CC BY
11Перспективы совершенствования комбинированных конструкций дорожных одежд и повышения их долговечности
со см о см
о ш т
X
<
т О X X
Квитко Александр Владимирович
канд. техн. наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, kvitko.67.67@mail.ru
Шендрик Юлия Васильевна
канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 9385228@gmail.com
Цель: Совершенствование надежности и долговечности дорожных конструкций является одним из основных направлений развития дорожной отрасли в нашей стране и мире. В статье приводятся причины, свидетельствующие о том, что нынешнее состояние автомобильных дорог не отвечает экономическим, социальным и оборонным интересам страны. Для определения конструктивного решения, оптимального с точки зрения современных потребностей, требуется проанализировать существующие виды дорожных одежд. Методы: Задача решается посредством анализа существующих технологических решений дорожных покрытий и оснований, с учетом общепринятого метода определения горизонтального деформирования их конструктивных слоев. Результаты: Исследование достоинств и недостатков применяемых на данный момент нежестких и жестких одежд показывает, что перспективными являются комбинированные конструкции дорожных одежд. Комбинированные дорожные покрытия включают преимущества каждого из составных основообразующих материалов. Предлагается использовать фрагментированный несущий слой из связанных в едином слое бетонных блоков рациональных размеров и форм, что позволит сохранять однородность конструкции и регулировать трещинообразование. В статье представлено описание возникновения отраженной трещины над швом в цементобе-тонном основании комбинированного покрытия. Отмечена важность связи соседних цементобетонных блоков друг с другом для исключения образования трещин - «клавишного эффекта». Практическая значимость: Результаты анализа позволяют сформулировать рекомендации по применению типов конструктивно-технологических решений дорожных одежд. Применение комбинированных дорожных одежд с фрагменти-рованным несущим слоем в перспективе позволит повысить надежность и долговечность автомобильных дорог. Ключевые слова: Автомобильная дорога, дорожная одежда, цементобетонное основание, комбинированное покрытие, фрагментированная пластина, цементобетонный блок, колебание температуры.
Введение
Национальная программа модернизации и развития автомобильных дорог РФ до 2025 г. ориентирована, в первую очередь, на поиск и создание принципиально новых материалов, конструкций и технологий и на совершенствование теоретических основ и расчетных методов надежности и долговечности дорожных конструкций из-за изменившихся фактических нагрузок, интенсивности и динамических параметров современных транспортных средств [1,2,3]. Термин «модернизация» автомобильных дорог предусматривает приведение их потребительских свойств в соответствии с новыми требованиями, диктуемыми современным автомобильным движением. Кроме того, программа включает совершенствование отраслевой инновационной системы; разработку принципиально новых высокоэффективных материалов, технологий в дорожном хозяйстве [4,5,6]. Выполнение всех поставленных в программе задач позволит эффективно решить проблемы, стоящие на данный момент перед дорожной отраслью.
В настоящее время сеть автомобильных дорог нашей страны и ее производственная база находятся в состоянии, фактически не соответствующем ее экономическим, социальным и оборонным потребностям [7]. Причины заключаются в следующем. Ориентированность только на возведение нежестких покрытий в совокупности с устаревшей нормативной базой не позволяют осуществить переход на новые конструктивно-технологические решения [8]. Недостаточное количество современной высокопроизводительной техники (например, для строительства дорог с бетонными слоями) и производственных баз для выпуска дорожного бетона. Потеря высококвалифицированных кадров и накопленного опыта работы в упомянутом направлении. В итоге в части эффективных конструктивных решений и современных цементобетонных технологий у нас развивается отставание от зарубежных стран, которые их используют более активно [8].
Применяемые в нашей стране асфальтобетонные покрытия на основаниях из щебня получили распространение благодаря многолетнему положительному опыту эксплуатации в условиях легкого малоинтенсивного движения. Однако в современных условиях, при постоянно увеличивающихся нагрузках и интенсивности потока движения, они теряют свои преимущества [8].
