Технология дорожных работ. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специаль ностям Автомобильные дороги и аэродромы
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
33 Рис. 3.2. Распределение температуры в выбоине дорожного покрытия при укладке горячей смеси с температурой 150 °С и температуре воздуха 0 °С 34 3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЯЧЕЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ПРИ РЕМОНТЕ ВЫБОИН ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ Производство работ по ремонту дорожных покрытий нежёсткого ти- па с применением горячих асфальтобетонных смесей в соответствии с нормативными документами должно производиться при температуре окружающего воздуха не ниже +5 °С, и при этом поверхность выбоины должна быть сухой, за исключением применения в качестве вяжущего материала битумных эмульсий или на их основе других применяемых материалов. На практике для обеспечения безопасности движения транс- портных средств в течение круглого года приходится выполнять работы по ямочному ремонту покрытия и при других погодных условиях (сроч- ный аварийный ремонт). Известно, что ямочный ремонт, выполненный без тщательной подготовки места к производству работ и соблюдения требований к технологии выполнения ремонтных работ, снижает срок службы отремонтированной поверхности. Одним из основных факторов, влияющим на качество ремонта выбоин, является температурный режим при укладке и уплотнении горячей асфальтобетонной смеси. С целью определения распределения температуры горячей смеси при укладке и уплотнении её в выбоину при ямочном ремонте дорожного по- крытия проведены лабораторные и производственные исследования, в результате которых определялся характер распределения температуры в зависимости от формы выемки и температуры горячей смеси. В качестве объектов исследования приняты выбоины с разными размерами и поверх- ностями соприкосновения с дорожным покрытием (прямой угол, прямая линия и криволинейная поверхность) при производстве ремонтных работ в Тамбове. Температура воздуха находилась в интервале от +10 до –2 °С. Для устранения дефекта на покрытии дороги использовалась горячая асфальтобетонная смесь типа Б с температурой укладки 140…120 °С. Измерение температуры проводилось по площади выбоины и по толщине укладываемого слоя смеси с помощью датчиков измерения температуры и тепловизионной камеры (testo 880). Экспериментально установлено, что распределение температуры в горизонтальной плоскости выемки с течением времени меняется. С учё- том небольших объёмов укладываемой горячей смеси темп охлаждения смеси выше, чем при устройстве дорожного покрытия, что способствует быстрому охлаждению смеси в выбоине покрытия и уменьшению про- должительности ремонтных работ с учётом температурных режимов го- рячей асфальтобетонной смеси. Установлено, что характер охлаждения горячей смеси подчиняется экспоненциальной зависимости и наиболее интенсивно смесь охлаждается в течение нескольких минут сразу после укладки. Если на начальном эта- 35 пе после укладки горячей смеси на поверхности выбоины наблюдается незначительная зона материала с пониженной температурой смеси, то через несколько минут зона материала с пониженной температурой зна- чительно увеличивается. Участок асфальтобетонной смеси с пониженной температурой зависит от формы сечения выемки. Объём смеси с пониженной температурой зависит температуры укладываемой смеси, от формы сечения выемки и увеличивается со вре- менем (рис. 3.3). Установлено, что наиболее интенсивно процесс охлаждения проис- ходит вблизи прямого угла выемки и характеризуется максимальной зо- ной охлаждённого материала. Другие формы выемки починяются общим закономерностям процесса охлаждения горячей смеси и незначительно отличаются между собой по формированию зон с пониженной температу- рой смеси (рис. 3.4). Из представленных данных видно, что распределение температуры по объёму уложенной горячей смеси неравномерно. На оп- ределённой площади горячей смеси, уложенной в выбоину, наблюдается резкое падение температуры, которое