03.03.12 23:40

УДК 624.21.095.33 


Начальник испытательной лаборатории
ОАО «Тоннельный отряд №44», к.т.н. Дьяков К.А.
Заместитель начальника испытательной лаборатории
ОАО «Тоннельный отряд №44», к.т.н. Черсков Р.М.
Заместитель начальника отдела ОККиСС ФГУ ДСД  «Черноморье» Зинченко Е.В.
Профессор, д.т.н.  Овчинников И.Г.

    ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АНАЛИЗУ ВЛИЯНИЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ И ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ  РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ НА СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ СДВИГОВЫМ ДЕФОРМАЦИЯМ

В условиях интенсивного роста транспортных нагрузок все чаще на дорожной одежде мостового полотна автодорожных мостов проявляются повреждения в виде волн, наплывов, колейности, а иногда и сдвига части дорожной одежды по слою гидроизоляции с образованием характерных серповидных трещин (фото 1).

Особенно активно процессы образования деформаций и разрушений развиваются на участках с резким изменением скоростей (наличие съездов, светофоров и т.п.), с большим продольным уклоном, а также на кривых в плане. В этих случаях крайне важно, помимо требуемой сдвигоустойчивости асфальтобетона, обеспечить высокое сцепление асфальтобетонного покрытия с гидроизоляцией (защитным слоем бетона).



Фото 1. Характерные повреждения мостового полотна, вызванные недостаточным сцеплением асфальтобетонного покрытия с нижележащей конструкцией

Следовательно, к настоящему времени возникла потребность в проведении исследований по анализу влияния гидроизоляции и дорожной одежды  различных типов на сопротивляемость дорожной одежды сдвиговым деформациям с целью выработки  рекомендаций по выбору конструкции дорожной одежды мостового полотна для конкретных условий эксплуатации.

Программа проведенных исследований включала следующие виды работ:

- оценку реальных сдвигающих напряжений, возникающих на нижней границе асфальтобетонного покрытия;
- разработку методики определения предельных сдвигающих напряжений между слоем гидроизоляции и асфальтобетоном;
- определение допустимых сдвигающих напряжений для конкретной системы
гидроизоляция / дорожная одежда с учетом накопления деформаций при циклическом нагружении;
- исследование различных систем гидроизоляции и дорожной одежды с  целью разработки рекомендаций по их применению.

Расчет величины сдвигающих напряжений, возникающих на нижней границе пакета дорожной одежды.

Расчет сдвигающих напряжений  производился из того расчета, что  коэффициент сцепления шины (равный отношению величины максимального тягового усилия Т к вертикальной нагрузке на колесо Р (рис.1), при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного) с сухим асфальтобетонным покрытием составляет φ=0,55...0,60
(Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. Ч.I; Учебник для вузов по специальностям «Автомобильные дороги» и Мосты и тоннели». - М.: Транспорт, 1979, 376 с.).


Рис. 1. Силы, действующие на покрытие при торможении автомобиля.

Следовательно, при действии современных грузовых автомобилей с шинами 425/65 R 22.5, имеющими площадь отпечатка S=67850 мм2 (диаметр отпечатка D = 29,4 см) и вызывающими максимальное вертикальное напряжение σ=0,98 Н/мм2 (МПа), максимальное сдвигающее напряжение на поверхности покрытия составит в среднем τ=σ•φ=0,98•0,58=0,57 МПа.

При толщине дорожной одежды в 10 см отношение глубины Z залегания низа дорожной одежды  к диаметру D отпечатка колеса автомобиля равняется Z/D = 10/29,4=0,34.

При таком соотношении согласно данным Алиева Р.М. (Алиев Р.М. и др. Измерение горизонтальных и вертикальных напряжений в конструктивных слоях дорожной одежды, в сб. тр. МАДИ, Строительство и эксплуатация автомобильных дорог, М., 1979, с. 79-83.) вертикальные напряжения составляют 50 % от нагрузки на поверхности покрытия.

Отсюда, если учесть распределяющую способность дорожной  одежды,  при её толщине 10 см на её нижней границе величина сдвигающего напряжения уменьшится до величины τ= 0,57*0,5 = 0,29 МПа.

В результате экспериментального исследования  зависимости количества циклов приложения нагрузки до разрушения от ее величины и построения соответствующей кривой Велера (Рис. 2)  было установлено, что безопасный уровень сдвигающих напряжений составляет половину разрушающей нагрузки.


Рис. 2. Характерная кривая Велера при испытании на разрушение при сдвиге.

При разрушающей одноцикловой нагрузке 0,60 МПа остальные образцы испытывались циклическим нагружением при величинах нагрузки 0,50 МПа; 0,40 МПа и 0,30 МПа с регистрацией количества циклов нагружения до достижения деформации сдвига равной разрушающей за 1 цикл.

При уровне нагружения 0,30 МПа количество циклов до достижения максимальной деформации стремится к бесконечности и эта величина может быть принята за безопасный уровень нагрузки, который превышает возникающие в конструкции и  рассчитанные выше сдвигающие напряжения.

Следовательно, предельное  напряжение сдвига при одноцикловом нагружении должно быть не ниже 0,58 МПа.

Разработка методики определения предельных сдвигающих напряжений между слоем гидроизоляции и асфальтобетоном

Для определения сопротивляемости  системы бетон-гидроизоляция (защитный слой) - асфальтобетон к сдвиговым деформациям была  разработана специальная  методика. Суть ее в следующем.