Методы. Для совершенствования работы современной дорожной сети РФ целесообразно строительство дорожных одежд с использованием в их конструкциях долговечного цементобетона. В большинстве случаев он также является и более экономичным материалом, по сравнению с традиционно применяемым асфальто-
бетоном. Проблема усугубляется сложностью получения битума высокого качества, что увеличивает затраты, связанные с обогащением добавками и модификацию имеющегося органического вяжущего.
Анализ сетей дорог стран Европы и США демонстрирует примеры эффективного использования цементобетона: в этих регионах сеть дорог с цементобетонными покрытиями составляет 3О...40% от общей сети дорог, тогда как в России - около 2%. Такие трассы (как примеры, «хайвеи», «автобаны») обеспечивают многопо-точность и высокую скорость транспортировки, надежную и круглогодичную связь между большими промышленными центрами, поддерживают на высоком уровне потребительские свойства дорог. Несмотря на это, в США реализуется 20-летняя программа по строительству дорог с цементобетонными покрытиями и основаниями, а также 7-летняя научная программа, нацеленная на увеличение сроков службы таких дорожных одежд до 60 лет - включая 250 научных проектов, объединенных в 12 научных направлений и финансирование в размере 250 млн. долларов США [8,9]. Лучшем свидетельством об эффективности цементобетонных покрытий является то, что их продолжают строить и изучать.
В нашей стране с 1980-х годов практически отказались от строительства дорог с бетонными покрытиями. Перед дорожным хозяйством РФ стоит весьма сложная задача постепенного перехода на альтернативные технологические решения. В перспективе это обеспечит увеличение сроков службы автомобильных дорог и повышение безопасности движения.
Цементобетон пытались применить в качестве монолитного основания под асфальтобетонным покрытием. Но при этом в области швов основания в вышерасположенном асфальтобетоне достаточно быстро появлялись трещины. В ходе эксплуатации таких дорожных одежд при воздействии влаги, отрицательных температур, противогололедных реагентов и транспортных нагрузок отраженные трещины прогрессировали, в результате чего покрытие разрушалось.
Поэтому при использовании в строительстве дорожных одежд монолитных несущих слоев из цементобетона для обеспечения ровной бездефектной поверхности покрытия приходится увеличивать толщину асфальтобетона. Это позволяет уменьшать температурные деформации и «клавишный эффект» от транспортной нагрузки, в то же время увеличивая площадь сечения, воспринимающего поперечную силу и время выхода отраженной трещины на поверхность верхнего слоя.
Учитывая эксплуатационные проблемы - быстрый рост интенсивности и грузонапряженности на дорогах, отдельные достоинства и недостатки, как цементобетона, так и асфальтобетона - перспективными являются экономичные и эффективные комбинированные дорожные одежды, состоящие из двух основообразующих материалов. Комбинированные конструктивные решения включают достоинства каждого из основообразующих материалов.
Опираясь на новые тенденции и задачи, стоящие перед дорожной отраслью, предлагается применять конструктивно-технологическое решение, учитывающее и решающее основные насущные проблемы дорожных одежд [10].
Практическая значимость. Для сохранения однородности конструкции во времени и регулирования тре-щинообразования целесообразно переходить на фраг-ментированные несущие слои из бетонных блоков рациональных размеров и форм, связанных в едином слое, что и было сделано при разработке предлагаемой конструкции. Такие слои, где элементы основания представляют собой малые одноразмерные блоки определенной формы, позволяют за счет своей геометрии регулировать процесс трещинообразования - заранее определять его рациональное направление [11].
При анализе механизма трещинообразования в асфальтобетонном покрытии на бетонном основании Ра-довский Б. С. выделяет две главенствующие причины образования трещин над швами в основании [12]: 1) изменение размеров цементобетонной плиты при колебании температуры с соответствующим изменением ширины шва; 2) поперечная сила от неравенства прогибов соседних плит при поочередном проезде колеса над ними - так называемый, «клавишный эффект» или «ножницы» (рис. 1).
