ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНТСТВО
МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное унитарное предприятие
«Информационный центр по автомобильным дорогам»

Нежесткие дорожные покрытия на металлических мостах

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Автомобильные мосты и дороги

4 - 2004

СОДЕРЖАНИЕ

В данном выпуске обзорной информации рассматривается проблема устройства и эксплуатации нежестких дорожных одежд на металлических мостах с ортотропной плитой, а также условия их работы. Приведен опыт применения материалов, устройства нежестких дорожных одежд, дорожных конструкций для них, наиболее эффективно функционирующих в условиях металлических мостов. Дается анализ возникновения основных дефектов асфальтобетонных покрытий на основе опыта и теоретических разработок отечественных и зарубежных специалистов. Проводится анализ и сравнение различных материалов и типов дорожных конструкций с точки зрения критерия усталостной долговечности.

Целью предлагаемой обзорной информации является анализ отечественного и зарубежного опыта применения асфальтобетонных материалов и типов дорожных конструкций, предназначенных для работы в качестве дорожного покрытия на металлических мостах с ортотропной плитой, сравнение работы различных материалов и конструкций нежестких дорожных одежд и оценка критериев для выбора оптимального решения дорожной одежды на металлических мостах.

Обзор подготовила канд. техн. наук Л.Л. Горелышева (ГП «Росдорнии»).

1. ВВЕДЕНИЕ

Мосты являются важной составной частью дорожной сети, и для нормального ее функционирования проезжая часть мостового полотна имеет большое значение.

При сооружении мостов применяют различные материалы. В настоящее время все большее распространение получают металлические мосты. Это объясняется, прежде всего, высокими механическими показателями металлических пролетных строений и относительной легкостью их единицы длины. Кроме того, металл легко поддается обработке, что позволяет при заводском изготовлении конструкций максимально механизировать их сборку при монтаже.

При перекрытии больших пролетов (более 100 м) металлические мосты имеют неоспоримые преимущества. А современные методы монтажа пролетных строений и рациональные схемы мостов позволяют все шире применять металл для изготовления их пролетных строений.

В качестве дорожного покрытия на мостах, особенно большепролетных, часто используется дорожный асфальтобетон, соответствующий требованиям ГОСТ 9128-97.

В то же время основание в виде металлической ортотропной плиты пролетного строения моста и условия эксплуатации, отличающиеся от дорожных, требуют назначения особых дорожных инструкций и применения асфальтобетонных смесей, соответствующих специфике этих конструкций.

Тем не менее, в России как материалы, так и конструкции для дорожных одежд на мостах применяют аналогично автомобильным дорогам. Поэтому неудивительно, что сроки службы таких асфальтобетонных покрытий на металлических мостах часто оказываются значительно короче, чем на автомобильных дорогах. Так, на некоторых крупных мостах России ресурс долговечности дорожных покрытий уже через 3 - 4 г. эксплуатации составляет 50 - 60%, в то время как в Дании они на аналогичных мостах служат при соответствующем содержании до 15 - 20 лет, а в Германии есть примеры и более длительного срока службы.

За рубежом это стало возможным в результате использования специально проектируемых составов асфальтобетонных смесей, которые не применяются для дорожных покрытий. При этом предъявляемые к ним требования учитывают максимальную и минимальную температуру эксплуатации, динамические напряжения асфальтобетона, его пластические и упругие свойства, а проектирование его состава ведется по специально разработанной методике. Кроме того, предусмотрен строгий режим эксплуатации и содержания таких покрытий на мостах, на порядок более жесткий, чем на дорогах. Однако критерии выбора конструкций для металлических мостов пока еще не разработаны.

Специалисты в области проектирования, строительства и оценки состояния мостовых сооружений и автомобильных дорог за рубежом создают совместные коллективы для строительства дорожных одежд на мостах.

В тех случаях, когда специалистам в области мостовых конструкций и автомобильных дорог удается достичь взаимопонимания, дорожные одежды на металлических мостах по долговечности и экономичности близки, а иногда и превосходят таковые на автомобильных дорогах. Например, в Германии срок службы асфальтобетонной одежды на металлическом вантовом мосту без капитального ремонта превысил 30 лет.

К сожалению, в России специалисты - мостовики и дорожники - в силу ряда причин разобщены и им не всегда удается достичь взаимопонимания. Итогом этого часто являются назначение на мостах неоправданно завышенных толщин дорожной одежды, выбор не отвечающих специфике работы на мостах материалов, трудности с устройством дорожной одежды, проведением ремонтов и содержания.

И если в зарубежной литературе появляются совместные работы специалистов мостовиков и дорожников, то в России их практически нет.

Однако без выработки одинакового подхода таких специалистов к конструированию дорожных одежд и всей системы в целом невозможно повысить долговечность нежестких покрытий на мостах и уменьшить толщины асфальтобетонных покрытий, а также разработать программу расчета дорожных одежд на них.

2. НЕЖЕСТКИЕ ДОРОЖНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТАХ

Начало строительства металлических мостов в Европе относится ко второй половине XVIII века, когда стали строить чугунные мосты, чаще всего арочных систем. Затем появились висячие цепные мосты небольших пролетов.

Отечественная школа мостостроения возникла в 1810 г. с основанием Петербургского института путей сообщения.

Во второй половине XIX века чугун уступает место железу и стали. В это время в практике мостостроения появляются более простые схемы ферм пролетных строений, уверенно занимают свое место балочные мосты, причем, наряду с разрезными, появляются неразрезные и консольные.

Начало XX века характеризуется повышением интереса к металлическим мостам, появляются мосты с большими пролетами.

Поскольку специалисты-дорожники нечасто сталкиваются с большими мостами, то есть смысл напомнить некоторые основные понятия в области мостостроения.

2.1. Основные системы металлических мостов

Основные системы металлических мостов показаны на рис. 1 [1].

В настоящее время чаще всего проектируют мосты балочной системы, которые могут быть разрезными (рис. 1,а), перекрывающими каждый пролет отдельно, неразрезными, которые перекрывают одной главной несущей балочной конструкцией три или более пролетов (рис. 1,б), и балочно-консольными (рис. 1,в).

Рис 1. Основные системы металлических мостов:

а - с разрезными балочными строениями; б - с неразрезными балочными строениями; в - балочно-консольная система; г - арочные; д - с рамными пролетными строениями; е - вантовые; ж - висячие пролетные строения; з, и - комбинированные;

1 - балка жесткости; 2 – пилон; 3 - вант; 4 - кабель; 5 - арочный пояс; 6 - подпружная гибкая арка

К преимуществам неразрезных балочных систем относятся более высокие, чем у разрезных систем жесткость, ровность проезжей части и экономичность, которая нарастает с увеличением числа перекрываемых пролетов.

Недостатками их являются большие, чем у разрезных систем перемещения концов балок при изменении температуры и чувствительность к неравномерным осадкам опор.

Балочно-консольные системы занимают промежуточное положение по своим свойствам, но имеют и ряд недостатков, присущих только этой системе. Так, они более чувствительны к динамическим воздействиям от движущихся транспортных средств и имеют меньшую ровность проезжей части.

Арочные металлические мосты (рис. 1,г) строят обычно в горной местности.

Рамные пролетные строения (рис. 1,д) применяют при переходе через большие овраги или для путепроводов. Эти конструкции характеризуются высокой жесткостью, но для них необходимо возведение хорошего фундамента.

В винтовых мостах (рис. 1,е) главной несущей конструкцией является балка жесткости, а ванты, поддерживающие ее в пролете, служат как бы упругими опорами. Они обеспечивают системе жесткость. Балка жесткости при этом работает на изгиб и сжатие от горизонтальных составляющих в вантах. При креплении ее к вантам во многих местах она работает как бы на упругом основании и в ней возникают значительные изгибающие моменты.

Обычно вантовое пролетное строение перекрывает два или три пролета.

Висячие металлические мосты (рис. 1,ж) используют для перекрытия самых больших пролетов. Основным несущим элементом в этих пролетных строениях служит кабель. Для увеличения жесткости системы применяют разрезную или неразрезную балку жесткости.

Важной особенностью практически всех комбинированные систем (рис. 1,з, и) является возможность регулирования усилий в основном балочном элементе.

2.2. Проезжая часть мостов

Понятием «мостовое полотно» в настоящее время определяют совокупность конструктивных элементов, воспринимающих действие подвижных нагрузок от транспортных средств и передающих их на несущую конструкцию пролетного строения. Оно расположено над несущей конструкцией и предназначено для обеспечения безопасного движения транспортных средств и отвода воды.

Мостовое полотно включает ездовое полотно, тротуары, ограждения, перила, водоотводные устройства, мачты освещения и деформационные швы.

Ездовое полотно - это часть мостового полотна, включающего проезжую часть моста, полосы безопасности и тротуары. Оно состоит из:

- дорожной одежды или дорожного покрытия;

- защитного слоя;

- слоя гидроизоляции моста;

- выравнивающего (для железобетонных мостов) или антикоррозионного слоя (для металлических мостов).

Проезжая часть - это элемент моста, предназначенный для движения транспортных средств, - к ней примыкают предохранительные полосы, так называемые полосы безопасности, необходимые для обеспечения движения по мосту с установленной скоростью. Их наличие устраняет психологическое воздействие ограждения и тротуаров на водителя, обеспечивает возможность съезда транспортных средств с проезжей части при возникновении опасных для движения ситуаций. Проезжая часть вместе с полосами безопасности составляют полосу ездового полотна.

Гидроизоляция мостового сооружения представляет собой гидроизоляционный слой, изолирующий пролетное строение от попадания атмосферной влаги.

Дорожная одежда - это один или несколько верхних слоев ездового полотна, часто устраиваемых из асфальтобетонных, полимерных или органоминеральных материалов.

Дорожная одежда должна обеспечивать проектную ровность, сцепление колеса автомобиля с покрытием, а также защиту элементов ездового полотна и пролетного строения от проникновения атмосферной влаги.

Под дорожным покрытием понимают верхний слой дорожной одежды,

На мостах с ездой поверху конструкция мостового полотна состоит из проезжей части и несущей конструкции. В качестве несущих конструкций применяются три их основных вида: балочная клетка - совокупность поперечных и продольных балок; плоская или ребристая плита и ортотропная плита - сварная стальная конструкция, состоящая из листа, подкрепленного ребрами жесткости. В современных металлических мостах, особенно большепролетных (более 100 м), используют, главным образом, проезжую часть с металлическим ортотропным настилом, который состоит из горизонтального стального листа толщиной 12 - 18 мм с приваренными к нему продольными ребрами жесткости обычно с шагом 25 - 35 мм (рис. 2). Высота ребер примерно равна 1/8 - 1/10 расстояния между поперечными балками, поддерживающими настил.

Рис. 2. Виды ортотропного настила:

а - из полосовой стали; в - швеллерные; в - уголковые; г - тавровые; д - полосовая сталь с утолщением на конце; е - из прокатных уголков; ж, з - из гнутого листа

Ребра выполняют из проката разного профиля и могут иметь как открытый, так и замкнутый профиль. Ребра замкнутого профиля (рис. 2,е, ж, з) располагают через 50 - 70 см, при этом увеличивается жесткость ортотропного настила.

Конструкция проезжей части с ортотропной плитой включает также поперечные балки, которые входят в состав плиты и передают нагрузку на главные балки.

По металлическому настилу ортотропной плиты устраивается ездовое полотно, которое включает гидроизоляцию и дорожную одежду. При этом любой тип ездового полотна должен работать как слой износа, обеспечивать комфортные условия движения транспортных средств и, кроме того, служить защитой от воздействия атмосферной влаги.

Отвод воды с проезжей части осуществляется с помощью поперечного и продольного уклонов. Раньше поперечный уклон обеспечивали путем изменения толщины дорожной одежды, увеличивая ее от краев к оси. Но это повышало ее массу в 1,2 - 1,6 раза. А так как применение ортотропной плиты требует устройства достаточно легкой дорожной одежды, то в настоящее время поперечного уклона стали добиваться с помощью соответствующего наклона плиты проезжей части, что позволяет избежать увеличения постоянной нагрузки от дорожной одежды, которую укладывают одной толщиной по всему поперечнику.

2.3. Дорожные одежды, применяемые на металлических мостах в России

В России более всего нашли применение металлические мосты балочной системы, разрезной или неразрезной конструкции с ортотропной плитой, которая опирается на поперечные балки и обычно включается в состав основных несущих элементов.

Распространенные в начале XX века конструкции ездового полотна в виде железобетонной плиты, сборной или монолитной, опирающейся на балки проезжей части, имели очень большую массу, особенно на большепролетных мостах. Кроме того, возникали существенные трудности при обеспечении совместной работы всех слоев конструкции. Это заставило мостостроителей искать другие варианты дорожных конструкций.

В настоящее время в России в качестве дорожных одежд на металлических мостах получил распространение плотный асфальтобетон, но чаще всего этот тип покрытия на ортотропных плитах имеет срок службы 2 - 5 лет. И причины здесь не только в неудовлетворительном качестве асфальтобетона, как обычно считают специалисты-мостовики. Те типы и составы асфальтобетона, которые применяются на автомобильных дорогах и автоматически переносятся на мостовые конструкции, не предназначены для работы в столь специфических условиях. Конечно, как замечено многими специалистами, включение асфальтобетонного покрытия в совместную работу с ортотропной плитой моста приводит к снижению возникающих в дорожной одежде напряжений и, следовательно, к увеличению срока их службы, но, тем не менее, он остается более низким, чем в автомобильных дорогах. Значит, включение асфальтобетонных дорожных одежд в работу всей мостовой конструкции - есть условие обязательное, но не достаточное для достижения их расчетной долговечности [2, 3, 4].

Варианты дорожных конструкций, применяемых на металлических мостах, были проанализированы саратовскими специалистами при разработке ОДМ и стандарта предприятия (СТП) [5]. В табл. 1, составленной на основе этой разработки, приведены сравнительные данные используемых в России дорожных одежд. Как показывает анализ этой таблицы, на металлических мостах в качестве дорожной одежды на ортотропной плите в основном применяется двухслойный плотный асфальтобетон толщиной 80 - 110 см. При этом отличия конструкции касаются прежде всего варьирования защитно-сцепляющего слоя, являющегося также и гидроизоляцией моста.

Таблица 1

Конструкции дорожных одежд, применяемых на металлических мостах России

Дорожные одежды с использованием литого асфальтобетона, предлагаемые фирмами Германии и Финляндии, применяются реже.

Конструкции же собственно дорожных одежд сводятся к четырем вариантам (рис. 3), из которых только вариант, предложенный финской фирмой, с покрытием из литого асфальтобетона через пять лет эксплуатации не обнаруживает дефектов (рис. 3,б), остальные (рис. 3,а, в, г) уже после года эксплуатации имеют повреждения в виде трещин с преобладанием продольных, что свидетельствует в большей мере о несоответствии дорожной конструкции режиму ее работы, чем о плохом качестве материала (асфальтобетона), так как эти дефекты характерны как для асфальтобетона на традиционном битуме, так и на полимербитумном вяжущем (ПБВ).

