Трещины и разломы на асфальте: причины их появления и ремонт

Если рассматривать систему дорожных покрытий в качестве живого организма, то трещины на асфальте будут выполнять роль очагов инфекции, которая без должного “лечения” начнет потихоньку подтачивать весь организм и истощать все больше его ресурсов. Как известно, дороги относятся к “горячей” тройке самых актуальных российских проблем. Ее источник в 90% случаев кроется в плохом обслуживании, некачественном и несвоевременном ремонте. Как говорят в народе “Скупой платит дважды”. Так и получается, что в погоне за экономией залатанные по десять раз, словно сума бедняка, дороги разрушаются, и в конечном счете все равно требуются ремонт трещин в асфальтовом покрытии, который обходится гораздо дороже, чем частичный, но сделанный вовремя. Поговорим более подробно о причинах возникновения трещин и о том, как делать ремонт трещин в асфальте.

Виды трещин

Трещины бывают трех видов:

• продольные,
• поперечные,
• сетчатые.

Последние возникают из-за воздействия агрессивных условий среды. Такой низкий уровень защиты покрытия от непогоды обычно вызван длительной эксплуатацией асфальта и его “старением”. “Старый” асфальт покрывается ими точно так же, как кожа человека в возрасте морщинками.

Зачастую продольные трещинки не возникают по одной, они быстро находят себе “пару” и распространяются по поверхности, подобно заразе.

Довольно часто такая паутинка образуется на приусадебных участках и в заасфальтированных дворах частных домов. Здесь причина совершенно иная: на асфальт не возлагаются необходимые для поддержания его “упругости” нагрузки. Соответственно покрытие без эксплуатации начинает в прямом смысле этого слова “дряхлеть”. Возникновение продольных трещин, как правило, вызвано нарушениями технологии изготовления верхнего слоя асфальтобетонной смеси или же его неправильной заливкой.

Постоянные перепады температур только усугубляют ситуацию и превращают огрехи ремонтников в настоящую катастрофу. Крупная сеть из причудливых переплетений продольных и поперечных трещинок возникает из-за совокупности негативных факторов. Краевые прямые или серповидные трещины вдоль обочины возникают из-за отслоения определенной части асфальта. Причиной может быть и движение грунта, и усадка, и неправильный ремонт, при котором новое покрытие было уложено с ошибками.

Совет: чтобы избежать такой “асфальтной болезни” нужно использовать только качественные материалы и учитывать все нюансы процесса укладки покрытия.

Ремонт трещин на асфальтобетонных покрытиях.

Работы выполняются весной или осенью (значительное раскрытие) и летом-ранним утром, в сухую погоду при t0 >50 , при сухом покрытии.

Если очистка трещин от пыли и грязи производится или завершается продувкой горячим воздухом, то отпадает операция по обмазке трещины битумом (подгрунтовкой), поскольку стенки трещины покрываются расплавленным битумом, имеющимся в асфальтобетоне (рис.в). При ремонте в сухую, тёплую погоду отпадает необходимость высушивания трещины (рис с). При ремонте трещин методом поверхностной обработки исключаются операции по очистке трещин, высушиванию, обмазке и засыпке песком или каменной мелочью (рис. d и е).

Для выполнения работ по ремонту трещин широко применяют различные виды оборудования, которое размещают и монтируют на специальной дорожно-ремонтной машине (дорожный ремонтёр).

Очистка трещин от пыли и грязи — это первая, очень важная рабочая операция по ремонту трещин. Простейший способ выполнения этой операции состоит в прочистке трещин металлическими крючьями с продувкой сжатым воздухом.Лучший результат достигается, когда перед прочисткой трещину увлажняют, прочищают металлическими крючьями или щётками, а затем просушивают сжатым воздухом.

Трещины шириной от 5 до 50 мм прочищают механическими щётками, имеющими диски (с металлическим ворсом) разного диаметра и толщины (в зависимости от ширины) или вручную металлическими крючьями; продувают, подсушивают и разогревают струёй горячего сжатого воздуха.

Высокое качество разделки трещин достигается путем прорези канавок на глубину до 5 см и ширину до 3 см фрезой или дисковой пилой с последующим удалением пыли, грязи и смазочных материалов из трещин. В результате получается чистая, правильно оформленная прорезь одной ширины с вертикальными чистыми стенками, что существенно облегчает выполнение всех последующих операций по заделке трещин и повышает качество работ.

В наборах оборудования для ремонта трещин их очистка производится горячим сжатым воздухом. Воздух от компрессора под давлением по шлангу поступает в газоструйный (бензовоздушный) термоинструмент. Горячая бензовоздушная смесь узконаправленной струёй вырывается из горелки со сверхзвуковой скоростью и благодаря высокой температуре сгорания режет одно- и двухслойные асфальтобетонные покрытия. Одновременно разрез очищается от мелкого мусора, пыли и продуктов разрушения асфальтобетона. Кромки разреза или трещины при этом оплавляются, что способствует лучшему сцеплению асфальтобетона с мастикой, заливаемой в трещину.

При продувке трещины без разогрева перед нанесением мастики желательно обработать её растворителем (или синтетическим клеем на основе толуола). Заливка трещин должна производиться немедленно после очистки. В зависимости от ширины трещин для их заполнения могут быть использованы различные материалы. Узкие трещины шириной до 3-5 мм после очистки промазывают жидким битумом, а затем с помощью заливщика трещин заполняют жидким или вязким разжиженным битумом или битумом СГ 130/120, МГ 200/300, БНД 200/300, нагретым до рабочей температуры 160-170°С. После заполнения битумом трещины присыпают песком.

