Инновационные технологии повышения межремонтных сроков службы дорожных одежд
Постоянно возрастающие нагрузки на дорожные покрытия, увеличивающиеся скорость и объемы перемещения людей и грузов, изменение характера и типа, прежде всего, грузового транспорта, применение шипованной резины, а также изменение условий зимнего содержания автомобильных дорог – все это предъявляет повышенные требования к дорожным одеждам.
Но остаются неизменными основные требования – сочетание низкой себестоимости и высокая долговечность. Эти два взаимоисключающих фактора заставляют искать некий баланс между тем, чтобы построить дешево, но при этом обеспечить межремонтные сроки. Продолжительный срок службы объекта со стабильными потребительскими характеристиками должен дополняться невысокой разумной стоимостью самого строительства, минимальным количеством, сроком и стоимостью ремонтов за жизненный цикл. Так, в соответствии с постановлением правительства № 658 от 30 мая 2017 года, нормативный срок ремонта определен как 12 лет, а до капитального ремонта – 24 года.
Следует заметить, что стоимость человеческого труда с его видимыми результатами в последнее время у нас почему-то не в почете, что приводит (и уже привело) к огромным кадровым проблемам в отрасли, поэтому экономию в области трудозатрат искать бессмысленно. Что касается фонда оплаты труда, то его, напротив, следует увеличивать, чтобы люди могли получать достойную зарплату, ведь это также влияет на повышение престижа отрасли и качество выполняемых работ.
В подавляющем большинстве случаев при строительстве и реконструкции автомобильных дорог материалы занимают большую часть затрат (около 65–70%), что может являться основным источником экономии. Ведущими направлениями в поиске скрытых источников могут быть: использование альтернативных и ранее непригодных инертных материалов, применение альтернативных конструкций дорожной одежды, использование материалов, обработанных вяжущими (прежде всего, минеральными).
Из основных альтернативных решений для повышения межремонтных сроков следует рассматривать технологии укрепления (стабилизации) грунтов, применение дорожных одежд с жесткими основаниями, устройство долговечных цементобетонных покрытий и малых монолитных бетонных форм, холодный ресайклинг для ремонта дорожных покрытий.
Кроме применения на автомобильных дорогах, эти технологии с успехом можно применять на прочих объектах транспортной инфраструктуры, таких как строительство и реконструкция аэродромов, морских и речных портов, железных дорог, городского рельсового транспорта, транспортно-логистических центров, промышленных и свободных экономических зон, а также на объектах сельского хозяйства.
Технология укрепления грунтов и применение конструктивных слоев с гидравлическими вяжущими, в том числе жестких оснований, во всем мире завоевала популярность по многим показателям. Достигается это максимальным использованием существующих местных материалов для получения нового материала с заданными характеристиками за счет их физико-химической обработки. Налицо ская выгода – это касается как приобретения и транспортировки новых материалов, так и используемого количества спецтехники и автотранспорта, использования вторичных цементо- и асфальтобетона и отходов промышленности, а также сокращения сроков работ. Кроме того, не требуется получения лицензии и разработки новых карьеров. Также следует учитывать, что в некоторых регионах просто не имеется требуемых качественных материалов.
С увеличением прочности нижележащих слоев можно уменьшить толщину вышележащих. Значительно снижается нагрузка на существующую дорожную сеть, предотвращая ее разрушение и проблемы для пользователей автодорог, связанные с транспортировкой инертных материалов (одно строим, другое разрушаем). Решаются и экологические проблемы – как из-за снижения транспортной нагрузки, так и в силу широкого использования вторичных материалов и отсутствия необходимости в разработке карьеров. При всем этом отпадает нужда в утилизации непригодных материалов.
Хочется отметить, что в СССР был накоплен значительный опыт в вышеуказанных технологиях, но дальнейшее их развитие было остановлено отсутствием качественных вяжущих материалов и соответствующего оборудования.
Применение технологического оборудования может быть представлено таким образом: для укрепления грунта рабочего слоя земляного полотна, верхнего слоя жесткого основания, обработанного вяжущими, а также при ремонте дорожных покрытий по технологии холодного ресайклинга используется колесный ресайклер серии WR методом смешения «на месте». Для устройства жестких оснований и холодного ресайклинга также может применяться мобильная установка для производства органо-минеральных смесей серии КМА с последующей укладкой готовой смеси асфальтоукладчиком Vögele. В зависимости от конструкции дорожного покрытия оно может быть цементобетонным (с его устройством бетоноукладчиком со скользящими формами серии SP) или асфальтобетонным (с его устройством асфальтоукладчиком Vögele).
В зависимости от выбранной технологии, метода, количества и вида вяжущих (в жидком или сухом виде) осуществляется подбор машин для технологической цепочки. Если предполагается подача вяжущих в сухом виде, то их распределение перед ресайклером осуществляется с помощью высокоточных распределителей Streumaster с различной вместимостью бункера. В зависимости от модели они могут поставляться в виде навески на трактор, быть прицепными к трактору, установленными на автошасси или иметь самоходное шасси.
