Развитие колейности в процессе эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий является одним из негативных факторов, ухудшающих транспортно-эксплуатационные характеристики автомобильных  дорог. Наличие колей на покрытии осложняет возможности маневра автомобилей по полосе движения, что негативно влияет на безопасность дорожного движения.

Особенно опасен застой воды в колеях. Он приводит к аквапланированию при торможении, а замерзание воды в колеях – к заносу при маневрировании  и резкому ухудшению условий торможения. Кроме того, наличие воды в колее способствует ускоренной дезинтеграции асфальтобетона под воздействием колес от движущегося транспорта. Так, в частности, исследования, выполненные С. О. Гордеевым [1],  показали, что «в местах, где на покрытиях длительное время застаивается вода, происходит быстрый износ и выкрашивание асфальтобетона с образованием выбоин».

Трудность ремонта колей как протяженного дефекта  покрытия приводит, как правило, к необходимости полного перекрытия поврежденного участка новым слоем асфальтобетона.

Проблема развития колейности на дорожных асфальтобетонных покрытиях становится в последние годы особенно острой в связи с ростом интенсивности движения тяжелого грузового транспорта.

Основными факторами, определяющими развитие колейности в процессе эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий, являются:

– пластические деформации асфальтобетона по полосе наката  под воздействием транспортных нагрузок,

– осадка слоев дорожного основания по полосе наката  под воздействием транспортных нагрузок,

– износ материала покрытия по полосе наката  под воздействием шин с шипами.

Развитие пластических деформаций покрытия в процессе эксплуатации происходит вследствие недостаточной устойчивости асфальтобетона в отношении необратимых деформаций, не соответствующей требованиям климатических условий и грузонапряженности  транспортного потока.

Основной характеристикой материала, определяющей интенсивность развития необратимых деформаций под воздействием приложенных нагрузок, является вязкость.

Поскольку асфальтобетон является термопластичным материалом, его вязкость меняется в широких пределах в течение срока службы в зависимости от температуры дорожного покрытия [2]. Данные о значениях вязкости асфальтобетонов различных типов при разных температурах приведены в таблице 1.

Таблица 1

Значения вязкости асфальтобетонов различных типов при разных температурах.

Данные о вариациях средних значений динамической вязкости асфальтобетона в верхнем слое покрытия в течение года в разных регионах страны отражены в таблице 2.

Таблица 2

Вариации средних значений динамической вязкости асфальтобетона в верхнем слое покрытия.

При этом в солнечные летние дни вследствие нагрева поверхности покрытия температура асфальтобетона на поверхности может быть существенно выше, чем в слоях, расположенных на определенной глубине в толще покрытия. Соответственно, вязкость асфальтобетона в верхнем слое покрытия летом может быть значительно меньше, чем в нижних слоях покрытия (см. табл. 3).

Таблица 3

Значения вязкости асфальтобетона в разных слоях по толщине дорожного покрытия.

Требуемые значения вязкости асфальтобетона при 50 ^оС (МПа.с) в покрытии дорог с разной интенсивностью движения отражены в таблице 4.   Данные таблицы рассчитаны для горизонтальных участков дорог.

Таблица 4

Значения вязкости асфальтобетона при 50 °С в покрытии дорог с разной интенсивностью движения

Однако существенное влияние на интенсивность развития пластических деформаций покрытия имеют условия движения автотранспорта, в частности наличие уклонов, участков торможения и пр. (см. табл. 5)

Таблица 5

Влияние уклонов на кинетику развития пластических деформаций асфальтобетонных покрытий

Расчеты показывают, что при продольном уклоне, равном  4 %о ^, на участке дороги, идущей в направлении восток – запад (азимут 90⁰), развитие пластических деформаций покрытия идет в 1,5 раза быстрее, чем на горизонтальном участке. Если же уклон в 4 %о обращен к югу, то вследствие большего разогрева покрытия солнечными лучами развитие пластических деформаций на покрытии с теми же характеристиками будет почти вдвое быстрее, чем на горизонтальном участке. Это следует также из данных о развитии повреждений в виде пластических деформаций на покрытии дороги 2-й технической категории (в районе Новосибирска), устроенном из горячего асфальтобетона с прочностью на сжатие 1,0 МПа при 50 ⁰С. Данные о вязкости асфальтобетона могут быть получены на основании известной связи между показателями вязкости и прочности асфальтобетона при сжатии.

Согласно формуле Дюрье, связь между прочностью асфальтобетона при сжатии и его вязкостью выражается формулой: R₅₀ = аŋ ^1\3, где   R₅₀ – прочность асфальтобетона на сжатие при 50 ^оС, ŋ – вязкость при 50 ^оС,  а – коэффициент, зависящий от режима испытания и типа асфальтобетона.

Данные о кинетике развития пластических деформаций на участках с различными условиями движения, рассчитанные для дорог в разных климатических районах, приведены в таблице 6.

Таблица 6

Кинетика развития пластических деформаций на участках с различными условиями движения.

Из таблицы видно, что на участках систематического торможения даже при устройстве покрытия из асфальтобетона с более высокой прочностью на сжатие при 50 ⁰С интенсивность развития пластических деформаций выше, чем на перегонах. Так, для условий района Москвы при укладке на участке торможения на покрытии  из асфальтобетона с прочностью на сжатие при 50 ⁰С, равной 1,6 МПа (соответствующей вязкости 1,2·10⁸ Па·с),  интенсивность развития пластических деформаций в 1,5 раза выше, чем на перегоне с покрытием из асфальтобетона, имеющего прочность  R_50, равную 0,9 МПа (соответствующую вязкости 2·10⁷ Па·с).