Тонкие «молодые» трещины заделывают также нанесением разогретой полимербитумной мастики в виде ленты, препятствующей выкрашиванию покрытия у кромок трещины. Мастику разглаживают специальным нагреваемым утюжком (башмаком) и посыпают фракционированным песком. Покрытие в зоне трещины предварительно подсушивают нагретой струёй сжатого воздуха.

Средние и широкие трещины шириной до 3 см после очистки обрабатывают жидким битумом по норме 0,1-0,15 л/м2 с помощью распылителя или краскопульта и, используя раздаточный пистолет заливщика швов, заполняют резинобитумной мастикой, нагретой до 150-170°С. После этого присыпают поверхность сухим нагретым песком или каменной мелочью. Работу выполняют захватками длиной 100-200 м.

В состав мастикидля заливки швов входит вязкий битум, минеральный порошок, резиновая крошка и асбест коротковолокнистый, который может быть заменен синтетическими волокнами .

Средние и широкие трещины могут быть заполнены также полимербитумными вяжущими, эмульсионно-минеральной смесью, песчаной асфальтобетонной смесью или полимербетонной смесью. Очень широкие трещины более 3 см заделывают мелкозернистой асфальтобетонной смесью, предварительно смазав стенки трещины разжиженным битумом. После заполнения асфальтобетонной смесью уплотняют катками массой 5-6 т. Трещины шириной 50 мм и более оконтуривают нарезчиком швов или отбойными молотками на всю толщину покрытия, выбирают разрушенный материал, укладывают послойно мастичнощебёночную смесь и присыпают песком.

Если трещину разделывают не на всю глубину, то во избежание появления отражённой трещины перед герметизацией на дно канавки в трещину укладывают специальный уплотнительный шнур, слой битуминизированного песка или слой резиновой крошки.

Для упрощения технологии заделки трещин и повышения качества этих работ применяют мастики с твердыми наполнителями, которые отличаются повышенной механической прочностью и тепловой устойчивостью, что позволяет увеличить срок службы покрытий после обработки в 2-2,5 раза. Применение мастик с твёрдым наполнителем дает возможность отказаться от посыпки залитой трещины песком или высевками.

Имеется опыт заполнения широких трещин щебнем с пропиткой битумом и заклеиванием полосами из стекловолокна, которое заливают сверху битумом, а также опыт заклеивания заполненной трещины специальной битумной лентой, которая разогревается на месте укладки газовой горелки.

Трещины с разрушенными краями разделывают, вырубая асфальтобетон полосой 10-15 см с каждой стороны деформированного слоя. Разделанные трещины заделывают так же, как и выбоины.

При наличии на покрытии сплошной сетки трещин на небольших участках их перекрывают поверхностной обработкой. Сплошную сетку трещин, возникшую из-за неустойчивости основания, ремонтируют как и места пониженной прочности — вырубкой основания и устройством новой поверхностной обработки.

Для ремонта трещин выпускаются специальные комплекты машин и оборудования (см. видиосюжет).

Заделка трещин геотекстильными лентами.

Для закрепления ремонтного материала можно заклеить трещину геотекстильным материалом шириной ленты 8-12 см.По разлитому битуму немедленно укладывают заранее заготовленную геотекстильную ленту, сматывая ее с бухты, установленной на ручной тележке. Ленту накладывают на битум и прижимают к нему прижимным валиком. Происходит приклеивание ленты к битуму.

Ремонт трещин и предупреждение образования выбоин путем устройства местной поверхностной обработки. Подавляющее число выбоин образуется в результате развития трещин, а также мест шелушения и выкрашивания щебёнок из покрытия.

Наиболее целесообразно применение этой технологии для ремонта мелких трещин на ранней стадии их развития, что позволяет предупредить образование крупных трещин и выбоин, т.е. практически избежать необходимости ямочного ремонта. Таким образом, создаются основы стратегии профилактического предупредительного ремонта.

Что становится причиной образования трещин в асфальте

Причина возникновения подобного дефекта может крыться в ошибке, допущенной на любом из этапов строительства дороги. Причем, чем раньше в процессе была допущена оплошность, тем сложнее будет локально устранить ее последствия.

1. Неправильно проведенная геологическая разведка. Перед прокладкой дороги местность обязательно изучается геологами. Особое внимание уделяется грунту и его характеристикам. Неправильная подготовка грунта приведет к движению и усадке. Соответственно дорога будет “ходить” под ногами, а такого ни один асфальт не выдержит и хорошо, если дело ограничится только трещинами.
2. Неправильно заложенное основание. Второй этап строительства после разведки и проектирования тоже может привести к катастрофическим последствиям. Если был выбран неверный уклон или неправильно уплотнено основание, покрытие после недолгой эксплуатации обязательно осядет. Главная проблема такой ошибки заключается в том, что даже после замены старого потрескавшегося верхнего слоя на новый, никто не даст гарантии, что его не будет ждать такая же печальная участь.
3. Несоблюдение условий укладки верхнего слоя. Асфальтобетонная смесь обязательно должна быть определенной температуры, если речь конечно не идет о так называемом “холодном асфальте”. Если температура смеси опустилась ниже планки в 120 градусов, то она уже априори считается бракованной и применять ее нельзя. Поддерживаться температурный режим должен в специальных “баках” техники для перевозки АБС. Они по устройству напоминают обычные бытовые термосы. При этом должна учитываться и температура окружающей среды: в холодное время года лучше обходиться “холодным” асфальтобетоном. Он не только лучше “ляжет”, но и убережет основное покрытие от резкого перепада температур. В противном случае такая заплатка станет источником целой сетки трещин впоследствии. Плохо подготовленное основание тоже окажет негативное воздействие на дальнейшую судьбу такого покрытия. Нельзя укладывать асфальт в дождь. Вода в данном случае является злейшим врагом дорожных покрытий.
4. Нарушения технологии “приготовления” АБС также скажутся на ее качестве. Все ее составляющие обязательно должны быть подготовлены должным образом: песок и щебень тщательно промыты, а битум и минеральные порошки подобраны должным образом. Сырье низкого качества естественно тоже не может стать основой для прочного и долговечного материала.
5. Замерзание воды в “порах” асфальта. Горячее асфальтобетонное покрытие, которое используется в 90% отечественных дорог, имеет пористую структуру. При застое воды с последующим снижением температуры до нуля, вода в забитых порах замерзает. Всем известно, что расстояние между молекулами воды увеличивается и давление, с которым она ищет себе “свободное пространство” колоссально и способно разорвать даже металлические трубы или каменные глыбы. Асфальт естественно такой нагрузки не выдерживает.

