Чем армировать асфальт?
О.Киселев, И.Ладыженский
Этот вопрос совсем не праздный, поскольку основная масса автодорог и улиц покрыта асфальтобетоном, а его зачастую плачевное состояние и быстрое, в течение нескольких лет, разрушение нового покрытия знакомо каждому, кто движется на своих или муниципальных колесах.
Срок службы асфальтобетона зависит как от качества основания, на которое он уложен, так и от свойств, присущих самой природе асфальтобетонного покрытия.
Асфальтобетонные покрытия, обладающие хорошей сопротивляемостью кратковременным нагрузкам, имеют невысокую прочность на растяжение при изгибе и недостаточную распределяющую способность при многократном приложении нагрузки. Поэтому возникающие в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия усталостные и отраженные трещины, интенсивно развиваясь, приводят к его преждевременному разрушению.
Уже давно во всем мире, а последнее время и в России повышают срок службы асфальтобетонного покрытия путем его армирования геосетками. На нашем рынке появились геосетки из стекловолокна, полиэстера, из базальтовых волокон и ряд других. Наша страна, как всегда, игнорируя огромный опыт применения различных геосеток для армирования асфальтобетона, накопленный за рубежом, идет тернистым путем познания преимуществ и недостатков применения различных геосеток, затрачивая на это материальные, людские ресурсы и время. Так, например, общеизвестно, что температура горячих асфальтобетонных смесей при укладке достигает 180 град. С, однако делаются попытки применения для армирования асфальтобетона из таких смесей геосеток из полипропилена, имеющего температуру плавления 160 град. С. В тоже время известно, что полиэстерное волокно имеет температуру плавления 255 град. С и сетки из него с успехом применяется для армирования асфальтобетона во всем мире.
По результатам многочисленных лабораторных исследований и опыту эксплуатации к армирующим геосеткам сформулированы следующие требования /1/:
1. Модуль упругости армирующего материала должен быть больше модуля упругости асфальтобетона для того, чтобы воспринять растягивающие усилия аналогично тому, как это происходит в железобетоне.
2. Сцепление между асфальтом и армирующим материалом должно быть очень хорошим для того, чтобы распределить растягивающие напряжения в материале армирования в смежные участки асфальтобетонного покрытия.
При этом должны быть учтены два важных фактора, влияющие на прочность этого сцепления:
- разница между коэффициентами температурного расширения асфальтобетона и армирующего материала должна быть как можно меньше, так как при перепадах температур возникают вторичные локальные напряжения в месте их соединения, которые могут превысить предельные значения, и система перестанет работать как единое целое.
Примером может служить отличное поведение железобетона, где сталь и бетон имеют одинаковые коэффициенты температурного расширения;
- модуль упругости материала армирования не должен на несколько порядков превышать модуля упругости асфальтобетона. Это объясняется тем, что, являясь упруго-пластичным материалом, асфальтобетон под транспортной (динамической) нагрузкой ведет себя как упругий материал, воспринимает напряжения и перераспределяет нагрузку на большую площадь нижележащих слоев совместно с армирующим материалом. Если применить слишком жесткое армирование, основная часть растягивающих напряжений будет восприниматься именно им. Эти напряжения должны передаваться в слои асфальта через силы сцепления и потребовалась бы очень большая площадь заделки армирования в асфальт, чтобы напряжения не превысили сил сцепления армирования с асфальтом.
Ниже в таблице приведены характеристики некоторых материалов и готовых изделий:
|
Анализируя приведенные данные с изложенных выше позиций, можно понять, почему такие материалы, как стекло, сталь или базальт работают в паре с асфальтобетоном хуже, чем полиэстер.
Разница между модулями упругости стекловолокна, стали, базальта, с одной стороны, и асфальтобетона — с другой, вызывают проблемы с прочностью сцепления между ними. Армирование упомянутыми материалами было бы возможно, если бы армирующий материал простирался на всю ширину проезжей части и по ее краям было бы обеспечено достаточное их закрепление. В противном случае армирование будет просто выдернуто из асфальтобетона.
Имеются примеры применения стеклосеток для армирования асфальтобетона при недостаточной длине заделки сетки в асфальтобетон. Допускаемые силы сцепления между сеткой и асфальтобетоном оказываются превышенными, происходит расслоение между сеткой и асфальтобетоном, и под влиянием динамических транспортных нагрузок появляются относительные перемещения между сеткой и асфальтом, которые приводят к полному разрушению стеклянных волокон. Это было выяснено при взятии кернов /2/, когда от стеклосетки остался «только белый порошок» после нескольких лет эксплуатации.