В настоящее время фирмой Wirtgen предлагается три модели колесных ресайклеров с рабочей шириной до 2400 мм и рабочей глубиной 560 мм и три модели навесных на трактор стабилизаторов грунта с рабочей шириной до 2500 мм и рабочей глубиной до 500 мм. После этого производится уплотнение грунтовым катком массой не менее 16 тонн, желательно с кулачковым бандажом, чтобы обеспечить уплотнение не только обработанного слоя, но и нижележащих слоев. Далее производится чистовое профилирование автогрейдером, чтобы обеспечить требуемую ровность и высотные отметки, и окончательное уплотнение пневмошинным катком массой не менее 12 тонн, чтобы обеспечить окончательное уплотнение и замкнутость верхней части слоя.
Что касается области экономии, то, в соответствии с требованиями немецкого RStO 12, рабочий слой земляного полотна, на который укладывается дорожная одежда, должен обладать достаточной несущей способностью, соответствующими характеристиками прочности и профиля. Для классов строительства от SV, I до VI модуль упругости должен быть Ev2 ≥ 45 МН/м2 . В документе четко сказано, что если требуемый модуль деформации рабочего слоя земляного полотна не удается получить уплотнением, то следует улучшить или укрепить земляное полотно или насыпь, либо увеличить толщину несвязанного слоя основания.
Другим примером может быть требование к профилю, где допустимое отклонение составляет ±3 см от заданной высоты и ±2 см, если дополнительно предусмотрен связанный слой основания. При этом поперечный уклон рабочего слоя должен составлять ≥4% при гигроскопических грунтах и строительных материалах, ≥2,5% после укрепления грунта вяжущими. Благодаря уменьшению поперечного уклона после укрепления грунта получают значительный источник экономии укладываемого на него материала. Пример: qДорога = 2,5%, QРаб. слой = 4,0%, ширина рабочего слоя = 6,00 м. Экономия составляет примерно 0,30 м3 /м.
Работы по укреплению грунтов, эффективно применяющиеся как при устройстве высоких насыпей, так и в процессе заполнения выемок и оснований мостовых конструкций при строительстве искусственных сооружений, можно и нужно производить послойно.
В свою очередь, технология холодного ресайклинга также делится на два направления: ресайклинг «на месте», когда работа производится непосредственно на дороге, и «на заводе», когда существующие слои удаляются с дороги и перерабатываются на отдельной площадке. Если рассматривать вопросы экономики и экологии, то ряд материалов, прежде всего вторичный асфальтобетон и цементобетон, могут с успехом использоваться при устройстве различных новых слоев дорожных одежд при строительстве, ремонте и капитальном ремонте.
Сама технология холодного ресайклинга представляет собой бесчисленное множество вариантов рецептов и механических процессов, комбинация которых тщательно подбирается на основе полученных данных об объекте, подвергаемом холодному ресайклингу, поэтому универсального рецепта в применении того или иного технологического процесса или рецепта не существует. Технологию можно себе представить как движение из точки А (то, что имеем) в точку Б (то, что нужно получить), где каждый сам выбирает путь, по которому двигаться, исходя из различных факторов, и где основными являются существующий характер разрушений, себестоимость проекта и предполагаемый срок службы будущей дороги. Для этого с объекта берутся пробы, и на основании этих проб объект разбивается на однотипные участки. Режимы работы машин, их тип, расход вяжущих, воды и/или дополнительных материалов подбирают уже на основе лабораторных исследований, с учетом требуемых физических свойств дорожной одежды, химических процессов, протекающих в процессе ресайклинга
При выборе машин и способа ресайклинга можно ориентироваться на следующие данные. Гусеничная фреза/ресайклер используется преимущественно для слоев покрытия дорог при ремонте и дополнительно верхних слоев основания при капитальном ремонте с общей максимальной толщиной до 250 мм за один проход. Колесный ресайклер используется преимущественно для слоев покрытия и слоев основания при капитальном ремонте с общей максимальной толщиной до 250 мм за один проход. В некоторых ситуациях возможно и больше, но в любом случае требуется пробный проход. Вариант ремонта дорожной одежды методом «на заводе» используется преимущественно тогда, когда существуют высокие требования к качеству смешивания, требуется сортировка материала, его хранение или устройство дополнительных слоев.
Вариант ремонта дорожной одежды комбинированным методом «на заводе» и «на месте» используется преимущественно в ходе капитального ремонта. Производится фрезерование слоев с последующим вывозом асфальтогранулята на место переработки, где с его использованием будут приготовлены новые органо-минеральные смеси на мобильной установке КМА. Оставшиеся слои ресайклируются на требуемую глубину колесным ресайклером WR, и уже на отресайклированный слой асфальтоукладчиком Vögele укладывается переработанный слой. Результатом признания вышеуказанных технологий является их широкое применение. В настоящее время на территории России работает около 130 колесных ресайклеров WR, около 20 гусеничных ресайклеров CR, пять мобильных установок КМА, около 80 вспомогательных машин и единиц оборудования.
