Технологии

В настоящее время построены тысячи километров армированных дорожных конструкций в США, Канаде, Западной и Восточной Европе. Нельзя не отметить, что и в России геосинтетики в последние годы стали широко использоваться при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог и аэродромов в различных регионах, в том числе в суровых климатических условиях. При этом мнения специалистов об эффективности использования геосеток и плоских георешеток для армирования дорожных одежд весьма расходятся – от безусловного принятия до категорического отрицания.

В настоящее время применяют геосетки из полимерных материалов, стекловолокна и металлические сетки как отечественного, так и зарубежного производства.

Широко используют геосетки для армирования асфальтобетонных слоев усиления при капитальном ремонте дорожных одежд и при новом строительстве дорог. Довольно часто применяют при перекрытии цементобетонных покрытий асфальтобетоном.

Цель армирования: повышение трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. Второе – снижение процесса колееобразования.

Армирование оснований дорожных одежд направлено на повышение их несущей способности.

Оценка эффективности применения геосинтетических материалов в условиях России является чрезвычайно важной задачей.

Сетки из углеродного волокна. Приблизительное соотношение модулей упругости асфальтобетона и армирующего материала 1:26. Углеродные волокна обладают малой деформативностью (<3% удлинения при разрыве). Отсутствует ползучесть. Сетки из углеродного волокна имеют хорошую адгезию к асфальтобетону. При выполнении ремонтных работ армированный ими асфальтобетон хорошо фрезеруется. Углеродные волокна на сегодняшний день могли бы быть признаны идеальным материалом для армирования. Однако высокие цены углеродных волокон сдерживают их широкое применение. Поэтому сетки из углеродных волокон могут сегодня быть рекомендованы только для особо ответственных участков дорог.

Стальные сетки хорошо перераспределяют напряжение при воздействии на покрытие динамических транспортных нагрузок, что приводит к замедлению образования трещин в асфальтобетоне. Соотношение модулей упругости асфальтобетона и армирующего элемента 1:23. При фрезеровании верхнего слоя покрытия возникают проблемы с удалением стальной сетки из асфальтобетона. К тому же следует отметить довольно сложную технологию укладки стальных сеток при устройстве асфальтобетонных покрытий и их высокую стоимость. И все же стальные сетки бывают незаменимы на отдельных участках дорог (к примеру, в местах прохождения подземных коммуникаций).

Сетки из полимерных материалов (полипропилена, полиэстерного волокна). Соотношение модулей упругости асфальтобетона к полимерным волокнам наиболее низкое из перечисленных материалов. Так, для полипропилена оно составляет приблизительно 1:1, для полиэстерного волокна – 1:1,5.

Полипропиленовое волокно европейскими специалистами вообще не рекомендуется использовать в качестве армирующего материала для верхних слоев дорожных покрытий. Зато оно идеально подходит в качестве нетканой подложки для изготовления композитных и гидроизоляционных материалов.

Сетки из полиэстерных волокон, по наблюдениям автора, несколько замедляют процесс образования отраженных трещин, вызванных динамическим воздействием транспортных средств, и в меньшей степени – температурными деформациями. Укладка сеток из полимерных материалов в асфальтобетонные покрытия позволяет снизить глубину колеи. Однако полиэстерные волокна обладают ползучестью, что не позволяет прогнозировать эффективность от армирования в долгосрочном плане. Кроме того, асфальтобетон, армированный сетками из полиэстерного волокна, плохо фрезеруется.

Сетки из стекловолокна на сегодняшний день наиболее изучены. Отношение модулей упругости асфальтобетона к стекловолокну довольно высокое и составляет 1:8. У стекловолокна отсутствует ползучесть, оно имеет малую деформативность (≤3% удлинения до разрыва). Стеклосетки имеют хорошую адгезию к асфальтобетону. Армированный стеклосеткой асфальтобетон легко фрезеруется. Еще один немаловажный фактор: вот уже несколько десятилетий стекловолокно на мировом рынке имеет самую низкую и стабильную цену из рассмотренных выше материалов. Наконец, отметим, что в районах с суровыми климатическими условиями и широким диапазоном колебания температур стекловолокно в качестве армирующего материала зарекомендовало себя лучше, чем полимерные материалы. Это объясняется тем, что физико-механические свойства стекловолокна остаются неизменными в очень широком диапазоне температур, перекрывающем природные климатические изменения. Приведем несколько примеров из зарубежной и отечественной практики.