Совет: в большинстве случаев образования трещин виноват человеческий фактор. Однако хотя у природы и нет плохой погоды, иногда именно климатические условия становятся причиной такой плачевной ситуации. И даже здесь довольно часто дорожное покрытие просто не рассчитано на такое агрессивное поведение окружающей среды, хотя его и можно “укрепить” и защитить должным образом при строительстве дороги.

РУП «Белстройцентр»

В статье проанализированы причины возникновения трещин в дорожных покрытиях. Отмечены исследования ученых по разработке критериев трещиностойкости дорожных покрытий и соответствующих показателей устойчивости асфальтобетона к образованию трещин. Выбор правильного критерия предопределяет успех мероприятий по обеспечению трещиностойкости покрытия.

The reasons of the appearance of cracks in road pavements have been analyzed in the article. The studies of scientists on development of pavement crack resistance criteria and corresponding parameters of asphalt concrete stability to crack formation have been noted. A choice of the correct criterion predetermines progress in measures on preventing crack formation in road pavements.

ВВЕДЕНИЕ

Повреждения дорожных покрытий в процессе эксплуатации значительно уменьшают их срок службы. Так, вместо заложенных 15–20 лет наиболее распространенные на территории республики асфальтобетонные покрытия выходят из строя через 6–8 лет. Из-за отсутствия достаточного количества средств работы по ремонту откладываются на неопределенный срок. В результате площадь повреждений может достигать до 60 %–80 % от общей площади покрытия [1].

К основным видам разрушений асфальтобетонных покрытий в зависимости от характера, местоположения и величины относятся трещины, выбоины, заплаты, колейность, выкрашивание, шелушение, разрушение кромок [2]. Наиболее характерным видом разрушений являются трещины. Основные причины их образования – воздействие погодно-климатических факторов, транспортных нагрузок, изменение свойств материалов со временем (рис. 1).

Дорожные одежды не могут быть абсолютно трещиностойкими. Однако применение эффективных методов борьбы с трещинообразованием позволило бы увеличить сроки службы покрытий, снизить затраты на их содержание и ремонт за счет повышения устойчивости слоев к появляющимся трещинам.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТРЕЩИН

Многие ученые, как в нашей стране – В. А. Веренько, В. Н. Яромко, В. П. Крюков; в России – А. М. Богуславский, Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, В. Д. Казарновский, В. А. Кретов, А. Р. Красноперов, В. Н. Кононов, Б. С. Радовский, А. В. Руденский, Ю. Е. Никольский, так и за рубежом – Д. Соуса, П. Пэрис, Д. Кокс, Р. Ву, К. Моносмит, Ф. Зоу, Р. Литтон, В. Когейл, – проводили исследования по изучению процессов трещинообразования. Большая работа проделана как по совершенствованию составов асфальтобетонов, так и по разработке конструктивно-технологических мероприятий для снижения трещинообразования.

Основными причинами разрушений покрытия в виде трещин являются: воздействие транспортных нагрузок, перепады температур от положительных к отрицательным, низкие отрицательные температуры, трещины и швы в нижележащих слоях, различие теплофизических свойств материалов слоев смежных покрытий, неравномерное уплотнение земляного полотна и слоев дорожной одежды, образование пучин, сопровождающееся возникновением сетки трещин в дорожной одежде.

В зависимости от природы трещинообразование приобретает различные формы:

– отраженные трещины (рис. 2а): возникают в результате концентрации напряжений в асфальтобетоне над швами и трещинами основания при перемещениях плит и блоков основания;

– температурные трещины (рис. 2б): образуются за счет возникновения температурных напряжений при охлаждении покрытия, как правило, по истечении нескольких лет вследствие старения битума, из-за чего асфальтобетон теряет свою деформационную способность при отрицательной температуре;

– силовые трещины (рис. 2в): образуются за счет возникновения напряжений от действия транспортной нагрузки при недостаточной несущей способности основания и (или) при недостаточной прочности асфальтобетона на изгиб;

– технологические трещины (рис. 2г): возникают в результате неправильного подбора состава асфальтобетонной смеси, нарушения технологии устройства слоев и уплотнения смеси, а также в местах продольных и поперечных сопряжений смежных полос асфальтобетонного покрытия;

– усталостные трещины: возникают преимущественно в виде поперечных трещин на нижней поверхности дорожного покрытия вследствие прогиба слоев дорожной одежды, затем в течение 6–12 лет в зависимости от интенсивности движения и климатических факторов прорастают на всю толщину дорожного покрытия; могут также развиваться от поверхности покрытия вниз.