Рис. 3. Конструкции дорожных одежд на ортотропной плите:

а - конструкция с использованием материалов фирмы Sika применена на Бережковском мосту в г. Москве;
1 - двухслойное асфальтобетонное покрытие; 2 - щебень (песок), обработанный органическим вяжущим; 3 - буферный слой из материала «Еша»; 4 - кварцевый щебень (песок); 5 - защитно-сцепляющий слой; 6 - антикоррозионный слой; 7- ортотропный настил;

б - конструкция с использованием технологий фирмы Лемминкяйнен применена намосту через р. Волгу у с Пристанное;
1 - полимербитумный литой асфальтобетон Лемпруф с посыпкой щебнем; 2 - асфальтобетон АВ; 3 - щебеночная наброска для сцепления; 4 - изоляционная мастика Леммастикс; 5 - обмазка прорезиненным битумам KB; 6 - антикоррозионное покрытие KBL; 7 - ортотропный настил;

в - конструкция дорожной одежды с полиуретановым защитно-сцепляющим слоем фирмы Romex применена на мосту через р. Москву на автомобильной дороге Москва - Рига:
1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - адгезионный слой из материала ROMPUR 900 или CONJPUR 79; 3 - защитно-сцепляющий слой из материала ROMPUR 2605; 4 - грунтовочный антикоррозионный слой из материала ROMPOX 8101; 5 - ортотропный настил;

г - конструкция дорожной одежды с использованием гидроизоляционного рулонного материала «Поликров» применена на мосту через р. Обь у г. Сургута:
1 - двухслойный полимербитумный асфальтобетон; 2 - гидроизоляционный материал «Поликров Р-200», приклеиваемый к металлу моста при помощи полимерной мастики «Поликров М-140»; 3 - ортотропный настил

Но, тем не менее, в настоящее время в России наиболее распространенными остаются конструкции с использованием плотного горячего асфальтобетона, отвечающего требованиям ГОСТ 9128-97 [6], литой асфальтобетон по ТУ 400-24-158 [7] применяется реже.

Примеры этих двух вариантов дорожных конструкций приведены ниже [8, 9],

Принимая в качестве дорожных покрытий на российских металлических мостах плотный дорожный асфальтобетон, вяжущие, видимо, следовало бы выбирать по несколько другим критериям нежели для дорожных покрытий.

Имеется небольшой опыт применения ПБВ на основе полимера ДСТ. Однако технология устройства покрытия на асфальтобетоне с использованием такого вяжущего достаточно сложна. Кроме того, характеристики получаемой единой системы ГДП и поведение ее во время эксплуатации еще не до конца изучены.

И хотя дорожные одежды, являющиеся частью ГДП, важная и ответственная часть мостового полотна, эти конструкции часто просто назначаются, а не рассчитываются, как это происходит в дорожном строительстве.

За рубежом также пока нет программы расчета толщин дорожной одежды на металлических мостах, но работа в этом направлении ведется [10]. Кроме того, асфальтобетонные смеси (в том числе и характеристики вяжущего) выбираются специально для конкретных условий работы дорожного покрытия на ортотропной плите, хотя и эмпирическим путем. В России же применяются те же дорожные конструкции и асфальтобетонные смеси с теми же вяжущими, что и в дорожном строительстве.

2.4. Условия работы дорожных одежд на металлических мостах

Настил моста является для дорожной одежды своего рода специфическим основанием, которое резко отличается от оснований, на которые она укладывается на автомобильных дорогах. Это отличие проявляется прежде всего в том, что дорожная одежда подвергается наведенной динамической нагрузке не только от движения транспортных средств, но и от сложных колебаний самого моста. Особенно это ярко проявляется на висячих и вантовых металлических большепролетных мостах.

На вантовом мосту через р. Рейн в г. Дюссельдорфе (Германия) были проведены исследования влияния величины амплитуды колебаний моста на появление дефектов дорожного покрытия, уложенного на ортотропной плите (рис. 4). Прогиб пролетного строения, имеющего консоль, составляет от 5 см при 30%-ной до 172 см при полной транспортной нагрузке. Движение грузовых автомобилей по мосту осуществлялось по шести полосам с интенсивностью около 1000 авт./сут (1 класс нагрузки). Длина пролета составляла 319 м и ширина проезжей части - 21,5 м. В качестве дорожного покрытия здесь применялся литой асфальтобетон специально спроектированного состава. Верхний защитный слой был выполнен из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) [11].

Рис. 4. Измерение колебаний винтового моста через р. Рейн в г. Дюссельдорфе:

1 - 1 Гц; 2 - 1,25 Гц; 3 - 1,6 Гц

Были измерены колебания моста в нескольких поперечных сечениях пролета и обнаружено, что они изменяются в большом диапазоне частот 1 - 25 Гц по длине и поперечнику пролета, имея минимальную величину у пилона и, увеличиваясь между креплениями вантов. При этом амплитуды колебаний на речном пролете почти в 20 раз выше, чем вблизи пилона. Количество наблюдаемых продольных трещин на средних полосах движения увеличивается соответственно повышению амплитуды колебаний [11].

Японские исследователи, проанализировав возможные причины возникновения продольных трещин на асфальтобетонном покрытии на металлических мостах, также пришли к выводу, что виновником их появления является динамический фактор.

Лабораторные исследования, проведенные на модели в виде образца асфальтобетона, уложенного на металлическую пластину, выявили четкую зависимость между числом повторных сжимающих нагружений и количеством образующихся трещин в образце (рис. 5).

Рис. 5. Развитие продольных трещин в зависимости от числа циклов приложения нагрузки после двух месяцев выдерживания образца на воздухе:

1 - асфальтобетон на высоковязком битуме с высокой эластичностью; 2 - то же, на маловязком битуме

Как видно из рис. 5, при испытании на долговечность асфальтобетонного образца на металлической подложке при температуре 55°С и частоте приложения нагрузки 8 Гц площади его поверхности с продольными трещинами увеличивается прямо пропорционально числу циклов приложения нагрузки.

Чтобы подтвердить результаты лабораторных испытаний, авторы работы [12] провели серию исследований поведений асфальтобетонного покрытия на металлическом мосту, измеряя прогибы, деформацию и напряжение в материале покрытия. При этом для приготовления асфальтобетонной смеси использовались битумы с различной вязкостью и имеющие разные вязкоупругие характеристики [12].

Исследования проводились в три этапа:

1. Обследование 50 мостов различного типа с регистрацией количества и мест образования трещин.

2. Испытания образцов асфальтобетона на повторное нагружение в лабораторных условиях.

3. Расчеты на вязкоэластичных реологических моделях с определением общей картины напряженного состояния покрытий на металлических мостах.

В результате обследований установлено, что продольные трещины на проезжей части металлических мостов являются преобладающим видом дефектов.

Исследования на математических моделях вязкоэластичного поведения асфальтобетонного покрытия в режиме повторных сжимающих нагружений позволили установить, что в покрытии возникают значительные деформации растяжения как в зоне между ребрами жесткости металлического моста, так и в зоне самих ребер, что предполагает, по мнению исследователей, появление продольных трещин в этих зонах.

Авторами работы [12] отмечено, что продольные трещины возникают чаще всего по колее движения транспортных средств с шагом 15 см как между ребрами жесткости, так и в зоне самих ребер металлической ортотропной плиты, причем чаще на мостах с ребрами замкнутого профиля. При этом между ребрами жесткости фиксировались значительные растягивающие напряжения, несмотря на то, что усилия, воздействующие на покрытие, были преимущественно сжимающими. Продольные трещины в процессе эксперимента зарождались на поверхности и развивались вглубь покрытия, причем наиболее интенсивный их рост отмечался при температуре покрытия 55°С, которая и была выбрана для лабораторных испытаний (рис. 6).

При этом на покрытии с асфальтобетоном, приготовленным на более высоковязком и эластичном битуме, продольных трещин появлялось больше, чем на асфальтобетонном с маловязким битумом с оптимальным значением эластичности. Таким образом, чтобы снизить количество продольных трещин при приготовлении асфальтобетонной смеси, предназначенной для покрытий на металлических мостах с ортотропной плитой, следует выбирать битум с определенным соотношением значений вязкости и эластичности, а также упругости и пластичности [13].

Применение же битумов малой вязкости и с невысокой эластичностью гарантирует появление пластических деформаций покрытия [12].

В выводах данной работы [12] отмечена необходимость учета вязкоэластичных свойств асфальтобетона при прогнозировании роста продольных трещин в покрытиях на металлических мостах.

Рис. 6. Развитие продольных трещин:

а - профиль; б - вид сверху каждого слоя; А - на глубине около 2 см от поверхности покрытия; В - на поверхности покрытия; 1 - расположение продольных трещин; 2 - ребра жесткости; 3 - тротуар; 4 - полоса движения

Результат эксперимента позволил авторам этой работы сделать следующие выводы:

- относительная деформация (ε) и напряжение (σ) в асфальтобетонном покрытии на высоковязком битуме после проезда колеса автомобиля практически восстанавливаются, возвращаясь в нулевую точку, а на битуме с меньшей вязкостью происходит накопление в покрытии остаточных деформаций и напряжений;

- при увеличении скорости движения автомобиля значительно уменьшается остаточная деформация, но при этом увеличивается напряжение в асфальтобетонном покрытии на основе маловязкого битума. Для высоковязкого битума изменения, происходящие под действием автомобиля, движущегося с более высокой скоростью, очень малы, к тому же они практически полностью возвращаются к нулевой отметке после снятия нагрузки.

Обследования асфальтобетонных покрытий на металлических мостах России показали, что также, как и в других странах, наиболее распространенным их дефектом являются частые продольные трещины (рис. 7).

Рис. 7. Продольные трещины на асфальтобетонном покрытии винтового пролета моста с ортотропной плитой

На асфальтобетонных покрытиях мостов России отмечается и значительное количество пластических деформаций (рис. 8), особенно на покрытиях, подвергшихся ремонту, который проводится, как правило, более пластичными марками асфальтобетона, что, по мнению дорожных специалистов, должно сдерживать рост и развитие трещинообразования на покрытиях мостов. Однако наблюдения показывают, что применение этих марок асфальтобетона не достигает своей цели, более того, здесь появляются многочисленные сдвиговые пластические деформации, что хорошо согласуется с выводами японских исследователей. Кроме того, часто вода, проникающая через трещины покрытия, ухудшает и без того не очень хорошую адгезию асфальтобетона с гидроизоляцией моста и между самим мостом и гидроизоляцией, т.е. система «ГДП - плита моста» не работает как единая система, что усугубляет развитие деформаций и, в конце концов, проявляется на поверхности дорожного покрытия на мосту. Не прибавляет оптимизма в получении качественного покрытия на мосту и некачественное исполнение деформационных швов моста. В результате небольшого просчета в толщине мастики для их заливки (достаточно превышение над поверхностью покрытия моста в 0,6 - 1,0 см) автомобили, идущие на высокой скорости (60 - 80 км/ч), особенно большегрузные, как бы «взлетают» на деформационном шве и «приземляются» на поверхность покрытия моста. Это также отражается на появлении различных дефектом покрытия, особенно пластических наплывов, колей.

Однако преобладающими остаются продольные трещины.

Рис. 8. Пластические деформации на асфальтобетонном покрытии металлического моста

Причинами их появления, возможно, являются большие изгибающие напряжения, которые на несколько порядков превышают те, которые обычно возникают в дорожном покрытии: Кроме того, влияют и такие факторы, как большая разница в коэффициентах линейного расширения асфальтобетона дорожной одежды и металла моста, а также иной характер воздействия ветра и температур района. Так, на металлических мостах температура воздуха и ветровые нагрузки воздействуют как на верхний слой покрытия, как и на нижнюю его часть за счет нагрева или охлаждения плиты моста, в то время как в дорожных конструкциях основное воздействие этих факторов идет на верхнюю часть асфальтобетонного покрытия, постепенно затухая по толщине дорожной одежды. Возникновение продольных трещин может быть объяснено особенностью работы нежесткой дорожной одежды, обладающей свойствами вязкоупругого полупространства. Так, в работе [14] рассмотрены теоретические аспекты напряженно-деформированного состояния дорожной одежды в зависимости от влияния на нее различных факторов. При этом дорожная одежда, как было сказано, рассматривается как слоистое вязкоупругое полупространство. В этом случае влияние сложности вязкоупругой конструкции дорожной одежды приводит к сложному характеру зависимостей напряжений и деформаций от скорости движения транспортных средств и характеристик слоев. При движении осесимметричной нагрузки по поверхности этого полупространства (т.е. дорожной одежды) величина максимальной изгибающей относительной деформации ε_x в поперечном направлении будет больше, чем деформация ε_y в направлении движения (продольная). На основании этого автором работы [14] высказывается предположение, что это может являться причиной, по которой в асфальтобетонном покрытии под действием повторных проездов автомобилей образуются продольные трещины по полосе наката, обусловленные усталостными свойствами материала.

Кроме того, воздействие транспортного потока на мосту иное, чем на дороге, так как необходимо учитывать также работу элементов моста, особенно на стыках и деформационных швах. Неодинаковая скорость движения автомобилей на разных полосах моста также создает трудности для учета напряженного состояния дорожной одежды.

При проходе автомобилей по ортотропной плите мостового полотна в верхней части металлической плиты возникают растягивающие напряжения σ, такие же, как и в слое износа дорожной одежды. Повторяющиеся воздействия движущихся транспортных средств вызывают усталостное напряжение в слое асфальтобетона и определяются усталостной долговечностью материала.

Под усталостью понимают процесс постепенного накопления остаточных деформаций в материале под действием переменных напряжений, который приводит к изменению свойств материала, образованию и развитию дефектов и повреждений дорожной одежды вплоть до ее разрушения.

Усталостной долговечностью называют способности материала сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям. Она измеряется обычно количеством нагружений (циклов), которые выдерживает материал до разрушения. Это свойство дорожного покрытия характеризует продолжительность его работы в условиях эксплуатации (срок службы).

В отличие от асфальтобетонной дорожной одежды автомобильных дорог, где усталостное напряжение возникает в нижней части слоя и трещина «прорастает» снизу вверх, в слое, уложенном на ортотропную плиту, растягивающие напряжения возникают в верхней его части и тогда трещины идут сверху вниз (рис. 9) [15]:

Рис. 9. Асфальтобетонный слой на ортотропной плите моста:

а - работа слоя; б - эпюра моментов; 1 – металлический лист настила моста; 2 - трещина в асфальтобетонном слое; 3 - ребро жесткости ортотропной плиты

Во Франции проводилось изучение этого нетипичного поведения дорожной одежды на металлических мостах, для чего была разработана методика испытания на усталость, позволяющая оценить устойчивость основания на ребре жесткости ортотропной плиты [16]. По этой методике было проведено испытание на изгиб циклической нагрузкой образцов ГДП на металлическом листе [15]: При испытании фиксировали появление трещин в центральной зоне их распространение к краям образца и рост трещины в глубину, а также отмечали наличие отслаивания гидроизоляции от металла.

