Метод Flexiplast ®: 6 лет эксперимента и положительный итог
advertisement
ГП РОСДОРНИИ Перевод 2.48 Метод Flexiplast ®: 6 лет эксперимента и положительный итог Гоаколу О., Паке Н. Источник: Revue Generale des Routes et des Aerodromes.-199._-№752.- июнь.-С.35-39.-Фр. Аннотация; В настоящей статье рассмотрены результаты эксперимента по применению метода Flexiplast ® для предупреждения отражения трещин дорожных одежд, в частности дорожных одежд с основаниями, обработанными гидравлическим вяжущим. Кол-во стр.: 19 Кол-во ил.: 11 Flexiplast : 6 лет эксперимента и положительный итог Резюме Комплекс Flexiplast препятствующий трещинообразованию, представляет собой упругую мембрану и слой литой холодной асфальтобетонной смеси, предназначенной для тепловой и механической защиты данной мембраны. Комплекс позволяет разъединять старую трещиноватую дорожную одежду и новый слой износа. Данный метод проверен в лаборатории под различными аспектами: в ходе испытаний на усадку-изгиб, испытаний на усадку при очень низкой температуре, испытания на отрыв, испытания на колееобразование, испытания на герметичность; результаты показывают высокие эксплуатационные качества и доказывают эффективность комплекса. С момента внедрения метода в 1990 г. было уложено 1,4 млн. м2 такого материала: тщательное обследование десятка участков подтверждает хорошую способность комплекса Flexiplast ® по предупреждению отражения трещин. ВВЕДЕНИЕ Трещинообразование - это обычно наблюдаемое явление повреждения конструкций дорожных одежд (фото 1). Трещинообразование, в зависимости от своей природы, приобретает различные формы, и решения, выбираемые для борьбы с ним, также варьируются. Трещинообразование в мелкую сетку, типа растрескивания, в основном просто нейтрализуется методами усиления; напротив, крупное Трещинообразование или образование отдельных трещин требует принятия особых мер для предупреждения их распространения к поверхности нового слоя износа. В таблице I указаны крупные категории дорожных одежд и, в зависимости от типологии трещинообразования, те трещины, которые обуславливают применение особых мер для борьбы с ними. Методы борьбы с отражением трещин, классифицировать по трём большим группам. ставшие классическими, • можно Первый метод заключается в устройстве нового слоя, действуя или путём увеличения его толщины, или используя материал с высокой устойчивостью трещинообразованию, или же укрепляя данный слой структурирующим элементом. • Второй метод заключается в снижении «тепловой активности» трещин, путём принудительного создания с момента устройства дорожной одежды, достаточно плотной сетки трещин с целью доведения их раскрытия до приемлемого уровня. • Третий способ заключается в нейтрализации трещинообразования путём разъединения нового слоя от трещиноватой конструкции путём укладки промежуточного тонкого слоя или специального комплекса. К основным способам разъединения, используемым в настоящее время, относятся битумные мембраны, геотекстили с битумной пропиткой и, наконец, Фото 1 - Поперечное Трещинообразование дорожной одежды, устроенной из материалов, обработанных гидравлическим вяжущим асфальтобетонные смеси, часто пески с высоким содержанием битумной мастики. Комплекс Flexiplast, препятствующий трещинообразованию, относится к данной категории. Таблица I Ситуации, обуславливающие принятие особых мер для борьбы с отражением трещин Тип дорожной Тип трещинообразования Природа трещинообразования одежды Нежесткая Растрескивание Усталость (воздействие интенсивности движения) Толстая Трещинообразование в Усталость в результате асфальтобетон- вертикальном направлении тепловых воздействий ная Поперечное Усталость в результате тепловых воздействий Характер решений Устройство слоя усиления Устройство слоя усиления Принятие мер для предупреждения отражения трещин + устройство слоя усиления Полужёсткая