Ровность покрытия автомобильной дороги – один из основных факторов безопасности движения. Но в процессе эксплуатации неизбежно появляется колея, препятствующая безопасному движению. В чем причина ее образования, как избежать ее появления,  можно ли управлять процессом колееобразования и не допускать его – об этом и многом другом мы поговорили с крупнейшим профессионалом в данной области, профессором Ростовского государственного строительного университета, председателем совета директоров ООО «Автодор-Инжиниринг» Сергеем Константиновичем Илиополовым.

– Сергей Константинович, в чем причина образования колеи на автомобильной дороге?

– Главная причина колейности объясняется процессами накопления остаточных деформаций в элементах дорожной конструкции, то есть в каждом слое дорожной одежды и в верхнем дорожном слое полотна. Это так называемая пластическая колея. Второй и основной причиной является износ верхнего слоя покрытия в результате совместного воздействия износа и преждевременного ненормированного разрушения слоя асфальтобетона под влиянием внешних факторов, к которым относятся наряду с воздействием колес осадки, перепады температур и солнечная радиация. Эта колея  разрушения и износа образуется только в верхнем, замыкающем слое дорожной одежды. И хорошо, что в выпущенные в прошлом году отраслевые нормативные документы в ОДН, регламентирующие срок восстановления или замены верхних слоев покрытия, равно как и в ГОСТ, который готовится, внесено понятие слоя износа. Поэтому корректнее сказать, что второй вид колеи образуется при преждевременном разрушении и износе слоя дорожной одежды, то есть верхнего слоя. В реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги  оба эти фактора действуют еще и совместно и в существенной степени влияют на безопасность движения. Но их необходимо разделять не только для того, чтобы понимать причины образования колейности, но и для того, чтобы знать, как с этой колейностью бороться.

– Можно ли уйти от пластической колеи вообще и решить этот вопрос нормативно?

– Уйти от пластической колеи совсем невозможно. Даже если учесть все действующие факторы, мы не сможем изменить существующую природу материала. Например, любой асфальтобетон по своей сути является упруго-вязким пластичным материалом, который имеет все основные проявления, свойственные этой категории материала: и усталость восприятия нагрузки, и перераспределение основного каркасного материала – щебня, который находится в составе асфальтобетона, поскольку основным элементом асфальтобетона является дисперсная структура асфальтовяжущая, придающая ему свойства упруго-вязкопластического тела. Это не упругое тело, он будет накапливать остаточные деформации по мере нагрузки. Разница состоит лишь в том, что упруго-пластические свойства и свойства накопления остаточной деформации асфальтобетона находятся в некоторой зависимости от температуры.

Хочу отметить абсолютное игнорирование физической природы асфальтобетона при расчете нежестких дорожных одежд, где каждое тело, берущееся в расчет, принимается как обладающее упругими свойствами, которое по своей сути таковым не является. Это исключает также остаточную деформацию после нагрузки. Как известно, при приложении нагрузки тело деформируется, а при снятии ее оно должно восстановиться до прежних размеров. Вот асфальтобетон при циклическом воздействии нагрузки, являясь упруго-вязкопластичным телом, не может восстанавливаться до тех же параметров, он восстановится, но чуть меньше. Эта разница и называется остаточной деформацией.

– Можно ли управлять процессом колееобразования на наших дорогах?

– При существующей нормативной базе нельзя. Асфальтобетоны, как и иные материалы, присутствующие в нежесткой дорожной одежде, как уже сказали, принимаются как жесткие, не являясь таковыми по сути.

– Есть ли выход в такой ситуации?

– Необходимо совершенствовать нормы проектирования нежестких дорожных одежд, вводя в расчет два дополнительных управляемых критерия: накопление расчета нежестких дорожных одежд на накопление остаточной деформации и образование усталостных трещин. Асфальтобетон в существующей нормативной базе рассматривается как материал, который может выдержать любое число нагрузки за расчетный период, закладывающийся в нормативах. Еще недавно, в зависимости от дорожно-климатической зоны и категории дороги, данный период был 18 лет, сегодня – 24 года. Это те межремонтные сроки, в течение которых предполагается, что абсолютно упругое тело, которым является асфальтобетон, должно работать без нарушения своей сплошности, точнее  без образования усталостных трещин. Это миф, который любому понятен. Если даже сталь, гораздо более твердое тело, имеет усталость, при наступлении которой происходит разрыв металла, то что говорить про асфальтобетон. В современной нормативной базе нет разницы, для какой дороги мы проектируем: с интенсивностью движения более 110 тысяч  автомобилей в сутки или  20 тысяч автомобилей в сутки. Понятно, что эффективность асфальтобетона в разных условиях будет различна. Срок службы дорожной одежды определяется категорией дороги и закладывающимися в расчет существующими нагрузками, но нигде не предъявляются требования к сопротивлению усталостного разрушения асфальтобетона, исходя из чего не рассчитывается срок службы либо при заданном сроке службы дорожной одежды не определяется и не рассчитывается период эксплуатации, после которого возникают усталостные разрушения, чтобы планировать ремонтные мероприятия. Вот именно с этой целью необходимо разрабатывать один из тех двух критериев, которые я назвал выше.

