CC BY
65
УДК 625. 7/.8
Кочетков Андрей Викторович
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, Пермь1 Профессор Доктор технических наук E-Mail: [email protected]
Янковский Леонид Вацлавович
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, Пермь Доцент
Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Трофименко Юрий Александрович
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Россия, Саратов Инженер E-Mail: [email protected]
Способы формирования устойчивых структур шероховатых поверхностных слоёв
Аннотация. Обеспечение повышенного коэффициента сцепления колеса транспортного средства и автомобильной дороги достигается устройством шероховатых поверхностных обработок дорожных покрытий и тонких слоев износа, это является основным способом повышения защиты от скольжения колеса. Эти технические решения целесообразно использовать для обработки покрытий с открытой текстурой поверхности с замкнутыми порами (покрытия с шелушением, покрытия, закрепленные слоями поверхностной обработки и т.д.) и сквозными порами (щебеночные и гравийные покрытия). При необходимости одновременного обеспечения сцепных качеств поверхности и плотности слоя (совмещение основных свойств слоя износа и защитного слоя, получение защитного слоя износа), следует снижать срок службы слоя износа и повышать его плотность, либо улучшать качество исходных компонентов. Для формирования устойчивых и прочных структур шероховатых поверхностных слоев рекомендуется определять ионную структуру всех составляющих и взаимодействующих элементов самого материала и обрабатываемого покрытия.
Ключевые слова: дороги; слои износа; шероховатые поверхностные обработки; критерии; устройство; контроль качества.
Идентификационный номер статьи в журнале 84ТУЫ414
1 410022, г. Саратов, ул. Азина, д. 38 «В», кв. 4 1
Введение. Резервом управления сцепными качествами дорожных покрытий является применение современных передовых технологий, высокотехнологичных приборов, оборудования и лабораторий. Методическая база работ по контролю качества дорожных покрытий в целом отражает сложившийся опыт проведения работ, однако она существенно устарела, не гармонизирована с зарубежными нормами, что затрудняет их применение в отечественной практике [1 -4].
Подпрограммой «Автомобильные дороги» ФЦП «Модернизация транспортной системы России» предусмотрено расширить создание и использование систем мониторинга транспортно-эксплуатационного состояния федеральных дорог и мостов с применением современных информационных технологий в целях оптимизации на основе адресного и эффективного планирования работ по ремонту и содержанию федеральной дорожной сети, обеспечения ее сохранности.
Поверхностные обработки используются: как профилактический слой, который закрывает и предохраняет в плохую погоду основные конструктивные слои дорожных покрытий от преждевременного разрушения; как слой износа, подверженный стиранию в процессе движения, предохраняя наилучшим образом структуру дороги, ему требуется только периодическое обновление для придания структуре дороги ее первоначальных качеств; как верхний слой дорожного покрытия с характеристиками шероховатости, обеспечивающими сцепление и хорошее дренирование поверхностных вод, приводящими к значительному понижению порога аквапланирования и создающими, благодаря повышенному удельному давлению, сопротивление формированию гололеда.
Считается установленным факт влияния изменения параметров макро-шероховатости на изменения коэффициента сцепления дорожного покрытия. Существенные резервы в обеспечении качества макрошероховатых дорожных покрытий могут быть выявлены за счет совершенствования методов нормирования геометрических параметров макрошероховатости дорожного покрытия и их учете при использовании битумощебнераспределителей [5].
Шероховатое покрытие может быть устроено в целях обеспечения требуемого коэффициента сцепления и удержания противогололедных материалов, в качестве элементов дорожной разметки на локальных участках автомобильных дорог, а также для использования пешеходами на остановках и переходах, островках безопасности, пешеходных тоннелях и мостовых сооружениях на основе применения органического вяжущего и наполнителя.
