтверждено практическими испытаниями, которые показали, что частота ремонта дороги в среднем была в 4 раза меньше с секциями, укрепленными полиэстерной решеткой по сравнению с неармированными секциями.
Из этой серии материалов достойна внимания гибкая рулонная полиэстерная геосетка HaTelit, обладающая высокой прочностью на растяжение и низкими деформационными показателями, химической и биологической устойчивостью, а также хорошей адгезией с битумом/
Геосетка HaTelit выполняет две функции :
- повышает упругие свойства асфальтобетона, увеличивая сопротивляемость растягивающим усилиям при длительных и многократных нагрузках;
- увеличивает распределяющую способность асфальтобетона, что способствует уменьшению концентрации напряжений, их выравниванию и, в результате, замедляется процесс образования трещин.
Армирование асфальтобетонного покрытия синтетическими рулонными геосетками типа HaTelit предупреждает и устраняет так же образование колей. Обширный практический опыт, исследования и сравнительные испытания конструкций с HaTelit-ом и без него явились основанием для его дальнейшего применения.
Другие известные решетки изготовлены из полипропилена. Эти решетки достаточно жестки. Они защищены от высокой температуры асфальта. Поскольку полипропилен имеет высокую величину ползучести, ожидается, что укрепление этими решетками будет менее эффективным в случае напряжений и деформаций, вызванных температурой и более эффективно в случае напряжений, вызванных движением с динамическим характером.
Литература:
1. Geotextiles and geomembranes in civil engineering.Ed. by Gerard.P.T. van Santvoort. A.A. Balkema /Rotterdam/Brookfield/.
2. Merkblat fur die Fnwendung von Geotextilien und Geogittern im Erdbau des Strabenbaus. Forschungsgesellschaft fur Straben-und Verkehrswesen. Ausgabe.1994.
3. P. A. J. C. Kunst. R. Kirschner. Investigations on the effectiveness of synthetic asphalt reinforcements.
4. J..M. Rigo , R. Degeimbre and Francken. Published by E & FN Spon, 2-6 Boundary Row, London SEI 8HN, ISBN 0419 182209, 1993 RILEM.
5. Netherlands Pavement Consultants (1990) «Results of three-point bending tests on HaTelit-reinforced asphalt concrete beams», project No.91431,Hoevelaken, the Netherlands, Unpubblished.
6. Molenaar, A.A.A. (1983) «Structural performance and design of flexible pavements and asphalt concrete overlays», Dissertationatthe Delft University of Technology.
7. Environmental applications, Geosynthetics testing and related research. Fifth International Conference on geotextiles, geomembranes and related products. SINGAPORE, 5-9 September, 1994.
8. Nunn, M.E. (1989). An investigation of reflection cracking in composite pavements in the United Kingdom. Proceeding of the Conference on Reflective Cracking in Pavements, Liege.
а) до образования трещин; б) после образования трещин
Трещина распространяется от нижней растянутой зоны, причем в зоне трещины асфальтобетон не воспринимает растягивающих напряжений, что равнозначно уменьшению толщины слоя асфальтобетона (см.рис.2). При повторных приложениях нагрузки толщина слоя, воспринимающая нагрузку уменьшается, причем скорость развития трещины с течением времени увеличивается.
Отраженные трещины, копирующие швы и трещины существующего покрытия при усилении его слоями асфальтобетона.
Механизм образования отраженных связан со значительными как горизонтальными, так и вертикальными перемещениями нижележащих более жестких слоев. Возможным методом ограничения распространения трещин в новом асфальтовом покрытии может быть применение геосинтетических покрытий между старым и новым асфальтом. Возможными функциями этих покрытий являются:
- устранение или поглощение напряжений в асфальте с помощью сдвигового покрытия;
- образование барьера для воды, защищая старый асфальт и основу дорожного покрытия от проникновения воды через вновь образующиеся трещины в верхнем покрытии;
- увеличение структурной прочности асфальтового покрытия армированием.