Если образование колейности – это очевидный факт, то трещины – тот коварный фактор, который не всегда бросается в глаза, но его влияние и необходимость учета при расчете иногда более значимы.

Первая причина. Асфальтобетон закладывается в расчет дорожной одежды с некими заданными физико-механическими свойствами, в первую очередь это модуль его упругости. И мы даже в обиходе всегда называем прочность некоего конструктивного элемента, состоящего из асфальтобетона, модулем упругости асфальтобетона. И в этом кроется еще один корень зла. Для дорожной одежды крайне важны параметры и прочность не материала, а слоя. Таким образом, на эксплуатационные характеристики даже нежесткой дорожной одежды первостепенное влияние оказывает модуль упругости слоя из асфальтобетонной смеси или асфальтобетона. Как только в этом слое образуются усталостные трещины, происходит нарушение сплошности. И при том же самом модуле упругости как материала получаем резкое снижение прочности, поскольку при разбивании на блоки принципиально меняется система распределения нагрузки, и все нижние слои будут испытывать гораздо большую нагрузку в зонах трещин. Казалось бы, элементарные вещи, но о них сегодня никто не говорит, они являются бичом наших автомобильных дорог.

Вторая причина. Получая усталостные трещины, мы получаем ненормативное состояние нежесткой дорожной одежды. В этих условиях расчетные схемы, заложенные в нормативах, уже не работают, а дорожная одежда должна работать дальше.

Для высоконагруженных автомагистралей с интенсивностью движения свыше 100 тысяч автомобилей четырьмя полосами, то есть дорог первой категории, а зачастую и второй категории, пакет асфальтобетонных слоев должен состоять, как правило, из трех слоев. И эти три слоя суммарно должны быть не меньше определенной толщины –  28 см. Кстати, в нормативной базе Российской Федерации не существует критерия, который бы определял рекомендуемую толщину асфальтобетонных слоев и от чего она зависит. Сегодня вы не найдете нигде ни одного поясняющего материала, который мог бы указать  на факторы, позволяющие определить минимальную толщину пакета асфальтобетонных слоев. Мы приближаемся к разработке этого нормативного документа, который позволит ответить на вопрос, почему пакет асфальтобетонных слоев не может быть меньше определенной величины. Определяется эта величина составом и интенсивностью движения и необходимостью поглощения данным пакетом высокочастотной части динамического спектра воздействия автомобиля. Этот критерий, на мой взгляд, очень важен. Самую высокочастотную энергоемкую часть спектра динамического воздействия автомобилей должен поглотить асфальтобетон, так как он, обладая определенной сплошностью, содержит в себе асфальтовое вяжущее, ту дисперсную часть, в которой как в вязком веществе поглощаются эти частоты воздействия автомобиля. Что такое частота? Это некое воздействие, определяемое длиной волны. Мы должны поглотить ту часть спектра динамического, длины волн которого  сопоставимы с толщиной пакета асфальтобетонных слоев. С уменьшением этой толщины существенная часть спектра опускается ниже, в те слои, которые данному энергетическому воздействию при длинных частотах сопротивляться не способны. А если еще дальше находится щебень, это будет означать существеннейшее превышение истирания материала и превращение его в каменную муку в течение 5–7 лет при сроке службы дорожной одежды 24 года. На эту тему тоже нет никаких рекомендаций, никаких критериев.

– Почему усталостные разрушения опаснее пластических?

– Учет усталостных разрушений и недопущение появления их очень важны. Усталостные трещины образуются на нижней грани последнего сверху слоя асфальтобетона в пакете асфальтобетонных слоев, поскольку именно эта грань испытывает максимальное растяжение. Следовательно, мы можем получить усталостные трещины на нижней грани последнего, третьего слоя. Процесс прорастания трещины вверх очень быстр. В течение полугода получим проросшую трещину, причем с каждым последующим слоем скорость ее образования будет выше, потому что все меньший массив асфальтобетона будет сопротивляться растягивающему напряжению, тем более концентратором напряжения всегда служили края. Таким образом, на поверхности покрытия появляются трещины, причем они могут быть и строго поперечные, и под углом, и продольные, и сетки трещин. Проблема даже не в том, что это создает дискомфорт при движении, при образовании сетки трещин быстро достигается фрагментация асфальтобетона верхнего слоя покрытия,  в образующуюся трещину будет проникать влага, а в том, что нарушается сплошность пакета асфальтобетонных слоев, которые при этом кардинально меняют свою распределяющую способность на нижние слои. И нижние слои основания начинают испытывать те напряжения, на которые они по своей физике не рассчитаны. В результате мы резко снижаем ресурс нижележащих слоев, рабочий ресурс которых существенно превышает и 20, и 30 лет. Мы этот ресурс просто уничтожаем. Поэтому усталостные разрушения с точки зрения долговечности нежестких дорожных одежд имеют принципиальное значение.