На материал армирования не должны влиять динамические нагрузки от движущихся транспортных средств, иначе армирование будет плохо работать в долговременной перспективе. Проведенные исследования /3,4/ показали, что стеклосетки плохо переносят динамические нагрузки. Разрывное усилие испытанных стеклосеток упало до 20-30% от первоначального значения после 1000 циклов нагружения, и ни одна из них не выдержала 5000 циклов нагружения.
Масштабные натурные исследования армирующей сетки из стекловолокна /5/ показали неутешительные результаты при различных условиях. На двух различных участках дорог исследовалось поведение асфальтобетона, армированного стеклосеткой, и неармированного, в течение четырех лет.
На первом участке «...покрытие, армированное стеклосеткой, имело гораздо больше трещин на проезжей части, чем неармированное...».
На втором участке «...окончательный осмотр показал отсутствие трещин в переходной зоне как армированного, так и неармированного покрытия. В то же время стеклосетка не предотвратила появления трещин в зоне пересечения со старыми железнодорожными путями».
Общее заключение по проведенным исследованиям следующее: «Основываясь на результатах проведенного исследования не рекомендуется использовать стеклосетку в качестве трещинопрерывающего армирования».
Наиболее ответственно относятся к выбору армирования асфальтобетонных покрытий в России службы, ответственные за состояние взлетно-посадочных полос аэродромов с асфальтобетонным покрытием. Ведь выбоины в асфальте на проезжей части заставляют водителей снижать скорость и лишь иногда ведут к повреждению подвески автомобиля. Нарушение же целостности асфальтобетона на взлетно-посадочной полосе - прямой путь к катастрофе с человеческими жертвами.
В информационном письме «Санкт-Петербургского центра сертификации аэропортов» /6/ приведены следующие данные: «В настоящее время Федеральной Авиационной службы России допущена к применению армирующая сетка типа Хателит....Данный тип сетки имеет длительный положительный опыт эксплуатации как на зарубежных, так и отечественных аэродромах, подтверждающий ее высокие технико-экономические показатели:
- значительное снижение толщины асфальтобетона;
- повышение его трещиностойкости в 3 раза и более;
- увеличение ресурса покрытия и снижение эксплуатационных затрат на его содержание.
Применение же армирующих сеток из стекловолокна...не дало положительного эффекта в силу их невысоких физико-механических характеристик и неспособности эффективно препятствовать развитию трещин в асфальтобетоне.
В настоящее время разработаны новые отечественные армирующие сетки из стекловолокна, ... однако, несмотря на некоторое улучшение их характеристик по сравнению с ранее выпускавшимися отечественными сетками, их эффективность и долговечность значительно ниже, чем у полиэстерных сеток типа Хателит....»
Ниже приведены выдержки из «Заключения об эффективности применения геосинтетических сеток для армирования аэродромных асфальтобетонных покрытий» /7/.
«...наиболее эффективными геосетками ... являются сетки Хателит С ... по следующим показателям:
1. Армирующие нити сеток выполнены из полиэстера и по сравнению с нитями из стекловолокна хорошо воспринимают не только напряжения в горизонтальной плоскости..., но и напряжения от вертикальных многократных вертикальных нагрузок....Нити из полиэстера устойчивы к воздействию от вертикальных напряжений и деформаций. Нити из стекла...не воспринимают вертикальные деформации и напряжения. Образец армирующей нити из стекла, зажатый в пальцах рук...разрывается при вертикальном перемещении пальцев.
2. Сетка Хателит С уже в заводских условиях обработана битумом, что обеспечивает хорошее сцепление с асфальтобетоном покрытия...
3. Геосетка Хателит С...является композиционной сеткой. Помимо армирующих нитей сетки имеют геотекстильную основу, что обеспечивает при укладке проектное положение сетки без дополнительных операций. Однако геотекстиль в Хателит С выбран таким образом, что при уплотнении он легко продавливается щебенкой асфальтобетонной смеси и растворяется от воздействия высокой температуры асфальтобетона, что обеспечивает нажежное заанкеривание полиэстеровой сетки в асфальтобетоне и обеспечивает совместную с асфальтобетоном работу в конструкции.
4. Как показали исследования, размеры ячейки армирующих сеток должны быть равны удвоенному размеру наибольшей фракции щебня. Для мелкозернистого асфальтобетона...оптимальный размер ячейки сетки 40 х 40 мм. Это размеры ячейки геосетки Хателит С.
Сетка Хателит С сертифицирована в России. Разработано и утверждено ФАС РФ «Руководство по проектированию и строительству покрытий с применением сеток Хателит».
Наиболее характерный ... результат достигнут в Алма-Ате (Казахстан). После двух зим на покрытии не появилось ни одной трещины. В то время как на покрытии ВПП в аэропорту Астана (Казахстан) после укладки в октябре 1998 г. асфальтобетона, армированного стеклосетками, уже в ноябре при наступлении отрицательных температур появились отраженные трещины.
