Таблица 1

Толщина горячего слоя в покрытии, см

Ориентировочное максимально допустимое время (мин) укладки и уплотнения слоя смеси по условию его остывания от 140 до 60 °C при скорости ветра 4–5 м/с и температуре воздуха и основания

-10... -8 °C

-5... -3 °C

+1... + 3 °C

+12... + 14 °C

+23... + 25 °C

3–4

8–10

12–15

17–20

25–30

35–40

6–7

22–25

28–31

36–40

50–55

60–70

9–10

35–40

50–55

65–70

80–90

100–120

12–14

130–150

18–20

210–240

30

350–400

Примечание. При скорости ветра 5–10 м/с указанное время уменьшается на треть,
в солнечную безветренную погоду – увеличивается на треть.

Рис. 2-1
Устройство
традиционного покрытия

Рис. 2-2
Устройство покрытия
из компакт-асфальта

Рис. 3
Одновременная укладка
двух различных слоев
асфальтобетонного покрытия
с помощью
комбинированного укладчика

Данные таблицы 1 хорошо коррелируются с требованиями СНиП 2.05.02-85, которыми в России не допускается устройство асфальтобетонных и битумосодержащих покрытий толщиной менее 3–4 см. При разрешенных для укладки температурах воздуха +5…+10 °С время охлаждения тонких слоев составляет 22–24 мин., и оно почти в точности совпадает с минимально возможным временем их уплотнения (23–25 мин.) катками статического типа за установленные практикой 20–24 суммарных прохода. При меньшем времени на уплотнение каткам просто не успеть сделать положенные 20–24 прохода, в результате чего плотность асфальтобетона, как правило, окажется хуже требуемой.

Вообще, по результатам различных исследований, практических экспериментов и накопленного опыта можно выделить два направления по решению проблемы устройства качественных асфальтобетонных покрытий при пониженных или даже отрицательных температурах воздуха.

Одно из них связано с приемами повышения времени остывания смеси за счет увеличения толщины сразу укладываемого слоя (самый простой способ, но требующий согласия заказчика на возможное удорожание работ), за счет раздельной, но одновременной укладки толстого (нижнего) и тонкого (верхнего) слоев покрытия для совместного их уплотнения, за счет использования поверх уложенного горячего слоя временного (на период укатки) теплоизоляционного укрытия в виде брезента (толщина 1–2 см) или тонкого (3–5 мм) резинового полога, через которое и ведется уплотнение смеси катками, и, наконец, за счет дополнительной поверхностной сушки и нагрева основания и быстро остывающего слоя смеси в покрытии специальными нагревательными машинами с инфракрасными газовыми горелками.

Второе направление предусматривает ускорение самого процесса укладки и уплотнения за счет использования более эффективных и производительных укладчиков и катков, а также за счет усовершенствования технологических приемов выполнения этих операций.

В это направление хорошо вписываются укладчики с повышенной степенью предварительного уплотнения смеси (рабочий орган с двойным трамбующим брусом, с прессующими планками и др.), виброкатки с повышенной производительностью укатки и правильно и более точно подобранными параметрами силового статического и динамического воздействия на слой смеси, разумное сочетание таких виброкатков со статическими их аналогами на заключительном этапе уплотнения, уменьшение ширины укладываемой полосы (при нехватке катков) или допустимое увеличение количества катков на полосе укладки, приема скоростной укатки и т. п. Арсенал подобных средств и приемов, очевидно, будет непрерывно пополняться, пока рассматриваемая проблема будет актуальной для дорожной практики.

При плохих погодных условиях российские и зарубежные дорожники иногда вместо раздельного устройства двух слоев покрытия из разных типов смесей практикуют укладку одного более толстого из смеси для верхнего слоя. Например, слои 7 см (нижний) и 5 см (верхний) заменяются на один толщиной 12 см .

