CC BY
60Проблема долговечности дорожных покрытий
Денисенко Денис Александрович
аспирант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, denisenko_1993@mail.ru
В работе рассмотрена проблема долговечности автомобильных дорожных покрытий, решение которой предусмотрено в национальном проекте "Безопасные и качественные автомобильные дороги". Отмечена необходимость изменения нормативной базы с позиции совершенствования структуры моделей применяемых дорожных конструкций, в том числе в отношении влияния, учета и регулирования параметров связей, соединений ее структурных элементов для обеспечения адекватности расчета конструкции в реальных условиях. Материалы исследования позволили дополнить теоретические решения для разработки современных методов расчета и конструирования новых дорожных бетонных покрытий в отношении обеспечения или необходимой безопасности, качества и эффективности при увеличении сроков их службы, и поэтому актуальны для совершенствования нормативной базы, ее дополнения и развития.
Анализ свойств цементобетонных и асфальтобетонных покрытий, их преимуществ и недостатков позволил сделать вывод, что эти два типа покрытия при рациональном соединении для взаимной работы смогут улучшить показатель долговечности автомобильных дорог. Внедрение составных, композитных конструкций на основе цементобетона и асфальтобетона, с дополнительным компонентом в виде армирующего элемента (геосинтетический материал, арматура и др.) повысят показатель надежности и долговечности покрытий.
Ключевые слова: долговечность, асфальтобетонные покрытия, цементобетонные покрытия, композитные материалы, композит, структурная модель.
Развитие сети современных дорог в России является важнейшей государственной задачей. От реальности установления сроков службы дорог зависит эффективность развития инфраструктуры и в конечном итоге благосостояние населения. Известно, однако, что при использовании нормативных структурных моделей, применяемых конструкции сроки их службы (капитальных дорожных покрытий) не превышают и половины расчетных, в том числе, за счет их неадекватности оригиналу, поскольку не учитывают влияние реальных связей, соединений, условий конструктивных элементов.
В данных условиях количество и вес транспортных средств возрастает с каждым годом, что усиливает их воздействие на покрытие, следствием которых является появление остаточных деформаций, а затем и разрушение покрытия, раньше расчетных сроков. Поэтому, увеличение сроков службы и межремонтных сроков остается всевозрастающей, актуальной и первостепенной задачей в дорожностроительной отрасли.
Неудачным решением 1980-х годов был отказом использования и совершенствования покрытий из цементобетона и переработки его нормативной базы. В то время за рубежом активно строились цементобетонные покрытия: разрабатывались бетоноукладывающие машины и механизмы, проводились научные исследования по использованию высокоэффективных бетонов в дорожном строительстве. Дороги Бельгии, Италии, США и Германии доказывают высокую эффективность применения цементобетонных покрытий [3].
Бетонные дороги, безусловно, имеют множество преимуществ. Это подтверждается словами Разгильдя-евой М. П.: «Во-первых, они обладают высокой прочностью и не нуждаются в ремонте при правильном содержании. Цементобетонное покрытие служит больше сорока лет, а асфальтобетонное может послужить максимум десять лет, при этом каждый год нужно его ремонтировать. Во-вторых, при движении транспорт расходует меньше топлива. Данное преимущество связано с тем, что при движении машин с большим грузом бетонная дорога не деформируется, и транспорту надо на двадцать процентов меньше топлива для передвижения. В-третьих, такие дороги устойчивы к экстремальным погодным условиям. На них мало влияют дожди и высокие или низкие температуры воздуха. В-четвертых, обеспечено удовлетворение требований экологии, поскольку снижаются затраты топлива для передвижения, то и окружающая среда загрязняется меньше. Также имеет место экономное использование ресурсов природы при строительстве» [4]. Основа цементобетона широко распространённые минеральные материалы, в свою очередь асфальт получают из продуктов нефтепереработки [7].
В настоящее время в нашей стране накоплен положительный опыт длительного использования опытных участков цементобетонных покрытий в различных климатических условиях, а также за счет проведения восстановительных ремонтов. Бетонные дороги ранее не
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
см
0
см ^
01
о ш т
X
3
<
т О X X
пользовались популярностью из-за того, что в 60-70х годах принадлежали к разряду дорогих, однако в современных реалиях у цементобетонных дорог есть все шансы стать альтернативной заменой для асфальтобетона.