Высокие значения требуемой вязкости и прочности асфальтобетона на участках торможения, особенно в южных районах страны, указывают на то, что применение обычных асфальтобетонов, не обладающих столь высокой прочностью при 50 ⁰С, не обеспечивает сдвигоустойчивости слоя покрытия в течение заданного срока службы. На этих участках целесообразно применение специальных составов, например армированных волокнистыми наполнителями.

Следует отметить, что образование дефектов в виде пластических деформаций приводит не только к ухудшению условий проезда, но и к более быстрому разрушению дорожного покрытия вследствие роста коэффициента динамичности приложения нагрузки при ухудшении показателя ровности покрытия. Анализ влияния ровности на развитие пластических деформаций дорожного покрытия, рассчитанных для условий района Краснодара (интенсивность движения – 3000 авт/сут, прочность на сжатие –1,5 МПа при 50 ⁰С), показал, что интенсивность их развития при среднем показателе ровности 10 мм в 1,5 раза выше, чем при ровности 5 мм. В результате срок службы покрытия до первого ремонта сокращается за счет худшей начальной ровности с 6 лет до 4,5 года.

Недостаточная устойчивость слоев асфальтобетонного покрытия может быть связана также с недостаточным качеством уплотнения слоя покрытия.

Это, в частности, проявляется нередко при устройстве покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона. Дело в том, что вследствие высокого содержания щебня в таком асфальтобетоне отбор кернов при контроле качества уплотнения затруднен, в связи с чем, согласно п. 7.18 Методических рекомендаций по устройству верхних слоев дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона, «не рекомендуется определять коэффициент уплотнения слоев износа из  щебеночно-мастичного асфальтобетона. При расчете коэффициента уплотнения по требованию заказчика следует иметь в виду, что этот показатель характеризуется  низкими повторяемостью и воспроизводимостью» [3].

Другим фактором, определяющим возможность развития колейности на асфальтобетонных покрытиях, является слабая устойчивость нижележащих слоев дорожного основания к развитию необратимых деформаций. Осадка слоя основания по полосе наката под воздействием автотранспортных нагрузок приводит к тому, что вслед за осадкой слоя основания по полосе наката происходит соответствующая осадка слоя покрытия с образованием колеи.  В определенной мере это явление связано с тем, что традиционно устраиваемые в качестве основания щебеночные слои в процессе эксплуатации могут разуплотняться (особенно при попадании воды в слои основания, в частности, через трещины, возникающие в покрытии в течение срока службы).

Для предотвращения образования колейности на асфальтобетонном покрытии вследствие недостаточной устойчивости слоев основания эффективным является  устройство связанных слоев основания из материалов, укрепленных вяжущими. Наиболее капитальными из оснований такого типа являются основания из цементобетона.

Эффективность устройства связанных слоев оснований под асфальтобетонные покрытия была  установлена исследованиями, проведенными в США, и отражена  в материалах 5-го Всесоюзного совещания по основным проблемам технического прогресса в дорожном строительстве [4]. Устройство «черных» оснований под асфальтобетонными покрытиями является весьма эффективным конструктивным решением. А укладка асфальтобетонного покрытия  поверх слоя цементобетона, несмотря на высокую капитальность таких конструкций, требует предъявлять специальные требования к физико-механическим свойствам применяемого асфальтобетона вследствие специфики напряженно-деформированного состояния этих конструкций при работе под действием транспортных нагрузок и климатических факторов. Необходима разработка специальной методики расчета данных конструкций, учитывающей как особенности нестационарных изменений характеристик асфальтобетона в процессе эксплуатации, так и специфику взаимодействия конструктивных слоев с весьма  различными  физико-механическими свойствами.

Образование колеи  вследствие ускоренного износа поверхностного слоя покрытия под воздействием шин с шипами требует применения высокощебнистых составов асфальтобетонов с использованием высокопрочного щебня с низкой истираемостью. Форма колеи, образовавшейся под воздействием шипованных шин, отличается от колеи, возникающей вследствие пластического деформирования материалов покрытия или основания. Для установления основного механизма развития колеи достаточно сравнить данные поперечной ровности, полученные в апреле и  октябре, чтобы оценить, за счет чего в основном образуется колея –износа или пластического деформирования.

При расчете и конструировании дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями выполнение расчетов по обеспечению колееустойчивости покрытия не предусмотрено, что является одной их причин распространения данного вида дефектов в процессе эксплуатации дорожных конструкций и роста затрат на их устранение.

Таким образом, для предотвращения развития колееобразования на дорожных асфальтобетонных покрытиях в процессе эксплуатации при расчете и конструировании дорожных одежд необходимо:

1) предусмотреть выполнение расчетов по обеспечению колееустойчивости слоев покрытия с определением специальных  требований к асфальтобетону;

2) рекомендовать устройство верхних слоев оснований из материалов, укрепленных вяжущими.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гордеев С. О. Деформации и повреждения дорожных асфальтобетонных покрытий. М., 1963. С. 132.
2. Руденский А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. М.: Транспорт,1992. С. 254.
3. Методические рекомендации по устройству верхних слоев дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) / ФГУП «СоюзДорНИИ». М., 2002. С. 36.
4. Надежко А. А., Руденский А. В. О выборе типа основания под асфальтобетонное покрытие // Материалы 5-го Всесоюзного совещания  по  основным проблемам      технического прогресса   в дорожном строительстве. № 4(2). М., 1971. С. 46–51.