в зависимости от размеров выбоины и объёма уложенной смеси может значительно отличаться от температуры в центре выбоины. а) б) Рис. 3.3. Изменение зоны выбоины с пониженной температурой смеси во времени: а – после укладки смеси; б – через 10 мин Рис. 3.4. Распределение температуры в горячей смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия: 1 – прямой угол, температура смеси 59 °С; 2 – прямая линия, 48 °С; центр выбоины – 100 °С 3 1 2 270 270 270 270 36 а) б) Рис. 3.5. Распределение коэффициента уплотнения горячей асфальтобетонной смеси по площади выбоины покрытия Известно, что обеспечение эксплуатационных показателей асфальто- бетона зависит от температуры смеси при уплотнении. Такое изменение температуры горячей смеси по площади выбоины приводит к разным ко- эффициентам уплотнения, водонепроницаемости и плотности асфальто- бетона (рис. 3.5). Следовательно, на тех участках выбоины, где эксплуатационные па- раметры асфальтобетона не соответствуют требованиям, в процессе экс- плуатации покрытия происходит разрушение материала и снова будет образовываться выбоина (рис. 3.6). На основании представленных результатов исследований можно сде- лать вывод, что несоблюдение температурных режимов при производстве ремонтных работ, независимо от качества приготовления горячей асфаль- тобетонной смеси и применяемых машин для уплотнения, качество ре- монта выбоин будет невысоким. Для достижения требуемого качества Рис. 3.6. Разрушение асфальтобетона в выбоине в зоне контакта с покрытием 37 ремонта выбоины с применением горячей асфальтобетонной смеси необ- ходимо обеспечить, особенно при пониженных температурах окружаю- щего воздуха соблюдение температурных режимов при укладке и уплот- нении горячей смеси в выбоину. Это обеспечивает равномерное распреде- ление температуры по всему объёму уложенной смеси и увеличить про- должительность работ по уплотнению горячей смеси. 3.3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ ГОРЯЧИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ 3.3.1. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СМЕСИ В ВЫБОИНЕ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ Производство работ с применением горячих асфальтобетонных сме- сей зависит от температуры окружающего воздуха. Нормативными доку- ментами допускается производство работ при положительной температу- ре окружающего воздуха. В то же время оговаривается, что при исключи- тельных случаях, для обеспечения безопасности движения, допускается производство работ при температуре воздуха до –10 ºС. В зависимости от температуры воздуха, с учётом температурных режимов укладки и уплот- нения горячих асфальтобетонных смесей, отличаются и требования к тех- нологии выполнения работ. При пониженных температурах воздуха увеличивается темп охлаж- дения горячей смеси за счёт отдачи тепла в окружающую среду и основа- ние, а также за счёт контакта поверхности слоя с рабочими органами уплотняющих машин. Установлено, что продолжительность выполнения работ с горячими асфальтобетонными смесями при понижении температуры воздуха от +5 до –10 ºС приводит к уменьшению продолжительности работ на 20…22% независимо от толщины слоя. Поэтому на практике для увеличения про- должительности работ и обеспечения температурных режимов горячих смесей при производстве работ применяют смеси с температурой, выше допустимой для вяжущего материала. Такой способ увеличения продол- жительности ремонтных работ приводит к необратимым структурным изменениям и свойствам битума, которые происходят в результате термо- окислительных процессов при высоких температурах, что способствует ухудшению качества смеси. По результатам проведённых исследований установлено, что темпе- ратура окружающего воздуха влияет на темп охлаждения горячей смеси, особенно в зоне границы контакта с уложенным ранее асфальтобетоном в покрытие. Это способствует тому, что в пограничной зоне темп охлажде- ния горячей смеси возрастает за счёт передачи тепла боковым граням 38 3.1. Влияние температуры воздуха на ширину зоны смеси с пониженной температурой