Хорошо известна геосетка из стекловолокна, разработанная и выпускаемая канадской фирмой Bayex под торговой маркой Glasgrid. Любопытный факт: эта стеклогеосетка нашла применение даже в Европе при ремонте дорог в непосредственной территориальной близости от местоположения фирм, производящих другие, не менее известные геосетки, но из полимерных материалов. Например, в 2000 году при реконструкции автомагистрали А7, проходящей между севером и югом Голландии, вблизи фирмы Нusker, производящей геосетки Hatelit из полиэстерного волокна, использовалась для армирования асфальтобетонного покрытия геосетка Glasgrid 8501. Несомненно, имели место серьезные на то основания. Фирма, производящая ремонт, дала гарантийный срок службы покрытия 15 лет.

Следующий пример. В условиях сурового климата Забайкалья на автомобильной дороге «Чита – Хабаровск» в октябре 2006 г. при участии автора были построены экспериментальные участки асфальтобетонного покрытия, армированного стеклогеосеткой «АРМДОР». Работы по строительству асфальтобетонного покрытия выполнялись ЗАО «Труд». Было построено 2 экспериментальных участка: участок № 1 – км 327 (ПК 501+40 – ПК 502+90, правая полоса движения); участок № 2 – км 347 (ПК 704+90 – ПК 706+00, правая полоса движения). Для сравнения на левых полосах движения армирование асфальтобетонного покрытия не выполнялось. Геосетка была уложена между верхним и нижним слоями покрытия.

Визуальная оценка состояния асфальтобетонного покрытия, армированного геосеткой, после двух лет эксплуатации показала, что оно не подвержено трещинообразованию – трещины на покрытии отсутствуют. На участках же, где геосетка не укладывалась, имеют место поперечные трещины.

Кроме того, на основе оценки прочности дорожных одежд по величине упругого прогиба на автомобильной дороге «Чита – Хабаровск» установлено, что применение геосетки «АРМДОР-50» позволило увеличить несущую способность дорожной одежды на 10-15%.

Однако и в отношении использования стеклосеток существуют проблемы. Так, в настоящее время становится ясным, что армирующие свойства геосеток из стекловолокна в значительной степени зависят от особенностей технологии их изготовления.

Отметим очень важный факт. Проводимые за рубежом и в России испытания стеклосеток показали, что не все из них выдерживают давление при уплотнении асфальтобетона. Нередко наблюдались значительные повреждения волокон. Некоторые стеклосетки имеют недостаточную адгезию к асфальтобетону, плохо выдерживают температурные и циклические нагрузки. Очевидно, что такие сетки не подойдут в качестве армирующих прослоек.

Так под брэндом «геосетки» могут продаваться совершенно не подходящие для этого материалы. В России, да и за рубежом достаточно много производителей подобных геосеток. Нередко они привлекают потребителя дешевизной своей продукции. А в результате приходится переделывать уже выполненную работу, неся при этом вместо ожидаемой экономии дополнительные финансовые затраты, что, понятно, тоже приводит к диаметрально противоположным мнениям об эффективности использования геосеток. В этом отношении пора что-то предпринимать и соответствующим контролирующим органам.

Подобное наблюдалось в Германии в 90-х годах, когда ожидания, сформированные рекламой производителей армирующих материалов, на практике оказались не совсем таковыми. В прессе начались дискуссии по поводу целесообразности использования армопрослоек в верхних слоях дорожных одежд. Потребовалось довольно значительное время для реабилитации и усовершенствования технологии армирования асфальтобетона. Сейчас идея армирования дорожных покрытий в Европе больше не подвергается сомнению. Более того, во многих европейских странах технология армирования асфальтобетона принята на уровне государственных стандартов. Общепринято, что при соблюдении правил технологии укладки армирующего материала геосетки могут в значительной степени препятствовать образованию трещин в асфальтобетонных покрытиях, продлевая срок службы, а также снижать их колейность.