Рекомендуемая фракция наполнителя 0-5 мм. Эти покрытия могут быть цветными. Ширина покрытия должна быть не менее ширины транспортных средств. Рекомендуемая адгезионная прочность материала покрытия с дорожным покрытием - 17,5 кг/см2. Шероховатое покрытие может быть устроено на цементобетонном или асфальтобетонном дорожном покрытии, тротуаре и ездовом полотне мостового сооружения или в тоннеле.
Покрытия рекомендуется устраивать на предварительно подготовленном, отремонтированном и очищенном дорожном покрытии, удаляется материал дорожной разметки. Для очистки цементобетона рекомендуется дробеструйная обработка и обдув, а для асфальтобетонных пескоструйная обработка или фрезерование, смет металлическими метлами и обдув. Покрытия рекомендуется устраивать на асфальтобетонные покрытия, которым не менее 6 месяцев. Для разметки мест производства работ рекомендуется использовать клейкую ленту, удаляемую незадолго до момента полного отверждения вяжущего. Покрытие устраивается вручную или с применением механизмов и машин, путем приготовления вяжущего отдельно или в смеси с наполнителем. Согласно техническим условиям распределенный наполнитель может быть обработан дополнительным слоем вяжущего.
В случае распределения наполнителя на поверхность вяжущего, он насыпается на поверхность плотным слоем и прикатывается валиком. Ремонт участков шероховатого покрытия проводится аналогично первичному нанесению. Работы выполняются в соответствии с технической документацией на данный вид шероховатых покрытий, подрядчиком, одобренным производителем материала данного покрытия.
Постановка задачи. Увеличение интенсивности движения значительно увеличивает износ дорожных покрытий и уменьшает их сцепные свойства. Обеспечение повышенного коэффициента сцепления достигается устройством шероховатых поверхностных обработок и тонких слоев износа, это является основным способом повышения защиты от скольжения колеса [6]. Статистика аварийности свидетельствуют, что при соблюдении оптимального коэффициента сцепления и повышении шероховатости, количество дорожно-транспортных происшествий снижается [7-9].
Разработка эффективных технологических способов и материалов для защиты от быстрого износа и защиты от разрушений дорожных покрытий представляет серьезную проблему не только в России, но и во всем мире. Зачастую, результаты исследований проведенных ранее исследований уже не соответствуют современным условиям дорожного движения, т.к. постоянно растут скорости и нагрузки на автомобильную дорогу, а вместе с этим и возрастают тангенциальные усилия, возникающие в зоне контакта колес с покрытием. На практике, в зависимости от применяемых защитных слоев, технологий и материалов, режимов и интенсивности движения транспортных средств и транспортных нагрузок, погодно-климатических условий и других факторов в процессе срока службы происходит уменьшение сцепных качеств покрытия, образование колейности и поверхностных разрушений верхнего слоя покрытий [1-4].
Независимо от вида верхнего слоя покрытия его поверхность должна обеспечивать безопасный проезд транспортных средств в любых погодных условиях при расчетных скоростях движения, обеспечивать сцепные качества покрытия и требуемую степень их стабильности в течение всего срока эксплуатации дороги. Возобновление сцепных качеств поверхности покрытия следует выполнять и в межремонтный период, т.е. в процессе содержания дороги; на дорогах высших технических категорий (Г-ГГГ) предпочтение следует отдавать слоям покрытий и износа с шероховатой поверхностью, на дорогах низших технических категорий (ГУ-У) - защитным слоям, где возможно при более низких сцепных качествах поверхностей слоев обеспечивать требования по шероховатости.
Защитные слои целесообразно использовать для обработки дорожных покрытий с открытой текстурой поверхности с замкнутыми порами (покрытия с шелушением, покрытия, закрепленные слоями поверхностной обработки и т.д.) и сквозными порами (черно- и белощебеночные и гравийные покрытия).
При необходимости одновременного обеспечения сцепных качеств поверхности и плотности слоя (получение защитного слоя износа), следует снижать срок службы слоя износа и повышать его плотность, либо улучшать качество исходных компонентов.