Рис. 1. Виды деформаций нижележащего слоя покрытия,

способствующие отраженному трещинообразованию

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Виды трещин в дорожных покрытиях
В любом случае основное влияние на работу дорожных покрытий и непосредственно процесс образования трещин на них оказывают транспортные нагрузки и весь комплекс погодно-климатических условий. Под воздействием транспортной нагрузки асфальтобетонное покрытие работает на изгиб, максимальные растягивающие напряжения возникают в нижней зоне, а их величина зависит от толщины покрытия, соотношения модулей упругости покрытия и основания [3].

В летнее, частично осеннее и зимнее время года, когда грунт земляного полотна имеет высокую жесткость, а также в любой период для конструкций с основаниями повышенной жесткости, под действием транспорта на подошве монолитного слоя (z = 0) под центром отпечатка колеса, как и на поверхности слоя (z = h), возникают сжимающие горизонтальные нормальные напряжения (+sу) (у = 0; z = 0) (рис. 3). В весенний период, когда грунт земляного полотна переувлажнен, в нижней части покрытия (на подошве) возникают растягивающие напряжения (-sу) (у = 0; z = 0), причем поверхностные растягивающие напряжения (-sу) (у > у0 (z = h); z = h), как правило, значительно меньше. При этом на некотором расстоянии y0 (z = 0) появятся сжимающие горизонтальные нормальные напряжения (+sу) (y > y0 (z = 0); z = 0). В то же время на поверхности покрытия на расстоянии y > y0 (z = h) всегда возникают поверхностные горизонтальные нормальные растягивающие напряжения (-sу) (y > y0 (z = h); z = h) [4].

В результате могут образовываться силовые одиночные трещины с ответвлениями и искривлениями, расположенные под разными углами к оси проезжей части. Кроме того, действие транспортной нагрузки может вызвать появление отраженных трещин в верхнем слое покрытия вследствие вертикального сдвига нижнего асфальтобетонного слоя или цементобетонных плит, возникающего при переходе колеса с одного края трещины на другой (предполагается, что вертикальные смещения нарушают сплошность в нижележащих слоях) (рис. 4) [5].

Рис. 3. Схема прогиба покрытия при действии нагрузок от колеса

Рис. 4. Механизм отраженного трещинообразования

под действием транспортной нагрузки

К важным погодно-климатическим факторам, оказывающим влияние на работоспособность дорожных одежд, следует отнести температуру и влажность воздуха, солнечную радиацию, среднее количество осадков. Воздействие вышеперечисленных факторов может вызвать в асфальтобетонных покрытиях растяжение от несвободного сжатия при охлаждении, деформации от изменения влажности асфальтобетона при частом переходе температуры через 0 ?С, изгиб покрытий вследствие неравномерного поднятия при промерзании и пучении грунта земляного полотна, а также из-за невозможности искривления монолитного покрытия при разности температур вверху и внизу покрытия.

Рассматривая асфальтобетонные слои на цементобетонном основании, отметим, что суточные колебания температур вызывают не только горизонтальное перемещение в цементобетонном слое, они также являются причиной изгиба и коробления самой плиты, что создает сдвиговые и растягивающие напряжения в нижней части асфальтобетонного слоя над швом или трещиной (рис. 5) [6].

Рис. 5. Напряжения в асфальтобетонном слое покрытия на цементобетонном основании, вызванные суточными колебаниями температуры

Кроме температуры воздуха значительное воздействие на поверхность покрытия оказывает солнечная радиация. Эквивалентная температура нагрева покрытия солнечной радиацией с учетом запыленности воздуха определяется по формуле

(1)

где r – коэффициент поглощения;

I – интенсивность солнечной радиации;

ан – коэффициент теплоперехода;

Кз – коэффициент запыленности.

В результате суточного колебания температур, явления температурного расширения-сжатия, воздействия на дорожное покрытие солнечного излучения в покрытии возникают температурные и отраженные трещины. Температурные трещины образуются на всю ширину покрытия (поперечные) с четко выраженным шагом 2–25 м. Их появление вызывают растягивающие напряжения, возникающие, главным образом, при резких перепадах температуры воздуха: асфальтобетон становится хрупким, происходит неравномерное охлаждение конструктивных слоев дорожной одежды и несвободное сокращение покрытия при охлаждении.

Некоторые авторы в своих работах основной причиной появления отраженных трещин называют воздействие температурных колебаний, вызывающих концентрацию температурных напряжений в верхнем слое покрытия или усиления, в результате чего происходит нарушение сцепления между слоями, либо трещина отражается в вышележащий слой. В некоторых работах предполагается, что температурные напряжения инициируются быстрым охлаждением верхнего слоя, что приводит к возникновению критических растягивающих напряжений, вызывающих развитие трещин. Кроме того, есть мнения, что наиболее важное воздействие оказывает раскрытие трещин в результате изгиба конструкции дорожной одежды (рис. 6) [6, 7].

Рис. 6. Механизмы отраженного трещинообразования под действием температуры

Фактор наличия транспортной нагрузки оказывает неблагоприятное воздействие на дорожное покрытие в основном в весеннее время; факторы охлаждения покрытия – особенно сильно при резком понижении температуры, как правило, в начале зимы и начале весны. Следовательно, действие этих факторов совпадает по времени года. Однако максимальные растягивающие напряжения от движения возникают в нижней зоне покрытия, а от природных факторов – в верхней, что позволяет сделать предположение о том, что трещиностойкость по условиям движения не зависит от трещиностойкости по условиям воздействия природных факторов.

Что касается природных факторов, основным можно назвать растяжение асфальтобетона от несвободного сжатия при охлаждении. В этом случае трещиностойкость, по мнению Б. И. Ладыгина, обеспечивается только путем регулирования свойств асфальтобетона в соответствии с требованиями для соответствующих климатических условий.

ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Критерии температурной трещиностойкости, как эмпирические, так и экспериментально-теоретические, предложены А. М. Богуславским, Б. И. Ладыгиным, В. В. Мозговым, Б. С. Радовским. Большое внимание уделено этому вопросу в работах В. А. Веренько.

Ученые во всем мире придают значение различным факторам, оказывающим влияние на интенсивность трещинообразования. В европейских странах значительное внимание уделяется исследованиям реологических свойств дорожных битумов и полимерно-битумных вяжущих. В Японии большое значение придается анализу результатов натурных наблюдений за образованием трещин в процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий: установлено, что количество поперечных трещин зависит не только от климатических, транспортных и материаловедческих факторов, но и от конструкции дорожной одежды, в том числе от коэффициента трения асфальтобетона по подстилающему слою. Аналогичные подходы к оценке трещиностойкости можно найти и в многочисленных публикациях российских ученых [8].

В ходе анализа научных публикаций можно заметить, что при оценке трещиностойкости асфальтобетонных покрытий должен преобладать комплексный подход. Требуется одновременно учитывать особенности конструкции дорожной одежды, свойства материалов, градиенты распределения температур, внешние нагрузки и многие другие факторы. Поэтому задача разработки критериев трещиностойкости не является простой.

Доказано, что трещиностойкость асфальтобетонных покрытий зависит от реологических и прочностных свойств асфальтобетона, конструкции дорожной одежды, условий эксплуатации. В свою очередь, прочность асфальтобетона характеризуется ярко выраженной временной зависимостью, а интенсивность релаксационных процессов при деформировании и разрушении битумных материалов в значительной степени зависит от температуры и уровня действующих напряжений [9].

В общем случае устойчивость материала к появлению трещин различного вида определяется следующими его свойствами: теплофизическими (коэффициент линейного температурного расширения), деформационными (модуль релаксации при расчетной низкой температуре), прочностными (предельная структурная прочность) и усталостными (уровень повреждаемости материала покрытия) [10].

Тепловое расширение наиболее важно учитывать при оценке устойчивости материала к возникновению температурных трещин. Наиболее часто при оценке температурной трещиностойкости используют коэффициент линейного расширения a, град-1

(2)

где l0 – первоначальная длина образца, м;

Dl – удлинение образца при нагревании (охлаждении), м, на температуру DТ, оС.

Коэффициент a является наиболее важным при оценке напряженного состояния материала покрытия: чем выше его значения, тем больше нереализованная температурная деформация и выше напряжения. В случае, если коэффициент линейного расширения a равен нулю, проблема появления температурных трещин не возникает.

Согласно исследованиям, проведенным еще в 60-е годы прошлого века, А. М. Богуславским были установлены численные значения коэффициента линейного расширения в зависимости от типа асфальтобетонной смеси и марки вяжущего (таблица 1). Во всех случаях коэффициент линейного расширения основания принят равным 0,00001, градиент охлаждения (t1 — t2) = 10 град, время охлаждения – 3600 с [11].

Таблица 1. Значения коэффициента линейного расширения

Согласно ДМД 02191.9.005 [12], при определении структурной устойчивости асфальтобетона к трещинообразованию после испытания образцов вычисляют значение коэффициента линейного расширения по формуле (2), затем определяют показатель температурного напряжения асфальтобетона при охлаждении до температуры минус 20 оС по формуле

(3)

где at – коэффициент линейного расширения асфальтобетона;

m – коэффициент поперечного расширения асфальтобетона (принимается равным 0,1);

E – модуль упругости асфальтобетона;

Kr – коэффициент релаксации, зависящий от типа вяжущего и его вязкости; принимается: для битума БНД 60/90 – 1,15; для битума БНД 90/130 – 1,00; для битума БМА 100/130 – 0,70.

Выбор правильного критерия трещиностойкости асфальтобетона является одним из условий, предопределяющих успех мероприятий по обеспечению трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. По мнению Б. И. Ладыгина, ориентирование на критерий, не характеризующий действительные условия работы асфальтобетона, его действительное напряженное состояние, климатические особенности района строительства дороги, не позволит целенаправленно и эффективно повышать качество асфальтобетона.

Принятые в 60-е годы прошлого века эмпирические критерии трещиностойкости не являются выводом из теоретических соображений относительно структурно-механических свойств асфальтобетона и его напряженного состояния в дорожных покрытиях. Вот некоторые из таких «старых» критериев: прочность асфальтобетона на сжатие при температуре 0 оС не должна превышать 120 кг/см2 (ГОСТ 9128-67); прогиб балочки при температуре 0 оС должен быть не менее 30 мм, при температуре минус 15 оС – не менее 9 мм, а прочность на растяжение при температуре минус 15 оС должна превышать прочность при температуре 0 оС (С. О. Гордеев). Более обоснованы критерии оценки трещиностойкости, основанные на сопоставлении возникающих в покрытии деформаций или напряжений, вычисленных по различным зависимостям, с аналогичными предельными величинами для асфальтобетона [13].

А. М. Богуславским установлено влияние скорости охлаждения на величину прироста относительной деформации и предложена зависимость для определения возникающей в покрытии некоторой условной (ввиду того, что явления релаксации снижают не температурную деформацию, а температурные напряжения растяжения, вызываемые несвободным сжатием асфальтобетона при охлаждении) температурной деформации:

(4)

где a1, a2 – коэффициент температурного расширения при температуре q2 асфальтобетона и основания соответственно (0,00001);

q2, q1 – конечная и начальная температура охлаждения;

Е – модуль упругости;

u1 – скорость охлаждения от q1 до q2;

u0 = 0,4 град/ч – равновесная скорость охлаждения, при которой внутренние напряжения успевают релаксировать;

m – коэффициент Пуассона, зависит от вязкости битума.

