ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АЭРОДРОМОВ В РАЗНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Эксплуатационная долговечность асфальтобетонных покрытий зависит как от климатических условий района расположения аэродрома и режимов напряженно-деформированного состояния покрытия при взлете и посадке самолетов, так и в значительной степени от физико-механических характеристик асфальтобетона.

Опыт строительства асфальтобетонных покрытий аэродромов в разных климатических условиях показывает необходимость дифференцированного выбора характеристик используемых материалов с учетом местных условий.

Так, в частности, в Австралии [1] асфальтобетон эффективно применяется как покрытие в гражданских аэропортах для средних и тяжелых самолетов (типа «Боинг 737/717» и выше) и на военных аэродромах. Вяжущее, используемое в асфальтобетоне в течение многих лет, это немодифицированные битумы. В австралийский стандарт ASA10 на показатель глубины проникания битума добавлено требование к классу (марке) применяемого битума в аэропортах — класс R90. Класс 170 был слишком мягким, чтобы быть полноценной заменой класса битума R90 в асфальтобетоне. Применение битума класса 320 показало хорошее эксплуатационное поведение покрытий во многих аэропортах по всей Австралии. Однако для аэропортов, расположенных в более жарких регионах, рассматривали более жесткие смеси и использование других вяжущих. Единственным фактором, который мог преодолеть все трудности, было применение в аэропортах полимербитумного вяжущего (PMB).

В некоторых крупных аэропортах было обнаружено, что асфальтобетон на основе битума класса 320 не отличается долговечностью, особенно в жарком и влажном климате. Асфальтобетон, приготовленный на AB6/A10E битуме, модифицированном полимером SBS, также ведет себя плохо. Следует отметить, что некоторые австралийские аэропорты по-прежнему используют класс битума 320 в асфальтобетоне и не испытывают серьезных проблем. Но после нескольких лет опыта асфальтобетон на основе A10E с битумом, модифицированным SBS, дал другие проблемы, что отчасти связано с поставкой A10E от разных производителей.

Проектирование асфальтобетонных смесей для аэропортов Австралии осуществляется в соответствии с методом проектирования Маршалла. Проектирование смеси для аэропорта предполагает, что вязкость вяжущего должна быть выше обычного для обеспечения устойчивости к колееобразованию. Традиционно в Австралии на взлетно-посадочной полосе и рулежных дорожках применяется плотный асфальтобетон, как правило, толщиной до 50 мм.

В Европе имеется достаточно большой опыт применения щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) в качестве покрытия в аэропортах, что имело распространение в Норвегии, Швеции, Германии, Австрии, Бельгии и Великобритании. Здесь ЩМА себя оправдал, хотя первоначальные затраты выше по сравнению с затратами при использовании традиционного плотного асфальтобетона, что компенсируется долгосрочной перспективой увеличения срока службы, повышения сопротивления колееобразованию и усталости, стойкости к распространению трещинообразования [2].

В Австралии в международном аэропорту Кэрнса, расположенном севернее Квинсленда, впервые был использован ЩМА для устройства покрытия аэродрома в конце 1998 года. В международном аэропорту Сиднея в мае 1999 года опробовали партию ЩМА на сильно загруженной РД во внутреннем секторе аэропорта.

На основании зарубежного опыта можно полагать, что ЩМА имеет потенциал, чтобы обеспечить высокую несущую способность аэродромных покрытий, способных выдерживать как австралийский климат, так и постоянно увеличивающийся объем воздушного трафика. Использование в Австралии щебеночно-мастичного асфальтобетона в качестве аэродромного покрытия на данном этапе ограничено отсутствием опыта.

Несмотря на то, что ЩМА используется на автомобильных дорогах в 25 странах по всему миру (большинство из них в Европе), применение ЩМА в аэропортах ограничивается 15 странами (в основном в Европе). Из них Норвегия является крупнейшим пользователем ЩМА в качестве аэродромного покрытия.

В России асфальтобетонное покрытие устроено в аэропорту Элиста, расположенном в 5 км севернее города Элиста. Климат района резко континентальный — лето жаркое и очень сухое, зима малоснежная, иногда со значительными холодами. Континентальность климата существенно усиливается с запада на восток. Особенностью климата является значительная продолжительность солнечных дней в году — до 280. Среднегодовая температура воздуха — плюс 8,9 °C. Абсолютный минимум температуры воздуха приходится на январь (минус 34 °C), абсолютный максимум — на июль (плюс 43 °C).

Состав плотной асфальтобетонной смеси был выполнен на немодифицированном битуме марки БНД, в качестве щебеночного материала использовался дагестанский щебень, а также воронежский гранит.

Для оценки сдвигоустойчивости проверена устойчивость верхнего слоя покрытия к образованию пластических деформаций. Испытания и расчеты показали, что мелкозернистая асфальтобетонная смесь в представленной пробе является устойчивой к образованию колеи пластичности согласно СТО ГК «Трансстрой»-007-2007 «Асфальтобетон. Метод оценки устойчивости к образованию колеи пластичности».

Работы по реконструкции искусственных покрытий аэропорта были выполнены в 2009 году. Весной 2012 года было произведено визуальное обследование состояния асфальтобетонного покрытия аэропорта Элиста. По результатам визуального обследования установлено, что покрытие после трех лет эксплуатации находится в удовлетворительном состоянии, дефектов не выявлено.

