Источник: E&E Congress 2016 | 6th Eurasphalt & Eurobitume Congress | 1-3 June 2016 | Prague, Czech Republic
1. Введение
Из литературных источников давно известна идея проектирования «вечной дорожной одежды» с верхним анти-усталостным слоем основания (например, Newcomb and all, 2000). Тем не менее, применение этих принципов в строительной практике все ещё носит случайный (точнее эпизодический) характер. Принцип работы таких дорожных конструкций показан на рис. 1. Термин «вечное покрытие» применим к дорожным одеждам, которые кроме восстановления слоя износа не потребуют ремонта в течение как минимум 50-ти лет эксплуатации. Для этого следует создать конструкцию с высоким сопротивлением растягивающим напряжениям в основание связанных слоёв дорожной одежды, т.е. так называемый слой сопротивления усталостным деформациям. Это минимизирует риск развития усталостного растрескивания в основании покрытия, которое является одной из основных причин его разрушения. Далее следует спроектировать верхний слой дорожного покрытия (зона высокого давления/ сжатия и усилий сдвига) с высоким сопротивлением деформациям и устойчивостью к низкотемпературному растрескиванию. Это позволит свести к минимуму колеобразование и риск растрескивания покрытий под воздействием низких температур зимнего периода.
В Польше первое «вечное асфальтовое покрытие» по концепции a/m idea спроектировали специалисты концерна STRABAG. В 2014- 2015 году Главное управление по делам национальных дорог и магистралей Польши (GDDKiA) при инспекционном контроле специалистами ECM Group реализовало этот проект на участке протяжённостью 12,4 км скоростной автомагистрали S8 между городами Opacz и Paszków.
2. Краткая история первого «вечного покрытия» в Польше
2.1 Результаты испытания на симуляторе тяжёлых осевых нагрузок
В 2008 году в г. Pruszków (пригород Варшавы) Польским научно-исследовательским институтом дорог и мостов (IBDiM) в рамках проекта SPENS (Sustainable Pavements for European New Member States, реализуемого для соблюдения экологических требований и норм дорожных покрытия в странах-новых членов ЕС) создан испытательный полигон, где с помощью симулятора высоких осевых нагрузок (Heavy Vehicle Simulator) Шведского научно-исследовательского института автомобильных дорог и транспорта (VTI), стали проводится ускоренные испытания различных типов дорожных покрытий (см. Рисунок 2). Концерн Strabag представил для испытаний 4 типа дорожных покрытий, с установленными в них датчиками деформации и напряжения. Основная цель этой программы заключалась в подтверждении преимуществ использования асфальтобетонных с высоким модулем жёсткости (далее AC WMS - польская аббревиатура по стандарту WT-2 2014). Асфальтобетонные смеси типа AC WMS экспериментально использовались на сети автомобильных дорог Польши с 2004 года. Сначала в качестве подстилающего нижнего слоя, а затем и в качестве промежуточного (верхнего) слоя нежёстких асфальтобетонных покрытий. Высокий модуль жёсткости (согласно п. 8.2.4. стандарта WT-2 2014 для марок AC WMS 16 / 22 W 20/30 средний показатель жёсткости смеси должен быть более 14.000 МПа (точнее 11 000 ÷17 000 МПа) при нагружении в четырёх точках (4PB-PR) при 10 ºC и частоте 10 Гц, по PN-EN 12697-26 ) должен был быть достигнут, главным образом, за счёт использования более твёрдого, чем обычно битума марки 20/30 по пенетрации (температура хрупкости по Фраасу - не выше - 5 С0). Относительно высокое сопротивление усталостному трещинообразованию. Этой смеси (требуемое усталостное сопротивление ε6 – не менее 130 мкм/м при том же нагружении на четырёх точках опоры (4PB-PR) при 10 ºC и 10 Гц по PN-EN 12697-24) достигается за счёт низкого содержания воздушных пустот (около 4 %) и относительно высокого содержания вяжущего (около 5 %) в смеси.