Для формирования устойчивых и прочных структур шероховатых поверхностных слоев рекомендуется определять ионную структуру всех составляющих и взаимодействующих элементов самого материала и обрабатываемого покрытия. Битумоминеральные смеси представляют собой сложные ионообменные системы, устойчивость структур которых зависит от многих факторов. Можно выделить пять видов ионообменных структур, обуславливающих прочность и устойчивость шероховатых поверхностных слоев:
• крупнодисперсные структуры, составляющие остов шероховатой поверхности, характеризуемые максимальным и минимальным диаметром структурообразующих элементов, минералогическим составом, адгезионной активностью дорожного покрытия, генезисом;
• мелкодисперсные структуры, заполнитель межструктурных пор структурообразующих элементов (песок, характеризуется модулем крупности, генезисом, минералогическим составом);
• микродисперсные структуры - минеральный порошок, составляющий с битумом асфальтовое вяжущее и обладающий наиболее активной ионообменной структурой;
• битум (вяжущее), как правило, обладающий кислой средой и представляющий самую активную ионообменную вяжущую среду (внутренние связи) структуры дорожного покрытия;
• обрабатываемая поверхность, может быть как катионоактивной или анионактивной, так и нейтральной.
Для активизации поверхностных радикалов взаимодействующих элементов материла поверхностных структур дорожных покрытий используются физико-механические и физико-химические методы. Физико-механические методы основаны на механической или электростатической активизации поверхностных молекул взаимодействующих элементов (минерал-битум-минерал).
Из физико-механических методов наиболее распространены и сравнительно легко реализуемы следующие. Методы обработки: ультразвуком при частоте от 15 до 35 кГц, мощностью от 50 до 60 Вт/см2; струйная технология (торкрет-пушка); высокочастотное вибрирование в электростатическом поле; промывка минеральных материалов в активизирующих растворах и т. п. Физико-механические методы активизации заключаются во ведении в материал поверхностно-активных добавок, которые активизируют (поляризуют) поверхностные радикалы битума, увеличивая силу связи (сцепление его с минеральным материалом).
При этом эффективность поверхностно-активных веществ определяется видом минеральных материалов, обрабатываемых битумом. Катионоактивные поверхностно-активные вещества обеспечивают хорошее сцепление битума с кислыми породами и обрабатываемыми покрытиями (рН менее 7). Анионоактивные поверхностно-активные вещества повышают сцепление битума с карбонатными породами (рН более 7).
При использовании эмульсионно-минеральных смесей активизация песка, щебня изверженных пород, осуществляется катионоактивными водными растворами (таблица 1).
Сведения о рекомендуемых видах поверхностно-активных веществ, применяемых для образования устойчивых связей и способы их использования, помещены в таблице 2 [10].
Таблица 1
Рекомендуемые составы водных растворов для обработки минеральных составляющих
эмульсионных смесей
Наименование компонента Количество, % от массы Условия
минерального материала использования, т-ра воздуха, оС, не более
1 Четвертичные соли аммония 0,1 - 0,6
Соляная кислота 0,2
Вода до 100
2 БП-3 0,5 - 1,0
Соляная кислота 0,25 - 0,5
Вода до 100
3 Первичные алифатические амины 1,0
Соляная кислота Вода до рН 4,5 - 5,5 до 100 +20
4 Первичные алифатические амины 0,8 - 1,0
Сланцевое масло (антрационовое масло) Соляная кислота 2,5 - 3,0 до рН 4,5 - 5,5
Вода до 100
5 Амины 4,5
Соляная кислота до рН 4,5 - 5,5
Вода до 100
Таблица 2
Рекомендуемые составы водных растворов для обработки минеральных составляющих
эмульсионных смесей
Темпера-
Пределы концентрации ПАВ при введении Температура ПАВ при тура битума при введении ПАВ, оС
