Уплотнение асфальта

Уплотнение асфальтобетона — процесс снижения пористости составного композитного материала, что имеет решающее значение при производстве дорожных покрытий и тротуаров. В результате правильно выполненного уплотнения дистанция между смежными частицами заполнителя уменьшается. Это придаёт уложенным слоям гладкость, стойкость от внешних механических воздействий и стабильность состава, не зависящую от внешних факторов. Снижается также влагопроницаемость смеси и повышается её прочность.

Для формирования высококачественного покрытия на основе асфальта необходимо представлять суть происходящих процессов и технологию их реализации, стараясь применять передовые технические решения.

Что такое коэффициент уплотнения

Плохо уложенная асфальтовая дорога может прийти в негодность намного быстрее, чем обычное дорожное покрытие. Особо страдают места размещения троллейбусных и автобусных остановок. Поэтому непосредственно после укладки выполняют уплотнение асфальтобетона. Конечным результатом этого процесса является достижение показателя коэффициента уплотнения асфальта, который соответствовал бы эксплуатационным требованиям, оговоренным в ГОСТ Р 58406-2-20.

Для чего нужен коэффициент уплотнения асфальтобетона

Недостаточное уплотнение или неправильная толщина зернистого основания — одна из основных причин деформации и разрывов асфальта, как это показано на рис. 1.

Для обеспечения необходимой долговечности покрытия:

1. Анализируют грунтовый состав: подходит ли он для данных условий назначенный состав гравийного покрытия, либо (для глинистых почв) необходима укладка геотекстиля, чтобы частицы камня не проваливались в основу.

2. Выбирают подходящее гравийное основание: важно, чтобы исходная поверхность была сначала спрофилирована, а затем поверх добавлен слой чистого щебня.
3. Готовят условия для дренажа влаги. При устойчивом направлении дождевой воды в ливневую канализацию или канаву асфальт должен иметь уклон не менее 2%, тогда удаётся избегать образования стоячих луж, способствующих деградации почвы.
4. Определяются с температурой укладки. Опыт показывает, что для успешного укладки температура материала должна находиться в диапазоне 140±10°C. Этого легче всего добиться в период между серединой мая и окончанием сентября. Ближе к завершению осени почва начинает промерзать и может провисать (см. рис. 2) под действием внешних нагрузок, что ухудшит качество покрытия.

Практически принимают, что до уплотнения толщина асфальта должна быть не менее 75…80  мм, а после – не ниже 50…60 мм.

Формула расчёта

Коэффициентом уплотнения асфальта называют относительный показатель, определяющий отношение плотности куба конечного покрытия к исходной плотности смеси. Имеется несколько формул для расчёта данного параметра, наиболее доступная из них имеет вид:

k_y = γ_исх/γ_у,  где:

• γ_исх – плотность смеси, выдаваемой из бункера асфальтоукладывающего агрегата. Асфальт имеет γ_исх в пределах 1300 … 1700 кг/м³, асфальтобетон–2100 … 2700 кг/м³ (перевод плотности в другие единицы значения не имеет);
• γ_у – среднее значение плотности слоя после уплотнения, определяемое по результатам испытаний образцов.

Нормативное значение k_y зависит от состава смеси и находится в диапазоне значений 0,96…0,99 (меньшие значения – для холодных асфальтобетонных составов, укладываемых при температуре  не ниже -5⁰С).

ГОСТ: уплотнение для разных типов смесей

В зависимости от условий, в которых ведётся процесс уплотнения, исходные требования к асфальтобитумным смесям и крошке могут быть разными. Однако в первую очередь обращают внимание на процент и локальную концентрацию пустот – как в самом заполнителе, так и в полостях, где содержится  воздух. Поэтому конечные спецификации на асфальтную смесь, предназначенную для укладки дорожного покрытия, должны соответствовать нормативам ГОСТ 9128-2013.

Существует множество обстоятельств, которые определяют характеристики уплотняемости асфальта. Главными считаются исходные показатели самой смеси, тип и плотность материала, расположенного ниже (подложки или базового слоя), необходимая толщина покрытия, а также условия, в которых производится укладка дороги. Если в процессе укладки что-то меняется, то окончательные физико-механические показатели —  модуль упругости, жёсткость или механическую прочность смеси — также существенно изменяются. Кроме того, сплошность уложенного слоя покрытия зависит н от технологической схемы, использованной при уплотнении —  конструкции разогревающих смесь горелок, материала, типа и количества катков, а также схемы движения агрегата, которая была реализована в ходе выполнения данного этапа дорожных работ.

