Износ дорожных покрытий и его причины [доп. в. 29]

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта -- расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта?1, меньше, чем вне его?. Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость a в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50--80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40--50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия hср, составляет.

Всегда удобно ехать в автомобиле по ровной и гладкой автостраде, развивая большую скорость. Отнюдь не редко качество трассы не позволяет это сделать, так как покрытие имеет отклонение от нормы и малопригодно для качественной езды. Со временем под давлением колес машин, особенно больших грузовых, влиянием неблагоприятных природных условий в виде дождя, града, резкой смены температуры, асфальтобетонный настил теряет свой первозданный вид. Покрывается мелкими трещинами, ямками, выбоинами, что укорачивает время качественной работы автотрассы. Езда по таким изношенным дорогам ведет к порче автомобилей и даже может привести к аварии.

Причины разрушения

В результате использования покрытий из асфальтобетона, они подвергаются различным деформациям. Износ дорог образуется из-за внешних и внутренних воздействий на . Дефекты на покрытии от влияния внешних факторов включают в себя:

• силовые нагрузки от автомобильных колес;
• атмосферные осадки (дождь, температурные изменения, оттаивание, снег, замораживание).

Основные причины разрушений — несоблюдение технологии укладки или ремонта дорожного полотна и воздействие автомобилей.

Внутренние факторы, связанные с разрушением асфальтобетонного покрытия, возникают вследствие неправильного составления проекта для дорог, их строительства и ремонта:

1. К разрушению дорожной поверхности приводит неправильное проектирование асфальтобетонной автомобильной трассы. Неточно проведенные исследования, расчеты и допущенные ошибки при определении интенсивности потока транспортных средств могут способствовать образованию дефектов на дороге из асфальтобетона и привести к разрушению дорожного сооружения, а именно: нарушится целостность асфальтного слоя на дорожных покрытиях; грунт основания просядет; снизится прочность грунтовой подушки; последует износ асфальтобетонного настила.
2. Применены старые методики и выбраны материалы низкого качества при работе с покрытием из асфальтобетона. Совсем недавно, для монтажа, укладки асфальтного раствора и ремонта трасс использовали горячие , в состав которых входил некачественный битум. Он вызывал повреждения дорожного настила и ухудшал прочностные характеристики готовой смеси для асфальтирования дорожной поверхности. Однако строительство не стоит на месте, и уже сегодня разрабатываются и внедряются новейшие полимерно-битумные материалы, способные значительно повысить свойства материала и будущей трассы. Большую популярность приобрели различные добавки в смесь для: улучшения сцепления, повышения стойкости к воздействию воды и образованию трещин. Благодаря этим добавкам обеспечивается стойкость дорожного полотна к минусовым температурам. Чтобы избежать дефектов и износа дорожного полотна, следует не только применять новые смеси для укладки асфальта, но и выбирать новые технологии, которые позволят стабилизировать и укрепить ослабшие подвижные почвы основания. Чтобы предотвратить разрушения покрытий, используют армирующую сетку, которая усилит дорожную конструкцию и увеличит продолжительность срока эксплуатации асфальтированного полотна.
3. Дефекты и износ на асфальтобетонном покрытии возникают вследствие неправильного технологического процесса при возведении дорожной конструкции. Разрушения образовываются из-за допущенных ошибок при укладке асфальта и ремонте трассы. Способствуют возникновению дефектов нарушения правил перевозки асфальтобетонного раствора, в результате чего, смесь подается неправильной температуры. При уплотнении уложенной смеси не были удалены пузырьки воздуха или, наоборот, раствор был слишком уплотнен, тогда асфальтированное полотно начнет трескаться и расслаиваться. Разрушения трассы могут возникнуть в результате некачественной подготовки земельного полотна и работ по укладке дорожного сооружения.
4. Дефекты на дорожном покрытии чаще всего образовываются в результате погодных условий, когда во время дождей влага проникает в асфальтированное полотно, а жаркие лучи солнца портят верхний слой трассы – осуществляется ухудшение прочности асфальтобетона, что приводит к образованию выбоин. В период минусовых температур собравшаяся влага в слоях асфальтобетона способна увеличиваться в объеме и тем самым разрушать структуру и уплотнение асфальта.
5. В результате больших нагрузок от транспортных средств происходит разрушение дорожного полотна. Высокие нагрузки на поверхность трассы обусловлены интенсивным потоком транспортных средств, в результате чего, норма пропускной способности за 24 часа превышается и как последствие – ресурс полотна трассы снижается. Повышение осевой нагрузки вследствие эксплуатации дорожного покрытия транспортными средствами большой грузоподъемностью, приводит к разрушениям асфальтобетонного полотна, образованию колеи и трещин.

Повреждения дорожного покрытия из асфальтобетона могут происходить вследствие комплексного влияния внешних и внутренних факторов.

Основные виды дефектов

Типичные дефекты автомобильных дорог.

