CC BY
52УДК 625.8
А.В. КОРОЧКИН, канд. техн. наук, главный инженер ООО «Транспроект», Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)
Проблема отраженных трещин в асфальтобетонном покрытии, уложенном на цементобетонное основание
Одной из неразрешимых проблем в дорожной отрасли является появление на покрытии в процессе эксплуатации автомобильной дороги отраженных трещин. В первую очередь это относится к конструкциям дорожной одежды, в составе которой в качестве нижнего слоя покрытия или верхнего слоя основания применяются материалы, укрепленные минеральным вяжущим. Наиболее распространенными являются слои из цементобетона, тощего бетона, песка, укрепленного цементом, и др.
В процессе эксплуатации дорожная конструкция находится под действием множества различных природно-климатических факторов, к которым в первую очередь следует отнести температуру окружающей среды, атмосферные осадки, солнечную радиацию, облачность, ветер, глубину промерзания. Сезонные и суточные колебания температуры приводят к деформациям, а следовательно, вызывают и соответствующие напряжения. В связи с этим появляется необходимость в устройстве деформационных швов в жестких слоях дорожных одежд с шагом от 4 м. Важным является устройство деформационных швов сжатия в цементобетонных покрытиях для обеспечения их трещиностойкости [2].
Именно швы, а также трещины, появившиеся при эксплуатации цементобетонных покрытий, являются предпосылкой к возникновению над ними отраженных трещин после устройства по ним асфальтобетонных слоев. Механизм образования отраженной трещины показан на рис. 1.
Образование отраженных трещин происходит в холодное время года, когда амплитуда колебаний температуры на поверхности покрытия достигает своего максимума. Основным фактором появления отраженных трещин над швами и трещинами является сокращение плит цементобетона при понижении температуры воздуха, что приводит к возникновению напряженного состояния в асфальтобетонном покрытии [3]. Схема перемещений цементобетонного основания с учетом влия-
Рис. 1. Механизм образования отраженной трещины: 1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - цементобетонное основание; 3 - подстилающий слой; 4 - трещина; 5 - колесная нагрузка
ния слоя асфальтобетона при понижении температуры воздуха представлена на рис. 2.
Как видно из рис. 2, при понижении температуры покрытия деформация цементобетонной плиты составит Д/б, однако свободному перемещению плит препятствует слой асфальтобетона на величину Д/а. В итоге фактическое перемещение цементобетонной плиты составит:
д/ф = д/6-д/а.
(1)
С учетом сил трения и сцепления между плитой и основанием, собственной массы слоя асфальтобетона и его упругих свойств И.В. Басурманов, Л.М. Гохман, И.И. Капанадзе предложили фактическое перемещение цементобетонной плиты определять по формуле [2]:
1 У ■ н
(2)
где а — коэффициент линейного расширения, оС-I — длина плиты, м; Д? — температурный перепад, оС; \ — удельная масса асфальтобетона,Н/м3; ЕЛ — модуль упругости асфальтобетона, МПа.
На рис. 3 продемонстрирован график, показывающий, какое количество отраженных трещин появится в течение периода эксплуатации асфальтобетонного покрытия толщиной 5 см в зависимости от расположения объекта (согласно данным А.Р. Красноперова). Условие, исключающее образование отраженных трещин в асфальтобетонных слоях перекрытия, можно отобразить выражением (3):
R„>
Кз'
(3)
где Яп — прочность покрытия при растяжении при расчетной температуре, МПа; оп _ напряжения от растяжения при расчетной температуре, МПа; К3 — коэффициент запаса.
Рис. 2. Схема перемещения под слоем асфальтобетона плит цементобетонного основания в поперечном шве или трещине при понижении температуры покрытия
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 46 октябрь 2011 ы ®
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
Тюменская У///// У" J
- область /
/ / vyyyyyyyyyyy/yyyy/jr'\ Московская
область
: / у г \ Краснодарский край
11 / / 1 1 1 1 1
О = -
(4)
о^Д^, 2
(5)
где — напряжения от перепада температуры по толщине цементобетонного слоя, МПа; Е — модуль упругости цементобетонного покрытия, МПа; а —коэффициент линейного температурного расширения, оС—1; Д^ — перепад температуры по толщине цементобетонной плиты, оС, что можно представить выражением:
А'б =А.