Рассмотрим несколько способов армирования асфальтобетона гибкими материалами.
1.Армирование нетканым геотекстилем.
На существующем покрытии используется около 1кг/м2 битума перед раскатыванием геотекстиля.
Первичная функция геотекстиля - сдвиговое покрытие. Деформации в местах трещин не передаются к новому покрытию. Однако они распределяются по зоне, в которой имеет место сдвиг. Отражение трещин замедляется и конечным результатом является не появление одной трещины, а нескольких маленьких.
Применение сдвигового покрытия будет значительно уменьшать конструктивный вклад верхнего покрытия. Возникновение отраженных трещин может быть предотвращено в течение всего времени существования сдвигового покрытия
Укрепление асфальта возможно только материалами с модулем упругости и деформацией большими, чем у асфальта.
Более того, функция армирования нетканых материалов может не выполняться особенно в зонах высоких растягивающих напряжений, вызванных температурой и влагой, по отношению к сжатию и расширению.
Из-за структуры нетканого сплошного материала, нетканые материалы могут действовать как гидроизоляция, когда они пропитаны битумом. Но это свойство имеет относительное значение. Нет уверенности в том, что в течение длительного времени большие протяженные трещины будут постоянно защищены от воды.
2. Армирование тканым геотекстилем.
Если тканый геотекстиль достаточно пропитан битумом и его текстура достаточно открытая, позволяя битуму проникать через ткань, тканый геотекстиль может использоваться в тех же случаях, что и нетканый. Первичной функцией армирования является образование сдвиговых покрытий между старым асфальтом и новым. Кроме того, оно может выполнять роль гидроизоляции. Если текстура тканого геотекстиля является плотной, битум и смесь не могут обеспечивать достаточную связь между старым и новым асфальтом. Отрицательным эффектом может быть образование колей и неровностей.
3. Армирование стеклосектками.
Если говорить о сетках из стеклянных волокон, то, учитывая очень высокий модуль упругости эти сетки должны быть многообещающими. Исследования показали, что в некоторых случаях могут быть получены очень хорошие результаты, а в других случаях связь между стеклянными волокнами и асфальтом проблематична. Так же выявлено, что стеклянные волокна меньше выдерживают цикличность нагрузок. В результате, исследование участков, армированных стеклосетками, выявило присутствие белого стеклянного порошка. Армирование асфальтобетона в зонах многоцикличной смены нагрузки и температуры должно быть изучено.
4. Добавление волокон в асфальт.
Стеклянные, синтетические или стальные волокна могут быть добавлены в асфальт на стадии смешивания. Это является более современным развитием в этой области, и немногие еще знают об этом. Они могут распределять некоторую нагрузку в направлении длины и локально уменьшать пиковые напряжения.
5. Армирование георешетками.
Георешетки могут в действительности увеличить структурную прочность асфальтового покрытия армированием, если несколько важных условий выполняется:
- модуль упругости решетки должен быть больше, чем модуль асфальта;
- размер ячейки должен быть достаточным для проникновения смеси хорошего сцепления между старым и новым асфальтом для того, чтобы минимизировать потери прочности на сдвиг на стыке старого и нового. Если решетка будут обеспечивать хорошую связь, то она будет функционировать как сдвиговое покрытие и в этом случае армирующий эффект должен быть минимальным;
- связь между решеткой и асфальтом должна быть хорошей для того, чтобы иметь хорошую передачу напряжений растяжения между асфальтом и решеткой (битумным покрытием на решетке);
- материал основы решетки должен иметь достаточную устойчивость по отношению к температуре асфальта во времени укладки без потери основных свойств; в противном случае дополнительные меры должны быть приняты для предотвращения непосредственного контакта между асфальтовым покрытием и решеткой;
- ползучесть материала основы решетки должны быть маленькой, особенно в случае высоких растягивающих напряжений, вызванных температурой и влагой, по отношению к растяжению и сжатию.