Образец считался выдержавшим испытание, а смесь пригодной для применения в дорожной одежде на мостах, если не происходило отслоения гидроизоляции от металла, а трещина в асфальтобетонном слое «прорастала» на глубину не более 35 мм.

Таким образом, критерием для выбора оптимального состава асфальтобетона для дорожной одежды на ортотропной плите моста был выбран параметр, называемый усталостной долговечностью всей системы мостового полотна. В этом случае эксплуатационные качества дорожной одежды должны соответствовать необходимым требованиям.

Еще одна особенность работы дорожного покрытия на металлических мостах отмечена в работе венгерских дорожников [17]: из-за сильного нагрева (или охлаждения) металлических ферм моста, разницы в теплопроводности материалов и, как следствие, большого перепада и скорости изменения температур в слоях системы, появляются дополнительные температурные напряжения системы ГДП, провоцирующие наряду с напряжениями от нагрузки (движущихся транспортных средств) возникновение напряжений сдвига на границе двух слоев - гидроизоляции (герметика) и покрытия. Это приводит к тому, что необходим учет не только адгезии между покрытием и герметиком, но и динамических нагрузок на границе слоев покрытия и герметика.

В отличие от автомобильных дорог, где атмосферная влага практически не оказывает разрушающего действия на асфальтобетон, отвечающий всем нормативным требованиям и уложенный на соответствующее всем нормативам земляное полотно и основание, на покрытиях мостов могут появиться специфические дефекты. Причем их возникновение возможно как на бетонных, так и металлических мостах.

Причина их в том, что при недостаточном водоотводе с моста вода может проникать между слоями дорожной одежды или между дорожной одеждой и слоем гидроизоляции в местах локального ослабления сцепления слоев, нарушая целостность единой системы «ГДП - настил моста». Осмотические явления в покрытии, особенно при проходе движущихся транспортных средств, увеличивают расслоение системы и накопление в образовавшихся полостях воды, которая длительное время остается внутри покрытия между слоями. При нагревании покрытия в теплое время года образуется водяной пар, который поднимает слои дорожной одежды [18].

В результате асфальтобетон вспучивается и на поверхности верхнего слоя покрытия могут образовываться трещины, развивающиеся сверху вниз. Схема механизма такого развития трещины показана на рис. 10,а, вид образовавшихся в таком месте трещин в виде «паука» или «куриного гнезда» - на рис. 10,б.

Рис. 10. Вспучивание системы ЩИ под давлением водяного пара:

а - схема образования дефекта; б - вид трещин («паук» на асфальтобетонном покрытии металлического моста;
1 - слой асфальтобетона; 2 - гидроизоляция моста; 3 - вода; 4 - водяной пар; 5 - лист настила моста; 6 - место образования трещин

Размер такого вспучивания зависит от дневных температур летом и проявляется в местах локальной потери сцепления между слоями системы, в основном, в теплое время года.

Повышение эксплуатационных свойств ездового полотна с учетом специфики работы покрытия на ортотропной плите металлических мостов, путем увеличения срока службы асфальтобетонных покрытий диктует применение дорожной конструкции и материала со свойствами, отличающимися от требуемых для условий дорожного строительства.

Все это показывает необходимость проектирования асфальтобетонных покрытий на мостах по другим критериям, нежели на дорогах. А на выбор конструкции дорожной одежды накладывается дополнительное требование - не превышать определенной массы, чтобы не увеличивать постоянную нагрузку на мост.

Изучение опыта применения дорожных покрытий на мостах за рубежом показывает, что конструкции дорожных одежд должны резко отличаться от аналогичных на автомобильных дорогах. Поэтому необходима разработка оптимальных типов дорожных одежд и программы расчета их на металлической ортотропной плите моста.

В настоящее время при разработке проекта мостовых конструкций расчет дорожной конструкции с учетом категории дороги, интенсивности движения и применяемых материалов не производится. Категория дороги учитывается только при назначении габаритов моста, числа полос проезжей части, ширины полос движения и полос безопасности. Толщина дорожной одежды назначается исходя из того, что чем больше ее толщина, тем меньше опасность появления трещин, что давно уже отвергнуто дорожниками.

Следует отметить, что и в дорожном строительстве не умеют рассчитывать тонкие слои покрытия, так как принятая методика расчета дорожной конструкции к ним неприменима.

При подборе асфальтобетона для покрытий на металлических мостах следует учитывать возрастание роли пластично-упругих свойств асфальтобетона, в то же время к верхнему слою предъявляются повышенные требования по водопроницаемости, а часто и шероховатости. Наращивать толщину покрытия за счёт дополнительных слоев нельзя из-за возможности превышения нагрузки на мост, поэтому слой асфальтобетонного покрытия на мостах должен сочетать в себе качества верхнего слоя и слоя износа при минимально возможной толщине, т.е. это должен быть специальный асфальтобетон для покрытий на металлических мостах.

Эксплуатационные требования к мостовым конструкциям, в том числе и к дорожным одеждам, являются основными и могут быть сформулированы следующим образом:

- сооружение должно обеспечивать безопасность и удобство движения по мосту без снижения скорости движения в течение заданного срока эксплуатации;

- оно должно иметь жесткость, чтобы деформации и перемещения при движении транспортных средств не были чрезмерными и не отражались на безопасности движения;

- мостовая конструкция должна иметь необходимую ширину проезжей части и тротуаров в зависимости от ее назначения с учетом перспективы роста интенсивности движения;

- сооружение должно иметь благоприятный для движения транспортных средств продольный и поперечный профиль;

- оно должно быть долговечным, из прочных материалов;

- мостовое полотно должно быть выполнено из износостойкого материала и обеспечено надежным отводом воды;

- мостовая конструкция должна обеспечивать возможность осмотра, ремонта и реконструкции.

На основании всего вышесказанного можно сформулировать некоторые особенности работы дорожных одежд на металлических мостах:

- дорожная одежда работает в условиях динамической нагрузки, которая возникает от совместного воздействия движущихся транспортных средств и колебаний самого моста. Она изменяется в широких пределах как в продольном, так и в поперечном направлении;

- преобладающими дефектами нежестких покрытий на металлических мостах независимо от его системы являются продольные трещины, развивающиеся сверху вниз (от поверхности);

- наиболее значимыми для работы дорожных одежд на мостах являются сдвигающие и изгибающие напряжения и деформации;

- при использовании асфальтобетона в качестве дорожного покрытия на ортотропной плите металлического моста следует учитывать возрастание роли пластично-упругих его свойств;

- вода, попадая внутрь системы ГДП и испытывая осмотическое воздействие движущихся транспортных средств, является одной из причин появления трещин в теплое время года;

- погодно-климатические воздействия на дорожную одежду моста усугубляются большой разницей в теплопроводности материала покрытия и металла моста.

Таким образом, необходимость проектирования дорожных одежд и конструкции проезжей части моста в целом и выбор критериев для оценки качества дорожного покрытия и назначения конструкций дорожных одежд очевидна. При этом предъявляемые к ним требования должны отличаться от нормативов, применяемых для автомобильных дорог.

3. АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА УСТРОЙСТВА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТАХ

3.1. Дорожные одежды и материалы, применяемые на металлических мостах

Опыт эксплуатации металлических мостов с ортотропной плитой во всем мире показывает, что надежная работа покрытия ездового полотна может быть обеспечена только совместной работой материалов дорожной и мостовой конструкций.

При этом многими исследователями отмечается, что применяемые в настоящее время составы асфальтобетонных покрытий не в полной мере отвечают условиям их работы в качестве дорожной одежды мостов. Следует отметить, что дорожная одежда на ортотропной плите работает в экстремальных условиях и должна выдерживать погодные воздействия и деформации от силовых нагрузок. Это указывает на необходимость разработки новых составов асфальтовых смесей, совершенствования конструкций дорожных одежд и технологии устройства их на металлические автодорожных мостах с ортотропной плитой. К таким выводам пришли многие исследователи [17, 19 - 29]. В России на эту тему в 2002 г. были защищены две кандидатские диссертации в г.г. Москве и Хабаровске [27, 28]. В г. Хабаровске работа проводилась на примере Амурского моста А.А. Парфеновым [27], которые исследовав свойства защитных слоев и проанализировав работу дорожной конструкции на металлических мостах, разработал состав высокоплотной асфальтобетонной смеси. Эта смесь укладывается на гидроизоляционный материал и хорошо работает только, если вся дорожная конструкция и гидроизоляция моста работают, как одно целое. Однако автор этой работы предлагает асфальтобетон, отвечающий требованиям ГОСТ 9128-97. В этом случае вся ответственность за возникновение дефектов дорожного покрытий возлагается на качество гидроизоляционного материала, технологические режимы и приемы объединения этих двух материалов в одно целое, что, с точки зрения автора данной обзорной информации, не совсем верно.

А.В. Минин [28] рассматривает вопрос с точки зрений получения специального дорожного материала. Полученная им полимербитумная композиция увеличивает эффективную энергию активации термоокислительной деструкции материала, вследствие чего срок службы гидроизоляционной мембраны и асфальтобетонного покрытия повышается в 1,4 - 1,5 раза. При этом асфальтобетон на таком вяжущем в 3,0 - 4,5 раза лучше воспринимает многократную динамическую нагрузку. Была предложена также специальная дорожная конструкция, состоящая из комбинированного слоя асфальтобетона, модифицированного полимерными добавками, с пористой вверху и плотной внизу структурой.

Расчетная схема ортотропной плиты - неразрезная балочная плита, имеющая при расчете поперек моста опирание в местах расположения продольных ребер, а при работе вдоль моста – в местах расположения поперечных балок.

При расчете конструкций дорожных одежд на ортотропной плите необходимо учитывать изменение модуля упругости асфальтобетона в зависимости от температуры воздуха, а также наличие хорошего сцепления дорожной одежды с металлом плиты [5, 9, 19]. Традиционно в России асфальтобетон принимается в расчетах как упругое тело, что справедливо лишь для отрицательных температур.

В работе [9] показано, что при наличии сцепления с настилом моста изгибающие напряжения значительно ниже, чем при его отсутствии. При этом изменение толщины покрытия и модуля упругости асфальтобетона, например, при воздействии погодно-климатических факторов, значительно влияет на напряженное состояние покрытия. Кроме того, значения напряжений, которые возникают на контактах слоев при изменениях температуры, достаточно велики и могут приводить к нарушению сцепления между слоями за счет различия в коэффициентах линейного удлинения. Поэтому материал защитно-сцепляющего слоя должен обладать очень хорошими когезионными свойствами, гораздо более высокими, чем для дорог.

Рекомендации автора работы [9], что толщина асфальтобетонного покрытия должна быть не менее 70 мм, а еще лучше 100 - 110 см, недостаточно обоснованы и относятся только к традиционному дорожному асфальтобетону.

Расчеты и исследования, проведенные профессором В.А. Золотаревым в ХАДИ, приведенные в работе [9] для обычного асфальтобетона и полимерасфальтобетона, показывают преимущества полимербетона с ДСТ. Однако сравнение прочностей на изгиб и сжатие, как отмечено автором, получилось не в пользу полимерасфальтобетона.

Подобное полимерасфальтобетонное покрытие на ДСТ было уложено на металлическом вантовом мосту с ортотропной плитой через р. Днепр в г. Киеве. Однако через короткий период времени над ребрами плиты образовались продольные трещины, которые свидетельствовали о недостаточной прочности асфальтобетона на изгиб. Поэтому в дальнейшем полимерасфальтобетон на подобных мостах долго не применяли. Однако в 2000 г. такой материал все же был уложен на мосту через р. Обь в г. Сургуте, но без должного обоснования.

В работе [29] приводится оценка усталостной долговечности такого материала, взятого из покрытия этого моста. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

• испытания подтверждают вывод зарубежных исследователей о том, что условия работы самого материала в отдельно взятом слое и в многослойной конструкции существенно различны, поэтому при анализе и расчетах необходимо оценивать качество дорожной конструкции в целом;

• сравнение усталостной долговечности асфальтобетонов, полученных на основе обычного дорожного битума и ПБВ, имеющих одинаковую вязкость при температуре 20°С, показала преимущество асфальтобетонной смеси на ПБВ перед традиционной асфальтобетонной смесью.

Однако испытания дорожной конструкции с двумя вариантами подгрунтовки между слоями асфальтобетона на ПБВ оказались не в пользу последнего. При этом конструкция с подгрунтовкой из ПБВ по нижнему слою покрытия показала худшие результаты, чем подгрунтовка обычным битумом.

Для выявления оптимальных типов конструкций дорожных покрытий на мостах необходимы длительные наблюдения за построенными мостами, проведение расчетов и анализов на математических моделях, учитывающих взаимодействие покрытий с конструкцией проезжей части моста, определения критериев требований к конструкции и материалам покрытий.

Полученные в работе [29] результаты еще раз подтверждают необходимость специальных требований к асфальтобетонным покрытиям на мостах, как к материалу, так и к дорожной конструкции в целом.

Такие же выводы делаются в целом ряде зарубежные публикаций. Так на VIII Международной конференции в г. Будапеште был сделан ряд докладов [10, 24, 30, 31], посвященных этому вопросу.

Весьма актуальным оказался доклад венгерских специалистов И. Паллоша, К. Терока и М. Вертеш на тему устройства гидроизоляции и дорожной одежды на мостах [31]. Они подводят итоги работ ряда венгерских мостостроительных и проектных организаций:

- гидроизоляцию и дорожные одежды на мостах следует рассматривать как единую систему, предъявляя требования не к отдельным элементам этой системы, а к системе в целом. Эти требования зависят от нагрузки, под которую проектируется мост, климатических и эксплуатационных условий отдельно для зимнего и летнего периодов времени, учитывая интенсивность движения транспортных средств и тип моста;

- для соблюдения таких требований необходима разработка четкой системы контроля, а также наличие квалифицированного персонала;

- требуется разработка метода для определения характеристик этой системы и системы контроля за выбором, приготовлением, режимом устройства гидроизоляции и дорожного покрытия, а также за поведением системы в процессе эксплуатации моста.

В работах [20, 21] подробно описаны действующие в Венгрии технические нормы для тонкослойных асфальтобетонных покрытий на металлических и бетонных мостах, а также требования к асфальтобетонным смесям и слоям конструкций дорожных одежд. Согласно этим документам, тип асфальтобетона назначается с учетом интенсивности движения, климатических факторов района эксплуатации дороги и типа моста. Для покрытий на большепролетных металлических мостах рекомендуется применение модифицированных битумов. Отмечается, что при проектировании дорожного покрытия на мосту прежде всего необходимо принимать во внимание тип применяемой гидроизоляции и его совместимость с материалом дорожного покрытия, затем нагрузку от движения, а также количество и вид стыков и швов моста («расчлененность» мостового настила). Причем принцип проектирования системы ГДП одинаков как для бетонных, так и для металлических мостов [19].