Асфальтобетонные повреждения бывают следующих видов:

• Пролом. Представляет собой прорези на асфальтированном участке, где проходит поток транспортных средств. Если вовремя не залатать трещины, они способны увеличиться в размерах и превратиться в пролом большого диаметра.
• Истечение срока службы. Разрушения, связанные с продолжительной эксплуатацией полотна, на котором не осуществлялся ремонт, сказываются на толщине слоя асфальтобетона.
• Уменьшение прочности асфальтобетона. В результате больших нагрузок от тяжеловесных грузовых автомобилей образуется просадка полотна и разрушение верхнего слоя покрытия в виде неровностей, выбоин и колеи.
• Выбоины. Разрушения в виде выбоин – это углубления с резким обрывом края, которые происходят из-за неправильной кладки асфальтобетона с использованием материалов низкого качества.
• Шелушение. Образование шелушений на дорожной поверхности вследствие отделения из верхнего слоя частиц покрытия. Образуется из-за постоянных переменных воздействий на дорожную поверхность мороза и оттепели.
• Климатические воздействия. В период таянья снежных масс образуется большое количество жидкости, которая способна разрушить полотно трассы, что влечет за собой снижение прочностных характеристик асфальтобетона.
• Выкрашивание. Возникает этот тип повреждений вследствие нарушения укладки или ремонта дорожного полотна, а именно работы при атмосферных осадках или минусовых температурах.
• Трещины. Образуются щели на дорожной поверхности в результате резкой перемены температурного режима.
• Просадка. Возникает просадка из-за выбранных материалов низкого качества для укладки полотна, а также в результате недостаточного уплотнения асфальтной смеси или почвы.

Износ покрытий и его причины. На износ покрытий наибольшее влия­ние оказывает движущиеся автомо­били. Под нагрузкой шина деформи­руется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расши­ряется (рис. 5.8).

рис. 5.8. Схема истирания покрытия шиной: А - зона сжатия; Б - зона растяжения

Путь точки на ши­не в плоскости контакта l 1 меньше, чем вне его l , точка перемещается с ускорением, большим по сравнению с движением до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость α в секторах практически одинаковая. Поэтому точка прохо­дит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напря­жений в плоскости следа истираются покрытие и шины. Наибольшие ка­сательные усилия и наибольший из­нос возникают при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине.

На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины.

Средний износ по всей площади покрытия (мм)

h ср = Kh н, (5.2)

где К - коэффициент неравномерности износа (в среднем К = 0,6 ÷ 0,7); h н – из­нос в полосе наката, мм.

Износ усовершенствованных покрытий измеряют в миллиметрах, а покрытий переходного типа также и по объему потери материала.

Особенности износа шероховатых покрытий. Их износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовании неровностей макрошероховатости.

Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес авто­мобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость пок­рытия уменьшается за счет погруже­ния щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения за­висит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твер­дости покрытия, которую оценива­ют глубиной погружения иглы твер­домера; асфальтобетонные покры­тия могут быть очень твердые – 0-2 мм, твердые – 2-5 мм, нормальные – 5-8 мм, мягкие – 8-12 мм, очень мягкие – 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсо­лютной твердостью.

По данным канд. техн. наук М. В. Немчинова общее уменьшение макрощероховатости может быть описано уравнением

R ср = ae – b м + c , (5.3)

где м – число прошедших автомоби­лей; а , b, с – коэффициенты, зависящие соответственно от размера щебня, твер­дости покрытия и состава транспорт­ного потока.

Определение износа покрытий рас­четом. Среднее значение уменьше­ния толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М. Б. Корсунского

h = a + bB (5.4)

h = a + bN/1000, (5.5)

где а - параметр, зависящий в основ­ном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий; b – показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степе­ни его увлажнения, состава и скорости движения; В- грузонапряженность дви­жения, млн. т брутто в год; N -интен­сивность движения, авт./сут (N ≈ 0,001 В).

Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометри­ческой прогрессии

(5.6)

где N 1 -интенсивность движения в ис­ходном году, авт./сут; К = 1,05 ÷ 1,07 - коэффициент, учитывающий измене­ния состава потока; q 1 – показатель еже­годного роста интенсивности движения

В последние годы для повышения устойчивости движения автомоби­лей стали применять шины с шипа­ми и цепями. Асфальтобетонные покрытия при эксплуатации с цепя­ми и шипами изнашиваются в 2-3 раза быстрее. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобе­тона на автомобильных магистра­лях ФРГ, где используют шины с шипами, через одну - две зимы обра­зуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм. Поэтому в усло­виях СССР использование шин с шипами и цепями противоскольже­ния на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния покрытия по износу мож­но принять размер допустимого из­носа Я и для покрытий: асфальтобетонных -10-20 мм; щебеночных (гравийных), обработанных органи­ческим вяжущим,-30-40 мм; щебе­ночных из прочного щебня - 40-50 мм; гравийных - 50-60 мм.

Измерение износа. Ежегодный из­нос цементо-, асфальтобетонных и других монолитных покрытий изме­ряют при помощи реперов, заклады­ваемых в толщу покрытия, и износомера . При этом способе измере­ния износа в покрытие предвари­тельно закладывают реперы-ста­канчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчет. Износ определя­ют также с помощью пластин (ма­рок) трапецеидальной формы из из­вестняка или мягкого металла, заде­лываемых в покрытие и истира­ющихся совместно с ним.