Армирование может увеличивать прочность на растяжение, так и напряжение разрыва. В дополнение к этому горизонтальные деформации (напряжения) распределяются на большую зону. Пиковые напряжения в асфальте уменьшаются, и, таким образом, возможность распространения трещин также уменьшается. Открытые материалы (решетки и сетки) обеспечивают взаимопроникновение и поэтому лучше обеспечивают связь между старым и новым асфальтом без значительной потери прочности на сдвиг по сравнению со сплошными геотекстилями.
Гибкие полиэстерные решетки имеют долгую историю. Они начали применяться с 70-х годов. Лабораторные тесты показали, что максимальное напряжение, так и деформация при разрыве увеличиваются при применении полиэстерных решеток. Другие тесты показали, что соотношение числа нагрузочных циклов, до момента возникновения трещины, для неармированного асфальта, асфальта с применением нетканого материала (сдвиговое покрытие) и асфальта, укрепленного полиэстерной решеткой приблизительно равно 1:2:4. Это подтверждено практическими испытаниями, которые показали, что частота ремонта дороги в среднем была в 4 раза меньше с секциями, укрепленными полиэстерной решеткой по сравнению с неармированными секциями.
Из этой серии материалов достойна внимания гибкая рулонная полиэстерная геосетка HaTelit, обладающая высокой прочностью на растяжение и низкими деформационными показателями, химической и биологической устойчивостью, а также хорошей адгезией с битумом/
Геосетка HaTelit выполняет две функции :
- повышает упругие свойства асфальтобетона, увеличивая сопротивляемость растягивающим усилиям при длительных и многократных нагрузках;
- увеличивает распределяющую способность асфальтобетона, что способствует уменьшению концентрации напряжений, их выравниванию и, в результате, замедляется процесс образования трещин.
Армирование асфальтобетонного покрытия синтетическими рулонными геосетками типа HaTelit предупреждает и устраняет так же образование колей. Обширный практический опыт, исследования и сравнительные испытания конструкций с HaTelit-ом и без него явились основанием для его дальнейшего применения.
Другие известные решетки изготовлены из полипропилена. Эти решетки достаточно жестки. Они защищены от высокой температуры асфальта. Поскольку полипропилен имеет высокую величину ползучести, ожидается, что укрепление этими решетками будет менее эффективным в случае напряжений и деформаций, вызванных температурой и более эффективно в случае напряжений, вызванных движением с динамическим характером.
Литература:
1. Geotextiles and geomembranes in civil engineering.Ed. by Gerard.P.T. van Santvoort. A.A. Balkema /Rotterdam/Brookfield/.
2. Merkblat fur die Fnwendung von Geotextilien und Geogittern im Erdbau des Strabenbaus. Forschungsgesellschaft fur Straben-und Verkehrswesen. Ausgabe.1994.
3. P. A. J. C. Kunst. R. Kirschner. Investigations on the effectiveness of synthetic asphalt reinforcements.
4. J..M. Rigo , R. Degeimbre and Francken. Published by E & FN Spon, 2-6 Boundary Row, London SEI 8HN, ISBN 0419 182209, 1993 RILEM.
5. Netherlands Pavement Consultants (1990) «Results of three-point bending tests on HaTelit-reinforced asphalt concrete beams», project No.91431,Hoevelaken, the Netherlands, Unpubblished.
6. Molenaar, A.A.A. (1983) «Structural performance and design of flexible pavements and asphalt concrete overlays», Dissertationatthe Delft University of Technology.
7. Environmental applications, Geosynthetics testing and related research. Fifth International Conference on geotextiles, geomembranes and related products. SINGAPORE, 5-9 September, 1994.
8. Nunn, M.E. (1989). An investigation of reflection cracking in composite pavements in the United Kingdom. Proceeding of the Conference on Reflective Cracking in Pavements, Liege.