Особенности работы асфальтобетонных покрытий аэродромов в условиях Севера и, в частности, обеспечения их трещиностойкости детально рассмотрены в работе [3]. В частности, было показано, что при устройстве асфальтобетонных покрытий в условиях Севера с низкими зимними температурами, особенно в районах с континентальным климатом, интервал пластичности применяемых битумных вяжущих должен быть не менее 75-800 С.

Трещиностойкость аэродромного покрытия зависит от характеристик прочности асфальтобетона при динамическом изгибе. Расчеты показывают, что при средней прочности слоя асфальтобетонного покрытия на растяжение при динамическом изгибе 8 МПа (при 00 С) площадь растрескивания на седьмой год эксплуатации составит 15 % от общей площади покрытия (это указывает на необходимость ремонта покрытия). А если средняя прочность асфальтобетона будет на 20 % ниже, то 15-процентная площадь растрескивания образуется уже на второй год эксплуатации [4].

Аналогичным образом анализ данных по кинетике развития пластических деформаций покрытия (колей, сдвигов) показывает, что увеличение прочности при сжатии (при 50 оС) на 10 % повышает срок службы покрытия до первого ремонта при тех же условиях эксплуатации примерно на 2 года.

В результате существенного влияния показателя прочности на срок службы покрытия и вариации прочностных показателей вследствие его неоднородности кинетика развития повреждений во многом зависит от степени неоднородности слоя покрытия. Если среднее значение требуемой прочности асфальтобетона в слое покрытия равно Rср, то это значит, что на 50 % площади покрытия асфальтобетон имеет прочность ниже Rср. В связи с этим на участках покрытия с прочностью ниже Rср повреждения покрытия возникнут раньше, чем на других участках. Так, например, при средней прочности асфальтобетона в покрытии 8 МПа и коэффициенте неоднородности К=0,20 более 35 % площади покрытия будет иметь прочность ниже 0,75 МПа, тогда как при К=0,04 таких включений в слое покрытия будет всего около 6 %.

Данные, характеризующие количество участков покрытия с прочностью ниже Rср, рассчитанные для покрытий с разной степенью однородности (при средней прочности асфальтобетона 10 МПа), приведены в таблице.

Таблица
Влияние средней прочности асфальтобетона на площадь участков покрытия с пониженной прочностью

Наличие на покрытии участков, имеющих прочность ниже требуемой, является одной из причин появления повреждений покрытия на ранних стадиях эксплуатации даже при соответствии средних показателей прочности асфальтобетона в покрытии предъявляемым требованиям. Следовательно, недостаточно качественное приготовление и укладка смеси (большая неоднородность при тех же средних показателях прочности) сокращают срок службы покрытия до первого ремонта нередко до 2-3 лет вместо экономически оправданных 6-7 лет.

Показатель однородности покрытия определяется как коэффициент вариации свойств асфальтобетона, рассчитываемый по результатам испытаний не менее шести параллельных образцов.

В значительной степени однородность асфальтобетона в покрытии зависит как от качества производства работ по приготовлению и укладке смеси, так и от однородности применяемого битумного вяжущего. Однородность битумного вяжущего особенно важно контролировать при использовании битумов, модифицированных различного рода добавками (полимерами, каучуком, резиной, ПАВ и другими), вводимыми в битум с целью расширения интервала пластичности, улучшения адгезионных и реологических свойств.

Эффективным методом контроля однородности битумных вяжущих является тест на устойчивость их к расслоению при технологических операциях. Методика контроля битумных вяжущих на устойчивость к расслоению заключается в следующем: для проведения испытания нагревают репрезентативную пробу вяжущего до 165 ºС и заливают в алюминиевую трубу диаметром 25 мм и высотой 137 мм (методика гармонизирована с методом AASHTO PP5). Трубу с залитым в нее вяжущим выдерживают при температуре 165 ºC в течение 48 часов в вертикальном положении. Затем отбирают образцы вяжущего из верхних 30 мм трубы и из нижних 30 мм частей трубы и определяют температуру размягчения взятых образцов по методике ГОСТ 11506. Испытание повторяют трижды. Сравнивают средние результаты испытаний образцов вяжущего из верхней и нижней частей трубы. Если существует разница в 4 % или больше между средними результатами испытаний образцов вяжущего из верхней и нижней части трубы, качество вяжущего признается неудовлетворительным из-за склонности его к расслоению.

Анализ отечественного и зарубежного опыта строительства асфальтобетонных покрытий аэродромов в различных климатических условиях показал как необходимость дифференцированного назначения требований к асфальтобетону с учетом климатических условий района строительства, так и важность обеспечения высокой степени однородности слоя асфальтобетона в покрытии за счет повышения качества приготовления смеси, соблюдения эффективных температурных режимов ее укладки и уплотнения.

1. Emery S. Asphalt on Australian Airports. Australia Asphalt Paving Association Pavement Industry Conference, Surfers Paradise, Queensland. EMERY, S J (2005).

2. The Use of Stone Mastic Asphalt on Aircraft Pavements/ Craig Campbell. SEN713 Research/Professional Practice Projects, School of Engineering and Technology, Deakin University, 1999.

3. Руденский А. В., Никонова О. Н. Повышение долговечности асфальтобетонных покрытий аэродромов в условиях Севера //Труды Росдорнии. М., 2014. С. 188–198.

4. Руденский А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. М.: Транспорт, 1992.С. 254.

А. В. Руденский,
д-р техн. наук, профессор, ФГБ У «Росдорнии»
О. Н. Никонова ,
инженер, ЗАО «НТПИ ТИ»