Бывает, что с целью экономии смеси и затрат на нее такой толстый слой уменьшают на 1–2 см, полагая, что смесь для верхнего слоя с лучшими прочностными и деформативными показателями компенсирует небольшое снижение толщины. Такой полезный прием увеличения примерно в 1,5–2 раза продолжительности охлаждения и уплотнения смеси требует аккуратного и умелого выполнения укатки, так как на более горячих и толстых, а потому более подвижных и менее сдвигоустойчивых слоях можно легко получить неровности на покрытии.

В последние годы дорожники ряда стран стали переходить на устройство трехслойных асфальтобетонных покрытий вместо традиционных двухслойных. Причем верхний слой износа из смеси на модифицированном полимерами битуме из-за высокой ее стоимости стремятся укладывать тонким слоем (2–3 см), который достаточно быстро теряет свою температуру даже при положительных температурах воздуха. Возникает серьезная проблема качественного уплотнения такого тонкого слоя, дорогого и быстро остывающего.

Немецкая подрядная фирма «Кирхнер» (Kirchner) вместе с Техническим институтом г. Эрфурта провела удачные эксперименты на дороге по новой технологии укладки верхнего тонкого слоя сразу же на только что уложенный более толстый, горячий и еще не уплотненный катками нижний слой покрытия. Для этого использовались два укладчика, идущие следом друг за другом. Первый раскладывал нижний слой, второй – тонкий верхний.

Загрузка смеси во второй укладчик производилась сбоку с помощью ленточного транспортера специального погрузчика. Затем осуществлялось совместное уплотнение двух слоев обычными катками. За счет тепла нижнего толстого слоя верхний тонкий имел более продолжительное время для укатки. При температуре воздуха +10…+15 °С снижение температуры смеси в самой верхней части совместно устроенной комбинации двух слоев 10+ 2 см за 25 мин ( в Германии таково минимально необходимое время на уплотнение) составило всего 10 °С, а при укладке отдельно верхнего слоя 4 см на холодное основание – 70 °С – за те же 25 мин.

Такое решение проблемы устройства тонкослойных покрытий, в том числе в плохую погоду, получило свое дальнейшее развитие. Та же фирма Кирхнер (Kirchner) несколько усовершенствовала технологию укладки так называемого «компакт-асфальта» (Kompakt-Asphalt), рис. 2, за счет применения новой конструкции асфальтоукладчика, созданной как бы путем механического наложения дополнительного укладочного модуля или агрегата на существующий стандартный укладчик, т. е. два укладчика были соединены в один, способный вести одновременную укладку двух разных по толщине слоев и из двух разных типов смеси, но уплотняемых катками совместно.

Новый комбинированный укладчик имеет два раздельных бункера, поочередно заполняемых нужным типом смеси с помощью ленточного транспортера-перегрузчика, два самостоятельных дизельных привода, два рабочих органа (у каждого трамбующий брус с выглаживающей виброплитой), но одно общее гусеничное ходовое устройство и единая система управления всеми агрегатами и органами (рис. 3).

В середине ноября 2001 года (температура воздуха -4…- 5 °C с ветром 6–7 м/с) фирма «Корд» объединения «Дорстройпроект» на строительстве асфальтобетонного покрытия на мосту через реку Тигода вблизи г. Кириши Ленинградской области успешно применила примерно такую же, но как бы «перевернутую» технологию. Вместо двух слоев по проекту ( 6 см нижний из смеси типа Г и верхний – 7 см из смеси типа Б) на длине моста 145 м и ширине его покрытия 8 м были уложены в нижнюю часть покрытия тонкий слой примерно 3 см из смеси типа Г, а в верхнюю – около 10 см из типа Б. Причем укладка слоя в 3 см и его предварительное уплотнение одним самоходным пневмокатком GPW15 фирмы Hamm (ФРГ) производились на повышенных скоростях (укладчик в пределах 3–4 м/мин, пневмокаток – около 6–7 км/час).