Температура воздуха, °С –20 –10 0 10 20 30 40 50 Ширина зоны, см 6,0 5,5 3,5 3,0 2,0 1,5 1,0 0 выбоины, что приводит к образованию зоны материала с пониженной температурой по отношению к общему объёму уложенного горячего ма- териала, которую можно охарактеризовать шириной зоны. В таблице 3.1 представлены результаты измерения ширины зоны с пониженной темпе- ратурой смеси при укладке горячей смеси типа В с температурой 160 °С и её понижения до температуры 80 °С. Из представленных в таблице данных видно, что зона понижения температуры горячей смеси в зоне контакта с дорожным покрытием на- блюдается даже при температуре окружающего воздуха до +40 °С, при- чём ширина зоны зависит от температуры воздуха. Это объясняется тем, что при укладке смеси с высокой температурой, за счёт разницы темпера- туры дорожного покрытия и горячей смеси, в зоне контакта происходит интенсивная передача тепла от горячей смеси к покрытию, которая имеет более низкую температуру. На основании этого можно сделать вывод, что при производстве ре- монтных работ покрытия нежёсткого типа с применением горячих ас- фальтобетонных смесей на границе выбоины и уложенного ранее асфаль- тобетона в дорожное покрытие, существуют объёмы асфальтобетона, уплотняемые при температуре смеси, которые не позволяют достичь вы- сокого коэффициента уплотнения по всей поверхности выбоины или про- садки покрытия. С целью уточнения данного вывода были взяты образцы асфальтобетона при производстве ямочного ремонта на дорогах Тамбова, выполненные в летний период года при температуре окружающего возду- ха + 25 °С. Результаты испытания взятых образцов показали, что если в центре выбоины коэффициент уплотнения асфальтобетона равен 0,99, то на границе выбоины он равен 0,98. В таблице 3.2 представлены результаты измерения ширины зоны с пониженной температурой асфальтобетонной смеси ниже 80 °С, уложен- ной при температуре 160 °С, что соответствует температурным режимам укладки и уплотнения горячей смеси типа В с битумом марки БНД 90/130. Из представленных данных видно, что величина ширины зоны уло- женного слоя горячей асфальтобетонной смеси в выбоину зависит от тем- пературы окружающего воздуха и температуры смеси при укладке. Сле- довательно, при производстве ремонтных работ и укладке горячей асфальтобетонной смеси в выбоину практически всегда имеется объём 39 3.2. Влияние температуры воздуха на ширину зоны выбоины с температурой горячего асфальтобетона ниже допустимой с учётом влияния температуры смеси при укладке Температура смеси, ºС Температура воздуха, ºС –20 –10 0 10 20 30 40 50 160 5,0 5,5 3,5 3,0 2,0 1,5 1,0 0 150 7,5 5,0 4,0 3,5 3,0 2,0 1,5 0 140 15,0 10,5 6,0 4,0 3,2 2,0 1,5 1,0 130 – – 7,5 5,0 3,5 2,5 1,0 0,5 120 – – – 9,0 6,0 4,5 3,0 2,0 110 – – – – – 7,5 5,0 3,0 100 – – – – – – – 4,5 90 – – – – – – – – асфальтобетонной смеси с пониженной температурой, независимо от тем- пературы окружающего воздуха. В то же время величина ширины зоны с пониженной температурой зависит от температуры смеси при укладке. 3.3.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СМЕСИ ПРИ УКЛАДКЕ В ВЫБОИНУ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ РАБОТ ПО РЕМОНТУ ВЫБОИН При производстве работ с использованием горячих асфальтобетон- ных смесей основным параметром, определяющим начало выполнения работ, принята температура с учётом типа смеси. Отмечалось, что реко- мендуемые температурные интервалы для разных типов смесей не учиты- вают марки вяжущего, которые имеют разные температурные границы эффективного уплотнения для одного и того же типа смеси. К тому же выбор параметров уплотняющих машин по этому параметру не учитывает прочностные характеристики асфальтобетонных смесей, зависящих не только от температуры смеси, но и от конструктивных параметров объек- та работ. В отличие от строительства дорожных покрытий нежёсткого типа, когда толщина укладываемого слоя горячей смеси имеет заданную вели- чину, при производстве ремонтных работ толщина слоя укладываемого материала зависит от параметров образовавшегося дефекта на поверхно- сти покрытия, что влияет на тепловые процессы в уложенном материале. 