Так как мост рассматривается как особый участок дороги со специфическим основанием (с точки зрения назначения дорожного покрытия на мосту), то возникает необходимость разработки метода расчета конструкции дорожных одежд на мостах. Пока такого метода нет, венгерские нормы рекомендуют в зависимости от длины пролета, типа моста, нагрузки и условий его эксплуатации назначать систему ГДП для каждого моста.

В Дании [22, 23] для устройства покрытий на металлических мостах используют специальный асфальтобетон, не применяемый в дорожном строительстве. Сообщается о 20-летнем опыте использования тонких дорожных одежд на стальных и бетонных мостах, состоящих из слоя гидроизоляции и слоя покрытия, в которых используются синтетические вяжущие, а также комбинированные слои из смеси синтетического вяжущего с песком и минеральным порошком, в который втапливается мелкий щебень. Однако может применяться и специальный асфальтобетон. Кроме того, предусматривается более строгий, чем на дорогах режим содержания и эксплуатации покрытия.

Обычно конструкции дорожных одежд на мостах проектируются с водопроницаемым дорожным покрытием. А в Дании для небольших металлических мостов с невысокой интенсивностью движения (до 2000 авт./сут) предложен специальный дренирующий асфальтобетон с остаточной пористостью до 9% по объему, чтобы перехватывать часть воды, которая может проникнуть внутрь покрытия при недостаточном водоотводе. Однако в отличие от дорожного дренирующего асфальтобетонного покрытия к ним предъявляются повышенные требования по коэффициенту уплотнения. В то же время этот, так называемый, дренажный слой толщиной 15 - 20 мм должен быть спроектирован так, чтобы под движением транспортных средств отсасывать воду с поверхности гидроизоляции, если она туда попадает, и отводить ее к бортам моста или тротуарам [22].

Второй принятый в Дании специально для покрытий на мостах тип асфальтобетона прямо противоположен - это асфальтобетон на модифицированном битуме с малой остаточной пористостью (менее 4% по объему), который используется как защитный между дренажным и слоем износа. Цель устройства этого слоя из высокоплотного многощебенистого, с большим количеством крупных фракций асфальтобетона в том, чтобы обеспечить прочность, сдвигоустойчивость и водонепроницаемость.

Требования к асфальтобетону, в зависимости от максимальной и минимальной температур эксплуатации покрытий с учетом пластических и упругих свойств асфальтобетона, разработаны по специальной методике. Для покрытий на мостах используется несколько вариантов конструкций.

Сложность устройства дорожной одежды из таких слоев состоит в том, что материалы (асфальтобетон, его составляющие и материал гидроизоляции) и режимы устройства дорожных покрытий из них должны обеспечивать высокую степень адгезии и работать как единая система. Поэтому был разработан специальный мастичный асфальтобетон, который совмещает в себе свойства защитного слоя, слоя износа и дорожного покрытия. Нормативных требований к этому асфальтобетону в дорожных спецификациях не существует, хотя он и применяется на мостах уже довольно давно в соответствии с местными нормами, разработанными мостостроителями. В качестве слоев износа, особенно для мостов с тяжелым и интенсивным движением, в Дании рекомендован слой из ЩМА с высоким содержанием асфальтового вяжущего (битум + минеральный порошок).

Кроме того, для тонкослойных дорожных покрытий, особенно на металлических мостах, в Дании используют синтетическое вяжущее [23]. Около 5% всех мостов страны имеет такие покрытия. Они служат до 15 - 17 лет при среднегодовой интенсивности грузового движения до 6500 авт./сут. В качестве синтетического вяжущего обычно применяют полиуретановые модификации эпоксидной смолы или смесь этого вяжущего с минеральным порошком и песком (асфальтовый раствор).

Обследования показали, что тонкослойные покрытия находятся в хорошем состоянии в течение 5 - 8 лет эксплуатации. Основным дефектом, проявляющимся, если осуществлялась некачественная укладка, является потеря щебня. Образование трещин отмечалось реже и, главным образом, на проезжей части мостов, где интенсивность движения грузовых автомобилей превышала нормативное значение. Причем, к этому виду дефекта оказались более склонными слои, устраиваемые на основе асфальтового раствора, а не чистого синтетического вяжущего [23].

Несколько ранее двое других исследователей представили в работе [32] материал научного исследования по определению сдвигающих усилий между слоями в асфальтобетонных покрытиях и зависимости их от ряда факторов, таких, как изменение температур, типа материала слоев, физико-механических характеристик смесей. Авторы подчеркивают, что наибольшую роль играет зависимость сдвигающих напряжений от температуры. Так, при температуре 40°С сцепление между слоями снижается в 3 - 4 раза по сравнению с температурой 20°С. Кроме того, на величину сдвигающих усилий влияют тип смеси, ее пористость и состав.

В работе [18] также наиболее опасными с точки зрения отслаивания дорожной одежды и гидроизоляции от плиты настила признаны положительные температуры.

Большое значение для создания качественного дорожного покрытия на металлическом мосту, которое соответствовало бы условиям работы и эксплуатации, имеют правильный выбор материалов с необходимыми свойствами и тщательное проектирование состава дорожной конструкции [18]. В результате этого долговечность дорожного покрытия при условии выбора соответствующего метода содержания может достигать срока более 30 лет, как описано в работе [11].

Так, на вантовом металлическом мосту в г. Дюссельдорфа (Германия) в середине 60-х годов прошлого века было запроектировано нестандартное дорожное покрытие, устойчивое к воздействию шипованных шин - специально подобранный литой асфальтобетон: В качестве замыкающего слоя, обеспечивающего как шероховатость, так и водонепроницаемость покрытия, был выбран слой ЩМА, который в 1960-е годы еще не был стандартизирован в Германии,

В качестве гидроизоляционного слоя применяли специальный жидкий материал на битумной основе без его разогрева, по которому наносился слой сцепления толщиной 3 - 4 мм. Далее распределялся слой специально подобранного материала на основе базальта и асфальтового вяжущего, приготовленного с применением минеральных волокон, нефтяного битума с добавкой каучука. Автор работы [11] подчеркивает, что при изготовлении как литого, так и щебеночно-мастичного асфальтобетона наиболее важным является не количество заполнителя или вяжущего, а его качество.

Для успешной работы в таких условиях литой асфальтобетон должен обладать наряду с высокими прочностными показателями также достаточной гибкостью, которая обеспечивается оптимальным соотношением пластичности и эластичности материала. А щебеночно-мастичный верхний слой должен иметь очень хорошую когезию, высокую упругую составляющую при большой пластичности, но при этом быть устойчивым к повышенным температурам, возникающим при эксплуатации, и одновременно иметь отличную адгезию. Требования к сцеплению всех слоев мостового полотна (металл + гидроизоляция + дорожная одежда) чрезвычайно высоки.

Наблюдения за состоянием верхнего слоя покрытия показали, что через 25 лет эксплуатации моста на средних полосах движения все-таки появились продольные трещины в верхнем слое покрытия.

Но даже через 33 года эксплуатации этого моста вырубки из покрытия, испытанные с помощью современных методов, не показали наличия значительных нарушений сплошности всей системы мостового полотна, а свойства асфальтобетона соответствовали действующим нормам.

Дорожное покрытие из литого асфальтобетона часто рекомендуется при движении большегрузных автомобилей. Однако условием получения высоких эксплуатационных и технологических свойств его является точное соблюдение технологии устройства покрытия и учет при проектировании состава таких факторов, как содержание и вязкость битумного вяжущего и количество в смеси дробленого песка. Необходимость и сложность введения поверхностно-активных и модифицирующих добавок в вяжущее или в минеральную часть смеси сдерживает применение этого материала [33].

В работе [34] подробно рассматривается влияние когезии в тонких и очень тонких слоях дорожного покрытия и предлагаются способы предотвращения плохого сцепления между слоями. В частности, в ней указано, что метод подгрунтовки недооценивается дорожниками и может более широко применяться, но при этом следует учитывать ряд факторов, определяющих эффективность использования этого метода. К таким факторам относится прежде всего сродство материала подгрунтовки и вяжущего в слоях покрытия, между которыми устраивается этот, так называемый, связующий слой, а также сила сцепления между слоями.

3.2. Перспективные разработки в области дорожных одежд

Многие исследователи [32 - 39] предлагают новые материалы для дорожных одежд, подход к проектированию их составов и наблюдение за их поведением в период эксплуатации. Так, в работе [35] сообщается о разработке комплексов на основе асфальтобетонной смеси, модифицированной волокном. Установлено, что такие смеси, уложенные тонким слоем, предотвращают образование отраженных трещин в дорожных покрытиях и имеют высокую прочность на изгиб, а это важно для работы материала на металлических мостах. Наибольший интерес с этой точки зрения могут представлять комплексы, состоящие из тонкого слоя асфальтобетона, модифицированного волокном (толщиной 3 - 4 см), и такого же, но очень тонкого слоя (толщиной 2 см). Такая конструкция позволяет получить покрытие с высокой прочностью на изгиб, снизить напряжения на ребрах жесткости ортотропной плиты моста.

Крупные ведущие фирмы, такие как SCREG, Optel, Shell, Eurovia и другие, предлагают новую гамму вяжущих для асфальтобетона, в том числе и для получения специальных покрытий (смесей специального назначения на их основе и гидроизоляции).

Например, в Германии были проведены испытания модифицированных битумов с добавкой Ассогех [40]. Выявлено, что показатель устойчивости асфальтобетонных смесей, приготовленных с этой добавкой, повышается, а показатель пластичности снижается. В Германии битумы с указанной добавкой стали применять для приготовления ЩМА. При этом выяснилось, что сдвигающие усилия в слое асфальтобетона заметно уменьшаются.

Авторы работы [40] на основе натурных и лабораторных испытаний сделали вывод, что ЩМА с такой добавкой можно рекомендовать для дорог с особо высокими нагрузками.

Фирма SCREG разрабатывает концепцию применения битума с добавлением минеральных волокон для слоев износа [41]. Смеси на основе такого вяжущего, названные Compoflex, позволяют, по мнению фирмы, получать материал предупреждающий появление трещин в нежестких покрытиях даже на дорогах с высокой интенсивностью движения и большой величиной прогиба дорожной одежды.

Все эти материалы разрабатывались для использования в покрытиях автомобильных дорог, однако, они представляют интерес и для применения в дорожной одежде на металлических мостах.

При проектировании дорожной одежды инновации касаются чаще всего материалов, используемых для слоев износа или основного слоя покрытия, и, очень редко, - проектирования самой дорожной конструкции. Предложение фирмы Eurovia относится к этому редкому случаю [42].

На дорогах с тяжелым и интенсивным движением для борьбы с отраженными трещинами уже более 10 лет назад были предложены различные промежуточные слои из материала с модулем упругости, значительно отличающимся от выше- и нижележащих слоев. Невысокий модуль упругости промежуточного слоя, укладываемого на слой, имеющий трещины, позволяет создать «ловушку» для них. Энергия трещины, развивающейся под действием движения транспортных средств и температурных воздействий, обычно концентрируется в основании вышележащего слоя и разрушает его, двигаясь снизу вверх. Устройство промежуточного слоя-«ловушки» - позволяет перераспределить эту энергию и направить ее не вверх, а по горизонтали. Этот принцип предлагается использовать при устройстве демпфирующего слоя между слоями плотного асфальтобетона на дорогах, испытывающих большие изгибающие и сдвигающие напряжения [42].

Фирма Eurovia предлагает оригинальную трехслойную конструкцию для таких асфальтобетонных дорожных одежд (рис. 11). Эта дорожная одежда, которую иногда называют «вафлей» или «линзообразной» конструкцией [43], состоит из двух тонких слоев плотного асфальтобетона с высоким модулем упругости и демпфирующего слоя из материала с более низкими характеристиками. Толщина демпфирующего слоя варьируется в зависимости от величины изгибающего напряжения, возникающего от движущихся транспортных средств, а минимально возможная толщина верхнего и нижнего слоев остается постоянной. Отношение модулей упругости верхнего и промежуточного слоев при этом должно находиться в пределах / = 2 - 10.

Рис. 11. Диаграмма изгибающих напряжений при соотношении модулей упругости:

а - ; б - ; в -

Если вся конструкция устроена из одного материала (монослой), т.е. отношение модулей упругости равно единице, то диаграмма возникающих напряжений от действующей нагрузки будет линейной (линия а на рис. 11), если , то слои дорожной одежды будут работать на изгиб независимо друг от друга (линия б на рис. 11). В этом случае в основании верхнего слоя возникают сильные растягивающие напряжения, вызывая увеличение изгибающих усилий в нижнем слое. Изменение толщины промежуточного демпфирующего слоя при этом не приводит к заметному изменению растягивающих напряжений в основании верхнего слоя.

При оптимальном соотношении модулей упругости диаграмма напряжений будет представлена ломаной линией в (см. рис. 11). Но растягивающие напряжения в основании верхнего слоя в отличие от линии б (см. рис. 11) будут небольшими, а, значит, снижается и риск появления трещин. Кроме того, эта ломаная линия близка к линейной зависимости для монослоя, т.е. обеспечивается совместная работа всех трех слоев дорожной одежды. В этом случае появляется возможность регулировать величину изгибающего усилия в нижнем слое с помощью изменения толщины промежуточного («эффект рычага»).

Толщины верхнего и нижнего слоев при этом назначаются минимально возможными независимо от действующей нагрузки (интенсивности и состава движения транспортных средств). Эти слои должны иметь прочностные и усталостные ресурсы, отвечающие требованиям категории автомобильной дороги, а верхний слой должен соответствовать ей и по характеристикам поверхности покрытия (шероховатости, водонепроницаемости, износу и т.п.).

Испытания этой конструкции как на лабораторном стенде, так и на опытном участке не показали заметного снижения усталостного ресурса после четырех миллионов проходов эквивалентной нагрузки в размере 15 т на ось, тогда как усталостная прочность традиционной дорожной конструкции снизилась на 40%, несмотря на то, что ее толщина была на 30% больше.

Эти испытания выявили также, что сдвиг промежуточного слоя под действием растягивающих напряжений от движущихся транспортных средств происходит в нижней трети слоя. Этот сдвиг был хорошо заметен визуально при отборе образцов-кернов как на опытных участках, так и на стендовых испытательных полосах, особенно в области полосы наката (рис. 12) [35].