Проблему долговечности бетонных покрытий усугубляет устаревшая нормативная база их конструирования и расчета, а именно:
- основным недостатком цементобетонного покрытия, определяющим срок его службы, является неадекватность и упрощенность его расчетной модели. - в плане отсутствия учета отдельных конструктивных связей и использования их параметров при расчете (характера связи с основанием, между элементами, обуславливающих гашение колебаний и другие).
Настоящей альтернативой асфальтобетону цемен-тобетонные покрытия могут быть при исключении в их нормативных решениях большой группы недостатков, а именно:
- нормативные конструктивные решения бетонных и железобетонных элементов (плит) предполагают их работу на растяжение при изгибе (с изменением знака напряжения) с возможным трещинообразованием и разрушением;
- принятые типовые размеры и формы крупногабаритных плит покрытия обуславливают реальные возможности неполного контакта с основанием отдельных зон покрытия, снижая устойчивость самого покрытия и изменения расчетной схемы с остаточными сдвигами плит по основанию;
- в нормативных конструкциях цементобетонные покрытия не используются решения по регулированию НДС и обеспечивание функции гашения колебаний для уменьшения динамики покрытия;
- недостатком нормативной базы цементобетонных покрытий является отсутствие конструктивных вариантов (в том числе комбинированных) покрытий, включающих в себя разные параметры регулирования, направленные на повышение долговечности, создания системы устойчивых связей между элементами покрытия и основания.
В нормативных документах бетонных и железобетонных конструкциях предусмотрены проведение расчета по двум группам предельных состояний. Фактически расчет цементобетонного покрытия выполняется по первой группе (точнее по ее части - по прочности, обуславливающей полную непригодность дороги, ее полную непроезжаемость и закрытие проезда по дороге).
Расчет по основным показателям - динамической устойчивости формы и положения, в том числе колее-устойчиваости и трещиноустойчивости (образование раскрытия трещин, работе швов и сдвигов плит не предусмотрены). Расчет по второй группе предельных состояний, определяющих возможное уменьшение долговечности и сокращающих сроки службы конструкций, в нормативной документации не предусмотрен.
Принятый к использования такой однобокий расчет модели не может объективно обеспечить надежность и нормативный срок эксплуатации дорожной конструкции.
В нормативном документе «Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд» в качестве расчетной схемы покрытия используются плиты на упругом основании (под статической транспортной нагрузкой), фактически не учитывающие другие важные элементы покрытия (связи, соединения, швы, изломы и т.д.).
Неправомочно результаты расчета отдельной плиты распространять на все покрытие, и соответственно на такой основе невозможно получение оптимального конструктивного решения. Более объективной расчетной моделью, адекватно отражающей конструкцию бетонного покрытия, работающего под колебательным волновым полем, является предложенная на кафедре «Автомобильных дорог, мостов и тоннелей» СПбГАСУ теоретическая модель бесконечной бетонной плиты (пластины) с разрезами, моделируемыми единой функцией Хевисайда и б-функция Дирака. На основе данной модели с нашим участием разработана конструкция композиционного фрагментированного бетонного покрытия для условий тяжелого и скоростного интенсивного автомобильного движения.
При применении конструкции асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании нерациональным является использование несущей способности последнего, обуславливающего нарушение основной конструкции жесткой дорожной одежды с требованием максимального использования прочности цементобетонного слоя, как основного несущего элемента конструкции дорожной одежды, а именно повышение трещино-стойкости покрытия в данном случае обеспечивается увеличением толщины асфальтобетонного слоя сравнимой с толщиной цементобетонного основания. Большая толщина асфальтобетнного покрытия (кроме экономических показателей) повышает величину колейности.
Одним из возможных решений данной проблемы может стать разработка современной нормативной базы, в том числе для внедрения в строительство автомобильных дорог композитных конструкций асфальтоцементо-бетонных покрытий. Композитные конструкции представляют собой в данном случае матрицу, как систему связей и соединений, и наполнителя, состоящего из двух и более компонентов с чёткой границей сращивания слоев. Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придёт изделию форму. Армирующее вещество передаёт свои механические и физические свойства изделию, таким образом усиливает требуемые свойства матрицы.
Анализ свойств цементобетонных и асфальтобетонных покрытий, их преимуществ и недостатков позволил сделать вывод, что эти два типа покрытия при рациональном соединении для взаимной работы смогут улучшить показатель долговечности автомобильных дорог. Внедрение составных, композитных конструкций на основе цементобетона и асфальтобетона, с дополнительным компонентом в виде армирующего элемента (геосинтетический материал, арматура и др.) повысят показатель надежности и долговечности покрытий.