Крупная сетка трещин Усталость в результате Принятие мер тепловых воздействий для предупреждения отражения трещин устройство слоя усиления Жесткая (бетонная) Растрескивание в местах швов Усталостные явления, обусловленные строительством Принятие мер для предупреждения отражения трещин устройство слоя усиления Описание комплекса Flexiplast Определение Комплекс Flexiplast ® устроен из двух элементов: упругой мембраны (фото 2), обеспечивающей разъединение двух слоев, и литой холодной асфальтобетонной смеси, обеспечивающей тепловую и механическую защиту мембраны в ходе строительства и, в особенности, в момент укладки слоя износа. Фото 2 - Испытание упругости мембраны на месте строительства Функция мембраны Мембрана является активным элементом комплекса, препятствующего трещинообразованию. На рис. I показан принцип её функционирования. В месте трещины мембрана подвергается очень значительному относительному удлинению (Ау/у), пропорционального температурному отклонению. Во избежание разрушения мембраны в месте трещин и, таким образом, для сохранения функции герметичности, мембрана должна обладать значительной деформируемостью при низких температурах эксплуатации. Зависимость напряжения на сдвиг (I), передаваемого в верхний слой, от степени раскрытия трещины , Ау, имеет следующий вид: t=D v G/e Высокое значение данного напряжения привело бы к быстрому разрушению верхнего слоя. Эффективность мембраны будет тем выше, чем больше будет её толщина (е) и чем меньше будет её модуль сдвига (G). Рис. 1 Функционирование мембраны в месте трещины: 1 - трещиноватое основание; 2 - мембрана; 3 - слой износа; 4 - первоначальное состояние; 5 - конечное состояние Двойная функция литых холодных асфальтобетонных смесей В первую очередь такие смеси обеспечивают движение дорожно-строительных машин по материалу комплекса для укладки верхнего слоя, без изменения основных характеристик мембраны и, в особенности, её толщины, которая могла бы быть сокращена в результате вдавливания, как в случае мембран, устраиваемых с использованием щебня. Во-вторых, они предупреждают сильный разогрев мембраны при укладке горячих асфальтобетонных смесей (рис.2). Без защиты в процессе уплотнения могло бы произойти втапливание мембраны в смесь и, таким образом, уменьшение её толщины, а вследствие этого снижение эффективности комплекса. Рис. 2 - Результаты измерений температуры, выполненные на участке строительства: 1 - температура (°С); 2 - время (мин); 3- мембрана; 4 - слой литой холодной асфальтобетонной смеси непрерывного состава Gripfibre 0-6 мм; 5 - слой асфальтобетонной смеси 0-14 мм прерывистого состава толщиной 4 см; 6 - зонд для измерений температуры Характеристики материалов комплекса Мембрана Вяжущее мембраны представляет собой, битум, значительным образом модифицированный полимерами (стирол бутадиен стиролом). Основные характеристики типичного образца представлены в таблице 2. Таблица 2 Характеристики вяжущего Elastoplast Глубина проникания (25° С, 1/10 мм) Тумпкратура размягчения по КиШ (° С) Показатель проникания LCPC ( Центральной лаборатории дорог и мостов) Показатель проникания Пфейера Температура хрупкости (° С) Вязкость (мПа.с) 130 ° С 140 ° С 150 ° С 160 ° С 170 ° С 89 91 + 3,1 + 7,4 < -31 3000 1800 1100 740 530 180 ° С 190 ° С Прямое растяжение (-10 ° С , 100 мм/мин) Предельное напряжение (МПа) Предельное удлинение (%) Напряжение при разрушении (Мпа) Удлинение при разрушении (%) 400 310 2,5 58 >35 >400 Литые холодные асфальтобетонные смеси (ЕСF) Такие смеси, обеспечивающие защиту мембраны, представляют собой смеси 0-4 мм и 0-6 мм непрерывного гранулометрического состава, приготовленные с использованием эмульсии на основе модифицированного вяжущего. Толщина слоя из ЕСР варьируется от 7 до 10мм. В состав смеси введено волокно из очень тонких нитей в значительном количестве (10 миллионов на м 