Лабораторные исследования вырубок из асфальтобетона, армированного сеткой Хателит С, показали высокую степень сцепления сетки с асфальтобетоном. В то время как вырубки из асфальтобетона, армированного отечественными стеклосетками с ячейкой 25 х 25 мм, сделанные и испытанные в аэропорту Ханты-Мансийск, показали расслоение слоев по сетке, отсутствие адгезии и заанкеривания сетки в асфальтобетоне».
В работе /8/ приведены лабораторные данные сравнительных испытаний образцов асфальтобетона, армированного сеткой из базальтовых волокон и Хателитом С. При статическом изгибе прочность образца, армированного Хателитом С, в 1,4 раза выше прочности образца, армированного базальтовой сеткой. Модуль упругости образца с Хателитом С как минимум в 2 раза выше, чем образца с базальтовой сеткой.
При динамических испытаниях образцов на изгиб при максимальных значениях растягивающих напряжений, равных 10 МПа, количество циклов до разрушения у образца с Хателитом С в 13 раз выше, чем у образца с базальтовой сеткой.
В информационном письме фирмы Huesker Synthetic /9/ приведены результаты сравнительных испытаний базальтовой сетки и Хателита С по определению коэффициента механических повреждений при укладке и уплотнении асфальтобетона. Допустимый коэффициент механических повреждений регламентирован в зависимости от размеров щебня и должен находиться в пределах 1,15 — 1,20. Обе сетки проверялись на прочность до, а затем после укладки между слоями щебня фракции 5/15 толщиной 10 см и моделирования 3 и 5 проходов катка. Результаты испытаний показали, что при трехкратном прохождении уплотняющего катка базальтовая сетка потеряла почти 50 % прочности (Хателит С — 10 %), а при 5 проходах — 60 % (Хателит С — 13 %). Таким образом, очевидна тенденция потери базальтовой сеткой своей прочности, снижения способности к деформациям и разрушения при увеличении количества циклов уплотнения или просто проходов тяжелого автотранспорта при дорожных работах. Для сравнения, у Хателита С коэффициент механических повреждений даже при 5-ти кратном уплотнении оставался в пределах допустимого — не превышал 1,15.
Исследования на сдвигоустойчивость показали, что для керна с Хателитом С она равна 34 кН/м (вследствие хорошей битумной пропитки, оплавления и уплотнения нетканого материала, нанесенного на сетку), а для керна с базальтовой сеткой сдвигоустойчивость составила 6 кН/м при минимально допускаемой величине 15 кН/м.
Кроме того, расход 70% битумной эмульсии при укладке сетки Хателит С составляет 0,3 — 0,5 л/м2, а при укладке сетки из базальта — 1,0 — 1,2 л/м2.
Дабы не утомлять читателя дальнейшими аргументами, скажем только, что по признанию большинства специалистов геосетка Хателит С не имеет себе равных в качестве армирования асфальтобетона.
Ознакомиться с характеристиками геосетки, технологией ее укладки, получить техническую консультацию можно в фирме «АРЕАН-Геосинтетикс», являющейся единственным официальным представителем фирмы Huesker Synthetics в Северо-Западном регионе России.
Литература:
1. 1993 RILEM Conference Proceedings "Reflective Cracking in pavements", p.187 — 192, "Investigations on the Effectiveness of Synthetic Asphalt Reinforcements", Kunst, Kirschner.
2. 1995 Jurgensen letter, an experienced German asphalt reinforcement installer.
3. 1994 Conference Proceedings of Fifth International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products (Singapore), p.1169 — 1172, "Finnish Georeinforcement Research and Development Project", Friberg, Lahtinen, Slunga, Suni.
4. 1992 Research Project Georeinforcement Part B: Laboratory Tesing of Reinforcements, Helsinki University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Surveyinng.
5. Crack-Reduction, pavement-Reinforcement, Glasgrid, Colorado Department of Transportation, Report No. CDOT-DTD-R-93-6 (1993).
6. Санкт-Петербургский Центр Сертификации Аэропортов, информационное письмо № 15 от 11.08.98 г.
7. Государственный Проектно-Изыскательский и Научно-Исследовательский Институт Гражданской Авиации «Аэропроект», Москва, Заключение об Эффективности Применения Геосинтетических Сеток для Армирования Аэродромных Асфальтобетонных Покрытий, исх.№ 1.21-529 от 22.05.2000 г.
8. Мiнiстерство Освiти та Науки Украiны, Нацiональный Транспортний Унiверситет, Кафедра Дорожньо-Будiвельних Матерiалiв i Хiмii, Технологiчный Регламент Використання Сiтки Hatelit 40/17 C для Армування Асфальтобетону..., Киiв, 2001 р.
9. HUESKER Synthetic GmbH & Co. KG, информационное письмо от 20.02.2001 г.