Кернование

Поскольку физико-механические характеристики покрытия по глубине различаются между собой, для средней оценки  качества уложенного асфальтобетона применяют кернование (см. рис. 3). Процедура заключается в том, что в трёх различных местах дороги полым буром получают цилиндрический образец, который далее используют для оценки фактических характеристик покрытия.

Кернование выполняют после уплотнения уложенной смеси, но не ранее 24 часов (для холодных смесей – через 15 суток).  Размеры керна установлены  ГОСТ 54400-2011.

Акт пробного уплотнения

Для трасс ответственного назначения с высоким эксплуатационным трафиком и повышенными требованиями к благоустройству дороги составляют акт пробного уплотнения. Он оформляется после проведения всех предварительных этапов, но перед основной укладкой. Основанием для оформления акта являются положительные результаты испытаний уплотнённого дорожного покрытия. Кроме коэффициента уплотнения тестируются также упругость асфальтобетона, оцениваемая значением коэффициента Пуассона μ (от 0,35 до 0,5), жёсткость покрытия и его прочность. Составляют акты уже после того, как проводят исследования по определению В акт пробного уплотнения включают:

1. Название и особенности эксплуатации дороги.
2. Физико-механические показатели материала покрытия.
3. Последовательность и условия проведения уплотнения.
4. Технологию уплотнения.
5. Выводы.

Под актом ставят свои подписи ответственные представители испытательной лаборатории и организации, выполнявшей укладку, а также производители исходных материалов.

Как обеспечить высокое качество асфальта и высокий уровень его уплотнения

Удобство укладки и долговечность эксплуатации покрытий зависит  от содержания в асфальте вяжущих компонентов. В наибольшей степени за удобоукладываемость и уплотняемость асфальтобетона отвечает битум. С ростом его количества улучшаются условия для формирования обволакивающей поверхностной плёнки. Такая плёнка повышает способность покрытия противостоять внешнему трению и улучшает процесс уплотнения.

Внешние условия укладки

Объём укладываемой смеси влияет на её характеристики, что особенно заметно при мониторинге последующего дорожного трафика. В первую очередь это относится к показателям жёсткости (которая в процессе уплотнения должна возрастать) и равномерности уплотнения (здесь всё зависит от квалификации исполнителя работ и технических возможностей применяемого оборудования).

На качество процесса, а также на время, которое требуется для уплотнения смеси  (т. е. на скорость её охлаждения) влияют также условия окружающей среды, определяющие интенсивность снижения температуры асфальта. Этот показатель определяется:

• Состоянием внешней среды;
• Исходной температурой смеси;
• Скоростью ветра в месте укладки покрытия;
• Интенсивностью ультрафиолетового излучения.

Конечный уровень плотности асфальта будет зависеть также и от количества проходов техники. При этом уровень жёсткости покрытия зависит от состава и состояния базового основания (особенно, если уплотнению подлежит дорожное покрытие, образованное несколькими последовательно уложенными слоями асфальта).

 Технология укладки

Наибольшее влияние оказывает последовательность укладки асфальта – сверху грунта, составляющего основу дорожного полотна (включая заполнитель,  см. рис. 4), либо  на бетонную подушку (см. рис. 5). Во внимание принимается также толщина того слоя асфальта, который может быть уложен за один проход техники. Этот параметр определяет внешние условия для снижения температуры асфальта, поскольку, чем тоньше слой, тем интенсивнее он остывает. Фактическую толщину лучше проверять при помощи специального инструментального оборудования и на пробном участке дороги (см. рис.6).

Легче уплотняются более толстые слои асфальтобетонной смеси, что объясняется более интенсивным теплообменом с окружающей средой, а также упругостью асфальта. С ростом толщины слоя тепло сохраняется дольше, а, следовательно, у прикатывающей техники остаётся больше времени, в течение которого уплотнение будет происходить более эффективно.