В МАДИ за последние годы был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучение напряженно-деформированного состояния дорожных одежд при воздействии транспортных нагрузок и температурных факторов.

Кроме того, был построен ряд экспериментальных участков с применением различных геосинтетических материалов как зарубежного, так и отечественного производства в разных регионах России на автомобильных дорогах «Колыма» (Якутск – Магадан), «Амур» (Чита – Хабаровск), М8 «Холмогоры» (Москва – Архангельск), М9 «Балтия» (Москва – Рига), М10 «Россия» (Москва – С.-Петербург) и др.

В ходе исследований оценивалась трещиностойкость покрытий по сравнению с неармированными конструкциями, прочность дорожных одежд, продольная и поперечная ровность покрытий. Изучалось состояние геосеток после нескольких лет их эксплуатации.

В 2004 г. на федеральной автомобильной дороге «Колыма» при капитальном ремонте цементобетонного покрытия были применены стеклосетки с целью замедления отраженного трещинообразования в асфальтобетонных слоях усиления. В течение 3 лет проводились наблюдения за этими опытными участками. Транспортные нагрузки на данной автомобильной дороге небольшие. В этом случае слои усиления, армированные стеклосетками, показали лучшую трещиностойкость по сравнению с контрольными участками без армирования, особенно в первые 2 года эксплуатации покрытия. Затем эффект армирования стал постепенно снижаться.

На автомобильной дороге «Амур» (Чита – Хабаровск) было выполнено армирование отдельных участков асфальтобетонного покрытия стеклосетками, полимерными сетками и стальной сеткой.

Как показали результаты исследований, в районах с суровыми климатическими условиями и широким диапазоном колебания температур стекловолокно в качестве армирующего материала асфальтобетонного покрытия зарекомендовало себя несколько лучше, чем полимерные материалы. Это можно объяснить тем, что физико-механические свойства стекловолокна остаются неизменными в очень широком диапазоне температур. Прочность дорожной одежды благодаря улучшению сцепления между армированными слоями асфальтобетона увеличивается на 7-15%. Для таких условий наиболее эффективны геосетки из стекловолокна с прочностью на разрыв 100 кН/м и более.

Армирующие свойства и эффективность использования геосеток в значительной степени зависят от технологии их укладки и качества применяемых материалов армирования.

Так, испытания различных стеклосеток показали, что не все они выдерживают истирающие и перерезывающие воздействия от каменных материалов при уплотнении асфальтобетонной смеси катками. Потери прочности могут составлять до 80-90% от первоначальной прочности на разрыв. Важным фактором является подбор материалов для пропитки стеклосеток. Ряд стеклосеток имеют недостаточную адгезию к асфальтобетону, что отрицательно сказывается на их работе в конструктивных слоях покрытий. Применение некачественных, дешевых сеток неэффективно и приводит к раннему разрушению покрытий.

При нарушении технологии укладки сеток они начинают выполнять функции разделительной прослойки между слоями асфальтобетона, что становится причиной разрушения верхнего слоя покрытия. Слои асфальтобетона в этом случае работают не как единая армированная конструкция. Каждый слой работает самостоятельно.

Отрицательные результаты, связанные с нарушением технологии работ по укладке стеклосеток, имели место в г. Ижевске и Мурманской области .

Сетки из полимерных материалов (полипропилена, полиэстерного волокна) способствуют замедлению процесса образования трещин на асфальтобетонных покрытиях, вызванных динамическим воздействием транспортных средств, и в меньшей степени – температурными деформациями. Их более эффективно использовать в условиях умеренного климата с высокими транспортными нагрузками. Укладка геосеток из полимерных материалов в асфальтобетонных слоях позволяет снизить интенсивность колееобразования на покрытиях. Летом, при относительно высоких температурах асфальтобетона в покрытии, когда его модуль упругости значительно снижается, полимерные армирующие материалы проявляют свои положительные качества.