Рис. 12. Диаграмма сдвигающих напряжений, измеренная в образцах-кернах, взятых:

а - вне колеи движения при температуре испытания 20°С;
б - по колее движения при температуре испытания 10°С;
 - нарушения сплошности слоя дорожной одежды по плоскости сдвига под транспортной нагрузкой по колее движения (для кернов, взятых вне колеи движения этой плоскости, не наблюдается)

Диаграмма показывает, что вне колеи растягивающие напряжения ограничены нижним слоем дорожной одежды, а верхний слой, в основном, подвергается сжимающим усилиям. В промежуточном демпфирующем слое наблюдается незначительное растяжение (рис. 12,а).

На полосе наката картина несколько меняется. В нижнем слое растягивающие напряжения резко возрастают, захватывая и нижнюю часть среднего слоя. В этом случае может возникнуть нарушение сплошности обоих слоев. Причем большие растягивающие напряжения, вызывающие сдвиг материала слоя, наблюдаются в нижней трети промежуточного (среднего) слоя (рис 12,б). По ширине эта зона сдвига совпадает с шириной колеи движения [35].

Керны, взятые с опытного участка и стендовой полосы, показали идентичную картину. Было выявлено наличие горизонтальной поверхности сдвига в нижней трети промежуточного слоя, вне полосы наката этой поверхности не наблюдалось.

Так как поверхность разрушения слоя горизонтальна, то причиной ее образования является сдвиг усталостного характера, а не изгибающие усилия, возникающие в слое. Интересно, что сдвигающие напряжения постоянны по всей толщине промежуточного слоя, но сдвиг происходит лишь в нижней его трети, где, видимо, сдвигающие напряжения накладываются на растягивающие, приходящие из нижнего слоя.

На характер разрушения такой конструкции влияет также и меньшая термочувствительность материала промежуточного демпфирующего слоя по сравнению с материалами верхнего и нижнего слоев [35].

Характер разрушения конструкции типа «вафля» достаточно специфичен и никогда не встречается в традиционных дорожных одеждах, рассчитанных согласно требованиям ОДН [44]. Как показали экспериментальные исследования фирмы Eurovia, он может реализовываться двумя путями:

- если модули упругости всех трех слоев дорожной конструкции близки или если она выполнена из одного материала, то разрушение происходит в одну стадию, начинаясь снизу. Трещина быстро прорастает наверх к поверхности покрытия. В этом случав срок службы дорожной конструкции будет зависеть только от свойств материала слоев и равен сроку службы монослоя из этого материала, практически не завися от его толщины;

- если материал всех трех слоев подобран по оптимальной схеме, т.е. , то средний демпфирующий слой задерживает развитие трещины, разрушение происходит в три стадии (рис. 13) и долговечность дорожного покрытия увеличивается [45].

В настоящее время фирмы разработали целую гамму материалов для такой конструкции дорожной одежды, в том числе и с применением синтетических волокон для тонких и сверхтонких слоев покрытия [45].

Рис. 13. Схема разрушения трехслойной конструкции типа «вафля»:

а - стадия 1; б - стадия 2; в - стадия 3;
I - разрушенная зона; Т - зона зарождения трещины и начало разрушения слоя дорожной одежды

В России, в основном при строительстве взлетно-посадочных полос аэродромов и в городском строительстве, есть положительный опыт армирования асфальтобетона геосеткой HaTelit. Она помогает распределять нагрузку по всей ширине слоя и позволяет асфальтобетонному покрытию противостоять усталостным деформациям, придавая ему устойчивость к воздействию высоких динамических нагрузок.

Эта геосетка выполняет в асфальтобетонном покрытии две важные задачи:

- увеличивает прочность асфальтобетона на растяжение;

- воспринимает значительную часть горизонтальных растягивающих напряжений, возникающих в слое дорожной одежды, распределяя их на большую площадь.

Такие геосетки хорошо зарекомендовали себя и в случае необходимости устраивать слои дорожных одежд из материалов, имеющих большие отличия в значениях коэффициентов температурного расширения, например, асфальтобетонный слой по слою цементобетона или сборным железобетонным плитам.

3.3. Нормативы и технологические регламенты на устройство дорожных одежд на мостах

Как уже отмечалось ранее, одна из немногих стран, которая разработала специальные требования к асфальтобетонным покрытиям на мостах, - это Венгрия [20]. Правда, кроме литого асфальтобетона там для металлических мостов других материалов не предусмотрено. Однако очень подробно рассмотрены варианты ГДП, методические вопросы ее назначения в зависимости от условий эксплуатации и типа моста. К тому же очень серьезно проработан вопрос использования битумного вяжущего как для гидроизоляции, так и для асфальтобетонных покрытий [21]. Особенно подчеркивается важность применения модифицированных битумов с различными модификаторами, которые выбираются в зависимости от типа, конструкции и назначения гидроизоляционного слоя моста и условий эксплуатации единой системы «ГДП - настил моста». Поэтому требования к материалам, в том числе и исходным, для герметика (ГДП) и дорожного покрытия предъявляются с точки зрения работы их в единой системе. Такой подход позволяет исключить попадание воды в зоны контактов материалов - между покрытием и герметиком, между герметиком и плитой моста и между слоями дорожной одежды. Кроме того, предъявляются жесткие требования к обеспечению водоотвода с мостового полотна, особенно на мостах с пролетами более 10 м.

При разработке требований к асфальтобетонным смесям, предназначенным для устройства покрытий на металлических мостах, прежде всего, необходимо обратить внимание на возрастание роли пластично-упругих свойств асфальтобетона, адгезии к материалу гидроизоляции моста, водонепроницаемости, долговечности в экстремальных климатических и эксплуатационных условиях и возможности снижения его относительной плотности. При этом следует учесть, что основание - металлическая плита моста - по своим характеристикам резко отличается от основания автомобильных дорог.

В нормах [20] при проектировании ГДП тип гидроизоляции и материалы для него выбирают по различным критериям. Так, тип ГДП принимают, исходя из характеристик самого моста, его типа и нагрузок на мост, в том числе от движущихся транспортных средств. А при выборе материалов для ГДП прежде всего учитывают нагрузку на мост от движения транспортных средств и характеристики слоев дорожной одежды.

В Венгерских нормах [20] при выборе ГДП принимается во внимание целый ряд факторов путем введения деления на три категории различных условий эксплуатации мостового полотна, включая интенсивность и состав движения транспортных средств: М - «малоинтенсивные» или «пониженные», N - «нормальные» и F - «c высокой интенсивностью» или «повышенные». Эти категории включают не только интенсивность дорожного движения, но и влияние климатических условий. Введение такого деления на категории позволило унифицировать различные показатели эксплуатационного состояния дорожного покрытия и на основании этого назначать тип асфальтобетонной смеси, в том числе и для покрытий на мостах [21].

Тип ГДП по этим нормам рекомендуется выбирать в соответствии с принятой конструкцией пролетного строения, расчетной величиной нагрузки от движения транспортных средств и категорией автомобильной дороги, участком которой является мостовой переход (табл. 2, 3).

Таблица 2

Типы системы «гидроизоляция - покрытие (ГДП)»

Примечание. «Жидкая фольга» - это искусственный полимерный материал литой консистенции, обладающий высокими показателями в области упругих свойств и применяемый в виде сверхтонкого слоя (не более 5 мм). Этот тип ГДП применяется в Венгрии, в России он используется только при содержании автомобильных дорог.

Таблица 3

Выбор типа системы ГДП

При этом основными критериями выбора материала для дорожного покрытия на металлических мостах являются предел прочности при сдвиге и величина изгибающих и растягивающих напряжений.

Технологический регламент на применение тонких и очень тонких слоев из материала с хорошим сочетанием механических свойств и сродством к битумным материалам дорожного покрытия был разработан фирмой Euroduit [38]. Этот материал на основе нефтяных битумов имеет высокие прочности на изгиб и сдвиг, он отличается высокими когезионными свойствами и в то же время достаточно пластичен, чтобы противостоять образованию отраженных трещин в дорожных покрытиях и продольных трещин в покрытиях на металлических мостах [36, 37].

В Дании [22, 23] существуют только местные нормативные документы, содержащие требования к свойствам тех или иных материалов, несмотря на специально разработанные для покрытий металлических мостов дорожные конструкции и материал для них.

Долговечная дорожная конструкция в г. Дюссельдорфе [11] - результат совместной плодотворной работы специалистов - мостовиков и дорожников.

Нормативные документы на материал верхнего слоя ЩМА были разработаны лишь через 15 лет его эксплуатации на этом мосту, а нормативов на устройство дорожной конструкции на металлических мостах в Германии еще нет.

Действующие в Германии требования к строительным материалам для дорожных покрытий на мостах установлены в стандартах DIN и DINEN и в технических условиях ZTW-Bel В (дополнительные технические условия на устройство мостовых настилов на бетонных мостах). Для металлических мостов таких норм пока нет [46].

В последние годы разрабатываются общие европейские стандарты для проектирования дорожных покрытий и уплотняющих слоев на бетонных мостах. В этой работе принимает участие и Германия, в стандарты которой кроме обычных стандартных характеристик асфальтобетона включены также требования к изгибу при низких температурах, теплоустойчивости и динамическим характеристикам в водонасыщенном состоянии [47].

Для литого асфальтобетона, рекомендуемого для верхних и защитных слоев покрытия, наибольшее внимание в этих стандартах уделено совершенствованию требований прежде всего к вяжущим [46].

Основные требования, предъявляемые в России к конструкциям дорожных одежд на металлических мостах, изложены в нормативных документах [8, 19, 48].

В СНиП 2.05.03-84* [8] указывается только требование по обязательному обеспечению надежного сцепления покрытия с поверхностью металла и защиты металлической поверхности от коррозии. СНиП 3.06.04-91 [48] несколько более конкретен. В нем сообщается, что на пролетных строениях металлических мостов с ортотропными плитами конструкция одежды ездового полотна, как правило, должна быть многослойной, состоящей из антикоррозионного и защитно-сцепляющего слоев с рассыпанным по поверхности щебнем и асфальтобетонного покрытия. Допускается вводить в защитно-сцепляющий слой ингибитор коррозии металла и тогда антикоррозионный слой не устраивается.

В Рекомендациях [19], разработанных в соответствии с требованиями строительных норм и правил, даются теоретические предпосылки для обоснования приведенной здесь же конструкции дорожной одежды, рекомендованной для металлических мостов, и сообщаются основные технологические требования.

Теоретические предпосылки, т.е. условия работы дорожной одежды на металлических мостах, указанные в этих Рекомендациях, могут быть сформулированы следующим образом:

- главные растягивающие и касательные напряжения зависят от модуля упругости асфальтобетона. Они увеличиваются в верхней зоне слоев дорожной одежды и уменьшаются к границам слоев;

- при увеличении общей толщины асфальтобетонной дорожной одежды, при наличии хорошего сцепления между слоями, эти напряжения резко падают. Отсутствие сцепления при общей толщине дорожной одежды 70 см вызывает рост напряжений более, чем в 2 раза;

- увеличение толщины листа ортотропной плиты с 8 до 14 мм приводит к уменьшению растягивающих напряжений в 2 раза даже при отсутствии сцепления с дорожной одеждой.

Рекомендованная конструкция дорожной одежды представляет собой ГДП:

- антикоррозионный слой толщиной 60 мкм;

- защитно-сцепляющий слой толщиной 2,5 - 4,0 мм;

- двухслойное асфальтобетонное покрытие толщиной 70 мм при толщине ортотропной плиты 12 мм и с расстоянием между продольными ребрами жесткости 350 мм.

Толщина 70 мм асфальтобетонного покрытия выбрана с учетом того, что растягивающие напряжения в слое такой толщины составят не более 1,5 МПа, а касательные - менее 1,0 МПа.

Российские нормативные документы, в отличие от венгерских, не дают возможности проектировать всю систему ГДП, они лишь назначают один из ее вариантов, который рекомендуется к применению независимо от воздействующих на дорожную одежду разнообразных факторов, эксплуатационных и климатических.

Многими специалистами [12, 29, 34] отмечалась разница в уплотняемости, а следовательно, и в долговечности асфальтобетонного покрытия, особенно на основе модифицированного битума и ПБВ, уложенного на ортотропную плиту, по сравнению с традиционным основанием дорожной одежды. В настоящее время требований к выбору материалов и конструктивных решений, учитывающих эту специфику основания дорожной одежды на металлических мостах, нет ни в каких нормативах. Но при предъявлении требований к технологическим параметрам следует учитывать этот аспект.

Поэтому необходимо на основании изучения как отечественного, так и зарубежного опыта строительства и эксплуатации дорожных одежд и ГДП, разработать требования не только к материалу дорожного покрытия, работающего в специфических условиях на металлических мостах, но и к конструкциям ГДП, включая конструкцию дорожной одежды и учитывая технологические особенности устройства их на металлических мостах.

При этом, зная, что в мостостроении находят применение более легкие материалы, все более актуальным становится поиск возможности снижения массы дорожных одежд. В противном случае масса асфальтобетона с рекомендованной российскими нормами толщиной 70 - 110 мм становится сопоставимой с массой самой ортотропной плиты, что делает нецелесообразным использование такой дорожной конструкции, особенно для большепролетных мостов.

4. ОПЫТ УСТРОЙСТВА НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТАХ РОССИИ

4.1. Анализ повреждений дорожных покрытий на металлических мостах

Известно, что асфальтобетонная дорожная одежда, которая устраивается в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-97, на металлических мостах характеризуется значительно меньшим сроком службы, чем на подходах к мосту.

Такие дефекты, как износ и уменьшение коэффициента сцепления (шероховатости), сравнительно легко устраняются путем устройства слоев износа и защитных пленок, поэтому рассматриваться в этой работе не будут.

Для асфальтобетонных покрытий на металлических мостах России характерны следующие дефекты: продольные и поперечные трещины, сетка трещин, колейность, пластические деформации (волны и наплывы) и выбоины. Наиболее распространенными являются продольные трещины и пластические деформации. Какие из них на каждом конкретном мосту будут иметь место в большей степени, зависит от целого ряда факторов - климатических, эксплуатационных и технологических.

Преобладание на большинстве асфальтобетонных покрытий металлических мостов с ортотропной плитой продольных трещин (от 20 до 40% от общего количества дефектов) связано, как упоминалось ранее, со значительным различием в значениях коэффициентов температурного расширения материалов покрытия (асфальтобетона) и несущей конструкции моста (металла), которая является основанием для дорожной одежды, а также с возникновением больших растягивающих и изгибающих напряжений, превышающих критические величины.

В покрытиях автомобильных дорог продольные трещины, если только они не появляются в местах технологических швов или стыков, достаточно редкий дефект. Но тем не менее в России имеется несколько регионов, где этот дефект превышает 20% от общего количества выявленных дефектов, а в Калининградской области количество продольных трещин на асфальтобетонных покрытиях в 1970 г. превышало 60%. Анализ причин их появления на покрытиях дорог позволил выяснить, что практически все они уложены на жесткое основание - цементобетонное, сборные железобетонные плиты и брусчатку. При этом они находились в районах с резко меняющимися температурами и сильными ветрами, а толщина дорожной одежды на всех этих участках не превышала 120 мм.