Было много сомнений относительно риска низкотемпературного растрескивания при применении столь неэластичного и жесткого битума (20/30) в климатических условиях Польши. Максимальный размер зёрен минерального наполнителя смеси AC WMS составил 16 мм. Состав смеси подбирался на основе французского опыты работы с так называемыми смесями с высоким модулем жёсткости EME (на французском языке: enrobé à module élevé), с учётом требований польских национальных стандартов и условий применения. Испытания смесей на жёсткость и усталость проводились по стандартной методике PN-EN 12697-26 сопротивления на изгиб призматических образцов с приложением сосредоточенной нагрузки в четырёх точках (4PB-PR), при температуре 10 ºC и частоте приложения нагрузки 10 Гц. Одно из четырёх протестированных покрытий вышеупомянутой исследовательской программы, а именно секции D, соответствовала концепции «вечной дорожной одежды» за счёт использования основания слоя с высокой прочностью при динамическом нагружении. Однако самый большой инженерный вопрос при проектировании «вечного дорожного покрытия» заключался в том, по какому критерию определить лучший материал (тип асфальтобетонной смеси, гранулометрия, остаточная пористость, марка вяжущего, и т.д.) и какова оптимальная толщина трещино-стойкого слоя основания.
В целях обеспечения высоких показателей устойчивости такого слоя к усталостным деформациям, в этом проекте использовали асфальтобетонные смеси с чётким фракционированием минерального наполнителя и с относительно высоким содержанием полимер-модифицированного битума марки PMB Orbiton DE 80 C с понижающей вязкость добавкой Sasobit.
Результаты ускорительных испытаний методом HVS (рис. 3) показали, что дорожное покрытие с высокомодульным асфальтобетоном в слое основания AC WMS (секция A) дает значительно лучший срок службы при усталостных нагрузках по сравнению с покрытием с традиционным асфальтобетоном в слое основания (секция B). Тем не менее, лучшие показатели стойкости к усталостным деформациям оказались у покрытия со слоем повышенной усталостной прочности (anti-fatigue (AF) в нижней части асфальтобетонного покрытия, с высоким содержанием высокополимерного модифицированного вяжущего. «Вечное покрытия» (секция D) показала более высокий прогиб на поверхности дорожного покрытия, а также деформацию в нижней части слоя асфальта по сравнению с покрытием секции A. Однако усталостные повреждения «вечного покрытия» и накопление под нагрузкой внутренних усталостных напряжений увеличивались очень медленно и оставались практически без изменений. Таким образом, материал в основании покрытия секции D значительно улучшил усталостную долговечность дорожного покрытия.
2.2 Опыт работы с асфальтобетоном с высоким модулем жесткости
За последние 15 лет в практике дорожного строительства Польши было внедрено и применено множество инновационных технологий. Одной из таких технологий было использование покрытий с высоким модулем жёсткости (EME), основанного на французском опыте, и его адаптации к польским условиям, так называемый асфальтобетон с высоким модулем жёсткости марки AC WMS. В 2004 был построен первый участок автомагистрали со слоем основания AC WMS с битумом 20/30. За период с 2008 по 2011 год с таким типом покрытий было спроектировано и построено большое количество участков на скоростных дорогах и автомагистралях Польши, где в качестве подстилающего слоя применяли смесь AC WMS с битумом 20/30 либо ПБВ марки 25/55-60. Однако во время холодной зимы 2012, произошло массовое низко-температурное растрескивание покрытий этих участков (рис. 4) в виде поперечных трещин, преимущественно в зоне рабочих стыков, а местами и между ними. Большая часть растрескавшегося дорожного покрытия была спроектирована и построена с использованием битума марки 20/30 без укладки слоя износа. В результате, весь процесс внедрения этого типа смесей пришлось пересмотреть, и в настоящее время для таких покрытий разрешено использовать только полимер-битумные вяжущие (ПБВ). Однако в некоторых "тёплых" частях Польши все ещё разрешено использовать битумы 20/30, но с повышенными требованиями. Таким образом, качество вяжущего играет наиболее важную роль в обеспечения долговечности покрытий с высокими модулями жёсткости.