Класс ПАВ в битум, массовая доля % от % от массы мине-раль-ного введении в битум или минеральный материал, оС вязкое жидкое Наименование ПАВ и активаторов Условия применения
битума материала
1 2 3 4 5 6 7 8
БП-3, продукт на основе Комплексный
полиэтиленполиамина и водородный по-
синтетических жирных казатель рН<7
кислот минеральной
Катионоак-тивные. Высшие апиоратичес-кие амины 0,5-1,0 0,05-0,1 50-70 110130 70100 Амины алифатиче-ские С17-С21; продукт процесса гидрирующего анилирования жирных кислот части и обрабатываемого покрытия. Обрабатываемые асфальто-
Актодецеломин дидрирования стеарина бетонные покрытия, изверженные горные породы, природный песок
Смола госсиповая
(хлопковый гудрон), Комплексный
продукт получаемый в виде остатка от дистилляции жирных водородный показатель рН > 7 обрабатываемого
кислот, выделенный из покрытия и
хлопкового соапстока минеральной
Анионо-активные. высшие карбоновые 3-5 0,2-0,3 50-70 110130 70100 Гудрон жировой, продукт, поучаемый при дистилляции жирных кислот, выделенный части. Карбонатные породы (известняк,
кислоты после расщепления натуральных жиров минеральный порошок,
цементобетонные
покрытия и
Синтетические жир-ные обработанные
кислоты С17-С21 цементом материалы)
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8
Сланцевая Комплексный
низкотемпературная водородный
смола (жидкий показатель рН«7
сланцевый деготь в обрабатываемо-
Активаторы. 110130 70100 пределах С-2 до С-5) го покрытия и
Смолы твердых 10-20 1-3 50-100 Смола каменноугольная минеральной
топлив Древесная смола, газогенераторная и сухоперегонная части. Асфальтобетонные и старые цементо-бетонные покрытия
Известь гидратная Комплексный
водородный по-
Активаторы, минеральные вяжущие - 1-3 - - - Портландцемент и гидрофобный казатель рН<7. Изверженные горные породы,
портландцемент природные пески, асфальтобетонные покрытия
Хорошие результаты в активизации обрабатываемых покрытий показывают любые щелочные растворы (известковые, цементные, щелочные и т. д.), распыленные по асфальтобетонному покрытию и растворы соляной кислоты двух-трех процентной концентрации по цементобетонным покрытиям.
Также разработана методика оценки состояния обрабатываемого покрытия. Оценка ионной активности поверхности покрытия заключается в следующем.
В качестве критерия ионной активности покрытия, соответствующего его ионной реакции, принимается водородный показатель (рН): рН = 7 - нейтральная; рН менее 7 - кислая (катионактивная) с избытком положительно заряженных ионов; рН более 7 - щелочная (анионактивная) с избытком отрицательно заряженных ионов.
Реакция поверхности дорожного покрытия определяется по изменению цвета лакмусовой бумаги. Предварительно поверхность дорожного покрытия тщательно очищается от пыли и грязи кистью или ветошью, затем небольшой участок очищенной поверхности (от 8 до 10 см2) поливается дистиллированной водой и растирается жесткой кисточкой до образования на поверхности влажной пены. К влажному участку (растир на поверхности покрытия) для впитывания влаги прикладывается лакмусовая бумага. По приобретенному цвету определяется показатель рН. Результаты заносятся в журнал (таблица 3).
Таблица 3
Журнал оценки ионной активности поверхности дорожного покрытия
Участок Тип покрыт ия, ширина Деформации и разрушения, вид/площадь Водород ный показатель, рН Среда (кислая, щелочная, нейтральная) Прило жения
км пк + Расположение в поперечнике
1 2 3 4 5 6 7 8
Рекомендации. Если дорожное покрытие однородно, то достаточно трех измерений водородного показателя рН на километр, если оно разнородно, то необходимо проводить соответствующие определения на каждом участке (в том числе отремонтированные). Выбор способа повышения адгезионной активности каждого участка дорожного покрытия решается индивидуально.
Обычно цементобетонные покрытия являются анионактивными и хорошо обрабатываются битумами, имеющими катионактивную среду.