Установлено, что для более мелких и структурно однородных составов, наименьшая толщина слоя должна быть в три и более раз выше геометрических размеров заполнителя. С повышением крупности состава эти требования возрастают: для смесей с каменной матрицей толщина одновременно укладываемого слоя более чем в четыре раза превышает размер частиц заполнителя. Такие соотношения обусловлены возможностью переориентировки (и последующей упаковки) стеснённых частиц асфальтобетонной смеси после её уплотнения.

Способы получения максимального коэффициента уплотнения

При уплотнении обращают внимание на нормативы изменения температуры асфальтной смеси. Скорость остывания асфальта зависит от:

• Толщины уложенного покрытия;
• Исходной температуры смеси;
• Физико-механических характеристик покрытия (например, его водостойкости);
• Температуры окружающего воздуха;
• Скорости ветра в месте укладки дорожного покрытия.

Влияние температуры двоякое: она характеризует равномерность и необходимую длительность уплотнения. Последняя растёт при увеличении температуры уложенного асфальта, однако всегда технологически ограничивается, поскольку чрезмерный рост температуры в большинстве случаев влечёт за собой не отвечающие нормам СНиП структурные повреждения вяжущих компонентов, что .

Спецтехника для укладки асфальта

Уплотнение вручную ведут только для частных территорий. В остальных случаях используют три основных вида оборудования:

• Выглаживающие плиты (или — иначе — асфальтоукладчики);
• Катки со стальными барабанами;
• Катки с пневматическими шинами.

Уплотнение происходит двумя способами: приложением веса катка/плиты к поверхности и созданием напряжения сдвига между асфальтом, находящимся под зоной контакта и смежной поверхностью материала. В первом варианте сжатие возрастает с увеличением длительности контакта и с ростом массы оборудования. Во втором случае увеличение напряжения сдвига возможно в результате снижения скорости движения агрегата. При этом рост напряжений сдвига более эффективно влияет на степень уплотнения, поскольку происходит одновременно в двух плоскостях.

Классификация асфальтоукладчиков

Асфальтоукладчик (см. рис. 7, 8) — это машина с гусеничным, либо колёсным движителем, которая используется для распределения, придания формы и частичного уплотнения слоя асфальта, уложенного по поверхности проезжей части, парковки или другого участка поверхности. Некоторые типы уплотняющего оборудования буксируются тракторами/тягачами или самосвалами, доставляющими тонны асфальта, но большинство из них являются самоходными, что гораздо удобнее.

Прицепные асфальтоукладчики состоят из двух основных частей: трактора и рабочего органа. Трактор передвигает агрегат, одновременно перераспределяя асфальтную массу, которая содержится в бункере.

В состав трактора входят:

• Двигатель;
• Гидравлические приводы и органы управления;
• Ведущие колёса или гусеницы;
• Приёмный бункер;
• Питающие конвейеры:
• Распределительные шнеки.

Соответственно выглаживающая плита буксируется трактором и включает в себя:

• Выравнивающие рычаги;
• Отвал;
• Торцевые плиты;
• Подогревающие горелки;
• Собственно виброплита.

Во время работы самосвал, заполненный асфальтом, подъезжает к передней части асфальтоукладчика и медленно выгружает свой груз в бункер. Когда агрегат перемещается вперёд, подающие конвейеры двигают асфальтную массу к задней части спецтехники, а распределительные шнеки выталкивают материал наружу на требуемую ширину. Затем выглаживающая плита равномерно распределяет слой асфальта по поверхности и частично уплотняет его до достижения 75…85% теоретической максимальной плотности. Далее за асфальтоукладчиком движется каток со стальными колесами, который и завершает процесс уплотнения.

Типы катков

Катки со стальными колесами — это самоходные уплотняющие устройства, в которых используются стальные барабаны. Барабанов может быть несколько, вплоть до трёх, хотя чаще всего применяют тандемные (двухбарабанные) катки, подобно показанному на рис. 9.

Барабаны могут работать усилием статического прижима к поверхности асфальта, либо воздействовать на уплотняемый материал динамическими вибрационными нагрузками  (см. рис. 10). Разница заключается в способе подвески осей катков – жёстком в первом случае и на плавающих подшипниках скольжения – во втором.

Диапазон главных технологических характеристик катков:

• Ширина барабана, мм – 85…215;
• Диаметр барабана, мм – 50…150;
• Масса, кг – 900…18000.

