Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий
Изобретение относится к строительству дорожных одежд для автомобильных дорог и аэродромных покрытий. Технический результат: снижение расхода цемента и удешевление строительства дорожной одежды, обеспечение безопасности движения транспорта. Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий включает призму из укрепленного грунта с дренирующей системой, размещенные на ней и изготовленные из дренирующего бетона основание и покрытие со слоем износа. Покрытие и основание выполнены из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного крупного заполнителя в виде щебня, при этом основание и покрытие выполнены двухслойными: нижний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 до 40 мм с толщиной, выбранной в пределах от 100 до 300 мм; верхний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм, которым также укрыты боковые поверхности нижнего слоя основания и грунтовой призмы слоем толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм; нижний слой покрытия выполнен из мелкого щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм с толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 100 мм; верхний слой покрытия - слой износа - выполнен из мелкозернистого бетона толщиной, выбранной в пределах от 5 мм до 20 мм. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
Предлагаемое изобретение относится к строительству дорожных одежд для автомобильных дорог и аэродромных покрытий и может быть использовано в дорожных конструкциях и покрытиях, к которым предъявляются требования обеспечения высокой безопасности движения транспортных средств путем эффективного дренирования воды и других жидкостей с поверхности дорожных одежд.
Известна дорожная одежда, включающая основание из плотно укатанных дренирующего слоя и слоя щебня из слабопрочного известняка или гравия, а также слой из крупнозернистого асфальтобетона и покрытие из асфальтобетона с расположенным на нем слоем поверхностной обработки из черного щебня-клинца крупностью до 10 мм (см., например, патент РФ №2332535, кл. Е01С 7/18, 2006 г.). Причем в качестве асфальтобетонной смеси покрытия используют битумокерамзитовую композицию толщиной 60 мм, а в качестве керамзитового заполнителя берут керамзитовый песок фракции 0,14-5,0 мм в количестве до 70% масс.
Такая конструкция дорожной одежды позволяет за счет использования в составе покрытия керамзитового заполнителя заметно снизить теплопроводность дорожной конструкции, ее плотность и массу, а также толщину покрытия.
Однако использование в конструктивных слоях дорожной одежды асфальтобетонных смесей не обеспечивает необходимой прочности дорожной одежды, ее долговечности и способности нести возрастающие нагрузки на дорожное полотно: на покрытиях дорог появляются колеи, такие покрытия быстро разрушаются. Кроме того, для отвода воды из-под асфальтобетонного покрытия в известном решении под асфальтобетонным слоем основания предусмотрен дренирующий слой. Однако этот слой в процессе монтажа дорожной конструкции подвергается укатке, что заметно снижает эффективность его использования и, как следствие, эффективность применения известного решения в целом.
В другом известном решении дорожная одежда включает песчаное основание, прослойку из нетканого пористого синтетического материала, размещенную на основании под швами расширения покрытия, и покрытие из сборных плит со швами расширения (см., например, патент РФ №2020197, кл. Е01С 5/00, 1990 г.). Для повышения устойчивости и прочности дорожной одежды в известной конструкции основание выполнено из округлого одномерного песка диаметром более 0,1 мм, а между покрытием и прослойкой из нетканого синтетического материала размещен дополнительный слой из одномерного округлого песка. Причем пустоты в этом слое песка и в нетканой прослойке, а также швы расширения заполнены герметизирующим упругим материалом, например, из битумных, битумно-резиновых и битумно-полимерных мастик, различных изолов, вследствие чего образуется упругодеформирующий материал, воспринимающий нагрузки от покрытия при упругих деформациях и распределяющий нагрузки на основание.
Однако заполнение пустот в основании и швах расширения упругодеформирующим материалом одновременно герметизирует слои известной дорожной одежды, что существенно снижает дренирующую способность основания, может привести к его морозному пучению и, таким образом, существенно снизить устойчивость дорожной одежды.
Наиболее близкой к предлагаемой и принятой за прототип является дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающая упрочненный грунт и изготовленные из пористого дренирующего цементобетона основание и покрытие (см., например, Ланге Ю.Г. Применение пористого (дренирующего) цементобетона при строительстве слоев дорожной одежды / Автомобильные дороги и мосты / Обзорная информация / ИНФОРМАВТОДОР, вып.6. - М., 2007. 88 с.).