Асфальтобетонные дорожные покрытия на изверженных породах и окисленных крекинг-битумах, а также другие обработанные битумом изверженные породы являются катионактивными и хорошо обрабатываются анионактивными эмульсиями и битумами с анионактивными добавками.
Асфальтобетонные дорожные покрытия на известняковом щебне, а также другие типы обработанных битумом покрытий на известняковом щебне могут иметь щелочную (анионактивную) реакцию среды. Для обработки таких дорожных покрытий рекомендуется применять катионактивные эмульсии и битумы с катионактивными добавками.
Хорошие результаты показывает предварительная ионная активизация обрабатываемой поверхности дорожных покрытий веществами, имеющими противоположный заряд» [10].
Кислые поверхности рекомендуется обрабатывать щелочными растворами, а щелочные - кислыми (от 0,5 до 1,0 % концентрации в воде).
Выводы. Систематизированы основные технологические подходы устройства тонких слоев износа и шероховатых поверхностных обработок, отраженные в существующей нормативно-технической литературе. Это позволяет создать систему проектирования этих технологических операций на этапах строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог, обоснованно формировать элементные сметные нормы и единичные расценки, расширенно применять инновационные технические решения [7-9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Методологические основы оценки технических рисков в дорожном хозяйстве / Кокодеева Н.Е., Талалай В.В., Кочетков А.В., Янковский Л.В., Аржанухина С.П. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2011. № 3. С. 38-49.
2. Формирование научно-инновационной политики дорожного хозяйства / Сухов А.А., Карпеев С.В., Кочетков А.В., Аржанухина С.П. // Инновационная деятельность. 2010. № 3. С. 41.
3. Нормативно-методическое обеспечение развития инновационной деятельности в дорожном хозяйстве / Аржанухина С.П., Сухов А.А., Кочетков А.В. // Инновации. 2011. № 7. С. 82-85
4. О применении государственного стандарта при устройстве шероховатых поверхностных обработок автомобильных дорог / Сербенко А., Жилин С., Кочетков А., Крафт В. / Автомобильные дороги. 2003. № 11. С. 22.
5. Шероховатые поверхности: нормирование, проектирование и устройство / Кочетков А.В., Суслиганов П.С. // Автомобильные дороги. 2005. № 1. С. 54.
6. Анализ срока службы современных цементных бетонов / Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 92.
7. Совершенствование структуры отраслевой диагностики федеральных автомобильных дорог /Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. // Интернет-журнал Науковедение. 2012. № 4 (13). С. 70.
8. Прямой метод оценки взаимодействия колеса транспортного средства и неровностей дорожного покрытия / Кочетков А.В., Беляев Д.С., Шашков И.Г. / Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 4 (17). С. 38.
9. Диагностика и паспортизация элементов улично-дорожной сети системой видеокомпьютерного сканирования / Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Кочетков А.В., Беляев Д.С. // Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 55.
10. Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью / А.В.Кочетков и др. - М. : Росавтодор, ФГУП «СНПЦ «РОСДОРТЕХ». 2004.
Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, профессор, доктор технических наук, заместитель руководителя Поволжского отделения Российской академии транспорта.
Andrey Kochetkov
Perm national research polytechnical university
Russia, Perm E-Mail: [email protected]
Leonid Yankovsky
Perm National Research Polytechnical University
Russia, Perm E-Mail: [email protected]
Yury Trofimenko
Saratov state technical university of a name of Gagarin Yu.A.
Russia, Saratov E-Mail: [email protected]
Ways of formation of steady structures of rough blankets
Abstract. Providing the increased coefficient of coupling and wheel of the vehicle and the highway is reached by the device of rough surface treatments of pavings and thin layers of wear, it is the main way of increase of protection against wheel sliding. It is expedient to use these technical solutions for processing of coverings with open texture of a surface with closed pores (coverings with a peeling, the coverings fixed by layers of a surface treatment, etc.) and through time (crushed-stone and gravel coverings). In need of simultaneous ensuring coupling qualities of a surface and layer density (combination of the main properties of a layer of wear and a protective layer, receiving a protective layer of wear), it is necessary to reduce service life of a layer of wear and to increase its density, or to improve quality of initial components. For formation of steady and strong structures of rough blankets it is recommended to define ionic structure of all components and interacting elements of the material and a processed covering.