Сразу же, пока уложенный тонкий слой оставался еще теплым, начиналась укладка слоя в 10 см и его уплотнение упомянутым пневмокатком и двумя статическими гладковальцовыми катками тандемного типа весом 8 и 10 т (на мосту запрещено включать трамбующие механизмы и вибраторы укладчика и катков).

Идея такой «перевернутой» технологии была обусловлена, во-первых, необходимостью обязательной укладки защитного слоя из песчаной смеси толщиной хотя бы 3 см , чтобы исключить любой контакт щебеночных фракций смеси типа Б из верхнего слоя с мягкой гидроизоляцией моста, которая во время укатки может получить «ранения» или даже нарушение целостности. Во-вторых, толстый верхний слой в процессе своего охлаждения достаточно хорошо и быстро нагревает контактный нижний тонкий слой, который за счет этого может эффективно доуплотняться во время укатки верхнего слоя.

Подтверждение такого механизма теплообмена приведено в табл. 2, в которой для наглядности даются значения скоростей охлаждения и температуры верхней, средней и нижней частей слоя смеси 18 см . Уже через 5 минут после укладки нижняя часть слоя охлаждается и соответственно повышает температуру нижележащего контактного основания на 60–65 °С, а по истечении 3 часов температура середины (+93 °С) и низа слоя (+70 °С) позволяет даже продолжить их уплотнение. Это главное достоинство и преимущество более толстого слоя горячей смеси. В менее толстых, например 9–10 см, механизм потери температуры и нагрева нижнего контактного основания будет аналогичным, с той лишь разницей, что время падения температуры снизится пропорционально уменьшению толщины слоя, т. е. примерно в 2 раза по сравнению со слоем 18 см . Но этого времени будет вполне достаточно, чтобы успеть выполнить полноценную укатку.

Таблица 2

Место контроля температуры в слое 18 см при воздухе + 25 °C

Средняя скорость остывания смеси (°C/мин) при контроле времени наблюдения в интервалах

Температура после 185 мин охлаждения

0–5 мин

5–25 мин

25–63 мин

63–95 мин

95–185 мин

средняя за 0–185 мин

Верх

2,4

0,40

0,40

0,30

0,20

0,55

48 °C

Середина

1,6

0,40

0,30

0,25

0,15

0,31

93 °C

Низ

12,6

0,20

0,12

0,10

0,05

0,43

70 °C

Таблица 3

Толщина горячего слоя в покрытии,
см

Температура воздуха,
°C

Средняя скорость охлаждения,
°C/мин

3

-8, ветер

6,0

4

-8, ветер до 11 м/с

5,0

5, + резина

-7

0,9–1,1

5

-5

2,8–3,0

5, + брезент

-5

1,8–1,9

6–7

-10

2,6–2,8

6–7, + пергамин

-10

2,0–2,1

6–7, + брезент

-10

1,6–1,7

9

-5

1,7–1,8

10

-5

1,3–1,5

Рис. 4.
Схемы нагрева основания
при устройстве покрытия
и дополнительного подогрева
уложенного слоя смеси
в процессе его укатки

В экспериментах на дороге в качестве теплоизолятора применялось брезентовое полотнище толщиной 1–2 мм, длиной в пределах 15–25 м и шириной, равной ширине укладки полосы покрытия. Прочность брезента на разрыв должна быть не менее 60–80 кгс/см.

Брезент удобно наматывать на легкую жесткую трубу или ось и устанавливать в специальные кронштейны на укладчике, по мере перемещения которого брезент постепенно разматывается поверх укладываемого слоя смеси. После укладки на покрытие первого куска брезента в стык к нему расстилается следующий и т. д. По мере смещения укладчика и катков вперед надобность в sпервом куске отпадает и его сворачивают вручную на трубу или ось и вновь устанавливают на кронштейны укладчика. На один укладочный отряд машин целесообразно иметь 3–4 куска брезента суммарной длиной около 60–80 м.