Жесткие условия работы дорожной конструкции на ортотропной плите моста усугубляют все эти неблагоприятные воздействия, и дорожная одежда разрушается в 2 - 2,5 раза быстрее, чем при аналогичных условиях эксплуатации на дороге.

Специфическим дефектом для покрытий на металлических мостах является вспучивание при нагревании его в теплое время суток и появление трещин - «пауков» (см. рис. 10) из-за локального отслаивания гидроизоляции и проникания воды внутрь покрытия. В дальнейшем, в зависимости от свойств асфальтобетона, эти трещины либо развиваются в длинные, беспорядочно ориентированные трещины, либо на их месте образуются выбоины.

Еще один специфический, редко встречающийся на дорогах, дефект отметили саратовские специалисты-мостовики при обследовании асфальтобетонных покрытий на железобетонной плите проезжей части мостов - наличие разуплотнения верхнего слоя покрытия. Такой же дефект проявился и на металлическом мосту через р. Обь у г. Сургута в верхнем слое покрытия из асфальтобетона с ПБВ - коэффициент уплотнения изменился за три года с 0,99 до 0,96, а местами, где наблюдалось вспучивание покрытия, и до 0,93.

Однако, как и за рубежом, наиболее распространенным дефектом являются продольные трещины, часто с шагом 15 мм, т.е. на ребрах жесткости и между ними.

4.2. Опыт устройства нежесткого дорожного покрытия

Вопрос об оптимальной конструкции дорожного покрытия на ортотропной плите возник одновременно с появлением в России металлических мостовых конструкций с 1965 г. Методом проб и ошибок была выбрана наиболее распространенная в то время конструкция - двухслойный горячий плотный асфальтобетон общей толщиной 70 - 100 см, а в качестве антикоррозийного слоя предпочтение отдавали эпоксидно-цинковой грунтовке ЭП-057.

В дальнейшем появились различные материалы для гидроизоляции мостовых сооружений от битумных мастик, армированных рулонными сетчатыми материалами [49], до рулонных битумных материалов, наплавляемых («Мостопласт») [50] или наклеиваемых («Поликров») [51, 52] на металл моста. При этом материал дорожного покрытия и толщина слоев практически не изменились - горячий плотный асфальтобетон толщиной 70 - 110 см, что и было внесено в требования СНиП 2.05.03-84* [8].

Дефекты покрытия на металлической ортотропной плите в виде продольных, косых и беспорядочных трещин проявлялись часто уже на первый год эксплуатации.

Появились предложения применять для покрытий на металлических мостах асфальтобетоны, приготовленные на модифицированных битумах, или литые смеси, что увеличивало эластичность и упругость дорожного покрытия. В результате этого время появления дефектов увеличилось на два - три года, но по-прежнему остро стоял вопрос о долговечности дорожного покрытия на металлических мостах.

В 2003 г. специалистами ГП «Росдорнии» были обследованы дорожные покрытия на нескольких эксплуатируемых автодорожных металлических мостах с ортотропной плитой с анализом их технического состояния и оценкой изменения качества асфальтобетона в процессе эксплуатации мостов.

Ниже приведены характеристики дорожного покрытия на трех металлических мостах, обследованных ГП «Росдорнии», - мост через р. Обь у г. Сургута с асфальтобетонным покрытием на основе ПБВ и два моста на автомобильной дороге М5 через p.p. Москву и Оку с традиционным асфальтобетонным покрытием.

4.2.1. Общая характеристика дорожного покрытия на металлических мостах

Мост через р. Обь у г. Сургута

Металлический мост через р. Обь у г. Сургута постройки 2000 г. имеет центральный вантовый пролет длиной 408 м и неразрезные балочные пролеты с неподкрепленными консолями с обеих сторон шириной по 4,5 м при ширине проезжей части (включая полосу безопасности) 11,5 м. Длина балочных пролетов (между опорами) по 132 м. На мосту использовалась ортотропная плита с ребрами жесткости из полосовой стали (см. рис. 2,а).

Расчетные прогибы составляют соответственно 638 мм для вантового и 220 мм для балочного пролетов. Фактически замеренные на приемочных испытаниях прогибы при расчетных нагрузках составили соответственно 506 и 160 мм.

При эксплуатации моста было отмечено увеличение прогибов пролетных строений, а следовательно, и дорожного покрытия вследствие резонанса в период прохождения железнодорожных составов по соседнему мосту. Особенно опасны проходы железнодорожных составов в резонанс с повышенными транспортными нагрузками, имеющими однобалонные колеса, что не предусмотрено требованиями СНиП 2.05.03-84* [8]. Усугубляет эту ситуацию и наличие двух больших (по 4,5 м шириной каждая) неподкрепленных консолей на балочном пролете моста. Центральный вантовый пролет работает, главным образом, в упругой стадии.

Асфальтобетонное покрытие на проезжей части моста устраивалось в два слоя: горячая мелкозернистая асфальтобетонная смесь типа Б по ГОСТ 9128-97 на основе ПБВ (см. рис. 3,г) с розливом по нижнему слою вязкого нефтяного дорожного битума или ПБВ, применявшегося для приготовления асфальтобетона. Покрытие укладывалось на слой гидроизоляции из материала «Поликров», который, по данным его разработчиков, сочетает в себе преимущества рулонных и мастичных материалов, обеспечивая водостойкость и водонепроницаемость, а также высокую адгезию как к металлу плиты, так и к асфальтобетону дорожного покрытия [51] (рис. 14).

На выбор материала для дорожной одежды повлияли рекомендации зарубежных фирм и рекламируемые характеристики ПБВ на основе ДСТ, в частности, высокие показатели эластичности и температуростойкости (температура размягчения по КиШ, температура хрупкости).

Однако качество вяжущего для получения необходимых свойств асфальтобетона - фактор необходимый, но недостаточный.

Асфальтобетон на ПБВ для покрытия проектировали тем же методом, что и смеси на традиционном битумном вяжущем. В результате получили плохо уплотняемый резиноподобный и быстро остывающий материал, по лабораторным испытаниям, однако, соответствующий требованиям ГОСТ 9128-97 [6].

При строительстве дорожного покрытия возникли трудности с его уплотнением: он быстро остывал в тонком слое (4 - 5 см), становился резиноподобным и плохо поддавался уплотнению катками. Более того, даже после достижения коэффициента уплотнения слоя К_у = 0,980 - 0,996, через некоторое время асфальтобетон разуплотнялся до К_у = 0,96 - 0,97, а местами и до 0,93.

При визуальном обследовании вырубок из покрытий, взятых после трех лет эксплуатации в 2003 г., было отмечено появление большого количества продольных трещин и локальное вспучивание покрытия. Вода попадает внутрь покрытия во время дождя, просачиваясь через плохой стык проезжей части с тротуаром, где асфальтобетон был недоуплотнен, и длительное время остается внутри слоя.

Рис. 14. Укладка асфальтобетонного покрытия на мосту через р. Обь:

а - общий вид; б - текстура асфальтобетонного покрытия

В результате верхний слой асфальтобетона на проезжей части разуплотняется не только в силу особенностей самого материала, но и из-за находящейся внутри него воды. Испытания показали высокую влажность материала покрытия, особенно на полосе наката вантового пролета, где влажность в нижнем слое в 1,2 раза выше по сравнению с верхним. При взятии вырубок между слоями замечены отдельные локальные линзы воды. Следует отметить, что в момент окончания укладки дорожной одежды в 2000 г. все слои имели очень хорошее сцепление (рис. 14,б) и для лабораторных испытаний их пришлось разделять на камнерезном станке. В покрытии балочного пролета, несмотря на большое количество трещин, влажность материала незначительна.

Анализ результатов испытаний (табл. 4) показывает, что асфальтобетон на ПБВ в процессе эксплуатации разуплотняется, в то время как на обычном битуме его плотность не меняется.

Для более полной оценки качества и работоспособности дорожного покрытия потребовалось определение нестандартных характеристик материала: усталостной долговечности и соотношения упругопластических свойств. Эти характеристики, приведенные в табл. 5, определялись по методикам, разработанным в ГП «Росдорнии». Методика и анализ характеристик асфальтобетонов разных типов и некоторых дорожных конструкций на их основе по усталостной долговечности приведены ниже.

Упруговязкие свойства асфальтобетонной смеси оценивались по соотношению модулей упругости и вязкостей при двух температурах - 0 и 20°С, определяемых по методу «загрузка-разгрузка» [53].

Для асфальтобетона на ПБВ, примененного на мосту через р. Обь, характерно резкое снижение модуля эластичности при понижении температуры при значительном увеличении вязкости смеси, по сравнению с асфальтобетоном на обычном дорожном битуме.

Мосты на автомобильной дороге М5

Были также обследованы неразрезные балочные пролетные строения с ортотропной плитой на металлических мостах через p.p. Москву и Оку на автомобильной дороге М5 на обходе г. Коломны. Мост через р. Москву трехпролетный, а через р. Оку шестипролетный.

Таблица 4

Результаты испытаний вырубок асфальтобетонного покрытия с ездового полотна мостов с ортотропной плитой

Таблица 5

Характеристики упругопластических свойств асфальтобетонных дорожных одежд (лабораторные образцы)

Примечание. р - величина показателя пластичности; ОМС - органоминеральная смесь.

На обоих мостах использовалась ортотропная плита с ребрами жесткости из полосовой стали (см. рис. 2,а).

Мост через р. Москву на км 105 + 800 автомобильной дороги М5 (правая отдельная секция) находится в эксплуатации более 10 лет. Асфальтобетонное покрытие на мосту имеет многочисленные дефекты в виде продольных, косых и поперечных трещин (см. рис. 7), проходящих на всю толщину дорожного покрытия.

Мост через р. Оку на км 116 + 438 автомобильной дороги М5 также состоит из двух отдельных секций, правая из которых находится в эксплуатации более 10 лет, а левая - 3 года. Дорожное покрытие на правой секции моста имеет тот же набор дефектов, как и на мосту через р. Москву. Дефекты левой секции (рис. 15) проявляются в виде продольных трещин, имеющих четкую ориентацию на продольные элементы сечения ортотропной плиты и отдельных поперечных трещин. Трещины развиваются сверху вниз и проникли в дорожное покрытие, в основном, на глубину, равную половине толщины верхнего слоя, лишь в отдельных случаях они достигли границы между верхним и нижним слоями.

Рис. 15. Дорожное покрытие левой секции моста на автомобильной дороге М5 (после трех лет эксплуатации)

Дорожное покрытие на обоих мостах выполнено в виде двухслойного горячего плотного асфальтобетона общей толщиной 70 см (по проекту). Антикоррозийный и гидроизолирующий слои на правых секциях обоих мостов выполнены в виде эпоксидно-цинковой грунтовки ЭП-057, которая во многих местах отслоилась под действием воды как от поверхности моста, так и от асфальтобетона покрытия (рис. 16). На левой секции моста через р. Оку применялись различные опытные варианты гидроизоляционного слоя, поэтому оценка его состояния по всей длине моста затруднена. Но в месте взятия вырубки, где применялся битумный рулонный гидроизоляционный материал, сцепление его с материалом моста и асфальтобетоном удовлетворительное.

Рис. 16. Отслаивание гидроизоляции ЭП-057 на мосту через р. Москву (правая секция, км 105+800)

Отмечено колебание толщины слоев асфальтобетонного покрытия на обоих мостах от 2 до 9 см (правые секции) и от 4 до 9 см (левые секции). Сцепление слоев дорожного покрытия между собой хорошее, а со слоем гидроизоляции на правых секциях - удовлетворительное на мосту через р. Оку и неудовлетворительное на мосту через р. Москву. В последнем случае отмечено наличие воды между слоями дорожной одежды и гидроизоляции.

Результаты испытаний вырубок из покрытия приведены в табл. 4.

Интересно отметить, что наибольшее разуплотнение асфальтобетона на ПБВ произошло в покрытии балочного пролета на мосту через р. Обь. На вантовом пролете хотя и несколько снизился коэффициент уплотнения, но не так заметно, как на балочном, где плотность уменьшилась почти на 2%. Водонасыщение материала на этом участке повысилось почти в два раза.

Расчеты величин растягивающих напряжений а в покрытии обследованных мостов под действием вертикальной подвижной нагрузки А-11 при 20°С показывают, что полученное значение R = 5,4 МПа превышает значение расчетного сопротивления асфальтобетона при изгибе, равного R_p = 2,65 МПа [44]. Это может быть одной из причин образования продольных трещин в асфальтобетонном покрытии.

4.2.2. Оценочные испытания различных видов смесей

Дорожные покрытия работают обычно в условиях многократного приложения нагрузок (в динамическом режиме) и колебаний температур.

Для расчета дорожных конструкций часто используют значения прочности при растяжении. Это важнейшая характеристика, определяющая устойчивость материала при воздействии транспортных нагрузок (растяжение при изгибе) и температурных деформациях [54].

Значение предела прочности асфальтобетона при изгибе, как и при сжатии, зависит от температуры и скорости деформирования и типа применяемого органического вяжущего - его реологических характеристик и вязкости в первую очередь. Однако характер этих зависимостей существенно отличается. Если первые (при изгибе) имеют явно выраженный максимум, то вторые (при сжатии) непрерывно возрастают при понижении температуры.

Большое влияние на характер зависимости предела прочности при изгибе от температуры оказывает и реологический тип битумов. Так, в докладе на 4-й конференции RILEM Г.Н. Кирюхин рассматривает влияние реологического типа битума на изменение предела прочности при изгибе постоянной нагрузкой в зависимости от времени нагружения и температуры испытания (рис. 17) [50].

Рис. 17. Влияние реологического типа битума на изменение предела прочности при изгибе постоянной нагрузкой в зависимости от времени погружения и температуры испытания;

1 - для битума типа золь при температуре 20°С; 2 - то же, типа золь-гель; 3 - для битума типа золь при температуре 0°С; 4 - то же, типа золь-гель

Анализ результатов испытаний приводит к заключению, что при статическом режиме загружения битум типа золь при температуре 0°С будет более долговечным, чем битум типа золь-гель, поведение их при положительных температурах практически не отличается друг от друга.

Известно, что с увеличением вязкости органического вяжущего (битума или ПБВ) или скорости деформирования материала максимум зависимости предела прочности при изгибе от температуры смещается в область более высоких температур.

В работе [12] приведены результаты исследования влияния реологического типа битума и его вязкости на возникновение растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии, уложенном на ортотропной плите моста над ребром жесткости (см. рис. 2,ж), которые, по мнению авторов этой работы, приводят к образованию продольных трещин (рис. 18). Битум 1 с высокой вязкостью позволяет получить асфальтобетон с высокими показателями вязкоупругих свойств.