В известной конструкции дорожной одежды верхний слой-покрытие, несущий функцию дорожного покрытия, и нижний слой-основание, выполняющий конструктивную и водопроницаемую функцию, изготовлены из пористого цементобетона. Для обеспечения комфорта и безопасности движения верхний слой может содержать слой усиления (износа) толщиной до 50 мм. Основные слои дорожной одежды в известной конструкции уложены на земляное полотно, которое примерно на глубину 150 мм укреплено цементом («укрепленный грунт») для предотвращения возможной эрозии от просачивающейся дождевой воды. Следует заметить, что в рассматриваемой конструкции предусмотрено последовательное (сверху вниз) снижение коэффициента водопроницаемости каждого слоя для обеспечения непрерывного испарения воды и поддержания таким образом функции ограничения так называемого «острова теплого воздуха» вдоль дороги. Для отвода дождевой воды и просачивания ее в окружающий грунт устраивается водопроницаемый желоб.
Верхний слой-покрытие в рассматриваемом типе конструкции дорожной одежды характеризуется достаточной ровностью, шероховатостью, водопроницаемостью и шумопоглощением, а нижний слой-основание - высокой несущей способностью. Однако для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик расход цемента при изготовлении известной конструкции достигает 300 кг/м3, что существенно удорожает известную конструкцию, заметно снижая эффективность ее применения.
Целью предлагаемого изобретения является снижение расхода цемента и удешевление строительства дорожной одежды, обеспечение безопасности движения транспорта.
Поставленная цель достигается тем, что в дорожной одежде для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающей призму из укрепленного грунта с дренирующей системой, размещенные на ней и изготовленные из дренирующего бетона основание и покрытие со слоем износа, покрытие и основание выполнены из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного крупного заполнителя в виде щебня, при этом основание и покрытие выполнены двухслойными:
- нижний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 до 40 мм с толщиной, выбранной в пределах от 100 до 300 мм;
- верхний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм, которым также укрыты боковые поверхности нижнего слоя основания и грунтовой призмы слоем толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм;
- нижний слой покрытия выполнен из мелкого щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм с толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 100 мм;
- верхний слой покрытия - слой износа - выполнен из мелкозернистого бетона толщиной, выбранной в пределах от 5 мм до 20 мм.
Кроме того, слой износа выполнен с равномерно распределенной по покрытию перфорацией на всю толщину в виде конических ямок круглой или многоугольной формы в основаниях с обратным трапециевидным вертикальным сечением, со средней шириной по нижнему основанию обратной трапеции от 5 мм до 10 мм и углом наклона бокового ребра трапециевидного сечения к вертикальной оси от 15° до 40° из расчета суммарной площади перфорации поверхности слоя износа от 5 до 20% площади покрытия.
За пределами указанных параметров изготовления предлагаемого дорожного покрытия поставленная цель не достигается.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что благодаря новой технологии - капсуляции плотного заполнителя - происходит интенсивное втирание и вдавливание цементного раствора в поверхность щебеночного заполнителя с образованием тонкой, но очень прочной оболочки - капсулы толщиной 0,1-0,5 мм. Контакт таких капсулированных частиц заполнителя позволяет получать монолитную структуру дренирующего бетона без заполнения пустот между зернами заполнителя, что, в свою очередь, обеспечивает получение цементобетона со значительной пустотностью (достигающей 30-50% объема) и высокой дренирующей способностью новых бетонов (фиг.1 и фиг.2), что значительно превышает аналогичную для известных дренирующих бетонов.
Кроме того, размещение на боковых поверхностях грунтовой призмы и нижнего слоя основания монолитного слоя дренирующего бетона того же состава, что и верхнее основание, и толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм (согласно предлагаемому решению призма и нижний слой основания «укрыты» слоем дренирующего бетона), предотвращает расползание призмы и конструктивных слоев дорожной одежды под действием возрастающих транспортных нагрузок на дорожное полотно, также повышая долговечность дорожной одежды и безопасность движения на дорогах.
Нижний слой покрытия, изготовленный из плотного мелкого щебня фракции от 2 мм до 10 мм, наносится на поверхность верхнего слоя основания с толщиной от 50 мм до 100 мм и имеет весьма шероховатую поверхность (фиг.3).
На поверхность нижнего слоя покрытия наносится слой износа толщиной от 5 мм до 20 мм. Применение разработанного слоя износа позволяет изолировать зерна щебня на поверхности покрытия от механического воздействия колес автотранспорта, предотвращает вырыв частиц щебня, а также снижает истираемость и износ покрытия, одновременно позволяя обеспечить высокую регулируемую шероховатость и значительную водопроницаемость покрытия.