2.3 Лабораторные испытания
Для поиска оптимального проектного решения долговечных нежёстких дорожных одежд с высоким модулем жёсткости для климатических условий Польши в период 2012 – 2013 гг лаборатория компании TPA на испытательном полигоне в Pruszków выполнила обширную программу тестирования дорожных покрытий для оценки функциональных свойств асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием различных доступных вяжущих материалов. Среди прочего, было подтверждено, что использование наиболее доступного на польском рынке битума марки 20/30, весьма рискованно и только применение полимер-модифицированных вяжущих может обеспечить достаточную трещиностойкость покрытий. Кроме того, сопоставительный анализ результатов различных сочетаний материалов и толщин слоёв дорожного покрытия, показал, что применение более жёсткого материала в верхнем слое асфальтобетонного покрытия (слой износа на битуме 23/30) и более гибкого материала в нижней части слоёв асфальтобетонных покрытий (на ПБВ) обеспечивает самый высокий расчётный срок службы дорожного покрытия. Основной вывод анализа результатов выполненных испытаний заключался в том, что для достижения максимально длительного срока жизни дорожного покрытия, асфальтобетонные смеси в нижней части дорожного покрытия должны быть более гибкими и более устойчивыми к усталостным деформациям, как слой основания. Это фактически подтвердило и идею вечного асфальтового покрытия со слоем повышенной трещиностойкостью у основания. Замена нижней части асфальтобетонного основания с высоким модулем жёсткости на смесь с более высокой усталостной прочностью, не обязательно жёсткой, приводит к улучшению усталостной долговечности дорожного покрытия.
3. Проектирование дорожного покрытия для скоростной автомагистрали S8
Одним из наиболее загруженных участков автодорог Польши является южный подход к Варшаве, объединяющей потоки от двух больших городов (Краков и Вроцлав). Интенсивность движения здесь составляет около 100.000 автомобилей в сутки. На участке S8 Opacz-Paszków общей протяжённостью 12,4 км это направление пришлось реконструировать и строить несколько новых скоростных полос движения. Главное управление по делам национальных дорог и магистралей Польши (GDDKiA), проводящее тендерные торги по проекту реконструкции этой скоростной автомагистрали на условиях контракта “Проектирование и строительство", предоставило подрядчику возможность в рамках этапа “Оптимизация стоимости”, рассмотреть альтернативные варианты проектных технических решений и реализовать первый проект строительства с устройством «вечного асфальтобетонного покрытия» с устройством слоя, повышающего динамическую прочность конструкции. Процесс проектирования начался в 2013 году. Процесс согласования изменения конструкции дорожного покрытия занял не один год. В общей сложности на выполнения контракта строительства ушло два года.
3.1 Проектные решения и материалы для конкретных элементов конструкции
Первоначальным преложением заказчика для проектирования дорожного покрытия по проекту S8 Opacz-Paszkow была традиционная конструкция нежесткой дорожной одежды с общей толщиной связанных слоев асфальтобетона 31 см, слоем износа из ЩМА на верхней части покрытия, устроенного на крупно-щебенистом основание из несвязанных материалов, с размером щебня 20 см в нижнем слое. Эта структура была рассчитана как минимальный срок эксплуатации на 20 лет, с эксплуатационным ресурсом 31,7 млн. приложений расчётной осевой нагрузки 100 кН. В качестве альтернативы рассматривался вариант покрытия по концепции «вечного асфальтобетонного покрытия» со сроком эксплуатации 50 лет и ресурсом 95,0 миллионов приложений расчётной осевой нагрузки 100 кН.