По мнению Н. Н. Иванова, при резком охлаждении предельная по трещиностойкости температурная деформация будет равна:

(5)

где a1 – коэффициент температурного расширения покрытия;

(q1 — q2) – падение температуры за время, в течение которого не успевает произойти релаксация напряжений (например, 10 ч).

Рассчитанную по различным зависимостям температурную деформацию сопоставляют с предельно-допустимой остаточной деформацией асфальтобетона.

В. А. Веренько предложен материаловедческий критерий трещиностойкости (индекс трещиностойкости ИТ), отражающий способность материала дорожного покрытия сопротивляться появлению температурных трещин:

(6)

где R0 – прочность на раскалывание при температуре 0 ?С и скорости деформации 3 мм/мин;

RС – предельная максимальная структурная прочность.

В настоящее время общепризнано, что температурная трещиностойкость обеспечена, если возникающие при охлаждении покрытия растягивающие напряжения sТ с учетом релаксационной способности не превышают предела длительной прочности RДЛ:

(7)

Напряжения, возникающие в асфальтобетонном покрытии при охлаждении, изначально определялись по зависимостям для температурных напряжений упругих тел:

(8)

где a – коэффициент линейного температурного расширения;

(q1 — q2) – температурный интервал, в котором работает асфальтобетон в холодный период года;

m – коэффициент Пуассона (учитывался не всегда).

После обнаружения у асфальтобетона реологических свойств Н. Н. Иванов видоизменил выражение

(9)

где q – максимально возможное падение температуры за 1 ч.

Н. В. Горелышев получил новую зависимость, косвенно учитывающую явления релаксации:

(10)

где en – ползучесть асфальтобетона;

m – коэффициент пропорциональности.

Долговременная прочность асфальтобетона согласуется с гипотезой необратимости процесса разрушения, выраженной в принципе линейного суммирования повреждений. Так, критерий разрушения Бейли позволяет рассчитывать время службы асфальтобетонного покрытия до момента образования трещины методом конечных элементов (рис. 7).

Рис. 7. Блок-схема расчета времени до момента образования трещины

на асфальтобетонном покрытии

В соответствии с критерием Бейли для оценки трещиностойкости асфальтобетона необходимо знать совокупность величин растягивающих напряжений в покрытии и время их действия. Принято, что растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии возникают в результате действия транспортных нагрузок, от понижения температуры асфальтобетона, от температурного сокращения смежных плит более жесткого блочного основания, от коробления плит основания за счет градиента температуры по их толщине и от неравномерных просадок и вспучиваний основания.

Также известен подход Б. И. Ладыгина, получившего выражение для определения долговечности (срока службы) асфальтобетона по трещиностойкости Т в годах с учетом того, что в момент образования трещин величина вязкости асфальтобетона достигает вершины допускаемой вязкости по условиям трещиностойкости:

(11)

где [h] – предельное значение вязкости трещиностойкого асфальтобетона при расчетной низкой температуре;

hн – начальная вязкость асфальтобетона при той же температуре (вязкость в момент укладки);

nc – коэффициент старения асфальтобетона, выражает годовую интенсивность роста значения логарифма вязкости;

1,1 – коэффициент приведения начальной вязкости к условно начальной, соответствующей линейному изменению логарифма вязкости во времени.

Анализ большого количества научных публикаций и нормативной литературы позволяет сделать вывод о том, что существует множество подходов к оценке трещиностойкости дорожных покрытий. Однако влияние транспортной нагрузки, колебания температур, особенностей конструкции дорожной одежды в той или иной степени учитывается в показателе трещиностойкости, либо в комплексе учитывается влияние одновременно нескольких факторов.

Для комплексной оценки трещиностойкости, необходимо определить лабораторными методами температурно-временные зависимости прочности при растяжении (долговременную прочность), температурной деформации, модуля упругости и коэффициента температурной усадки асфальтобетона. Эти данные позволяют оценить время эксплуатации асфальтобетона до момента появления первой трещины в дорожном покрытии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Повреждения, возникающие в дорожных покрытиях в процессе эксплуатации, значительно уменьшают срок их службы. При этом трещины составляют 60 % от общего количества разрушений покрытий. Это свидетельствует об актуальности проблемы трещинообразования в дорожном строительстве и необходимости найти эффективные решения по повышению трещиностойкости покрытий и ликвидации уже образовавшихся трещин.

2 Большая работа проделана учеными как по совершенствованию составов асфальтобетонов, так и по разработке конструктивно-технологических мероприятий по снижению трещинообразования. Материаловедческий подход эффективен при предотвращении появления температурных трещин. Конструктивные решения направлены на борьбу с отраженным трещинообразованием, однако эти мероприятия являются временной мерой, способной замедлить развития отраженных трещин до 3–4 лет. Эффективного комплексного решения проблемы образования трещин на дорожных покрытиях, объединяющего в себе и материаловедческий подход, и конструктивно-технологический, на сегодняшний день нет.

3 С целью повышения сроков службы дорожных покрытий авторы считают целесообразным включить в расчет дорожных одежд в качестве одного из основных критерий трещиностойкости покрытия. Критерий трещиностойкости асфальтобетона должен характеризовать действительные условия работы материала, действительное его напряженное состояние, климатические особенности района прохождения автомобильной дороги, что позволит целенаправленно и эффективно повысить качество и устойчивость асфальтобетона к образованию трещин. Кроме того, немаловажно учитывать в этом показателе особенности конструкции дорожной одежды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Носов, В. П. Увеличение сроков службы дорожных одежд – стратегическая задача дорожной науки / В.П. Носов // Автомобильные дороги. – 2006. – № 12. – С. 81–86.