Рис. 18. Величины, измеренные в асфальтобетонном покрытии на ортотропной плите металлического моста для двух битумов разного реологического типа:

а - при движении транспортных средств со скоростью 80 км/ч; б - то же, 10 км/ч; в - то же, 40 км/ч
1 - битум с высокой вязкостью (типа ЛЕВ); 2 - то же, с невысоким показателем вязкости

На битуме 2 с небольшой вязкостью был приготовлен более пластичный материал,

Интересно отметить, что для материала на битуме 2 характерны относительно высокие растягивающие напряжения в точке А ребра жесткости (см рис. 2,ж) в момент прохождения колеса автомобиля посредине пролета L. Они, по мнению авторов работы [12], генерируются быстрой релаксацией напряжений, связанной с низкой вязкостью вяжущего и упругой реакцией металлической плиты моста. В результате многократного приложения нагрузки в этих точках появляются продольные трещины (см. рис. 6). Для материала на битуме 1 характерно полностью упругое поведение и, следовательно, отсутствие продольных трещин в течение значительно более длительного времени.

Для оценки свойств асфальтобетонных смесей применяются различные методы испытаний - от стандартных [6] до специально разработанных [16, 45, 55], если необходимо оценить материал с точки зрения определенных, требуемых в каком-либо конкретном случае его свойств. С точки зрения работы материала в дорожном покрытии на металлических мостах материал должен, главным образом, обладать эксплуатационной устойчивостью, характеризуемой несколькими основными показателями, которые определяют на кольцевых стендах [56].

Эксплуатационная устойчивость покрытий в значительной степени определяется физико-механическими характеристиками асфальтобетона и битумного вяжущего. В качестве единственной нормативной характеристики прочностных свойств смеси по ГОСТ 9128-97 принят показатель, получаемый по методу однократного предельного нагружения лабораторного образца, при котором он доводится до разрушения, т.е. определяется предельное сопротивление сжатию одним из трех способов - сжатием осевым, по образующей или методом Маршалла (боковое обжатие). Реально же покрытие дорог и мостов находится в более сложном напряженно-деформируемом состоянии. При движении автомобилей в материале покрытия при различных температурах возникают напряжения, постоянно меняющиеся и многократно повторяющиеся. Поэтому по предельным нагружениям затруднительно дать точную характеристику материалу.

В ЛИСИ [57, 58] в 1976 г. получены некоторые сравнительные данные определения одних и тех же показателей разными методами:

1. Например, два типа асфальтобетонов, различающихся по гранулометрии минерального материала и вязкости битума (немодифицированного), показали различие в значении пределов прочности на сжатие при 20°С на 20%. При испытании этих же образцов многократными повторными нагружениями выявилось превосходство одного из них в 6 раз.

2. Испытание образцов асфальтобетона на коэффициент водостойкости при сжатии показало величину 0,73, а при испытании их на растяжение при изгибе (по ГОСТ 12881-97) дало значение К_В = 0,43, т.е. оказалось, что испытание на растяжение при изгибе более чувствительно к структурным изменениям в асфальтобетоне при насыщении водой и замораживании-оттаивании, чем метод осевого сжатия.

3. Испытания литого асфальтобетона на сжатие при 50°С и песчаной смеси типа Д показали соответственно значения 0,8 и 1,6 МПа. Это обычно трактуется как меньшая сдвигоустойчивость литого асфальтобетона. Однако эта величина, определенная методом вдавливания штампа, в тех же условиях дала значение для литого асфальтобетона почти на 30% ниже, т.е. его сдвигоустойчивость повысилась на 30%.

Таким образом, оба состава асфальтобетона, считающиеся равноценными по результатам стандартных испытаний, могут иметь совершенно разные свойства и при расчете дорожных покрытий необходимо учитывать различия в их расчетных параметрах - допускаемых напряжениях и модулях упругости.

Многие исследователи считают, что для асфальтобетонных покрытий преобладающими являются деформации и разрушения усталостного характера, появляющиеся под действием многократно возникающих нагрузок от движущихся транспортных средств. Поэтому очень важным является определение усталостной прочности материала, т.е. числа повторных нагружений, которое выдерживает образец до разрушения, и зависимости усталостной прочности от величины нагрузки, а также модуля упругости и предельной деформации, предшествующей разрушению образца [11, 12, 17, 53].

Особенно возрастает значение воздействия многократно повторяющихся напряжений в материале для мостового полотна на металлических мостах при изменении нагрузок, влажности и температуры.

В этом случае важно установить связь между показателями пластичности, вязкости, модулей упругости и деформации и усталостью материала.

Эти показатели могут определяться разными методами - испытанием асфальтобетонов на ползучесть при изгибе или сжатии под действием постоянной нагрузки (определение характера зависимости развития деформаций во времени) [59, 60, 61].

Характеристика упруговязких свойств некоторых асфальтобетонных смесей представлена в табл. 5. Анализ этой таблицы показывает, что сжимающие напряжения асфальтобетона больше зависят от изменения температуры деформирования, чем растягивающие.

В работе [53] показано, что излишняя эластичность асфальтобетона (соотношение модулей эластичности и упругости более 4) резко уменьшает долговечность материала в дорожной конструкции - это соотношение для образца из асфальтобетона на ПБВ с балочного пролета моста через р. Обь при 0°С достигает 40 (см. табл. 5). Снижение долговечности этого материала подтверждают динамические испытания на усталость.

4.2.3. Усталостные испытания образцов из асфальтобетонных смесей и некоторых дорожных конструкций*

Способность материала сопротивляться многократно прилагаемым нагрузкам, т.е. его усталостная долговечность, измеряется обычно количеством нагружений (циклов), которые выдерживает материал до разрушения. Таким образом, можно косвенно оценить срок его службы в дорожной конструкции.

* Исследования и испытания на усталостную долговечность проведены в ГП «Росдорнии» А.А. Штромбергом (Примеч. авт.).

Усталость материала или слоев дорожной конструкции характеризуется накоплением остаточных деформаций под действием переменных напряжений, вызываемых движущейся нагрузкой или колебаниями температур и влажности материала (или дорожной конструкции). Кроме того, для слоев дорожной конструкции большое значение имеют характеристики нижележащих слоев. В дорожной конструкции, устраиваемой на ортотропной плите металлических мостов, это проявляется особенно явно вследствие большой разницы в характеристиках металлической плиты (основание) и дорожной одежды (покрытие). В этом случае оценка усталостных свойств асфальтобетона как в материале, так и в конструкции приобретает большое значение. Как уже упоминалось в подразделе 2.4, многие зарубежные лаборатории оценивают эти свойства различными методами.

В ГП «Росдорнии» была разработана оригинальная методика такой оценки.

Методика испытания асфальтобетонов на усталость при изгибе*

Испытания образцов асфальтобетонов на усталость при изгибе проводятся по методике ГП «Росдорнии» с целью оценки усталостной долговечности в лабораторных условиях, а также прогноза сроков службы дорожных покрытий с применением этих материалов.

* Методика разработана в ГП «Росдорнии» А.А. Штромбергом и А.В. Руденским (Примеч. авт.).

Испытания осуществляются на приборе ФР-2 (флексометр), модифицированном для испытания образцов-балочек размером 2,5×4,0×16,0 см. Основные параметры режима испытания: схема - центральный изгиб балки при постоянной амплитуде деформации (прогиба) с частотой 868 об./мин или 14,5 Гц; рабочий диапазон амплитуд (а) составляет 0,25 - 0,45 мм, что соответствует относительным деформациям прогиба порядка 0,00178 - 0,00321. Испытания проводят в диапазоне температур от -20°С до 30°С. Перед испытанием образцы выдерживают при заданной температуре не менее 8 ч в термостате или холодильнике (морозильнике). В результате испытания определяют следующие показатели: исходную прочность при динамическом изгибе (R_изг), усталостную долговечность (число циклов до разрушения образцов N) при нескольких различных амплитудах прогиба, коэффициент усталости (m).

Коэффициент усталости находят расчетным способом после оценки усталостной долговечности образцов при не менее, чем двух амплитудах прогиба, построением графика кривой усталости в двойных логарифмических координатах (lg а - lg N). В этих координатах кривая усталости изображается прямой линией определенного наклона, тангенс угла которой (tg ά = lg a : lg N) характеризует коэффициент усталости (m).

Испытания могут проводиться по трем вариантам методики:

1. Ускоренный вариант используют в случаях, когда необходимо сравнить различные составы асфальтобетона между собой или с эталонным составом. В этом случае испытания проводят при одной амплитуде прогиба (как правило, 0,35 мм) и одной температуре (обычно 20°С) с определением только показателя N.

2. Исследовательский вариант c определением полного набора показателей (N и m) при нескольких амплитудах деформации и нескольких температурах испытания.

3. Промежуточный вариант для случая, когда необходимо оценить долговечность образца при амплитудах прогиба, соизмеримых с погрешностями испытания. В этом случае определяют показатели долговечности N для 2 - 3 амплитуд прогиба при одной температуре испытания с построением графика кривой усталости и определением по графику показателя N путем экстраполяции кривой усталости до требуемой величины амплитуды прогиба.

Для проведения испытания по первому варианту методики необходимо не менее пяти образцов-балочек указанного размера, по второму и третьему вариантам минимальное количество образцов для испытания составляет для каждой температуры не менее восьми.

Результаты испытаний асфальтобетонных смесей и дорожных конструкций

Поскольку асфальтобетон в дорожном покрытии подвергается многократным воздействиям, приводящим в итоге к его разрушению, очень важна оценка его усталостных характеристик.

Для предварительной оценки различных составов асфальтобетонов в ГП «Росдорнии» было проведено сравнительное исследование лабораторных составов и некоторых составов из уложенных на отдельных мостах асфальтобетонов. Данные этих исследований представлены в виде диаграммы (рис. 19).

Рис. 19. Диаграмма усталостной долговечности образцов асфальтобетонов различных типов:

а - при температуре - 16°С; б - то же, 20°С; 1 - литой асфальтобетон; 2 - асфальтобетон горячий тип А на стандартном битуме; 3 - то же, тип Б; 4, 6, 7 - то же, тип Б на ПБВ; 5 - то же, тип Г; 8 – то же, тип Б на стандартном битуме МНПЗ; 9 - то же, на ПБВ; 10, 11 - то же, на стандартном битуме

Образцы составов 1, 8 и 9 приготовлены в лаборатории, образцы остальных составов переформованы из вырубок, отобранных из покрытий на следующих объектах: состав 2 -автомобильная дорога М7 «Волга» в районе г. Вязники (2002 г.); состав 3 - мост через р. Обь в районе г. Сургута, проезжая часть балочного пролета (2000 г.); состав 4 - мост через р. Обь, проезжая часть балочного пролета (2000 г.); состав 5 - мост через р. Обь, покрытие тротуара (2000 г.); состав 6 - мост через р. Обь, проезжая часть вантового пролета (2003 г.); состав 7 - мост через р. Обь, проезжая часть балочного пролета (2003 г.); состав 10 - мост через р. Москву, автомобильная дорога М5 «Урал» (2003 г.); состав 11 - мост через р. Оку, автомобильная дорога М5 «Урал» (2003 г.).

Анализ полученных результатов показывает, что величины усталостной долговечности асфальтобетонов различного типа при температуре 20°С достаточно мало отличаются, кроме асфальтобетона типа А, который характеризуется самой низкой долговечностью. Видимо, необходимы дополнительные исследования этого типа асфальтобетона.

При отрицательных температурах наименьшее значение усталостной долговечности показывает литой асфальтобетон. Этот тип асфальтобетона по показателю усталостной долговечности оказался самым чувствительным к понижению температуры. Однако для него необходимо тщательно проанализировать влияние на долговечность состава и точности соблюдения режимов приготовления и дозирования материалов. Эти факторы могут иметь большое влияние на величину его долговечности, так как замечено, что ошибка в дозировании битума при приготовлении такого асфальтобетона значительно снижает его усталостную долговечность. Асфальтобетон на ПБВ при отрицательных температурах имеет наилучшие показатели сразу после приготовления смеси (состав 4 на рис. 19,а). Однако через три года эксплуатации (составы 6 и 7 на рис. 19,а) эти значения несколько уменьшаются, причем смесь, уложенная в нижний слой, дает большую величину снижения величины усталостной долговечности (состав 7). При 20°С эти битумы практически не отличаются от горячего асфальтобетона типа Б, прослужившего в дорожном покрытии 10 лет (состав 10 на рис. 19,б).

Оценка усталостной долговечности дорожных конструкций на лабораторных моделях показала высокую эффективность применения в качестве прослойки между двумя слоями асфальтобетона нетканых синтетических материалов типа Дорнит (состав 4 на рис. 20,б), конструкции с использованием геосеток, а также в случае применения асфальтобетонов, приготовленных на модифицированных битумах с модификаторами типа нефтеполимерной смолы - НПС (состав 8 на рис. 20,б) и на основе каучука - ПГЖ (состав 7 на рис. 20,б), особенно при отрицательных температурах.

Образцы, взятые из дорожной конструкции на полимербитумном вяжущем ДСТ (составы 9, 10, 11, на рис. 20,а), показывают усталостную долговечность при температуре -16°С несколько выше, чем образцы, приготовленные из такой же смеси.

Асфальтобетонные покрытия в процессе эксплуатации работают некоторое время в условиях увлажнения-высушивания и циклического замораживания-оттаивания. Это отражается на кинетике развития усталостного разрушения асфальтобетона. Поэтому в ГП «Росдорнии» были также проведены исследования влияния циклического водонасыщения-высушивания и замораживания-оттаивания на усталостную долговечность лабораторных образцов, взятых из асфальтобетонных дорожных конструкций: однослойной (монослой) и двухслойной с применением подгрунтовки дорожным битумом и без нее. Для приготовления этих образцов был выбран горячий плотный асфальтобетон стандартного состава. Результаты представлены в виде диаграммы на рис. 21.

Исследованиями установлено, что при работе в режиме динамических нагружений происходит снижение усталостной долговечности во всех случаях. Влияние подгрунтовки отражается прежде всего при работе покрытия в условиях циклического водонасыщения-высушивания. В этом случае усталостная долговечность выше, чем у аналогичных однослойных образцов, но ниже, чем у образцов, не подвергавшихся водонасыщению (исходных). Очевидно, это обусловлено возникновением импульсных гидродинамических давлений в насыщенных водой порах асфальтобетона.