Keywords: highways; wear layers; rough surface treatments; criteria; device; quality control.
Identification number of article 84TVN414
КЕГЕКЕ^Е8
1. Мйоёо^юИевЫе ОБпоуу осепЫ 1екшсИе8кШ г1вкоу V ёого2кпош Ьо2]а]81уе / Кокоёееуа КЕ., Та1а^ У.У., Kochetkov Л.У., Jankovskij Ь.У., АгеИапиЫпа Б.Р. // УеБ1п1к Peгшskogo пасюпа1'по§о iss1edovate1'skogo po1itehnicheskogo univeгsiteta. Pгik1adnajajeko1ogija. Uгbanistika. 2011. № 3. Б. 38-49.
2. Formirovanie nauchno-innovacionnoj роНйЫ doгozhnogo hozjajstva / Suhov Л.Л., Kaгpeev Б.У., Kochetkov Л.У., А^апиЫпа Б.Р. // Innovacionnaja dejate1'nost'.
2010. № 3. S. 41.
3. Normativno-metodicheskoe obespechenie гazvitija innovacionnoj dejate1'nosti v doгozhnoш hozjajstve / А^апиЫпа Б.Р., Suhov Л.Л., Kochetkov Л.У. // Innovacii.
2011. № 7. S. 82-85
4. О рпшепепп gosudaгstvennogo standaгta pгi ustгojstve sherohovatyh poveгhnostnyh obгabotok avtoшobi1'nyh doгog / БегЬеп^ Л., Zhi1in Б., Kochetkov Л., Kгaft У. / Avtomobil'nye dorogi. 2003. № 11. S. 22.
5. Sheгohovatye poveгhnosti: normirovanie, pгoektiгovanie i ustгojstvo / Kochetkov A.V., Susliganov P.S. // Avtomobil'nye dorogi. 2005. № 1. S. 54.
6. Лna1iz sгoka s1uzhby sovгeшennyh ceшentnyh betonov / Rapoport Р.В., Rapopoгt N.У., Po1janskij У.&, Soko1ova E.R., Gaгibov R.B., Kochetkov Л.У., Jankovskij L.V. // Sovremennye ргоЬ1ету nauki i obrazovanija. 2012. № 4. S. 92.
7. Sovershenstvovanie stгuktuгy otгas1evoj diagnostiki fedeгa1'nyh avtoшobi1'nyh doгog / Лгzhanuhina S.P., Kochetkov Л.У., Kozin Л.S., Strizhevskij Б.Л. // Inteгnet-zhuгna1 Naukovedenie. 2012. № 4 (13). S. 70.
8. Prjamoj шetod ocenki vzaimodejstvija ko1esa tгanspoгtnogo sгedstva i nerovnostej doгozhnogo pokгytija / Kochetkov Л.У., Be1jaev D.S., Shashkov I.G. / Ыегпе^ zhumal Naukovedenie. 2013. № 4 (17). S. 38.
9. Diagnostika i paspoгtizacija je1eшentov u1ichno-dorozhnoj seti sisteшoj videokoшp'juteгnogo skaniгovanija / Уasi1'ev Ju.Je., Be1jakov Л.В., Kochetkov Л.У., Be1jaev D.S. // Ыегпе^ита1 Naukovedenie. 2013. № 3 (16). S. 55.
10. Rekoшendacii po ustгojstvu doгozhnyh pokгytij s sherohovatoj poveгhnost'ju / Л.У.Kochetkov i dr. - М. : Rosavtodor, FGUP <^РС «ROSDORTEH». 2004.