Благодаря своим прочностным свойствам, самым популярным слоем износа в Польше и, вероятно, во всей Европе является щебёночно-мастичный асфальтобетон (SMA). Литой асфальтобетон (МА) обладает большей долговечностью, но не так популярен из-за более высокой стоимости. В связи с этим для проекта выбрали слой износа из SMA 8 на PMB 45/80-55 толщиной 3 сантиметра. Анализ затрат выполнялся на основе национального опыта эксплуатации подобных покрытий, и предполагал вероятность выполнения первого ремонта только через 10 лет эксплуатации.
Поскольку подстилающий (или промежуточный) слой «вечного асфальтобетонного покрытия» должен быть достаточно жёстким, устойчивым к деформации, обладать хорошей усталостной прочностью и хорошей стойкости к образованию колеи, в качестве проектного решения выбрали асфальтобетон с высоким модулем жёсткости марки AC WMS 16 на ПБВ 25/55-60. Требования к жёсткости и усталостной прочности этой смеси были описаны выше. Спецификация смеси AC WMS рассчитана на максимальную относительную глубину колеи в 7,5 % при 60 С° и нагружении тяжёлыми колёсными устройствами . Кроме того, на основе национального опыта прошлых лет, в целях минимизации риска низкотемпературного растрескивания устойчивость подстилающего слоя предложили повысить за счёт использованием полимер-модифицированного вяжущего марки PMB 25/55-60. Результаты испытаний этой марки вяжущего на установке TSRST (Установка для низкотемпературных испытаний) показали её достаточную для климатических условий проекта устойчивость к низкотемпературному растрескиванию (температура хрупкости по Фраасу ниже - 25 ° С). По результатам расчёта проектной усталостной долговечности покрытия, оптимальная толщина слоя составила 15 см. Подбор смеси с высокой стойкостью к усталостным деформациям и малой гибкостью для нижнего слоя покрытия, так называемый анти-усталостный слой, оказался самым важным и сложным решением. Как уже было сказано выше это самая большая инженерная проблема проектирования «вечного покрытия».
3.2. Слой повышенной стойкости к усталостным деформациям и проектирование конструкции дорожной одежды
Смесь слоя с повышенной стойкости к усталостным деформациям «вечных асфальтобетонных покрытий» должна быть долговечной, с высокой прочностью и достаточной эластичностью (не обязательно высокой). Его толщина должна быть адекватной структурной функциональности, например, для надёжного противодействие локальным растягивающим напряжениям нижнего слоя дорожного покрытия. Исходя из принципа предельной выносливости (например, Newcomb and all, 2000), необходимо обеспечить максимально возможные деформации растяжения (как следствие разрывных напряжений) на нижней границе подстилающего слоя асфальтобетона на уровне менее 70 мкм/м, но другие источники доказывают, что этот норматив может быть и выше для материалов с лучшими показателями сопротивления усталостным деформациям.
Из литературных источников прошлых лет известно множество примеров применения разнообразных асфальтобетонных смесей для устройства нижних слоёв дорожных покрытий . Отсюда следует простое решение: необходимо изучить и проанализировать публикации по этому вопросу и найти наилучший пример практического применения. Цель состоит в том, чтобы найти оптимум между долговечностью материала, уровнем качества покрытия и стоимостью. Высококачественные вяжущие должны использоваться для обеспечения долговечности слоя и повышения его устойчивости к усталостным деформациям. Эти вяжущие должны давать обладать высокой устойчивостью к растрескиванию, высокой гидрофобностью и адгезией.