2), что сделано с двойной целью: • Для улучшения однородности литой холодной асфальтобетонной смеси и предупреждения выкрашивания (отрыва) материала при возможном вводе участка в эксплуатацию на предварительном этапе; • Для улучшения механических характеристик защитного слоя. Лабораторное изучение свойств комплекса Испытание на усадку-изгиб Комплекс Flexiplast ®, препятствующий трещинообразованию, изучали в региональной лаборатории г. Отен, где имеется единственная во Франции машина для испытания на усадку-изгиб. Эта машина позволяет измерять время отражения одной трещины через образец, устроенный из исследуемой системы, поверх которой уложен слой контрольного асфальтобетона. Образец, основание которого было подвергнуто принудительному трещинообразованию, растягивали из расчёта 0,6 мм/ч, создавая одновременно при помощи вибратора вертикальную деформацию 15/100 мм. Таким образом моделировали прогиб по краю трещины полужесткой дорожной одежды. Испытание проводили при температуре + 5 °С. Испытания показывают (рис.3), что при одном и том же верхнем слое покрытия из асфальтобетона толщиной 6 см, комплекс Flexiplast ® превосходит и значительно эффективность, получаемую при использовании песчаного асфальтобетона, рассматриваемого как наиболее надёжный материал. Данные испытания вынуждены были прервать задолго до полного трещинообразования образцов, в связи с завершением цикла работы машины (максимальное раскрытие пластин). Более того, испытания показывают с очевидностью, что эффективность метода непосредственно связана с толщиной мембраны (рис.4), и подтверждают целесообразность мер, предпринятых для полного сохранения данной толщины мембраны на участке строительства. Рис. 3 - Результаты испытания на усадку-изгиб: 1- отражение трещины (мм); 2 - время (мин); 3 - слой асфальтобетона толщиной 6 см; 4 - слой песчаного асфальтобетона толщиной 2 см + слой асфальтобетона толщиной 6 см; 5 - комплекс РЬЕХГРЬА8Т Рис. 4 - Относительная эффективность мембраны Р1ех1р1а81 по сравнению с песчаным асфальтобетоном: 1 - коэффициент эффективности (К *); 2 - толщина мембраны (мм) 'R время отражения трещины при применении комплекса Flexiplast: время отражения трещины при применении песчаного асфальтобетона Испытание на усадку при очень низкой температуре Дорожным исследовательским центром г . Брюсселя разработано испытание для комплексов, препятствующих трещинообразованию, путём моделирования тепловой усадки укреплённых оснований дорожных одежд. Данное испытание было проведено при - 10 °С. Образец, устроенный из комплекса, препятствующего трещинообразованию, и слоя износа, подвергали циклам раскрытия и закрытия шва величиной 4 мм, соединяющего две бетонные плитки основания. Скорость раскрытия шва составляет 0,9 мм/ч. Циклы проводят до разрушения слоя износа или отслоения материалов на поверхности контакта. Данное испытание, помимо прочего, позволило выделить два вяжущих с модифицированным битумом одинаковой природы, отличающихся степенью модификации, при испытании которых при 5 °С в региональной лаборатории г. Отен, были получены очень похожие результаты. В таблице 3 приведены данные, касающиеся числа циклов испытания, приводящих к разрушению слоя износа, устроенного из асфальтобетона толщиной 7 см. Полученные результаты сопоставляются с результатами испытаний контрольного образца, устроенного без комплекса, препятствующего трещинообразованию. При - 10 °С только значительно модифицированное вяжущее обеспечивает функцию разъединения, вяжущее 2 ( 6 % стироль бутадиен стирола) становится очень жёстким. Поведение данного образца близко к поведению контрольного образца. Отмечается, что данное различие в поведении при - 10 °С можно объяснить совершенно различными свойствами при одноосном растяжении (рис. 5). Таблица 3 Испытание на тепловую усадку, влияние степени модификации вяжущего Образец Контрольный