Армирование асфальтобетонного покрытия полимерной сеткой было выполнено на улице Удмуртская (г. Ижевск). Над сеткой уложили 2 слоя асфальтобетона общей толщиной 11 см. Через 4 года эксплуатации покрытия на участке с геосеткой появилась колея глубиной 9 см, а на участке, где отсутствовало армирование, – 17-19 см.

На автомобильной дороге «Ижевск – Сарапул – Уфа» также было выполнено армирование асфальтобетонного покрытия полимерной сеткой. Через 2 года эксплуатации на армированном покрытии образовалась колея глубиной 2,5 см, а на покрытии без армирования – 6 см.

От качества полимерных георешеток в значительной мере зависит эффект армирования дорожной одежды. Яркий пример – площадка строительства многофункционального торгового центра (проспект Космонавтов) в г. С.-Петербурге. Для армирования щебеночного основания были использованы две различные по качеству полимерные георешетки.

Полимерная георешетка № 2 имела утолщение ребер по сравнению с георешеткой № 1. Утолщение решетки № 2 производитель выполнил, вероятно, для того, чтобы обеспечить требуемую разрывную прочность, т.к. качество полимерного материала, из которого была выполнена георешетка № 2, было плохое. При устройстве щебеночного основания в этом случае не произошло заклинки щебня в ячейках георешетки и щебень не уплотнился, что, в свою очередь, привело к появлению поверхности скольжения. Несущая способность щебеночного основания, армированного георешеткой № 2, оказалась значительно ниже, чем основания, армированного георешеткой № 1.

В последние годы стали находить применение и стальные сетки для армирования асфальтобетонных покрытий. На автомобильной дороге «Чита – Хабаровск» было установлено, что стальные сетки хорошо перераспределяют напряжения при воздействии на покрытие динамических транспортных нагрузок. При армировании модуль упругости дорожной одежды увеличивается на 10-15%. Однако технология укладки стальных сеток довольно сложная и требует тщательного выполнения работ. Так, при капитальном ремонте автомобильной дороги «Москва – С.-Петербург» была уложена металлическая сетка (км 211 – км 218). Верхний слой асфальтобетонного покрытия был устроен толщиной менее 5 см. В результате произошел отрыв от основания металлической сетки вместе с покрытием.

Но, как показывает производственный опыт, при правильном покрытии стальные сетки бывают незаменимы на отдельных участках дорог. И поэтому они могут найти применение при армировании дорожных одежд.

Встречаются случаи, когда применяют геосинтетические материалы в конструктивных слоях дорожных одежд там, где они совершенно не нужны. Например, при строительстве автомобильной дороги «Чита – Хабаровск» по II стадии было осуществлено армирование полимерной сеткой щебеночного основания, устроенного на прочном земляном полотне из крупнообломочных скальных грунтов, которое эксплуатировалось 7-10 лет.

В существующих нормативных документах недостаточно показателей, определяющих качество материалов, используемых для армирования конструкций дорожных одежд. Например, для полимерных сеток очень важными показателями являются толщина и профиль сечения ребра, форма и размер ячейки, прочность узла, однородность решетки.

Расчеты показывают, что расходы на преждевременный ремонт автомобильных дорог многократно превышают «экономию», полученную в результате применения некачественных дешевых армирующих материалов.

В конце 2009 г. в Ульяновске состоялось заседание президиума Госсовета по инновационному развитию транспортного комплекса России. Там были поставлены задачи, решение которых позволит в том числе снять вопросы, связанные с более эффективным применением в конструкциях дорожных одежд геосинтетических материалов:

– Привести технологии и стоимость строительства дорог в соответствие с мировыми стандартами.

– Выпускать продукцию, абсолютно передовую по экономическим характеристикам, качественную и востребованную. Не надо стесняться использовать технологии и опыт зарубежных компаний.

– Улучшить нормативно-правовую базу. Усовершенствовать систему сертификации продукции и услуг.