Предлагаемая перфорация слоя износа значительно увеличивает сцепление поверхности шин автомобилей с полотном в связи с зацеплением выступами протекторов за углы конических круглых или многоугольных перфораций, величина которых колеблется к вертикальной оси от 15° до 40°, а суммарная площадь равномерно распределенных перфораций составляет от 5 до 20% поверхности покрытия. Кроме того, знакопеременные локальные воздействия на воду находящуюся в ямках, продавливают ее в дренирующий нижний слой покрытия и крупнопористый бетон основания, а в зимнее время разрушает частички льда в ямках, превращая их в крупку, улучшающую сцепление протектора автошин с покрытием.
Предлагаемая конструкция дорожной одежды для автомобильных дорог и аэродромных покрытий показана: на фиг.1 (фотография) - поперечное сечение уложенного нижнего слоя основания предлагаемой дорожной одежды; фиг.2 (фотография) - поверхность уложенного верхнего слоя основания этой дорожной одежды; фиг.3 (фотография) - поверхность уложенного нижнего слоя покрытия; фиг.4 - поперечный разрез (все слои) предлагаемой дорожной одежды; фиг.5 (фотография) - поперечное сечение верхнего слоя основания и нижнего слоя покрытия; фиг.6 - перфорированная поверхность дорожной одежды с нанесением, например, многоугольных пирамидальных «ямок»: а) общий вид, б) «ямка».
Дорожная одежда (фиг.4) содержит двухслойное покрытие, включающее верхний слой 1 - слой износа толщиной от 5 мм до 20 мм, изготовленный из мелкозернистого бетона, и нижний слой 2, изготовленный из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм. Покрытие уложено на основание дорожной одежды, выполненное так же, как и покрытие двухслойным и содержащее верхний слой 3 и нижний слой 4, изготовленные аналогично слою 2 покрытия из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня, причем верхний слой 3 содержит щебень фракций от 5 мм до 20 мм, а нижний слой 4 содержит щебень с размером зерен от 5 мм до 40 мм. Основание дорожной одежды смонтировано на призме 5 из грунта, а для отвода воды из основания в заявляемой конструкции предусмотрен дренаж 6. Для укрепления откосов призмы 5 и нижнего слоя 4 основания дорожной одежды боковые поверхности нижнего слоя 4 основания и призмы 5 до ее нижней части укрыты монолитным слоем 7 дренирующего бетона того же состава, что и верхний слой 3 основания, и толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм. При опасности заиливания основания дорожной одежды на верхней и боковых поверхностях призмы может быть уложена прослойка из геотекстильного полотна (геотекстильной сетки) 8, использование которого, по мнению зарубежных специалистов, является перспективным направлением совершенствования методов строительства аэродромов, автомобильных и железных дорог.
Строительство автомобильных дорог по предлагаемому изобретению может вестись согласно Инструкции ВСН 139-80 «Инструкция по строительству цементобетонных покрытий автомобильных дорог», предусматривающей соответствующую технику, оснастку и приспособления, а возведение аэродромных покрытий может осуществляться согласно технологиям, приведенным в монографии «Гражданские аэродромы», под ред. В.И. Иванова. - М.: «Воздушный транспорт». - 2010. - 280 с.
Дорожную одежду согласно предлагаемому техническому решению возводят следующим образом.
На призму 5 из грунта укладывают и закрепляют полотна геотекстиля 8 для предотвращения заиливания несущих слоев дорожной одежды и укрепления откосов призмы 5, после чего на призму укладывают двухслойное основание. Согласно заявляемому решению сначала изготавливают и укладывают нижний слой 4 основания из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 5 мм до 40 мм с последующим его твердением в течение 0,5-1-х суток в зависимости от температуры окружающей среды. Затем на боковых поверхностях призмы 5 до ее нижней части, а также на слое 4 укладывают верхний слой 3 основания, изготовленный, как и слой 4, из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм (фиг.5).
После отвердевания в течение 1-2-х суток (в зависимости от погодных условий) верхний слой 3 основания совместно со слоем 7 крупнопористого бетона на боковой части призмы 5 образуют монолитную структуру, укрывающую и, таким образом, изолирующую призму 5 от водной и ветровой эрозии, повышая ее общую устойчивость при воздействии многотоннажных транспортных нагрузок. Следует заметить, что в летнее время при температурах не ниже 10-12°С для твердения бетона достаточно одних суток, а в более холодное время оно может увеличиваться до 3-х суток, если не применяется теплозащита дорожной одежды. При температуре окружающей среды до -10°С возможно применение противоморозных добавок, например, нитрит - нитрат хлоридов кальция. Для отвода воды из дорожной одежды в нижнем слое 4 основания предусмотрен дренаж 6.