Для целей своего проекта авторы искали оптимальное решение между технологической реализуемостью и экономической рентабельностью. Обычно выбор смеси выполняется на основе оптимизации ряда параметров (воздушные пустоты и содержание связующего компонента ), толщины слоя (с точки зрения механики и технологических возможностей) и качества вяжущего. Авторами проанализировано множество вариантов, в том числе литой асфальтобетон , щебёночно-мастичная смесь , мелкозернистый асфальтобетоны с различной максимальной крупностью и плотностью минерального заполнителя. В результате сравнительного анализа для слоя с повышенной усталостной прочности (далее - AF) выбрали смесь горячего плотного асфальтобетона с непрерывной гранулометрией (далее - АС) и максимальным размером зёрен минерального наполнителя 16 мм, на специальном полимер-модифицированном вяжущем Polygum 45/55-70, обеспечивающая самую высокую усталостную прочность смеси. Расчётная толщина слоя составила 8 см, что обеспечивало анти-усталостные свойства слоя путём компенсации всех растягивающих напряжений.
На рисунке 5 (ниже) приведены результаты усталостных испытаний смеси типа AC 16 для AF с различными вяжущими. Выдающиеся результаты показало наличие специально модифицированного вяжущего (руководствуясь модификацией с предварительно отобранной битумной смесью) ПМБ Polygum 45/80-70 (далее - SM), с глубиной пенетрации около 70, КИШ более 80 ºC, и температурой хрупкости менее -20 ºC. Смесь с этим вяжущим показала отличную устойчивость к усталостным нагрузкам по сравнению с другими вяжущими, даже лучше, чем сильно модифицированные вяжущие (на рис.5 обозначены как HM), которые показывают в лабораторных условиях обычно самые высокие результаты.
На рисунке 6 показано сравнение долговечности трёх различных конструкций дорожного покрытия, выбранных для применения на скоростной автомагистрали S8. Отсюда следует, что за счёт улучшения качества вяжущего и смеси, толщина слоёв асфальтобетона может быть уменьшена, а долговечность значительно возрастёт.
В сравнении с традиционными технологиями устройства покрытий на основе битумов марки 35/50 или 50/70, конструкция дорожной одежды с уменьшенным на 5 см верхним слоем покрытия из высокомодульного асфальтобетона AC WMS 16 на ПБВ марки PMB 25 / 55-60 ( с лучшей устойчивостью к низкотемпературному растрескиванию) и укладкой под ним дополнительного слоя толщиной 5 см с улучшенной стойкостью к усталостным деформациям, позволяет на те же 5 см уменьшить общую толщину связанных слоёв и одновременно значительно повысить усталостную прочность дорожного покрытия. Кроме того, вполне очевидно, что замена в нижнем (подстилающем) слое покрытия асфальтобетонной смеси с высоким модулем жёсткости на более упругую смесь (безусловно, с большим не менее чем на половину модулем жёсткости), но с более высокой усталостной прочностью (примерно в два раза выше, чем у верхнего слоя покрытия), приводит к значительному продлению срока службы дорожной одежды, что фактически и обеспечило создание «вечного покрытия» для этого конкретного проекта.
Поскольку критерии усталости оцениваются не только по модулю жёсткости и сопротивлению определённым усталостным деформациям, но должны учитывать и наклон кривой накопления усталости, что очень важно, проектирование дорожного покрытия для этого проекта выполнялось по французской методике с учётом результатов лабораторных испытаний различных материалов. Основные параметры смеси (жёсткость и усталость), используемой в методе проектирования оценивались по результатам испытаний на изгиб трапециевидных балочек образцов асфальтобетона по двухточечной схеме, как принято во Франции. Параллельно, в целях обеспечения качества для последующего строительства в Польше, все смеси были испытаны на изгиб и по четырёхточечной схеме.
На рис. 7 показана конструкция «вечного» асфальтобетонного покрытия с дополнительным слоем с повышенной динамической стойкостью, спроектированная для скоростной автомагистрали S8 в Польше в сравнении с первоначально запланированной стандартной конструкцией дорожного покрытия с крупнозернистой асфальтобетонной смесью.