образец Вяжущее 1 7,5 % стирол бутадиен стирола Вяжущее 2 6 % стирол бутадиен стирола Число циклов до 3 19 4 разрушения 11 Рис. 5 - Кривая напряжение-деформация. Испытание на одноосное растяжение вяжущих, предлагаемых для устройства мембраны: 1 - растяжение (Мпа); 2 -удлинение (%); 3 - вяжущее 1, - 10 °С, 100 мм/мин; 4 вяжущее 1, - 10 °С, 10 мм/мин; 5 - вяжущее 2, - 10 °С, 100 мм/мин Испытание на отрыв Хорошее функционирование комплекса, препятствующего трещинообразованию, основанное на механическом разъединении слоев благодаря упругости связывающего материала, обуславливает качественное сцепление различных слоев между собой во избежание преждевременной усталости и возможно явления отслаивания покрытия. Сцепление исследуется в ходе испытания на отрыв в вертикальном плане слоев дорожной одежды. Испытываемый образец устроен из асфальтобетонного основания, мембраны, защитного слоя мембраны и слоя износа толщиной 6 см (рис.6). Квадратные плитки с размером стороны 5 см, разъединены путём распиливания до основания до начала испытания на растяжение со скоростью смещения 1,65 мм/мин. В таблице 4 представлены полученные результаты, характеризующие высокую степень сцепления различных слоев, поскольку никакого разрушения не было отмечено, несмотря на создаваемые значительные деформации или напряжения. 12 Рис. 6 - Схема испытания на отрыв Таблица 4 Результаты испытания на отрыв Температура испытания Максимальное напряжение (МПа) Наблюдение -10°С 10 °С 20 °С >2,0 0,32 0,16 Нет разрушения (1) Нет разрушения Нет разрушения (2) (2) (1) Максимальное возможное усилие, создаваемое машиной, достигнуто (2Мпа) (2) Максимальное возможное перемещение, создаваемое машиной, достигнуто (6 мм) Испытание на колееобразование Предыдущие испытания, которые характеризуют эффективность комплекса, препятствующего трещинообразованию при низкой температуре, были завершены испытанием на колееобразование при максимальной температуре функционирования. Такая температура при наличии покрывающего асфальтобетонного слоя толщиной 4 см близка к 45 °С. Данная величина выбрана как контрольная температура для испытаний на колееобразование при помощи оборудования LСРС (Центральная лаборатория мостов и дорог Франции). Испытываемый образец устроен из основания из смеси без колеебразования, из исследуемого комплекса и слоя асфальтобетона на основе чистого битума. В результате данного испытания пришли к следующему заключению: • при изучении свойств материала: • к необходимости ограничения толщины мембраны до 3 мм; • к целесообразности использования в качестве защитного материала литой холодной асфальтобетонной смеси, приготовленной на основе минерального заполнителя из скальной породы, эмульсии на основе модифицированного вяжущего и волокна; • при определении области применения: • к необходимости моделирования толщины покрывающего асфальтобетонного слоя в зависимости от интенсивности движения и геометрических характеристик трассы дороги. Испытание на герметичность Образцы, верхний слой которых растрескался в ходе испытаний на усадку-изгиб, были изучены в ходе испытания на герметичность под воздействием водяной струи шириной 40 см в течение нескольких недель. Это испытание показало, что герметичность сохранилась, и таким образом не произошло разрушение мембраны, несмотря на появление трещины на поверхности. Расчёт мембраны Flexiplast и её покрывающего слоя Мембрана Р1ех1р1аst ® Средняя толщина мембраны составляет от 1,5 до 3 мм, которой соответствует дозировка вяжущего Еlastoplast: в количестве от 1,5 до 3 кг/м2. Определение величины толщины зависит от многих параметров: • плотности трещинообразования; • типа трещинообразования и минералогического типа трещиноватого материала, связанных с максимальным раскрытием трещин; • климатическими условиями региона, в котором расположено сооружение (экстремальные зимние