Износ дорожных покрытий и его причины
Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта — расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта ℓ1, меньше, чем вне его ℓ. Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость a в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.
Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50—80 %.
Таблица 6.5
Наиболее распространенные деформации и разрушения цементобетонных покрытий автомобильных дорог
| Вид | Характеристика и характер распространения | Наиболее вероятные причины возникновения |
| А. Деформации и разрушения покрытия | ||
| Трещины | 1. Поперечные сквозные: | |
| а) технологические | Несвоевременная и некачественная нарезка деформационных швов | |
| б) эксплуатационные | Изменение температуры покрытия при большем, чем допустимо, расстоянии между швами сжатия и расширения; эксплуатация транспортными средствами с нагрузками, превышающими несущую способность покрытия; приложение нагрузки при слабом контакте покрытия с основанием | |
| 2. Поперечные поверхностные | Воздействие транспортных средств при короблении плит от неравномерного распределения температуры по толщине покрытия | |
| 3. Поперечные на краевых участках плит вдоль швов | Некачественная нарезка деформационных швов; неправильная установка штыревых соединений | |
| 4. Продольные сквозные | Дефекты в устройстве продольных швов; неоднородные деформации земляного полотна | |
| 5. Косые на угловых участках плит | Недостаточный контакт плиты с основанием; повышенные напряжения в плите при проезде транспортных средств | |
| 6. Волосные усадочные | Неудовлетворительный подбор состава бетонной смеси; несоблюдение правил ухода за бетоном покрытия; недостаточный защитный слой бетона над арматурой | |
| Вертикальные смещения плит | Образование неровностей (уступы, просадки) | Некачественное уплотнение подстилающего грунта или основания; пучение грунта зимой; вымывания материала основания из-под покрытия |
| Разрушение кромок плит | Местное смятие и обрушение поверхности кромок в зоне деформационных швов. Скалывание краевых участков плит | Отсутствие швов расширения; засорение деформационных швов; наличие уступов между соседними плитами |
| Разрушение заполнителя швов | Выкрашивание герметизирующего материала, удаление его из шва колесами автомобилей | Старение герметизирующего материала; плохая деформативность при отрицательных температурах; низкая термоустойчивость; значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит |
| Коробление плит | Потеря продольной устойчивости плит покрытия | Отсутствие свободы перемещения плит при температурных напряжениях; некачественное выполнение стыковых соединений; высокие годовые колебания температуры воздуха |
| Б. Деформации и разрушения поверхности плит при достаточной прочности дорожной одежды | ||
| Износ (истирание) | Уменьшение толщины покрытия при воздействии транспортных средств. Возникает на участках торможения автомобилей, на спусках, перед кривыми, на перекрёстках, на участках с интенсивным тяжёлым движением | Недостаточная износостойкость покрытия |
| Шелушение и выкрашивание | Отслоение чешуй цементного камня с последующим выкрашиванием заполнителя на глубину до 40 мм: Сплошное Очаговое Вдоль швов | Нарушение технологии приготовления и укладки бетонных смесей; низкое качество ухода за твердеющим бетоном; использование противогололёдных химических реагентов, раннее замораживание бетона покрытия; сочетание интенсивного приложения колесных нагрузок (особенно с шипованными шинами) с частыми циклами попеременного замораживания и оттаивания бетона |
| Выбоины | Местные разрушения покрытия овальной и круглой формы диаметром 5—10 см в плане и глубиной до 10 см | Недостаточное сопротивление покрытия касательным усилиям от транспортных средств; непрочное сцепление цементного камня с заполнителем; наличие грязного и неморозостойкого заполнителя в бетоне; низкое качество уплотнения отдельных участков покрытия |
| Раковины | Местные разрушения покрытия. Имеют такую же форму, как и выбоины, но меньших размеров | Применение неморозостойких крупных заполнителей; некачественная отделка поверхности покрытия и недоуплотнение бетонной смеси |
| В. Разрушение дорожной одежды | ||
| Проломы | Полное разрушение дорожной одежды с резким искажением поперечного профиля | Низкая прочность дорожной одежды в сравнении с требуемой по условиям движения |
| Просадки и вспучивание | Резкие искажения профиля покрытия, сопровождающиеся продольными и косыми пересекающимися трещинами | Переувлажение грунтов земляного полотна; наличие пучинистых грунтов; глубокое промерзание земляного полотна |
Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А — зона сжатия, Б — зона растяжения
Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40—50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.
Средняя величина износа по всей площади покрытия hСР, мм, составляет:
hСР = k×hН, мм, где (6.1)
k — коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6—0,7;
hН — величина износа в полосе наката, мм.
Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м3/км.
Особенности износа шероховатых дорожных покрытий. Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые — 0—2 мм; твёрдые — 2—5 мм; нормальные — 5—8 мм; мягкие — 8—12 мм; очень мягкие — 12—18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.
Определение износа покрытий расчётом. Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):
h = a + b×B (6.2)
или
h = a + 
, где (6.3)
h — годовой износ покрытия, мм;
а — параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;
b — показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;
В — грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N»0,001×В (N — интенсивность движения, авт./сут).
Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле
hТ = a×T + 
× 
, где (6.4)
hТ — износ покрытия за Т лет, мм;
N1 — интенсивность движения в исходном году, авт./сут;
К=1,05—1,07 — коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;
q 1 — показатель ежегодного роста интенсивности движения, q 1 >1,0.
Значения параметров a и b приведены в табл. 6.6.
В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.
Таблица 6.6
| Покрытия | а, мм | b, мм / млн. брутто-тонн | [h], мм, с учётом неравномерности истирания |
| Асфальтобетонные | 0,4—0,6 | 0,25—0,55 | |
| Щебеночные и гравийные, обработанные вязкими органическими вяжущими, восстанавливаемые: двойной поверхностной обработкой одиночной поверхностной обработкой | 1,3—2,7 1,4—2,8 | 3,5—5,5 4,0—6,0 | |
| Щебеночные: из прочного камня из слабопрочных каменных материалов | 4,5—5,5 5,5—6,5 | 15,0—20,0 19,0—25,0 | |
| Гравийные: из прочного гравия из слабопрочного гравия | 3,0—4,0 4,0—6,0 | 16,0—22,0 20,0—30,0 |
Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), — нижние пределы значений а и b. 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом — верхние пределы а и b. 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.
В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.
Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2—3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1—2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.
Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.
В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа НИ: для асфальтобетонных покрытий 10—20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими — 30—40 мм; щебёночных из прочного щебня — 40—50 мм, гравийных — 50—60 мм.
Исходя из этого дорожно–эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.
hП = hПР + HИ , мм, где (6.5)
hПР — расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.
Измерение износа. Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.
Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоёв в слоистых полупространствах.
Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.