Выход из этого положения очень простой. Нельзя говорить о неких вещах и явлениях до той поры, пока ты не управляешь ими. Ни колееобразование, ни усталостные разрушения сегодня в Российской Федерации нигде нормативно не определены и никто не управляетданным процессом, потому что управлять им можно только тогда, когда ты умеешь его рассчитывать, знаешь законы его образования.

Таким образом, надо срочно разрабатывать два новых критерия. Первый – это  расчет нежестких дорожных одежд на их эксплуатационную долговечность, или надежность, что позволило бы рассчитывать накопления остаточных деформаций в виде образования поперечной неровности или пластической колейности в течение расчетного срока службы нежесткой дорожной одежды. Второй критерий – должен быть расчет нежестких дорожных одежд на накопление усталостных разрушений. До той поры, пока на стадии проектирования мы не будем получать два графика накопления остаточной деформации усталостных разрушений по годам жизненного цикла,  не будем не только управлять данными процессами, но не сможем даже осмысленно констатировать сам факт существования этих проблем.

 – Есть ли способ решения данных проблем? В каком направлении нужно двигаться?

– Государственная компания «Автодор» на протяжении последних пяти лет неоднократно заявляла на всех уровнях о том, что такие критерии необходимы. И более того, основные сложности при разработке данных критериев заключаются даже не в том, что мы должны признать несовершенство методов расчета дорожных одежд. Нам нужны новые критерии на уровень эксплуатационного состояния автомобильных дорог в процессе эксплуатации нежестких дорожных одежд. Самая большая проблема, которую предлагала взять на себя Государственная компания, это те методики, те знания, научные школы, которые могут реализовать и решить ее. Это методики расчета, разработка критериев, на основе которых методики будут работать. У нас существуют сегодня научные школы, которые не только в состоянии решить этот вопрос, но уже работают для Государственной компании «Автодор» по разрешению данных проблем. И я очень надеюсь, что к концу 2018 года эти критерии будут представлены для апробирования. Это позволит нам управлять теми процессами, о которых мы говорим, потому что сегодня даже у технической элиты дорожной отрасли нет четкого понимания того, что все проблемы с верхними слоями покрытия, включая повышенные межремонтные сроки,  невозможно решить только верхним слоем износа. Есть интегральный совокупный показатель здоровья всей дорожной конструкции.

Свой взнос в образование пластической колеи или неровности вносит каждый элемент дорожной конструкции, включая земляное полотно. Ровность верхнего слоя нежесткой дорожной одежды должна начинаться с ровности верхних слоев земляного полотна, нижних подстилающих слоев, нижних асфальтобетонных слоев пакета, а ровность верхнего, замыкающего слоя является их интегральным, суммирующим показателем. Итак, все проблемы, с которыми сталкиваются водители на наших дорогах,  это усталостные разрушения, колейность, возникающая в результате разрушения верхнего слоя, потому что все эти параметры не имеют не только критерии, но даже внутреннего понимания необходимости их учета.

– Какие факторы основные при определении долговечности дорожных одежд?

– Речь идет о накоплении. Если мы говорим о колейности, то вспомним, что вклад в нее вносят два фактора: накопление остаточной деформации в каждом элементе дорожной конструкции плюс разрушающее и истирающее воздействие колес автомобиля, для которых прежде всего важна структура верхнего замыкающего слоя. Для того чтобы управлять этими процессами, как я уже отметил, нужно создавать методики, которые учитывают накопление и образование остаточной пластической деформации в нежесткой дорожной одежде. Первостепенное значение для каждого элемента одежды имеют и влажность, и температура. Влажность, например, для грунта земляного полотна или песчано-гравийной смеси важна, потому что прочность земляного полотна прямо пропорциональна его плотности, а плотность обратно пропорциональна влажности. Влажность обязательно будет учитываться в этих критериях. Так и для  асфальтобетона: при 20 °С он работает совершенно иным образом, нежели при 60 °С. Все эти факторы должны участвовать в методике расчета нежестких дорожных одежд на накопление остаточных деформаций. Равно как и усталость находится в существенной зависимости от влажности грунта земляного полотна, поскольку при переувлажнении несущая способность вообще теряется и асфальтобетон будет работать в существенно более жестких условиях, поскольку опереться ему практически не на что. Поэтому все эти факторы  являются основными при определении долговечности дорожных одежд.

Беседовал Алексей ПЕТЯКИН