температуры, перепад летних и зимних температур); • макротекстуры основания, которая может обусловить увеличение средней дозировки. Средняя толщина слоя смеси Gripfibre изменяется от 7 до 10 мм в зависимости от выбранной грунулометрии 0-4 или 0-6 мм. Покрывающий асфальтобетонный слой Асфальтобетонный слой, покрывающий мембрану Flexiplast ® должен быть адаптирован к нагрузкам, связанным с интенсивностью движения, для защиты мембраны и, в особенности, должен обладать устойчивостью к этим нагрузкам. Содержание трещиноватых дорожных одежд При выполнении работ по содержанию дорожных одежд, кроме бетонных оснований, следует изменять толщину покрывающего асфальтобетонного слоя в зависимости от интенсивности движения и геометрии трассы, которая может способствовать значительному увеличению усилия сдвига, например, в случае участков дорог на кривых небольшого радиуса (табл.5). Предупреждение повреждений новых дорожных одежд В случае новой дорожной одежды представленный комплекс, предупреждающий трещинообразование, может быть интегрирован в дорожную конструкцию с момента строительства для замедления отражения усадочных трещин оснований, обработанных гидравлическим вяжущим, без необходимости расчёта слоя износа с запасом. Укладка Распределение модифицированного битума осуществляется на чистое и сухое основание (фото 3). Затем сразу производят укладку смеси Gripfibre, без распределения щебня на мембране, т.к. все оборудование фирмы для укладки литой холодной асфальтобетонной смеси (ЕСF) оснащено устройствами на пневмоколёсном ходу для распределения воды с целью предупреждения прилипания к мембране. Таблица 5 Изменение толщины слоя износа в зависимости от интенсивности движения и типа сооружения Тип сооружения Содержание дорожных одежд (1) Новые дорожные одежды (2) Устройство сверхтонкого слоя или слоя из материала Gripfibre Устройство слоя асфальтобетона толщиной от 3 до 4 см Устройство слоя асфальтобетона толщиной от 4 до 6 см Устройство слоя асфальтобетона толщиной от 3 до 4 см Устройство слоя асфальтобетона толщиной от 4 до 6 см Устройство слоя асфальтобетона толщиной от 6 до 8 см Интенсивность движения Невысокая интенсивность движения: < Т2 Средняя интенсивность движения: Т1 Высокая интенсивность движения: Т0 (1) При проведении работ по содержанию рекомендуется устраивать слои износа толщиной от 4 до 6 см, независимо от интенсивности движения в случае особых зон, подвергаемых значительному воздействию (а именно, в городской зоне или на участке дороги с извилистой трассой). (2) В случае новых дорожных одежд, рекомендуется, с одной сторон, увеличит толщину основания для сохранения уровня напряжения в наиболее напряженном слое, и, с другой стороны, укладывать мембрану на защитный слой из литой холодной асфальтобетонной смеси. Итог наблюдений спустя шести лет С 1990 г. было построено около 60 участков дорог площадью более 1,4 млн. м2. Один участок из трёх представляет собой дорожную одежду из цементобетона, устроенную из традиционных плит, или из бетона с непрерывным армированием (ВАС). Большая часть работ была выполнена в рамках программы мер по содержанию конструкций дорожных одежд из материалов, обработанных гидравлическим вяжущим (МТLH). Как правило, Flexiplast ® применяли для обработки дорожных одежд дорог, характеризующихся от высокой до очень высокой интенсивностью движения (1) : 75 % участков дорог, характеризующихся интенсивностью движения Т1 или более и 35 % - ТО или ТS. В основном, толщина покрывающего асфальтобетонного слоя невысокая. В большинстве случаев речь идёт о тонком слое асфальтобетона с чистым битумом толщиной 4 см.. На некоторых участках с учётом преимущества герметичности, обеспечиваемой мембраной, непосредственно на слой Flexiplast ® были уложены дренирующие асфальтобетонные смеси. Один участок из пяти был предметом обследования комиссии SЕТRА или LСРС с целью оценки эффективности метода Flexiplast ®. Способ оценки заключался в определении состояния трещинообразования каждого из контрольных участков после каждой зимы и в сравнении с первоначальным состоянием, зафиксированным до проведения работ. Степень трещинообразования каждого участка характеризуется процентом отраженных трещин. Каждая поперечная трещина оценивается коэффициентом, учитывающим длину трещины (простои разлом или полностью трещиноватая полоса дороги) и тип (характер) трещинообразования (линия, раздвоенная трещина, распространённая трещина и т.