отраженная трещина «ножницы» от нагрузки
7\ °С понижается - шов расширяется
Т.\ "С повышается - шов сжимается
Рис. 1. Возникновение отраженной трещины над швом в основании комбинированного покрытия. Цифрами обозначено: 1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - цементобетонное ос-
Поскольку в асфальтобетоне на щебеночном основании практически нет отраженных трещин, напрашивается вывод: если при строительстве монолитный цементобетон разделить на элементы определенного размера - можно не опасаться отражения трещин.
Действительно, с уменьшением размера цементобе-тонных блоков L их горизонтальные деформации М, вызванные колебаниями температуры, уменьшаются пропорционально:
АЬ = ахАТ х Ь, (1)
где а - коэффициент линейного теплового расширения материала, а ДТ - величина изменения температуры.
Соответственно, уменьшаются и растягивающие горизонтальные напряжения в асфальтобетонном покрытии над швами или трещинами цементобетонного основания при горизонтальном деформировании блоков основания от изменения температуры.
Однако при этом необходимо, чтобы соседние це-ментобетонные блоки были связаны друг с другом, т.е. не могли перемещаться в вертикальном направлении
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
м см о см
о ш т
X
<
т О X X
при действии транспортной нагрузки. Тогда будет исключена и вторая причина образования трещин - «клавишный эффект» [12].
Несущий слой предложенной дорожной конструкции рассматривается как фрагментированная пластина на основании Фусса-Винклера с рациональными по очертанию и одинаковыми по форме и размерам контурами, ограниченными рустами-вмятинами. По ним в начальный период эксплуатации под действием транспортной нагрузки образуются изломы [13,14] срединной поверхности, представляющие собой упругие «шарниры» (рис. 2).
ослабленные зоны
рабочие ■элементы фрагмет ированвого несущего слоя
русты - ВМЯТИНЫ В ц/б
Фрагменшро ванный} цеметггобегон —Излом
-
т
г
Укреплешсые грунты
Рис. 2. План и поперечный разрез фрагментированного несущего слоя
Результаты. При расчете данной конструкции система взаимосвязанных бетонных элементов фрагмен-тированных несущих слоев будет рассматриваться в виде дискретно-континууальной структуры. При этом континуум (т.е. непрерывность) распространен в пределах многоугольного несущего фрагмента, а разрывы имеют место на линиях швов, рустов, разрезов, трещин. Такая теория дискретно-континууальных систем применительно к тонкослойным двумерным конструкциям получила развитие в строительстве как теория пластин с разрывными параметрами [13,14,15].
Высокие прочностные свойства, долговечность (срок службы до 40-50 лет) дорожных одежд с фрагментиро-ванным несущим слоем создают предпосылки для более широкого применения конструкций комбинированных покрытий при строительстве автомобильных дорог.
Заключение
Несмотря на достижение определенных результатов в разработке и изучении характеристик, параметров и свойств комбинированных дорожных одежд с фрагмен-тированным несущим слоем, необходимо продолжать исследования таких конструкций для более детальной и полной проработки и усовершенствования их структуры, технологии строительства, а также для быстрого и успешного внедрения в производство. Это возможно осуществить в результате наблюдений за опытными участками с комбинированными дорожными конструкциями в нашей стране.
Литература
1. Национальная программа модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г. - М., 2004. - 110 с.
2. Кочетков А. В. Актуальные задачи дорожной науки стран СНГ / Кочетков А. В., Кадыров Ж. Н., Валиев Ш. Н. // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - №4 (12). - С. 69-86.
3. Кочетков А. В. Перспективы развития и актуальные задачи дорожной науки / А. В. Кочетков, Л. В. Янковский // Строительные материалы. - 2014. - №7. - С. 6269.