Более эффективна теплоизоляция горячего слоя укрытием из мягкой теплостойкой резины толщиной до 3–5 мм. Особенно благотворное влияние оказывает резина на результат уплотнения асфальтобетонной смеси катками (показатели плотности, водонасыщения и шероховатости покрытия лучше, чем при укатке без резины). Однако вследствие большого веса резиновых кусков или пологов площадью 50–100 кв. м их использование за укладчиками менее удобно и целесообразно, чем брезентовых. Полезен и более удобен резиновый теплоизолятор с меньшей площадью куска (до 5–10 кв. м) на ямочном или картовом ремонте асфальтобетонных покрытий, например ранней весной или глубокой осенью.

Иногда, если есть в наличии или есть возможность арендовать, целесообразно в состав отряда машин по устройству покрытий из горячих асфальтобетонных смесей в плохих погодных условиях дополнительно включать специальную нагревательную машину с газовыми горелками инфракрасного излучения. Она используется для удаления с поверхности основания тонких слоев воды в виде остатков влаги, снега и льда (после механической чистки дорожными щетками), подогрева основания до 20–30 °С непосредственно перед укладчиком (рис. 4а) или для повторного нагрева поверхности уплотняемого слоя покрытия, чрезмерно остывшего для работы катков (рис. 4б).

Эксперименты на участке дороги «Россия» (Москва – Санкт-Петербург) вблизи г. Тосно Ленинградской области по укладке слоя покрытия толщиной 6 sсм в достаточно неблагоприятных условиях (воздух до -8…9 °С, ветер) с участием тепловой машины 4256 украинского производства (г. Киев) подтвердили эффективность и возможность практического применения такой технологии работ.

В условиях быстрой потери слоем горячей смеси тепла и требуемой для уплотнения температуры бывает целесообразно ускорить сам процесс укладки слоя и его укатки. Это второе, уже упоминавшееся направление борьбы с негативным влиянием плохих погодно-климатических условий на качество асфальтобетонного покрытия.

Вообще рабочую скорость укладчика при низких температурах воздуха следует повышать до 3, а иногда и до 4-5 м/мин, с тем чтобы в момент начала работы катков на подготовленной укладчиком захватке (минимальная длина для среднего тандемного катка не менее 13–15 м) температура слоя не очень сильно отличалась (не более чем на 10–15 °С) в начальной и конечной зонах захватки. В противном случае появление катка в одной зоне может оказаться запоздалым, а в другой – преждевременным с точки зрения качества уплотнения.

Сама же укатка смеси тоже должна выполняться ускоренно, а точнее, более производительно. Поэтому помимо грамотного подбора типов и размеров катков в соответствии с их уплотняющей способностью, оцениваемой силовым статическим или динамическим воздействием на смесь, необходимо определять показатели и параметры работы катка, за счет которых возможно заметное повышение его производительности.

В соответствии с известной аналитической зависимостью между параметрами катка и его часовой производительностью (П ч )

     , (1)

где В к – ширина уплотнения или ширина вальцов у тандемных катков, м;
α – среднее реальное перекрытие соседних полос работы катка, м;
V k – средняя рабочая скорость катка, км/ч;
K u – коэффициент использования катка в работе в течение часа (общепринято, что из 60 мин каток работает 50 мин, т. е. K u ≈ 0,83;
n – количество проходов катка по одному следу, такими параметрами являются ширина уплотнения катка, его рабочая скорость и количество проходов. Росту производительности катка способствует увеличение значений двух первых параметров и снижение третьего.