В дополнение к собственному весу ряд конструкций катков со стальными барабанами могут балластироваться однородным нейтральным заполнителем — песком или водой. Это увеличивает вес оборудования, а, следовательно, повышает усилие уплотнения асфальта. Балластировка — довольно простой процесс, она обычно выполняется до начала уплотнения.

Поскольку связующее асфальтобетона прилипает к стальным барабанам, большинство катков оснащают распылительными устройствами, а над каждым катком устанавливают специальный инструмент, убирающий излишки асфальта с поверхности барабана. Установлено, что при охлаждении катков время, необходимое для уплотнения, уменьшается.

Наличие вибрирующих барабанов обеспечивает оборудованию следующие преимущества:

• К статическому весу катка добавляется динамическая составляющая, что увеличивает усилие уплотнения;
• Снижается трение в опорах подшипников;
• Исключается блокировка заполнителя, что позволяет его частицам быстрее перемещаться в конечные положения.

Вибрационные колебания уплотняющего катка барабана производит вращающийся эксцентрик, а создаваемая им сила пропорциональна моменту вращающегося груза и скорости вращения. Операторы могут включать и выключать вибрации, а также контролировать их амплитуду (от 0,25 до 1 мм) и частоту (от 30 до 60 Гц).

Настройки частоты и амплитуды вибрации определяются степенью гладкости покрытия, характеристиками асфальтовой смеси и толщиной готового покрытия. Низкие частоты вибрации в сочетании с высокой скоростью вращения барабана увеличивают интервал между вибрациями, что увеличивает риск образования негладкой поверхности. Поэтому предпочтительны более высокие частоты и более низкие скорости вращения катков, увеличивающие усилие уплотнения и обеспечивающие более гладкое покрытие. Скорость движения катка — в пределах 4,5…5,5 км/ч.

Типичные рекомендации по способу укладки сведены в таблицу:

Высокая частота и низкая амплитуда рекомендуются также при вибрационном уплотнении асфальтовой массы повышенной вязкости.

С осторожностью вибрационные катки применяют на участках дорог, где имеются подземные коммуникации неглубокого заложения с тонкими перекрытиями.

Тренд последнего десятилетия — широкое использование уплотняющих катков с пневматическими шинами (см. рис.11).

Каток с пневматическими шинами — это агрегат, в котором для уплотнения предусмотрен набор гладких (без протектора) шин на каждой оси; обычно четыре — на одной оси и пять — на другой. Чтобы обеспечить полное и равномерное уплотнение по всей ширине катка, шины передней оси выравниваются с промежутками между шинами задней оси. Усилие уплотнения регулируется изменением давления в шинах, которое обычно устанавливается в пределах 400 кПа … 800 кПа. Для устранения перегрева катков их изолируют температуростойкой резиной.

Краткое сравнение разновидностей асфальтобетона

Уплотнению подвергают следующие материалы:

• Имеющие сколько-нибудь равномерный состав гранул (см. рис.12);
• В состав которых входят разнородные по размерам компоненты (состав таких смесей называют открытым, см. рис.13);
• Составы с так называемой каменной матрицей, получающейся на основе щебня или гравия (см. рис.14).

По степени зернистости и размерам частиц составы, применяемые для укладки долговременных дорожных покрытий, подразделяют на мелко- и крупнозернистые.

Типы асфальтных смесей, имеющих свободную гранулометрию, применяют при укладке многослойных дорожных покрытий, где необходимо наличие слоёв трения, а также для однослойных покрытий с прочным базовым, хорошо проницаемым для внешней влаги слоем (в последнем случае необходим хороший дренаж). Смеси, на микрофотографиях которых хорошо различима каменная матрица, характеризуются повышенной плотностью и прочностью, многократно превосходящей аналогичные показатели для прочих типов асфальтных смесей. Причины – увеличенный процент базового наполнителя и отсутствие органических остатков.

Типоразмеры применяемых асфальтовых смесей, характеризуются по своим показателям долговечности и эффективности. Некоторые из них дополнительно классифицируют по характеристике проникновения, некоторые — по вязкости. При укладке дорожных покрытий часто применяют полимерную модификацию, для чего в первоначальный состав компонентов добавляют материалы, содержащие каучук и его производные. Это повышает упругость и пластические свойства готового покрытия.