Износ дорожных покрытий и его причины

Износом называется процесс уменьшения толщины слоя покрытия в результате потери материала под истирающим воздействием колес транспортных средств в сочетании с погодными факторами.

Одновременно под износом понимают и собственно величину этого уменьшения, измеряемую в миллиметрах.

Износ дорожных покрытий происходит на всех дорогах без исключения, однако темпы и величина износа зависят от многих факторов.

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили.

Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 5.10). 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 , меньше, чем вне его на 5…10 %. Поэтому в плоскости контакта точка шины движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость 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.

Рис. 5.10. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:

А - зона сжатия; Б – зона растяжения; l₁, l - путь, проходимый точкой на шине вне зоны и в зоне контакта шины с покрытием соответственно; - угловая скорость;

- угол, на который распространяются деформации шины

Износ покрытия при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых.

Большое влияние на процесс износа асфальтобетонного покрытия оказывают неоднородность материала покрытия, из которого в процессе износа происходит истирание и выбывание зерен песка и щебня, отрыва и удаления мелкозернистой

фракции (мельче 0,05 мм) вместе с битумом или без него, вымывание или удаление битума при наличии воды или агрессивных растворов и т.д.

Чем прочнее материал 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 %.

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 50 мм и более.

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 , мм:

где - коэффициент неравномерности износа, в среднем к = 0,6…0,7; - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в миллиметрах, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в кубических метрах на километр.

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. 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 твердомера, и для асфальтобетонных покрытий подразделяют на очень твёрдые - 0…2 мм погружения иглы; твёрдые - 2…5 мм; нормальные - 5…8 мм; мягкие - 8…12 мм; очень мягкие - 12…18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

На втором этапе после погружения щебенок в покрытие происходит собственно износ - истирание покрытия. По данным М.В. Немчинова, общее уменьшение макрошероховатости R_ср может быть описано уравнением

где - число прошедших автомобилей: - коэффициенты, зависящие соответственно от размера щебня, твердости покрытия и состава транспортного потока.

Влияние на износ покрытия шин с шипами. 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.

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.

Опыт показывает, что шины с шипами эффективны для пользователей дорог при движении по дорогам с обледенелой или покрытой снежным накатом проезжей частью. На чистом ото льда и снега покрытии шины с шипами ничего кроме вреда дорожному покрытию не приносят. Но зимняя скользкость на дорогах наблюдается лишь 20-30 дней в году. При этом скользкие участки дорог чередуются со свободными от снега и льда. Таким образом, большую часть зимнего периода шипы контактируют с дорожным покрытием, вызывая его повышенный износ.

Опыт 6-летнего использования шин с шипами в штате Миннесота (США) показал, что износ цементобетонных покрытий достигает 8 мм после проезда 1,7 млн. автомобилей, а асфальтобетонных за тот же период - 10 мм после проезда 1 млн. автомобилей. Исследования динамики износа показали, что у цементобетонных покрытий наиболее интенсивно изнашивается поверхностный слой, состоящий из раствора. Износ дорожных покрытий особенно заметен при высоких скоростях движения автомобилей, чему, помимо динамического воздействия шипов на покрытие, способствует их нагрев до 150 °С.

Установлено, что на прямолинейных участках дорог при равномерном (без резких ускорений и торможений) движении автомобилей на шинах с шипами срок службы покрытия сокращается примерно на 20 % от общей продолжительности. Наблюдается также повышенный износ линий разметки, срок службы которой уменьшается в 3-4 раза. Шипы могут отрывать от поверхности покрытия зерна крупного заполнителя достаточно больших размеров, которые при разлете представляют опасность для проезжающих автомобилей и пешеходов.

Опыт Германии показывает, что продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях Германии, 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.

Вместе с тем исключительную важность приобретает дальнейшее совершенствование зимнего содержания дорог в нашей стране, разработка и внедрение таких методов борьбы с гололедом, которые бы полностью предотвращали его образование.

Успешное решение проблемы борьбы с зимней скользкостью обеспечит безопасность движения без применения шипов противоскольжения и, следовательно, без увеличения потребности в автомобильных шинах (при использовании шипов на каждый автомобиль требуется два комплекта шин - зимний и летний). Это позволит значительно уменьшить износ дорог и, следовательно, сократить дополнительные затраты на их ремонт и содержание.

Допустимый износ.В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принят допустимый износ:

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 h_п, мм, больше расчётной h_п.р из условия прочности на величину допустимого износа h_И , т.е.

,

Определение и прогнозирование износа покрытий расчётом. Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле М.Б. Корсунского:

или

где - годовой износ покрытия, мм; - 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 - интенсивность движения, авт./сут, .