Однако в соответствии с другой зависимостью

     , (2)

где i = 1,2,3,4… – количество продольных полос работы катка на ширине полосы укладчика (чаще всего i = 2–3);
В укл – ширина полосы покрытия, устраиваемой укладчиком, после подстановки которой в (1) , выражение часовой производительности катка приобретает другой и более общий вид

      , (3)

Из (3) следует, что производительность укатки определяется не только параметрами самого катка, но и шириной полосы покрытия, которую раскладывает укладчик. Более того, довольно заметно на производительности сказывается реальное значение величины покрытия полос катка «α». Ее принято считать оптимальной, если она назначена или получается в пределах 15–25 см.

В действительности же, на ее величину влияет соотношение В укл и В к по (2) , и поэтому «α» может быть и 15, и 30, и 80 см , а в отдельных случаях и более 100 см .

Общеизвестно, да и зависимость (1) показывает, что катки с широкими вальцами всегда более производительны. На примере крупного тандемного виброкатка НД130 фирмы Hamm (ФРГ), имеющего общий вес 14,2 т, ширину вальцов 2140 мм , работающего на скорости 4 км/ч и для полноценного уплотнения асфальтобетона совершающего 2–4 прохода в статике и 4–6 проходов с вибрацией (всего в среднем 8 проходов), видно (табл. 4), что его производительность не является величиной постоянной и в зависимости от ширины раскладки смеси может изменяться до 1,5–2 раз.

Таблица 4

Ширина укладки, м

3,0

3,5

3,75

4,0

4,5

Величина перекрытия соседних полос катка «α», см

128

78

53

28

96

Количество продольных полос катка на ширине укладки «ι»

2

2

2

2

3

Часовая производительность виброкатка HD 130, %

53

73

87

100
(770 м 2 /ч)

64

Рис. 5.
Результаты уплотнения
слоя асфальтобетона ( 4 см )
катками:
1 – вибрационный тандем, 10 т;
2 – пневмоколесный, 12 т;
3 – гладковальцовый статический, 10 т.

Сравнение между собой трех разных катков с шириной вальцов 1450, 1680 и 2140 мм на тех же полосах укладки (см. табл. 4) и режимах уплотнения дает еще более удивительные или даже парадоксальные результаты. В частности, на уплотнении полос покрытия 3,5; 3,75 и 4,0 м каток с вальцами 1450 мм имеет предпочтение по производительности (на 8–10%) перед катком с вальцами 1680 мм . А на укатке полос 3,0 и 4,5 м наоборот – каток с вальцами 1680 мм оказывается более производительным (в среднем на 24%), чем каток с более широкими вальцами ( 2140 мм ).

Другими словами, для каждого катка с конкретной шириной его вальцов (уплотнения) существует выгодная (наибольшая производительность) и не очень выгодная (производительность меньше) ширина полосы укладки покрытия. И с этим следует считаться и учитывать в технологии выполнения укатки вообще, а особенно в неблагоприятных погодно-климатических условиях.

Интересно и показательно, что на уже упоминавшемся мосту через р. Яндебу при устройстве нижнего слоя покрытия 7 см из горячей смеси типа Г при температуре воздуха -13 и -18 °С задача повышения производительности и качества уплотнения решалась не путем подбора крупных или увеличения количества обычных катков (ни тех, ни других в наличии не было), а за счет уменьшения ширины укладки покрытия до оптимального значения в соответствии с шириной вальцов (1400 и 1680 мм ) используемых трех моделей – BW154AD, HD85 и ДУ-93.

Общая ширина покрытия моста 11 м (его длина 200 м ) была разделена на 4 уменьшенных продольных полосы укладки по 2,75 м , вследствие чего сама смесь и продольные швы были уплотнены в допустимое время и достаточно качественно. Об этом свидетельствует отсутствие каких-либо деформаций, трещин, выкрашиваний или других дефектов уложенного слоя после 8 месяцев его эксплуатации зимой, весной и летом 2001 г . (в июле-августе на мосту уложен верхний слой покрытия).