4. Кочетков А. В. Нормативное и технологическое развитие инновационной деятельности дорожного хозяйства / А. В. Кочетков, С. П. Аржанухина, А. С. Козин, Д. А. Стрижевский // Науковедение. - 2012. - №4. - 11 с.
5. Досалиев Э. А. Разработка фрагментированных несущих слоев для реконструкции и строительства дорожной сети Кыргызской Республики: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Досалиев Эльмир Акуналы-евич; ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет». - Волгоград,
2009. - 24 с.
6. Кочетков А. В. Совершенствование направлений научного обеспечения инновационной деятельности дорожного хозяйства / А. В. Кочетков // Корпоративное управление и инновационное развитие экономики севера: Вестник научно-исследовательского центра корпоративного права, управления и венчурного инвестирования Сыктывкарского государственного университета.
- 2012. - №4. - 9 с.
7. Шумейко А. Н. Автомобильные дороги России. Состояние и перспектива / А. Н. Шумейко, И. М. Юрковский, М. В. Немчинов. - М.: Молодая гвардия, 2007. - 268 с.
8. Петухов П. А. Жесткие дорожные одежды как основа стабильной транспортной системы страны / П. А. Петухов // Архитектура - строительство - транспорт: материалы 71-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. - СПб., 2015. - С. 1618.
9. Носов В. П. Состояние, проблемы, перспективы применения цементобетона при строительстве автомобильных дорог / В. П. Носов // Наука и техника. - 2011. -№ 4. - С. 1-3.
10. Карпов Б. Н. Основы строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог / Б. Н. Карпов. - 3-е изд., испр. - М.: Академия, 2012. - 208 с.
11. Петухов П. А. Деформационные швы в жестких несущих основаниях и покрытиях автомобильных дорог / П. А. Петухов // Вестник гражданских инженеров. -2013. - №6 (41). - С. 34-37.
12. Радовский Б. С. Опыт использования старого цементобетона как основания под асфальтобетонное покрытие в США / Б. С. Радовский // Дорожная Техника. -
2010. - №2. - С. 20-32.
13. Карпов Б. Н. Современное конструктивно-технологическое решение автомобильных дорог с увеличенным сроком службы / Б. Н. Карпов, М. П. Клековкина, П. А. Петухов // Транспорт Российской Федерации. - 2013.
- №6 (49). - С. 19-21.
14. Карпов Б. Н. Эффективные конструктивно-технологические решения дорожных одежд / Б. Н. Карпов, М. П. Клековкина // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №3. - 9 с.
15. Досалиев Э. А. Развитие способов повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на жестких основаниях / Э. А. Досалиев // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «доступное и комфортное жилье гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области: материалы международной научно-практической конференции / ВолгГАСУ. -Волгоград, 2009. - С. 151-154.
Prospects for Improving Combined Pavement Designs and Increasing
Their Durability Kvitko A. V., Shendrik Y. V.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
Purpose: Improving the reliability and durability of road structures is one of the main directions for the development of the road industry in our country and the world. The article gives reasons that indicate that the current state of roads does not meet some of the economic and social interests of the country. To determine a constructive solution that is optimal in terms of modern needs, it is required to analyze the existing types of pavement. Methods: The problem is solved by analyzing the existing technological solutions for road surfaces and bases, taking into account the generally accepted method for determining the horizontal deformation of their structural layers. Results: A study of the advantages and disadvantages of currently used non-rigid and rigid pavements shows that combined pavement designs are promising. Combined pavements incorporate the benefits of each of the composite base materials. It is proposed to use a fragmented carrier layer of concrete blocks of rational sizes and shapes connected in a single layer, which will make it possible to maintain the uniformity of the structure and control cracking. The article presents a description of the occurrence of a reflected crack above the seam in the cement concrete base of the combined coating. It's noted the importance of connecting neighboring cement concrete blocks with each other to prevent the formation of cracks - the «keyboard effect». Practical importance: The results of the analysis allow us to formulate recommendations on the use of types of structural and technological solutions for pavements. The use of combined pavements with a fragmented bearing layer will in the future improve the reliability and durability of roads.