На плиты, изготовленные из бетона класса В30, наносились различные варианты гидроизоляции, на которую укладывалась асфальтобетонная смесь литого типа (фото. 2 и 3),  которая, как установлено мировой практикой, является наиболее эффективной для устройства дорожных одежд на мостовых сооружениях.


Фото 2. Многослойные системы с различными вариантами гидроизоляции и дорожной одежды на бетонном основании


Фото 3. Многослойные системы с различными вариантами гидроизоляции и дорожной одежды на бетонном основании

Далее, по истечении не менее 24 часов полученные многослойные конструкции распиливались таким образом, чтобы получить образцы-призмы с заданным уклоном плоскости гидроизоляции к направлению действия нагрузки. Этим  регулировалось отношение вертикальных нагрузок к горизонтальным для максимального приближения к реальным условиям эксплуатации (Фото 4).


Фото 4. Образец-призма для испытания на сдвигоустойчивость системы бетон – гидроизоляция - литой асфальтобетон

Для коэффициента сцепления φ=0,58 наклон плоскости сдвига т.е. отношение горизонтальной силы к вертикальной также составляет 0,58. Перед  испытанием образцы выдерживались в воде при заданной температуре 40 °С в течении 1,5 часов. Скорость нагружения составляла 3 мм/мин. Критерием отказа считалась максимальная нагрузка перед ее снижением на 5% за 2 секунды.

Исследование различных систем гидроизоляции и дорожной одежды

Исследовались следующие 7 возможных систем дорожной одежды мостового полотна:

Система №1:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Праймер битумно-полимерный ТЕХНОНИКОЛЬ № 03
  3. Слой оклеечной гидроизоляции Техноэластмост С
  4. Литой/вибролитой асфальтобетон

Система №2:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Грунтовка на основе эпоксидной смолы — Sikafloor-161VP
  3. Мембрана на основе полимочевины — Sikalastic-842 BG
  4. Слой сцепления из битумо-латексной эмульсии — Sikalastic-825
  5. Литой/вибролитой асфальтобетон

Система №3:

  1. Бетон плиты мостового полотна
  2. Грунтовка на основе эпоксидной смолы — Sikafloor-161VP
  3. Мембрана на основе полимочевины — Sikalastic-842 BG с втопленным щебнем (фр. 3-7 мм)
  4. Слой сцепления из битумо-латексной эмульсии — Sikalastic-825
  5. Литой/вибролитой асфальтобетон

Система №4:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro
  3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС
  4. Адгезионный слой — Kolcoat TL
  5. Литой/вибролитой асфальтобетон

Система №5:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro
  3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС
  4. Адгезионный слой — Kolcoat TL с втопленным щебенем (фракции 3-7 мм)
  5. Литой/вибролитой асфальтобетон

Система №6:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro
  3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС
  4. Слой из полимочевины Колфлекс 301ЕС с втопленным щебнем (фр.3-7) с расходом 600 г/м2
  5. Адгезионный слой — Kolcoat TL
  6. Вибролитой асфальтобетон

Система №7:

  1. Бетон плиты проезжей части
  2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro
  3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС
  4. Слой из полимочевины Колфлекс 301ЕС с втопленным щебнем (фр.3-7) срасходом 1000 г/м2
  5. Адгезионный слой — Kolcoat TL
  6. Вибролитой асфальтобетон

Значения предельных сдвигающих напряжений, полученных как средние из результатов испытаний трех образцов для каждой системы, представлены ниже  в таблице 1.

Таблица 1. Предельные сдвигающие напряжения для различных систем дорожной одежды мостового полотна.


Характер разрушения исследуемых систем представлен на фото 5 – 10.  


Фото 5. Характер разрушения системы дорожной одежды №1


Фото 6. Характер разрушения системы дорожной одежды №2


Фото 7. Характер разрушения системы дорожной одежды № 3


Фото 8. Характер разрушения системы дорожной одежды № 4


Фото 9. Характер разрушения системы дорожной одежды № 5


Фото 10. Характер разрушения системы дорожной одежды № 6 и №7

Анализ полученных данных показывает, что для обеспечения долговечной работы дорожной одежды мостового полотна в сложных условиях эксплуатации, необходимо не только прочное склеивание всех слоев дорожной одежды (межслойное сцепление), но и наличие специального фрикционного слоя между гидроизоляцией и асфальтобетонным покрытием. Фрикционный слой, устраиваемый путем втапливания мелкого щебня фракции 3 - 7 мм в дополнительный слой гидроизоляционного материала высокой прочности (например, полимочевины), позволяет эффективно противостоять сдвигающим напряжениям. В то же время втапливание щебня в относительно деформативный материал (адгезионный слой из полимерно-битумного вяжущего  - система №5) не дает такого же эффекта.

Использование вышеуказанной фракции мелкого щебня 3 - 7 мм обусловлено тем, что в этом случае обеспечивается оптимальное соотношение между глубиной втапливания зерен щебня в дополнительный слой гидроизоляционного материала, толщина которого по экономическим соображениям составляет, как правило, 1,5 - 2 мм, и в нижний слой дорожной одежды.

Применение более мелких фракций не позволяет создать прочного зацепления нижнего (асфальтобетонного) слоя дорожной одежды, а более крупных - приводит к вырыванию втопленных щебенок колесами построечного автотранспорта до укладки нижнего слоя дорожной одежды. Проведенные исследования также показали, что оптимальный расход мелкого щебня при устройстве фрикционного слоя составил 800 - 1000 г/м 2.