На уплотненное омоноличенное и затвердевшее основание дорожной одежды укладывают нижний слой 2 покрытия, изготовленный, как и основание, из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня фракций от 2 мм до 10 мм.
После выдержки в течение 5-6 часов на нижний слой 2 покрытия наносят слой износа 1 из мелкозернистого бетона толщиной от 5 мм до 20 мм, который разравнивают стальной рейкой и укрывают брезентом.
После выдержки в течение 1-3 часов схватившийся слой износа 1 из мелкозернистого бетона перфорируют на всю толщину с помощью специального вала с рельефным рисунком в виде конических выступов для нанесения конических, например, круглых ямок диаметром от 5 мм до 10 мм из расчета площади перфорации от 5 до 20% (фиг.6).
После нанесения перфорации поверхность покрытия обрабатывают пленкообразующим веществом, например раствором этилбутилцитата натрия.
Выдержка готового покрытия в течение 1-2 суток (в зависимости от температуры окружающей среды) позволяет ему приобрести 30-40% своей прочности, достаточной для открытия дорожного движения транспорта.
Сравнительные строительно-технические свойства и характеристики дренирующих бетонов по прототипу и предлагаемой дорожной одежде приведены в таблице.
Применение в верхнем высокопрочном слое покрытия заявляемой дорожной конструкции - слое износа - регулируемой перфорации на всю толщину в виде ямок оригинальной формы с суммарной площадью от 5 до 20% от площади покрытия обеспечивает необходимую шероховатость покрытия, повышает коэффициент трения поверхности колес автомобилей с полотном.
| Таблица | ||||
| Характеристики дорожных одежд | ||||
| Слой дорожной одежды | Расход цемента на 1 м3, кг | Открытая пористость, % по объему | Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа | Водопроницае- мость, м/с |
| Предлагаемая конструкция дорожной одежды | ||||
| Покрытие: | ||||
| - слой износа (из мелкозернистого бетона) | 450 | 12 | 40,2 | 1,0 |
| - нижний слой | 120 | 25 | 17,7 | 1,2 |
| Основание: | ||||
| - верхний слой | 105 | 27 | 14,7 | 1,4 |
| - нижний слой | 127 | 29 | 13,2 | 1,6 |
| Прототип | ||||
| Покрытие | 300 | 20 | 18,0 | 0,9 |
| Основание (верхний слой) | 200 | 15 | 12,0 | 0,001 |
Высокая дренирующая способность заявляемого дорожного покрытия позволяет решать проблему быстрого удаления воды с поверхности, делая его практически сухим и повышая, таким образом, безопасность движения в дождливую погоду.
Предлагаемая дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромов, содержащая дренирующие прочное износостойкое покрытие и основание из крупнопористого цементобетона на основе капсулированного щебеночного заполнителя, благодаря высокопористой структуре слоев покрытия и основания ускоряет отвод воды из дорожной одежды, обеспечивает хорошую дренирующую способность дорожной конструкции, повышает ее морозостойкость и долговечность, предохраняя от растрескивания и расслаивания в процессе замерзания и оттаивания.
1. Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающая призму из укрепленного грунта с дренирующей системой, размещенные на ней и изготовленные из дренирующего бетона основание и покрытие со слоем износа, отличающаяся тем, что покрытие и основание выполнены из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного крупного заполнителя в виде щебня, при этом основание и покрытие выполнены двухслойными:
- нижний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 40 мм толщиной, выбранной в пределах от 100 мм до 300 мм;
- верхний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм, которым также укрыты боковые поверхности нижнего слоя основания и грунтовой призмы слоем толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм;
- нижний слой покрытия выполнен из мелкого щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм с толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 100 мм;
- верхний слой покрытия - слой износа - выполнен из мелкозернистого бетона толщиной, выбранной в пределах от 5 мм до 20 мм.
2. Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий по п.1, отличающаяся тем, что слой износа выполнен с равномерно распределенной по покрытию перфорацией на всю толщину в виде конических ямок круглой или многоугольной формы в основаниях с обратным трапециевидным вертикальным сечением, со средней шириной по нижнему основанию обратной трапеции от 5 мм до 10 мм и углом наклона бокового ребра трапециевидного сечения к вертикальной оси от 15° до 40° из расчета суммарной площади перфорации поверхности слоя износа от 5 до 20% площади покрытия.