В заключении, следует отметить, что в нормативных источниках и в специальной литературе по разработке структурных моделей асфальтобетонных и цементобетонных покрытий и тем более композитных конструкций (в т.ч. на их основе) количественная оценка значения связей элементов, соединений, швов, разрезов, изломов на НДС и долговечность конструкции отсутствует, что не позволяет на основе существующих методик расчета оценить реальный срок службы дорожных конструкций.
Литература
1. Горелышев Н.В. Технология и организация строительства автомобильных доро.- М.: Транспорт, 1992, С. 551.
2. Котлярский Э.В.: «Строительно-технические свойства дорожного асфальтобетона». М., 2004, С. 6167
3. Подольский В.П., Поспелов П.И., Смирнов А.В.: Технология и организация строительства автомобильных дорог. Дорожные покрытия: учебник под ред. В.П. Подольского. — М.: Издательский центр «Академия», 2012, С. 304.
4. Разгильдяева, М. П. Перспективы строительства цементобетонных дорог / М. П. Разгильдяева, С. А. Орехов, С. А. Дергунов, А. Ю. Емельянова. — Молодой ученый. — 2017. — № 21.1 (155.1), С. 152-153.
5. Ушаков В. В., Расширении строительства автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями// Наука и техника в дорожной отрасли: Москва: МАДИ(ГТУ), 2003, С. 7-8.
6. Цыгвинцев И. В., Постникова П. И., Сенцов И. А., Применение композитных материалов в строительстве: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2017, С. 56-58.
7. Чернаков А. Дорожное Строительство: весь мир строит дороги из цементобетона, а в России каждый год перекладывают асфальт// Строительство^и всероссийский отраслевой интернет-журнал. - 2015, С. 126129.
8. Халиулина Л.Э. Долговечность асфальтобетонных покрытий// Научный журнал, 2018, С. 6-7.
The problem of road pavement durability
JEL classification: L61, L74, R53 Denisenko D.A.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering The paper deals with the problem of durability of road surfaces, the solution of which is provided for in the national project "Safe and high-quality highways". The need to change the regulatory framework from the standpoint of improving the structure of models of applied road structures, including in relation to the influence, accounting and regulation of the parameters of connections, connections of its structural elements to ensure the adequacy of the design of the structure in real conditions is noted. The research materials made it possible to supplement theoretical solutions for the development of modern methods of calculation and design of new road concrete pavements in relation to ensuring or the necessary safety, quality and efficiency with an increase in their service life, and therefore are relevant for improving the regulatory framework, its addition and development.
Analysis of the properties of cement-concrete and asphalt-concrete pavements, their advantages and disadvantages made it possible to conclude that these two types of pavements, with a rational connection for mutual work, can improve the indicator of the durability of highways. The introduction of composite, composite structures based on cement concrete and asphalt concrete, with an additional component in the form of a reinforcing element (geosynthetic material, reinforcement, etc.) will increase the reliability and durability of coatings. Keywords: durability, asphalt concrete pavements, cement concrete
pavements, composite materials, composite, structural model. References
1. Gorelyshev N.V. Technology and organization of road construction. - M .:
Transport, 1992, S. 551.
2. Kotlyarskiy E.V .: "Construction and technical properties of road asphalt
concrete". M., 2004, S. 61-67
3. Podolskiy VP, Pospelov PI, Smirnov AV: Technology and organization of
road construction. Road surfaces: textbook ed. V.P. Podolsky. - M .: Publishing Center "Academy", 2012, S. 304.
4. Razgildyaeva, M. P. Prospects for the construction of cement-concrete
roads / M. P. Razgildyaeva, S. A. Orekhov, S. A. Dergunov, A. Yu. Emelyanova. - Young scientist. - 2017. - No. 21.1 (155.1), pp. 152-153.
5. Ushakov VV, Expansion of the construction of highways with cement-
concrete coatings // Science and technology in the road industry: Moscow: MADI (GTU), 2003, pp. 7-8.
6. Tsygvintsev I. V., Postnikova P. I., Sentsov I. A., Application of composite
materials in construction: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2017, pp. 56-58.
7. Chernakov A. Road Construction: the whole world builds roads from
cement concrete, and in Russia every year they shift asphalt // Construction.RU All-Russian industry Internet magazine. - 2015, S. 126129.
8. Khaliulina L.E. Durability of asphalt concrete pavements // Scientific
journal, 2018, pp. 6-7.
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О M