Результаты сравнительного анализа стоимости жизненного цикла, а также итоги анализа выгод Инвестора, наглядно показали преимущественную доходность инвестиций в «вечное» дорожное покрытие по сравнению с традиционным покрытием. При этом, первая замена слоя износа должна произойти через 10 лет эксплуатации, и далее будет выполняться с той же периодичностью, а первая замена верхнего слоя покрытия толщиной 6 см потребуется только через 35 лет эксплуатации. Анализ затрат и выгод выполнялся в соответствии с рекомендациями Blue Book - Road Infrastructure (очевидно, это «Instructions of assessing the economic effectiveness of road and bridge construction projects» Инструкция по оценке экономической эффективности проектов дорожно-мостового строительства Минрегиона Польши). Общая сумма всех затрат и выгод по проекту была определена количественно и оценена в денежном эквиваленте. На рис. 8 представлена рассчитанная экономическая чистая приведённая стоимость для «вечного» и стандартного покрытий. Разница между стоимостью для обеих структур - это реальная прибыль инвестора, полученная в результате изменения структуры и равна 368 млн PLN (польский злотый, валюта). За счет применения «вечного» асфальтобетонного покрытия на этом участке дороги S8 общая первоначальная стоимость капитальных вложений в строительства увеличилась примерно на 2 %, однако, срок службы покрытия увеличился более чем в два раза.
Выводы:
«Вечные» покрытия, выдерживающие без значительного технического обслуживания и ремонта транспортные нагрузки в течение 50-ти лет, могут быть построены за счёт укладки в основание верхнего слоя покрытия дополнительного слоя с повышенной динамической прочностью достаточной толщины для обеспечения конструктивной функциональности в критической зоне растяжений в основании нижнего слоя дорожного покрытия. Для этого в проекте S8 в Польше был использовано специальное полимерно-модифицированное вяжущее с экстраординарными усталостными свойствами (ε6 более 340 мкм/м при 4PB-PR при 10 ºC и 10Hz). Расчетная толщина такого слоя из горячего плотного асфальтобетона с крупностью щебня 16 мм составила 8 см. Таким образом, было обеспечено экономически эффективное решение. Проектная толщина верхнего слоя покрытия, выполненного из жесткой и колееустойчивой смеси AC WMS 16 с высоким модулем жесткости (14.000 MN. mm-2 на 4PB-PR на 10 ºC и 10 Hz) на стандартном ПБВ марки PMB 25/55-60, составила 15 см. Общая толщина связанных слоев асфальтобетонного покрытия составила 26 см. Предполагается, что регулярно меняться и ремонтироваться будет только слой износа. В анализе стоимости жизненного цикла допускалось, что верхняя часть верхнего слоя покрытия потребует ремонта через 35 лет эксплуатации.
Таким образом установлено, что работоспособность конструкции дорожной одежды, устроенной только на вяжущих и слоях дорожной одежды с высоким модулем жёсткости, могут значительно улучшены за счёт укладки в основании верхнего слоя более гибкой смеси. Однако такая смесь должна обладать очень хорошим усталостным сопротивлением. По мнению авторов, этот результат должен быть примером и конечной целью всех органов управления дорожным хозяйством для дальнейшего применения «вечных покрытий» в целях создания экологически безопасных рассчитанных на долгосрочную перспективу социально-экономического развития и эксплуатацию объектов дорожно-транспортной инфраструктуры.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность генеральному директорату Главного управления по делам национальных автодорог и магистралей Польши (GDDKiA) за решение применить идею «вечного асфальтового покрытия» в реальном проекте на польской дорожной сети. Кроме того, спасибо правлению компании STRABAG SE за форсирование инновационных решений в области инфраструктуры и поддержку исследований программы, а также техническому университету Варшавы и научно-исследовательскому институту IBDiM за поддержку применения инновационной структуры дорожного покрытия и положительные отзывы, а также всем остальным участникам строительного процесса, которые способствовал реализации проекта.
Перевод: Могильный К.В., Бородин К.С., Курова Е.Д.