40 Доказано, что интенсивность охлаждения слоя смеси при укладке и уплотнении протекает по законам нестационарных теплопередач и зави- сит от различных факторов. Исследованиями других авторов показано, что продолжительность процессов укладки и их уплотнения горячих ас- фальтобетонных смесей при строительстве дорожных покрытий зависит от свойств смеси, применяемого оборудования, производственных и по- годных условий и может значительно отличаться между собой, что требу- ет учёта при выполнении работ. Температура материала, доставляемого к месту производства работ, зависит от свойств смеси, дальности перемещения и скорости движения транспортных средств, температуры воздуха и использования специаль- ных устройств для сохранения температуры при транспортировке смеси. Температура смеси влияет как на величину коэффициента уплотнения, так и на прочность асфальтобетона. Температура смеси при отгрузке потребителю зависит от марки би- тума и регламентирована ГОСТ 9128–2009. Температура укладки смеси регламентируется СНиП 3.06.03–85. Продолжительность транспортировки асфальтобетонных смесей без использования специальных устройств устанавливается из условия обес- печения минимально допустимой температуры при укладке. Анализ тем- пературы смеси при отгрузке и укладке показывает, что в процессе транс- портировки смеси тепловые потери должны быть сведены к минимуму, что возможно только при использовании различных специальных уст- ройств. Для приготовления смеси любого типа могут быть использованы разные марки битума БН и БНД, свойства которых зависят от температу- ры, а следовательно, имеют разные температуры окончания работ. Повышение температуры окончания эффективного уплотнения сме- сей способствует повышению качества уплотнения и одновременно при- водит к уменьшению времени работы уплотняющих машин, что требует тщательной проработки технологии ремонтных работ и постоянного кон- троля температуры применяемой смеси. Отличительной особенностью производства ремонтных работ по устранению выбоин и просадок на дорожных покрытиях является укладка и уплотнение небольших объёмов горячей асфальтобетонной смеси, что характеризуется интенсивным охлаждением уложенной смеси и незначи- тельным временем нахождения смеси в заданном температурном интер- вале. В отличие от процесса устройства дорожного покрытия из горячих асфальтобетонных смесей, когда смесь находится в заданных температур- ных интервалах до 50…60 мин, при производстве работ по устранению выбоин и просадок на поверхности дорожного покрытия время нахожде- ния горячей смеси в заданном температурном интервале для слоя толщи- 41 ной 0,05 м, в зависимости от температуры окружающего воздуха, состав- ляет 5…12 мин. Это можно объяснить тем, что температурные режимы уложенной горячей смеси в выбоину покрытия соответствуют нестацио- нарным процессам, происходящим на стадии укладки горячей смеси в покрытие, которые характеризуются незначительными интервалами вре- мени и зависят от тех же факторов, что и при ремонте покрытия. С учётом небольшого объёма укладываемой горячей смеси время нахождения в заданном температурном интервале незначительно. 3.4. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЯЧЕЙ СМЕСИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ВЫБОИНЕ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ При устройстве дорожного покрытия толщина укладываемого слоя покрытия находится в заданных значениях, определяемых при проектиро- вании дорожных одежд с учётом нагрузки от транспортных средств и ин- тенсивности движения. В соответствии с этим при разработке технологи- ческих процессов укладки и уплотнения горячих асфальтобетонных сме- сей, а также определения температурных режимов исходят из условий, что распределение температуры в смеси происходит в одной плоскости. Отдача тепла горячей смесью происходит в окружающую среду (воздух) и нижележащий слой дорожной одежды. Установлено, что в этом случае увеличение толщины слоя горячей смеси значительно влияет