Износ покрытия за лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

- износ покрытия за лет, мм; - интенсивность движения в исходном году, авт./сут; К - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения, = 1,05…1,07; - показатель ежегодного роста интенсивности движения, > 1,0.

Значения параметров и приведены в табл. 5.1.

Более современный метод расчета и прогнозирования износа асфальтобетонных покрытий разработан в МАДИ (ГТУ) В.П. Носовым и М.Ф. Джалиловым.

Их исследования показали, что на износ асфальтобетонных покрытий существенно влияет влажность и температура асфальтобетона.

Таблица 5.1. Значения параметров для расчета износа покрытий

Примечания. 1. Средние значения и 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 и .

3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы и .

4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то увеличивают на 15 %.

Зависимость износа асфальтобетона от влажности w, % выражается формулой

Значения коэффициентов а и b составляют соответственно: а = 0,38…0,79; b = 0,32…0,07 в зависимости от типа асфальтобетона.

Зависимость износа, мм, от температуры имеет вид

где t - температура асфальтобетона, ^оС.

Значения коэффициентов а и b находятся в пределах а = 0,39…0,70; b = (0,2…0,8)•10^-2 для асфальтобетонов типа А и Б на разных битумах. Поэтому методика расчета учитывает изменение состава и интенсивности движения, особенности температурного режима и влажности покрытия в процессе эксплуатации, а также распределения следов автомобилей по ширине проезжей части и полосы движения.

За основной параметр, определяющий износ, принято число проездов автомобилей и число осевых воздействий за расчетный период, приходящихся на полосу движения. Эта величина определяется путем суммирования движения за этот период:

где - общее число осевых воздействий за период Т лет; - доля общей интенсивности, приходящейся на полосу движения; - приведенное число осей одного автомобиля; - доля автомобилей с различным числом осей; - число осей автомобилей; - суточная интенсивность движения в -й год;

Износ асфальтобетонного покрытия определяют по формуле

где - коэффициент температурных условий; - коэффициент влажности;

- коэффициент распределения следов колеса; - расчетный единичный износ асфальтобетонного покрытия от проезда автомобиля (принимают по табл. 5.2); - число типов автомобилей в составе потока; - коэффициент учета состава движения; - коэффициент приведения по касательным напряжениям;

Значение коэффициента приведения по касательным напряжениям для каждой группы автомобилей определяют по формуле

,

где - касательные напряжения, создаваемые i- той группой автомобилей; - расчетное значение касательных напряжений в зоне контакта от воздействия «условного» легкового автомобиля. Значения единичного износа асфальтобетонного покрытия приведены в табл. 5.2.

При определении износа покрытия по ширине полосы движения для вычисления коэффициента распределения следов автомобилей К_у используют уравнения, описывающие характер распределения износа.

Таблица 5.2. Определение расчетного единичного износа ×10^-6

Рис. 5.11. Прибор для измерения износа покрытия конструкции:

1 – индикатор; 2 – компас; 3 – опорная площадка с тремя ножками;

4 – место для пробки; 5 - металлический стаканчик-репер

Рис. 5.12. Измерение износа с помощью марок-реперов:

а – марка в разрезе; б – марка в плане; в – схема расчета износа; l – первоначальная длина марки;

l₁ - длина марки, измеренная при износе; Н – первоначальная толщина покрытия;

h – истирание покрытия; h_о – оставшаяся толщина покрытия

Измерение износа. Ежегодный износ в долях миллиметра цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера (рис. 5.11).

При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики 5 из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт по индикатору 1. Во избежание засорения стаканчик закрывают резиновой пробкой. Износ определяют как разность значений и данного и предыдущего замера.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним (рис. 5.12). Полуразность между длиной ребра пластины l₁ на поверхности покрытия, измеренной после истирания, и первоначальной длиной l и характеризует износ. Истирание покрытия h за данный отрезок времени определяется по формуле

где Н - первоначальная толщина; - оставшаяся толщина покрытия.

Рис. 5.13. Принцип работы лазерного анализатора дорожной конструкции

Могут быть использованы электрические и лазерные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах. Электромагнитный прибор для измерения толщины покрытия - стратотест, основанный на принципе отражения электромагнитных волн, был разработан в Ленинградском филиале СоюздорНИИ (рис. 5.13).

Для работы с этим прибором необходимо заранее, еще при строительстве покрытия, между слоями дорожной одежды укладывать в определенных местах металлическую пленку (фольгу), которая служит отражателем.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на состояние дорог в процессе эксплуатации?
2. Как воздействует автомобильная нагрузка на состояние дорог?
3. Как формируется напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций?
4. Как влияет структура материала на деформации дорожной одежды?
5. В чем состоят причины образования трещин, ямочности и колей в дорожных одеждах?
6. Что называют износом покрытия, и каковы методы его определения?