-л,
(О 2-а.
-А
(0
1-е v2-afe
(6)
где Ап— перепад температуры в течение суток на поверхности асфальтобетонного покрытия, оС; ю — угловая частота суточных колебаний температуры, рад/ч; а^ — коэффициенты температуропроводности соответственно для асфальтобетона и цементобетона, м2/ч.
В.А. Чернигов, И.В. Субботина предложили величину напряжений в асфальтобетонных слоях (МПа), уложенных на цементобетонное основание, определять по формуле:
о =
т L 4- А
(7)
где т — касательные силы возникновения между покрытием и основанием дорожной одежды, МПа; L — полудлина плиты основания, м; h — толщина слоя покрытия, м.
Изучением образования отраженных трещин занимались многие ученые в России.
На сегодняшний день нет единого решения этой проблемы. На данный момент исследования дорожной науки направлены на уменьшение количества появляющихся отраженных трещин в слоях перекрытия асфальтобетоном.
Для повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев, уложенных на цементобетонные покрытия, имеющие трещины, а также регулярно расположенные
Пути повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев на цементобетонных основаниях
Регулирование свойств материалов в слоях покрытия
Конструктивно-технологические решения
Дробление старого цементобетонного покрытия
1 2 3 4 5 6 7 8 Годы
Рис. 3. Появление отраженных трещин в зависимости от природно-климатических условий расположения объекта
Колебания температуры вызывают напряжения смежных слоев (ГОСТ 26633-91; ГОСТ 9128-2009), которые могут быть определены из теории упругости для асфальтобетонных и цементобетонных слоев по формулам (4) и (5):
а ТЕ 1-й '
где а — растягивающие напряжения в асфальтобетонных слоях от температуры, МПа; Е - модуль упругости асфальтобетонного покрытия, МПа; ц — коэффициент поперечной деформации Пуассона; а — коэффициент линейного температурного расширения, оС-1; Т — отклонение температуры от равновесного значения, оС.
Рис. 4. Пути повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев
деформационные швы, разрабатываются мероприятия, направленные на замедление процесса возникновения и развития трещин или обеспечивающие регулирование препятствующее бессистемному образованию трещин, которые предусматривают [1]:
— повышение трещиностойкости асфальтобетона при отрицательной температуре;
— увеличение толщины слоя асфальтобетона (увеличение соотношения толщин слоев покрытие-основание);
— армирование асфальтобетона и зоны жесткого основания или между слоями с применением специальных сеток или композитных материалов;
— снижение концентрации растягивающих напряжений за счет обеспечения участка растяжения определенной длины, обусловленной применением сеток или трещинопрерывающих прослоек, что обеспечивает снижение трения между слоями;
— применение слоев материалов с более низким модулем упругости и коэффициентами линейной температурной деформации, низкомарочные бетоны;
— нарезку деформационных швов над швами цементо-бетонного покрытия.
Таким образом, пути повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев можно разделить на три направления (рис. 4).
Экспериментальные исследования выявили, что возможный срок службы цементобетона может составить порядка 40—45 лет. При этом использование асфальтобетона небольшой толщины исключительно как слоя износа существенно повышает долговечность дорожной одежды. Значительные толщины слоев из асфальтобетона приводят к нерациональной работе конструкции и преждевременному разрушению покрытия.
В качестве покрытия жесткой дорожной одежды (слоя износа) для повышения транспортно-эксплуата-ционных качеств возможно использование тонких слоев литого асфальтобетона, битумоминеральной открытой горячей смеси (БМО 65/75 СП), щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающих достаточной деформативностью и стабильностью. Для эффективной работы данной конструкции дорожной одежды при ее проектировании и строительстве необходимо предусмотреть специальные мероприятия по предотвращению образования отраженных трещин (укладка трещи-нопрерывающих материалов).
Ключевые слова: цементобетон, асфальтобетон, отраженные трещины, напряжения, долговечность.
Список литературы
1. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд. М.: Информавтодор, 2004.
2. Глушков Г.И. и др. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1987. 255 с.
3. ДНД М0-016(*)/2007. Методика оценки технико-эксплуатационного состояния автомобильных дорог и улиц Московской области.
fj научно-технический и производственный журнал
® октябрь 2011 47"