на темпера- турные режимы смеси и продолжительность операций по укладке и уплотнению слоя покрытия. Доказано, что повышение толщины слоя по- крытия, особенно при пониженных температурах окружающего воздуха, является более эффективным методом повышения времени на устройства асфальтобетонного покрытия с заданным качеством работы по отноше- нию к методу повышения температуры приготовления, укладки и уплот- нения горячих смесей. С повышением толщины слоя горячей смеси осно- вание прогревается до более высокой температуры (50…60 ºС), что ска- зывается на качестве уплотнения. При одной и той же относительной толщине укладываемого слоя смеси допустимое время на процесс уплот- нения зависит от типа смеси. С увеличением крупности фракций мине- рального материала допустимая продолжительность работы уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением крупности фракций минерально- го материала возрастает коэффициент теплопроводности материала, что способствует более интенсивной передаче тепла в нижележащие слои до- рожной одежды. Экспериментально доказано, что при увеличении толщи- ны слоя из песчаной асфальтобетонной смеси в 2 раза время на её уплот- нение увеличивается в 3 раза, для среднезернистых смесей время возрас- тает в 2,5 раза, а для крупнозернистых – в 2 раза. 42 Нормативными документами максимальные параметры выбоины оп- ределены размерами 0,6 ×0,3×0,05 м. С целью уточнения влияния размеров выбоины на зону материала с пониженной температурой смеси при про- изводстве работ была принята выбоина глубиной 0,05 м при разной её длине и постоянных параметрах смеси: тип смеси В, приготовленной на битуме марки БНД 90/130; температура смеси при укладке 140 °С; ско- рость ветра – 0 м/с; температура окончания работ 80 °С и температура воздуха –10 °С. На основании полученных результатов установлено, что зона понижения температуры горячей смеси симметрична по ширине и длине выбоины относительно центра и её величина зависит от условий производства ремонтных работ и теплофизических характеристик мате- риала. Установлено также, что наиболее интенсивно охлаждение горячей смеси происходит около прямого угла сопряжения выбоины с дорожным покрытием, что объясняется более интенсивной отдачей тепла в двух плоскостях и разница температуры по отношению к центру выбоины мо- жет достигать 40…50 °С. В меньшей степени отдача тепла от горячей ас- фальтобетонной смеси наблюдается при передаче тепла перпендикулярно к поверхности выбоины, поскольку в этом случае тепло передаётся в од- ной плоскости. При сопряжении поверхности выбоины с дорожным по- крытием в виде дуги интенсивность передачи тепла от горячей смеси к поверхности выбоины занимает промежуточное значение. Величина зоны выбоины с пониженной температурой горячей смеси зависит от темпера- туры смеси при укладке, температуры воздуха и геометрических парамет- ров выбоины. Следовательно, при укладке горячей асфальтобетонной смеси в вы- боину по периметру возникает зона горячей смеси с пониженной темпера- турой, причём ширина зоны зависит от температуры воздуха и уклады- ваемой смеси и не зависит от размеров выбоины в плане. Как показывает практика содержания и ремонта дорожных покрытий нежёсткого типа, глубина выбоин является величиной переменной и на небольшой протяжённости покрытия встречаются выбоины с разными размерами, зависящими от разных факторов. Изменение глубины выбои- ны способствует, при одних размерах в горизонтальной плоскости, раз- ным объёмам укладываемой смеси. Известно, что изменение толщины укладываемого слоя горячей смеси влияет на характер распределения температуры по толщине слоя и, тем самым, на температурные режимы уплотнения смеси в выбоине. Следовательно, с увеличением объёма укла- дываемого материала, за счёт увеличения толщины слоя горячей смеси, зона пониженной температуры материала на стыке выбоины и дорожного покрытия уменьшается. Данная закономерность изменения температур- ных режимов уложенной горячей смеси наблюдается и при строительстве асфальтобетонных покрытий с повышенной толщиной слоя материала. |