Keywords: Road, pavement, concrete foundation, combined pavement, fragmented plate, concrete block, temperature fluctuation.
References
1. National program for the modernization and development of highways of
the Russian Federation until 2025 - M., 2004. - 110 p.
2. Kochetkov A. V. Actual problems of road science in the CIS countries /
Kochetkov A. V., Kadyrov Zh. N., Valiev Sh. N. // Technical regulation in transport construction. - 2015. - No. 4 (12). - S. 69-86.
3. Kochetkov A. V. Development prospects and actual tasks of road science
/ A. V. Kochetkov, L. V. Yankovsky // Building materials. - 2014. - No. 7. -S. 62-69.
4. Kochetkov A. V., Arzhanukhina S. P., Kozin A. S., Strizhevsky D. A.
Normative and technological development of innovative activities of the road sector // Naukovedenie. - 2012. - No. 4. - 11 s.
5. Dosaliev E. A. Development of fragmented carrier layers for the
reconstruction and construction of the road network of the Kyrgyz Republic: author. dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.11 / Dosaliev Elmir Akunalyevich; FGBOU VPO "Volgograd State University of Architecture and Construction". - Volgograd, 2009. - 24 p.
6. Kochetkov A. V. Improving the directions of scientific support of innovative
activities of the road sector / A. V. Kochetkov // Corporate governance and innovative development of the economy of the north: Bulletin of the Research Center for Corporate Law, Management and Venture Investment of Syktyvkar State University. - 2012. - No. 4. - 9 s.
7. Shumeiko A. N. Highways of Russia. State and perspective / A. N.
Shumeiko, I. M. Yurkovskiy, M. V. Nemchinov. - M .: Young Guard, 2007. - 268 p.
8. Petukhov P. A. Rigid pavements as the basis of a stable transport system
of the country / P. A. Petukhov // Architecture - construction - transport: materials of the 71st scientific conference of professors, teachers, scientists, engineers and graduate students of the university / SPbGASU.
- St. Petersburg, 2015. - S. 16-18.
9. Nosov V. P. Status, problems, prospects for the use of cement concrete in
the construction of highways / V. P. Nosov // Science and technology. -2011. - No. 4. - S. 1-3.
10. Karpov B. N. Fundamentals of construction, repair and maintenance of highways / B. N. Karpov. - 3rd ed., Rev. - M.: Academy, 2012. - 208 p.
11. Petukhov P. A. Expansion joints in rigid bearing foundations and road pavements / P. A. Petukhov // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. - 2013.
- No. 6 (41). - S. 34-37.
12. Radovsky B. S. Experience in the use of old cement concrete as a base for asphalt concrete pavement in the USA / B. S. Radovsky // Road Technique. - 2010. - No. 2. - S. 20-32.
13. Karpov B. N., Klekovkina M. P., Petukhov P. A. Modern constructive and technological solution for highways with an extended service life. Transport of the Russian Federation. - 2013. - No. 6 (49). - S. 19-21.
14. Karpov B. N. Effective constructive and technological solutions for pavements / B. N. Karpov, M. P. Klekovkina // Modern problems of science and education. - 2012. - No. 3. - 9 s.
15. Dosaliev E. A. Development of ways to improve the crack resistance of asphalt concrete pavements on rigid bases / E. A. Dosaliev // Low-rise construction within the framework of the national project "Affordable and comfortable housing for Russian citizens": technologies and materials, problems and development prospects in the Volgograd region : materials of the international scientific and practical conference / VolgGASU. -Volgograd, 2009. - S. 151-154.
X X
о
го А
с.
X
го m
о
to о to
M