Для определения износа покрытий можно использовать различного ро­да электрические приборы для изме­рения толщины слоев в слоистых полупространствах. Например, в ФРГ используют электромагнитный прибор стратотест, основанный на отражении электромагнитных волн. Подобный прибор разработан также в Ленинградском филиале Союздорнии.

Похожая информация.

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта l 1 , меньше, чем вне его l . Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость а в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А - зона сжатия, Б - зона растяжения

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50-80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40-50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия h ср , мм, составляет:

h ср = k ×h н , мм, где (6.1)

k - коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6-0,7;

h н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м 3 /км.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий . Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые - 0-2 мм; твёрдые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

Определение износа покрытий расчётом . Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):

h = a + b ×B (6.2)

h - годовой износ покрытия, мм;

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;

В - грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N » 0,001×В (N - интенсивность движения, авт./сут).

Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

где (6.3)

h T - износ покрытия за Т лет, мм;

N 1 - интенсивность движения в исходном году, авт./сут;

К = 1,05-1,07 - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;

q 1 - показатель ежегодного роста интенсивности движения, q 1 > 1,0.

Значения параметров а и b приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Покрытия	а , мм	b , мм/млн. брутто-тонн	[h ], мм, с учётом неравномерности истирания
Асфальтобетонные	0,4-0,6	0,25-0,55
Щебеночные и гравийные, обработанные вязкими органическими вяжущими, восстанавливаемые:
двойной поверхностной обработкой	1,3-2,7	3,5-5,5
одиночной поверхностной обработкой	1,4-2,8	4,0-6,0
Щебеночные:
из прочного камня	4,5-5,5	15,0-20,0
из слабопрочных каменных материалов	5,5-6,5	19,0-25,0
Гравийные:
из прочного гравия	3,0-4,0	16,0-22,0
из слабопрочного гравия	4,0-6,0	20,0-30,0

Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), - нижние пределы значений а и b . 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы а и b . 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.

В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.

В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.

Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1-2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.

Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа Н и : для асфальтобетонных покрытий 10-20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими - 30-40 мм; щебёночных из прочного щебня - 40-50 мм, гравийных - 50-60 мм.

Исходя из этого дорожно-эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.

h n = h np + Н и , мм, где (6.5)

h np - расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.

Измерение износа . Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах.

Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.

ГЛАВА 7. Закономерности изменения основных транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог

Даже самое качественное дорожное покрытие рано или поздно приходит в негодность. Причин этому множество. Среди них в виде основных можно выделить следующие: атмосферные осадки, водонасыщение , большие перепады температур, высокие транспортные нагрузки и многие другие факторы. А что говорить, когда приготовление асфальтобетонной смеси было проведено с нарушениями или в технологии самого строительства автодороги были допущены ошибки. Естественно в этих случаях качество дорожного покрытия будет невысоким, что станет основной причиной различных деформаций и разрушений автодороги.

Основными видами деформации автодорог являются следующие.

1. Износ или истирание. Представляет собой уменьшение толщины всего дорожного покрытия из-за потери материала вследствие усиленной эксплуатации, а также различных природных факторов. Для снижения износа автодорог применяют новые технологии асфальта , используют различные пластификаторы, замедляющие старение битума , повышающие плотность битума и его устойчивость к истиранию.

2. Шелушение - отделение мелких частиц от верхних дорожных слоёв под действием водонасыщения с последующим замерзанием. При этом слои износа значительно увеличиваются и процесс становится неуправляемым. Кроме того, шелушение автодороги усиливается под действием хлоридов, которые входят в состав специальных смесей для борьбы с гололёдом. Для того чтобы прекратить шелушение проводится обработка поверхности автодороги битумом с подсыпкой минерального материала мелких фракций.

3. Выкрашивание - отделение от дорожного покрытия крупных фракций щебня, которые недостаточно сцеплены с битумом. Причинами это явления являются некачественные смеси, которые перевозятся самосвалами и имеют остатки песка, попадающие в смесь, плохое уплотнение асфальтобетонной смеси особенно в дождь или холод. Замедлить шелушение можно только путём укладки специального защищающего слоя.

4. Обламывание кромок - происходит в местах сопряжения дороги с обочинами. Этот вид деформации чаще всего появляется в местах выезда на обочину тяжёлых грузовиков. Для предотвращения обламывания кромок во время строительства дороги на обочине устраивается специальная укрепительная или, как её ещё называют, краевая полоса.

5. Волны и колеобразование - вид деформации автодороги, возникающий на покрытиях с высокой пластичностью. Причинами могут служить высокое сцепление при сдвиге особенно на уклонах, в местах остановок и стоянок общественного транспорта, при торможении. Часто скорость образования колеи или волн увеличивается в летнее время, когда температура дорожного покрытия достигает 60°С и выше. Повысить сдвигоустойчивость можно только во время строительства путём применения соответствующих асфальтобетонных смесей.

К видам деформации автодорог можно также отнести различные трещины, сдвиги, вмятины, выбоины, гребёнку.