2. Леонович, И. И. Диагностика и управление качеством автомобильных дорог: учеб. пособие / И. И. Леонович, С. В. Богданович, И. В. Нестерович. – Минск: Новое знание, 2011. – 350 с.

3. Прочность и долговечность асфальтобетона / под ред. Б. И. Ладыгина. – Минск: Наука и техника, 1972. – 187 с.

4. Влияние поверхностных горизонтальных растягивающих напряжений на трещиностойкость асфальтобетонных слоев дорожной одежды с учетом распределения проездов колес по ширине проезжей части: тр. Одесской гос. академии стр-ва и архитектуры, вып. 37; Н. Г. Чаусов, М. Н. Бондарь, А. Н. Бесараб, В. Н. Параца. – Одесса, 2010.

5. Mukhtar, M. Interlayer Stress Absorbing Composite (ISAC) for Mitigating Reflection Cracking in Asphalt Concrete Overlays, Project IHR-533, Report No. UILU-ENG-96-2006, Illinois Cooperative Highway Research Program, Illinois Department of Transportation / М. Mukhtar, B. Dempsey. – 1996.

6. Nunn, M. An investigation of reflection cracking in composite pavements in the United Kingdom, Proceedings of 1st International RILEM Conference on Reflective Cracking in Pavements, Assessment and Control, Liege University, Belgium, Edited by J. M. Rigo et al., March 1989.

7. Lytton, R. L. Use of Geotextiles for Reinforcement and Strain Relief in Asphaltic Concrete. Geotextiles and Geomembranes / R. L. Lytton. – 1989. – Vol. 8. – Р. 217–237.

8. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытаний. Автомобильные дороги и мосты: обзорная информация «СоюздорНИИ», вып. 6. – М., 2005.

9. Волков, М. И. Дорожно-строительные материалы / М. И. Волков, И. М. Борщ, И. М. Грушко, И. В. Королев. – М.: Транспорт, 1975. – 527 с.

10. Веренько, В. А. Деформации и разрушения дорожных покрытий: причины и пути устранения / В. А. Веренько. – Минск: Беларуская Энцыклапедыя iмя П. Броўкi, 2008. – 304 с.

11. Богуславский, А. М. Основы реологии асфальтобетона / А. М. Богуславский, Л. А. Богуславский. – М.: Высшая школа, 1972. – 199 с.

12. Рекомендации по обеспечению структурной устойчивости асфальтобетона в условиях современных транспортных нагрузок: ДМД 02191.9.005-2008. – Введ. 01.02.2009. – Минск: Минтранс, 2009. – 12 с.

13. Метод количественной оценки температурной трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на основаниях со швами и трещинами: тр. ГП «РосдорНИИ», вып. 10; А. Кретов, В. Д. Казарновский, А. Р. Красноперов. – М., 2000.

Какими методами можно делать ремонт трещин в асфальтовом покрытии

Ямочный метод

Самый распространенный способ ремонта дорог с трещинами — ямочный. Перед тем как делать ремонт трещин в асфальтовом покрытии его подготавливают: очерчивают дефектные участки. Специальной фрезой куски асфальта вырезают, при этом важно затронуть не только верхний, но и нижние слои. Дно образовавшейся ямы тщательно зачищают от крошки, пыли и мусора. Затем ее заливают горячей эмульсией битума и сверху уже укладывают асфальтобетонную смесь. Далее участок утрамбовывают с помощью ручных виброплит.

Читать по теме: Строительство грунтовых дорог

Этот вид ремонта считается наиболее распространенным и дешевым. Недостаток технологии только в том, что ямочный ремонт не обеспечивает герметизацию покрытия.

Струйно-инъекционный метод

Этот метод отличается дешевизной, но он избирателен и подходит только для тех участков дороги, на которые не возлагаются сильные нагрузки. Трещины зачищаются с помощью специального аппарата, который нагнетает сжатый воздух. Затем внутренняя поверхность дефекта обрабатывается битумной эмульсией и засыпается щебнем. Щебень для закрепления тоже “пропитывается” эмульсией и трамбуется. Мера, конечно, оперативная и удобная, но рассматривается только в качестве временной, так как по истечении определенного периода трещины все равно дадут о себе знать.

Метод с использованием литого асфальтобетона

Этап подготовки покрытия к ремонтным работам точно такой же, как и для простого ямочного ремонта. Единственное отличие: при наличии рециклера снятый слой асфальта перерабатывается и используется вторично. Им засыпают яму, утрамбовывают и заливают сверху литой асфальтобетонной смесью. Утрамбовывать этот материал не нужно. Если ремонт выполняется на опасном участке дороги, для повышения сцепления заплаты с шинами ее сразу же присыпают черным щебнем и вдавливают его в покрытие.

Заливка трещин различными видами полимеров

Способ очень эффективен: очищенные трещины герметично заливаются специальным составом, который уже не пропустит воду и предотвратит дальнейшее разрушение покрытия, но такие материалы обычно дорогие, поэтому не каждая коммунальная контора может себе позволить такую роскошь.

Совет: любой из вышеперечисленных методов может временно или навсегда исправить огрехи верхнего слоя дорожного покрытия, но совершенно бессилен при ошибках закладки основания или дефектах грунта. Здесь поможет только полный ремонт дорожного покрытия с его заменой.