Конечно, применяемая на мостах и путепроводах технология уплотнения асфальтобетона статическими катками заметно уступает в производительности и скорости укатки ударно-вибрационно-статической или комбинированной технологии. Последняя названа так потому, что во многих практических случаях в России и за рубежом после обычного укладчика с трамбующим брусом и выглаживающей виброплитой следует сначала виброкаток с выключенным вибратором (за 2–4 прохода выполняет предварительную подкатку), затем тот же виброкаток с включенным вибратором производит основное уплотнение (4–6 проходов) и, наконец, статический каток более тяжелого типа (заключительный этап за 4–6 проходов по следу).

По этой комбинированной технологии катки обязаны сделать 12–16 или в среднем 14 проходов вместо 20–24 (в среднем 22) статическими катками (рис. 5). Только за счет меньшего количества проходов производительность комбинированной технологии повышается на 45–50%. Поэтому она может оказаться своеобразной «палочкой-выручалочкой» для ускорения укатки асфальтобетонных покрытий в плохих погодно-климатических условиях, за исключением мостов и путепроводов.

Еще более подходящей и удачной на дорогах будет эта комбинированная технология при замене обычного укладчика (после него смесь, как правило, имеет коэффициент уплотнения не более 0,92–0,93) в отряде машин на укладчик с двойным трамбующим брусом или иным рабочим органом, обеспечивающим повышенную степень уплотнения (до 0,96–0,98). Это позволит убрать из отряда виброкаток и выполнить укладку одним статическим катком тяжелого типа всего за 6–8 проходов.

В этом случае производительность процесса уплотнения возрастает практически в 2 раза. Поэтому для тех дорожных подрядчиков, которым надлежит работать в местах и регионах с рискованными погодно-климатическими условиями для качества асфальтобетонных работ, наличие подобного укладчика не просто желательно, а крайне необходимо или даже обязательно.

Некоторые, но не слишком большие резервы для повышения производительностей есть у операции уплотнения за счет увеличения количества катков на полосе устраиваемого покрытия за счет повышения их рабочей скорости.

В фирмах объединения «Дорстройпроект» для устройства асфальтобетонных покрытий сформированы 9 постоянных отрядов машин, в каждом из которых обоснованно, с учетом уплотняющей способности, производительности и технологического соответствия друг другу, закреплены определенные укладчики и катки разных типов и размеров.

С переходом от летних условий выполнения таких работ к осенним в некоторые отряды добавляется по одному катку из имеющегося резерва, чтобы можно было в ухудшившихся осенних условиях успеть произвести полноценное уплотнение. Однако такая практика показывает, что увеличение количества катков не всегда продуктивно из-за возникающих порой помех и заторов.

Иногда вместо этого целесообразнее просто несколько повысить рабочую скорость катков. Как известно, оптимальной рабочей скоростью для тяжелого и статического катка является интервал 2,5–3,5 км/ч, виброкатка – 3–5 км/ч и для пневмокатка – 5–8 км/час. Использование больших значений интервала скорости вызывает необходимость в некотором увеличении (на 20–25%) количества проходов гладковальцовых статических и вибрационных катков (у пневмокатка влияние скорости мало). Еще больший рост их скорости потребует непропорционального увеличения количества проходов, что в итоге не даст прирост производительности, а ровность покрытия может заметно ухудшить.

Суммируя изложенное по устройству асфальтобетонных покрытий в неблагоприятных погодно-климатических условиях, следует акцентировать внимание дорожников на двух главных моментах. Во-первых, по возможности всегда избегать планирования и выполнения таких работ в неблагоприятных условиях, не соответствующих требованиям дорожных СНиПов. Во-вторых, в тех редких случаях, когда невозможно исключить подобные работы, в обязательном порядке следует искать организационные и технологические решения задачи обеспечения надлежащего качества асфальтобетонных работ и объектов. Изложенный материал и практические примеры показывают, что иногда такие эффективные решения возможны.

Костельов М. П., к. т. н.,
главный технолог объединения Дорстройпроект (Санкт-Петербург