д.). Полученные таким образом кривые располагаются достаточно близко к друг другу (рис. 7), за исключением двух кривых, которые соответствуют особым участкам. В действительности, дозировка материала мембраны не была оптимизирована для обеспечения высокой шероховатости поверхностной обработки основания и, следовательно для сохранения эффективной толщины мембраны. Рис. 7 - Наблюдение за развитием трещинообразования на различных участках дорог: 1 - отражённые трещины; 2- число зим Изучение образца, взятого с участков дорог в номинальных условиях, показывает, что первые кривые, характеризующие изменения, можно построить, начиная с пятой зимы. Наиболее старые четыре участка, которые эксплуатировались в течение шести зим, из которых последняя зима была относительно суровой, характеризуются отражением трещин в количестве от 3 до 20 %. Статистическая обработка результатов по данным десяти участкам позволяет построить среднюю кривую (рис. 8), которая достаточно ровная для проверки по ней нормального закона среднего показателя, равного 8 годам и со стандартным отклонением в два года. Эта кривая характеризует эффективность комплекса Flexiplast ®, использованного в сочетании со слоем асфальтобетона толщиной 4 см для содержания дорожных одежд из МТLН, со значительным трещинообразованием и подвергаемых воздействию высокой интенсивности движения (Т1 и ТО). Данная кривая показывает, что все первые трещины появляются после 4 лет эксплуатации и что должно пройти 6 лет, чтобы одна из десяти трещин вновь отразилась на поверхности. Рис. 8 - Наблюдение за развитием трещинообразования: средняя кривая: 1- отражение трещин (%); 2 - число зим; 3 - характеристические точки материала Flexiplast ®; 4- нормальный закон (средний показатель - 8 лет; стандартное отклонение - 2 года) Заключение По истечении 6 лет получены положительные результаты работ с использованием Flexiplast ®, подтверждающие потенциальные возможности, установленные в ходе испытания на усадку-изгиб в Региональной лаборатории мостов и дорог г. Отен и подкреплённые результатами испытаний при очень низких температурах в Центре дорожных исследований г. Брюсселя. К настоящему времени использованием материала Flexiplast ®, уложенного на площади более 1 350 000 м 2, охвачен широкий спектр работ, от предупреждения трещинообразования в ходе строительства дорожных одежд из МТLН до содержания жестких цементобетонных дорожных одежд, полужестких дорожных одежд из МТLh. В последнем случае наблюдение за десятком участков дорог позволило выявить, что применение материала Flexiplast ® позволяет избежать выполнения работ по содержанию, исключительно обусловленных не слишком быстрым и достаточно систематическим отражением первоначальных трещин. Таким образом, благодаря применению данного метода предупреждения трещинообразования можно, для данного типа дорожных одежд, выполнять работы по содержанию, близкие к работам по содержанию конструкций из асфальтобетонных материалов, обоснованным только критериями износа верхнего слоя покрытия и усталостью слоев основания. Метод Flexiplast ® запатентован и является предметом спецификаций. Он показал свою эффективность в лаборатории, но особенно. на месте строительства и в настоящее время представляет собой проверенный метод для борьбы с отражением трещин.