Технология и материалы для заделки трещин

Трещины в асфальтобетоне образуются по многим причинам, но одна из основных — замерзание и оттаивание влаги. Как показывает практика, даже небольшая трещина в зимний период может очень быстро развиться в выбоину, опасную для движения транспорта.

Важно проводить ликвидацию этих дефектов и перед началом теплого времени года. К трещинам можно отнести и стыки на границах карт, вырезанных для ямочного ремонта или для вырубок по контролю толщины и качества дорожной одежды. Кроме того, если на участке дороги планируется нанесение тонкого слоя или слоев износа, от устранения всех дефектов зависит качество и долговечность выполненного профилактического ремонта.

Основная причина появления трещин в асфальтобетоне — замерзание и оттаивание влаги.

Заделка трещин производится несколькими методами и использованием нескольких видов материалов, как правило, на основе битума.

Материалы, используемые для заделки трещин

Если говорить о трещинах, достигших критической величины, то их заделка проводится с обработкой кромок зарезанием. В этом случае применяются те же материалы, что и при ямочном ремонте — асфальтобетонные смеси (горячие, литые, холодные, смеси заполнителя и вяжущего). Обычные трещины ремонтируются заливкой.

В этом случае применяются:

• Битумы различных марок. Достоинство этого материала – небольшая стоимость и высокая прочность. Требуется нагрев материала до высокой температуры, а также качественное удаление влаги в полости трещины.
• Эмульсии (тоже, как правило, на основе битума). Не требуют разогрева до высоких температур. Имеют низкую вязкость и поэтому полностью заполняют полость трещины. Практически все эмульсии можно использовать даже на влажном асфальтобетоне.
• Герметики — обеспечивают наилучшую влагоизоляцию полости трещины. Незаменимы при ремонте ответственных покрытий (например, на мостах). Единственным недостатком этого материала является его высокая стоимость.

Кроме того, при заделке трещин используют чистый кварцевый песок или чаще песок из отсевов дробления для просыпки места устраненного дефекта. Таким образом, устраняется возможность налипания битума (герметика) на колеса машин и место ремонта защищается от чрезмерного нагревания в жаркую погоду.

Небольшие по размеру трещины ремонтируются способом заливки, при котором применяются битумы, эмульсии и герметики.

Технология заделки трещин

Технология заделки трещин значительно проще, чем ямочный ремонт, поэтому очень важно устранить дефект, пока не произошло его развитие. Если вовремя это сделать, можно сэкономить средства. Сам процесс можно разделить на следующие этапы:

• Подготовка материала для заделки (если не используется холодная эмульсия или герметик). Разогрев битума либо эмульсии в битумоварках либо гудронаторах.
• Очистка трещин от пыли и грязи, обычно для этого процесса используются воздуходувки, которые мощным потоком. Насколько возможно удаляют посторонние частицы из полости дефекта.
• Просушка трещин. Этот этап совмещается чаще всего с очисткой. Тот же поток воздуха осушает стенки трещины. Иногда для этой операции используют фен, агрегат который нагревает подаваемый воздух.
• Заливка трещин герметизирующим материалом. Может осуществляться как вручную с помощью лейки, так и обычно входящим в комплект гудронатора раздатчиком битума (эмульсии) на рукаве со шлангом (удочки).
• Просыпка заделанного шва песком либо отсевом.

Для механизации процесса заделки швов используют также машины для ямочного ремонта струйно-инъекционного ремонта дорог. В этом случае последовательность операций несколько отличается от заделки выбоин этой техникой:

• Сразу проводится продувка и просушка дефектов (как при ямочном ремонте).
• Затем трещины заливаются чистым битумом либо эмульсией (при ремонте ям она подается в смеси со щебнем).
• Поверх заделанной трещины также как и при ямочном ремонте наносится слой вяжущего со щебнем.

Также есть еще два недавно разработанных методов для устранения трещин, расскажем о них подробнее:

• Нагрев асфальтобетона инфракрасным излучением. Метод может использоваться для сравнительно небольших трещин не более 1-2 миллиметров. В этом случае происходит нагрев всего асфальта и вяжущее сплавляясь, перекрывает трещины. Недостатком способа является то, что оно не дает эффекта на очень давно уложенных дорогах, где битум окончательно потерял свою пластичность (выгорел).
• Использование теплового ножа. Используется устройство, похожее на жало паяльника жестянщика (в форме корабля), нагретым до необходимой температуры тепловым ножом расплавляют верхние слои, одновременно подавая материал для заливки, закрывают трещину. С его помощью достигается высокое качество заделки трещин, но не всегда можно добиться полного заполнения полости дефекта.

Послесловие

В качестве дополнительной меры на верхний основной слой асфальта по литьевой технологии накладывается еще и слой износа, который выполняет защитную функцию покрытия. Он как раз и способен обеспечить герметизацию и препятствует попаданию воды в асфальтные “поры”. Оптимально такое дополнение при тех типах ремонта, которые не могут герметично “закупорить” трещину. Кстати, далеко не все виды трещин поддаются локальному ремонту.

Читать по теме: Ямочный ремонт асфальтированных дорог

“Сетка” на старом асфальте не “лечится” ни одним из вышеперечисленных способов, ее можно убрать только вместе с покрытием, заменив его на совершенно новое. Точно такая же история с серповидными трещинками и дефектами “по краешку” у самой обочины. Здесь речь идет об отрыве одного слоя покрытия от другого, и заливка полимера или наложение заплатки в данной ситуации все равно, что “мертвому припарки”, как говорят у нас в народе. К трещинам стоит относиться как к первым тревожным звоночкам “болезни” и оперативно от них избавляться, чтобы впоследствии не пришлось истратить на “лечение” серьезно поврежденного асфальта весь бюджет.