Рис. 20. Диаграмма усталостной долговечности образцов различных конструкций асфальтобетона:

а - при температуре -16°С; б – то же, 20°С;
1 - однослойный асфальтобетон типа Б на стандартном битуме; 2 - то же, двухслойный; 3 - то же, трехслойный; 4 - двухслойный с прослойкой Дорнита; 5 - то же, с прослойкой стандартного битума; 6 - однослойный на битуме, модифицированном ППК; 7 - то же, НПС; 8 - двухслойный с прослойкой из геосетки (образцы составов 1-8 - приготовлены в лаборатории); 9 - двухслойный тип Б на ПБВ с прослойкой ПБВ (балочный пролет 2000 г.); 10 - то же, балочный пролет2003г.; 11 - то же, вантовый пролет 2003 г. (образцы составов 9-11 выпилены из вырубок, отобранных из покрытий на мосту через р. Обь у г. Сургута)

Рис. 21. Влияние циклического режима водонасыщения-высушивания и замораживания-оттаивания на усталостную долговечность при температуре 20°С и амплитуде прогиба 0,35 мм:

а - исходные образцы; б - после 5 циклов замораживания-оттаивания; в - после 5 циклов водонасыщения-высушивания;
1 - однослойные образцы (монослой); 2 - двухслойные без подгрунтовки; 3 - двухслойные с подгрунтовкой дорожным битумом

Наиболее значительное снижение усталостной долговечности показывают образцы, подвергшиеся циклическому замораживанию-оттаиванию. При этом двухслойные без подгрунтовки образцы показали значение усталостной долговечности даже ниже, чем однослойные. Полученные данные могут послужить основой при выявлении оптимальных типов асфальтобетонов и конструкций дорожных покрытий из них в зависимости от региональных климатических условий и особенностей режима эксплуатации покрытий.

Значительный интерес представляет изучение усталостных характеристик асфальтобетонов и конструкций дорожных одежд в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания и водонасыщения-высушивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Практика эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий на ортотропной металлической плите мостов показывает, что уже в первый год их эксплуатации появляются продольные трещины, которые быстро развиваются и разрушают покрытие, несмотря на применение полимербитумного вяжущего.

Многие исследователи пришли к выводу, что одной из причин их появления является недостаточная долговечность материала и плохое сопротивление сдвигающим и растягивающим нагрузкам. Известными дорожникам мерами и методами расчета конструкций в мостостроении не удается добиться положительных результатов. Требуются неординарные решения. В тех странах, где по большей части эмпирическим путем такие решения находят, там удается добиться долговечности дорожного покрытия, сопоставимого с долговечностью материалов самого моста. Там, где продолжают применять традиционные конструкции и технологии, покрытие требует ремонта через 3 - 5 лет.

Таким образом, вывод о необходимости разработки покрытий на металлических мостах специальных методов расчета, конструирования и оценки единой системы мостового полотна (ГДП) закономерен, так как схемы работы покрытия на металлических мостах значительно отличаются от дорожных условий.

В России около 30% всех средних и больших мостов, особенно в северных регионах, металлические, на покрытии которых в первый же год эксплуатации появляются дефекты и разрушения.

Поэтому улучшение свойств покрытий для таких мостов, повышение эксплуатационных свойств ездового полотна с учетом специфики работы асфальтобетонного покрытия на основании изучения опыта строительства и эксплуатации такого рода покрытий - одна из важнейших задач, требующих незамедлительного решения.

Успешно решить все эти сложные задачи возможно только совместными усилиями мостовиков и дорожников, которые в России пока действуют разобщенно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мосты и сооружения на дорогах: Учеб. для ВУЗов. Ч. 2 / Под ред. П.М. Саламахина. - М.: Транспорт, 1991. - 448 с.

2. О проблеме устройства дорожных одежд на мостовых сооружениях с ортотропной плитой / К.Д. Кельчевский, В.Н. Макаров, О.H. Распоров, И.Г. Овчинников // Трансп. стр-во. - 2001. - № 7.- С. 22-25.

3. Овчинников И.Г., Распоров О.Н., Макаров В.Н. Устройство дорожной одежды на новом автодорожном мосту через Волгу у Саратова // Трансп. стр-во. - 2000. - № 6. - С. 10-11.

4. Прочность и долговечность асфальтобетона / Под ред. Б.И. Ладыгина и И.К. Яцевича. - Минск, 1972.

5. Устройство конструкции дорожной одежды на объектах мостового перехода через р. Волгу у с. Пристанное Саратовской обл.: СТП / Союздорнии, - М., 2000.

6. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. - Взамен ГОСТ 2128-84; Введ. 01.01.99. -М.: Минземстрой России, ГУП ЦПП, 1998. -24 с.

7. ТУ 400-24-158-89. Смеси асфальтобетонные литые и литой асфальтобетон. - М., 1995.

8. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Госстрой СССР: Введ. 01.01.86: Взамен СНиП II.Д-7-62*, СН 200-62, СН 365-67. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 214 с.

9. Сахарова И.Д. Дорожная одежда на ортотропной плите пролетных строений мостов // Совершенствование проектирования мостовых сооружений. - М„ 2002. - С. 83-97. - (Тр. / ГП «Росдорнии»; Вып. 12).

10. Pallos Imre, Török Kálmán, Vértés Maria. Közúti hidak szigetelése és aszfaltburkolata targyú Magyar müszaki elöirások föbb szabályozási elemei: Материалы 8 конф. «Мосты и дороги Европы». - Будапешт, 2001. - Май.

11. Nies V, Düsseldorfer Belag ein SMA mit 33 Jahren Standzeit auf Stahlbruke // Bitumen. - 2002. - № 4. - S. 134-140.

12. Nishizava F., Himeno K., Uchida K., Nomura K. Longitudinal surface cracking in pavement on steel bridge deck: Материалы 8 конф. «Мосты и дороги Европы». - Будапешт, 2001. - Май.

13. Поздняева Л.В., Горелышева Л.А. Материалы для снижения образования трещин в асфальтобетонных покрытиях. - М., 2000. - С. 180-185. - (Тр. / ГП «Росдорнии»; Вып. 10).

14. Радовский Б.С. Теоретические основы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд на воздействие подвижных нагрузок: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М., 1982. - 34 с.

15. Saubot М., Loup F. Mise au point d'un enrobe hors nirmts pour le tablier du viaduc de Millau // Revue Generate des Routes. - 2003. - № 819. - P.73-75.

16. Cadic R. Mesure de la resistance a la fatigue des reve-tements de chaussee destines a revetir les tabliers metalliques d'ourages d'art - Essai de tenue a la deformation du support au droit d'un raidisseur: Methode d'essai LPC. - 1999.

17. Tassy Géza. A hidpályalemezek - a jármuterhelés, továbbá a szigetelési es burkolati rendszer hordozójának-alakváltozasai, illetve a szigetelésre és burkolatra visszaható igénybevételek. - В кн.: Az UKIG megbizásából készitett rész-tanulmány / Budapesti Muszaki Egyetem Út és forgalomtechnika tanszék. - Budapest, 1994.

18. Лисов В.М. Металлические мосты и сооружения на дорогах: Учеб. пособие. - Воронеж: Изд-во Воронеж, ун-та, 1981. - 127 с.

19. Методические рекомендации по устройству конструкции одежды на стальных ортотропных плитах автодорожных мостов / Союздорнии. - М., 1986.

20. Közúti hidak acél pályalemezeinek szigetelése és aszfaltburkolata. (Utügyi Müszaki Elöiras): ÚT 2-3.409:1999. - Budapest, 2000.

21. Utépitésip aszfaltkeverékek és úutpályaszerkezeti aszfaltrétegek / (Útüugyi Müszaki Elöirás): ÚT 2-3.301:1997. - Budapest, 2000.

22. Bridge pavements - what makes them long-lasting // Nordic Road and Transport Research. - 2000. - 12, № 1. - R 10-11.

23. Thin pavements with synthetic binder used in Denmark // Nordic Road and Transport Research. - 2000. - 12, № 2. - R 9-10.

24. Материалы 8-й Международной конференции «Мосты и дороги Европы». - Будапешт, 2001. - Май.

25. Материалы научно-практической конференции «Проблемы научно-технического и инженерного сопровождения и ремонта автомобильных дорог». - Хабаровск, 2000. - Ноябрь.

26. Материалы научно-практической конференции. - Хабаровск: ХГУ, 1999.

27. Парфенов А.А. Обоснование конструкции и технологии устройства асфальтобетонных покрытий на ортотропной плите автодорожных мостов (на примере Амурского моста): Автореф. дис. канд. техн. наук. - Хабаровск, 2002.

28. Минин А.В. Повышение долговечности мостов в агрессивных средах за счет использования эффективных химических и эмульсионно-минеральных материалов: Автореф. дис канд. техн. наук. - М., 2002.

29. Штромберг А.А., Горелышева Л.А. Исследование долговечности асфальтобетона на полимерном вяжущем // Мосты и дороги. - М., 2003. - С. 206-212. - (Тр. / ГП «Росдорнии»; Вып. 11).

30. Горелышева Л.А. Дороги и мосты в Европе // Наука и техника в дор. отрасли. - 2002. - № 2. - С. 34-36.

31. Komel Almassy, Christ van Gurp. Prediction of resistance to permanent deformation of granular road bases by deflection testing-Budapest, 1998.

32. Raab C., Parti M.N. Shear strength properties between asphalt pavements layers // Archives of civil engineering. - 1998. - XLIV, № 3. - P.44.

33. Asphaltstrassen - Regelweisen im Deutschland // Bitumen. - 1998. - № 3. - S. 113-118, 120.

34. Aspekte bei der Anwendung dunner und sehr dunner Schichten in Asphaltstraβenbau. T. 2. - 1989. - 78 s.

35. Serfass F.-P, Mahe de la Villegle B. Revetement et complexes antifissures a base d'enrobes avec fibres // Revue Generale des Routes et Aerodromes. - 1997. - № 752, juin. - P. 29-32.

36. Comité Francias pour les Techniques Routieres: Avis Technique. - 1999. - № 116. - 21 p.

37. Bense P., Bonnot J., Baroux R., Serfass J.P. Un nouveau concept de revetement: J'Euroduit // Revue Générale des Routes et Aerodromes. - 1989. - № 669.

38. Serfass J.P., Bense P., Samanos J. Un nouveau type revetement ultra-mince: J'Euroduit // European Asphalt Magazine. - 1991. - № 1.

39. С Roche. Essai de fatique sur enrobes bitumineux Resultats de Г experience d'exactitude // RGRA. - 2001. - № 793.

40. Barth R., Rechenberg H., Wellmitz H. Accorex - modifiziertes Asphaltmischgut für hochstbelastete Strassen // Asphalt. - 1998. - № 4. - S. 37-40.

41. Compoflex est-il un enrobe antifissures? Mahé de la Villegie // RGRA. - 1995. - 727, № 3. - P. 42-43.

42. Материалы 3 Международного конгресса по эмульсиям. - Лион, 2003. - Сентябрь.

43. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд / Н.Н. Иванов, Я.А. Калужский, М.Б. Корсунский и др. - М.: Транспорт.- 1982. - 328 с.

44. Проектирование нежестких дорожных одежд: ОДН 218.046-01 / Гос. служба дор. хоз-ва Мин-ва трансп. Российской Федерации. - М., 2001.

45. Eurovia. Un patrimoine technique sous le signe de la sécurite et de I'environnement // RGRA. - 2003. - № 818. - P. 90-91.

46. Vater E.J. Stand der europaischen Normung für Brackenbelage // Strassen und Tiefbau. - 2004. - № 5. - S. 8-10.

47. Judycki J., Milkowski W., Alenowiez J. Mastyks do nawierzchni mostowych // Drogownictwo. - 1986. - № 2. - P. 42-47.

48. СНиП 3.06.04-91. Мосты и трубы / Госстрой СССР: Взамен СНиП III 43-75; ВСН 81-80; ВСН 98-74; ВСН 109-64; ВСН 163-69; ВСН 173-70; Введ. 01.07,92. - М.: ГУП ЦПП, 1992. - 168 с.

49. Методические рекомендации по устройству холодной мастичной дисперсно-армированной гидроизоляции на основе битумных эмульсий для автодорожных и городских мостов / Союздорнии. - М., 1983. - 29 с.

50. ТУ 5774-006-05766480-96. Материал рулонный гидроизоляционный наплавляемый битумно-полимерный «Мостопласт». - М., 1996.

51. Методические рекомендации по устройству рулонно-мастичной гидроизоляции «Поликров» на автодорожных мостах / Мин-во трансп. Российской Федерации, Гос. служба дор. хоз-ва (Росавтодор). - М., 2002. - 40 с.

52. Опыт применения отечественной рулонно-мастичной гидроизоляции «Поликров» / С.Н. Дядькин, А.Б. Мельников, А.В. Кручинкин, К.М. Акимова // Вестник мостостроения. - 2001. - № 1-2. - С. 39-40.

53. Горелышева Л.А. Исследование влияния прослоек на упругие и эластические деформации асфальтобетонного дорожного покрытия. - М., 2000. - С. 186-190. - (Тр. / ГП «Росдорнии»; Вып. 10).

54. Филиппов И.В., Кузнецов А.П. Оценка физико-механических свойств каменных материалов, обработанных вяжущими // Исслед. органоминеральных смесей и укрепл. грунтов в конструкциях дор. одежд. - Л., 1976. - С. 36-47. - (Сб. тр. / ЛИСИ; Вып. 1(122)).

55. Benneton J-P., Fragnet M. Chapes d'e'tanche'ite de pont // Bulletin des laboratories des Ponts et Chaussées. - 2002. - № 240. - P. 95-99.

56. Brosseaud Y., Kerzreho J.-R., Goacolou H., Le Bourlot F. Expérimtntation (preemiére partie) de la Grave-Mousse sur le manége de fatigue // RGRA. - 1997. - № 752. - P. 61 -71.

57. Платонов А.П., Шверова Л.Р. Некоторые вопросы получения битумополимерных вяжущих для сдвигоустойчивых асфальтобетонов // Исслед. органоминеральных смесей и укрепл. грунтов в конструкциях дор. одежд. - Л., 1976. - С. 4-7. - (Сб. тр. / ЛИСИ; Вып. 1(122)).

58. Сергеева Т.Н., Кузнецов А.П. Процесс деформирования слоя асфальтобетонной смеси при ее уплотнении // Исслед. органоминеральных смесей и укрепл. грунтов в конструкциях дор. одежд. - Л., 1976. - С. 42-48. - (Сб. тр. / ЛИСИ; Вып. 1 (122)).

59. Kiryukhin G.N. Influence of Rheology of Asphalt Concrete and Interlayer Bitumen on the Reflective Crack Development. - В кн.: Reflective Crecking in Pavements Research in Practice. - Ottawa, 2000. - P. 207-216.

60. Pozdnjaeva L.V., Kretov V.A., Levitski M.B. Means to reduce development of reflected creeks in asphalt concrete pavements. - В кн.: Reflective Crecking in Pavements Research in Practice. - Ottawa, 2000. - P. 217-225.

61. Kretov V.A., Gorelysheva L.A. Influence of interrupting layers development of reflected cracks. - В кн.: Reflective Crecking in Pavements Research in Practice. - Ottawa, 2000. - P. 291-295.