Технологии укрепления грунтов и особенно холодного ресайклинга все более широко применяются при строительстве и ремонте федеральных, региональных и муниципальных автомобильных дорог. Более половины регионов в том или ином виде применяют вышеуказанные технологии, но география применения неоднородна и в большинстве своем зависит от инициативы федеральных или региональных властей. Как было сказано выше, устройство жестких покрытий из цементобетона является одним из эффективных решений для увеличения межремонтных сроков службы. В современном транспортном строительстве применяется технология укладки бетонных смесей со скользящей формой по причине высокой сменной производительности и качества укладки.
Условно укладку монолитных цементобетонных профилей можно разделить на два направления. Первое – это покрытия автомобильных дорог, в том числе в тоннелях, аэродромов, производственно-технических площадок и прочие плоские покрытия. Второе – так называемые «малые формы» в виде элементов обустройства автомобильных дорог и элементов благоустройства, а также специальные объекты (парковки, остановки общественного транспорта, внутриквартальные проезды, круговые развязки, бордюры и поребрики, монолитные разделительные ограждения, парапетные ограждения на мостовых сооружениях, водоотводные лотки, тротуары, нижнее строение пути городского рельсового транспорта и высокоскоростных железнодорожных магистралей и тому подобное).
На сегодняшний день фирмой Wirtgen производится десять моделей бетоноукладчиков SP с шириной укладки до 18 м и толщиной более 450 мм и две модели машин TCM для текстурирования поверхности и нанесения пленкообразующего. С учетом пожеланий заказчиков и технологических условий модельный ряд постоянно модернизируется и обновляется. Высокое качество работ бетоноукладчиков Wirtgen обеспечивается благодаря машинам как для однослойной укладки цементобетона, так и для двуслойной укладки (по методу сращивания слоев «свежийпо-свежему»), распределению бетонной смеси перед укладчиком шнеками или плугом (ножом); установке электрических или гидравлических вибраторов. Сюда же следует отнести качающийся отделочный брус после скользящей формы, удлиненные боковые стенки скользящей формы (около 7 м) для предотвращения опадения кромки свежеуложенной полосы, окончательную отделку поверхности в автоматическом режиме выглаживающей лыжей, собственную систему нивелирования 3D для бетоноукладчиков малых форм и множество других полезных опций.
Конструкция дорожной одежды современной автомобильной дороги с цементобетонным покрытием предполагает устройство швов сжатия и расширения, в которые устанавливаются армирующие элементы в виде штырей. Для поперечных швов сжатия и растяжения используются так называемые дюбели, имеющие гладкий профиль, а для продольных швов сжатия – анкеры, имеющие периодический профиль. Дюбели и анкеры могут устанавливаться заранее вручную на специальные поддерживающие кондукторы или могут вибропогружаться в автоматическом режиме в свежий бетон, непосредственно во время укладки, специальным оборудованием в виде автоматических вибропогружателей дюбелей DBI в поперечных швах и вибропогружателей анкеров в продольных швах TBI и STB, установленных непосредственно на бетоноукладчике.
При строительстве автомобильных дорог особая роль отводится технологии двуслойной бетоноукладки («свежий-по-свежему»). Технология предполагает устройство единого слоя покрытия, когда поверх свежеуложенного слоя из бетона более низкой марки с крупным заполнителем наносится верхний слой из высокомарочного бетона с мелким заполнителем и высоким содержанием цемента. Укладка может производиться как комплексом из двух раздельных однотипных машин, так и одной машиной.
Данная технология особенно широко применяется в Германии и Австрии. Распространена она и в прочих европейских странах (Бельгии, Нидерландах, Великобритании и др). Средний расчетный срок службы дорожных одежд, устроенных по такой технологии, составляет 30 лет, на практике же они служат значительно дольше – около 40–50 лет. Общая толщина покрытий составляет 20–32 см. Особые требования к верхнему высококачественному слою заключаются в следующем: его толщина должна составлять не менее 5 см, содержание цемента, в том числе со специальными свойствами, – не менее 420 кг/м3 . При этом должен использоваться только дробленый щебень фракций 2/8 и 5/8 мм с высокими показателями прочности. Для создания поверхностной текстуры повсеместно в ЕС и других странах применяется «бетон с открытым заполнителем» («мытый бетон», waschbeton или exposed aggregate concrete), когда после необходимого набора прочности мелкий заполнитель механизированно выметается жесткой щеткой, открывая более крупный. Прежде всего, такая поверхность обеспечивает наилучшую шероховатость для безопасной езды, снижение шума, в отличие от поперечной шероховатости, и высокую долговечность за счет прекрасной морозостойкости.
Контраргументом в отношении низкой стойкости цементобетонных покрытий к шипованной резине и солевым реагентам выступает тот факт, что только двуслойные цементобетонные покрытия «с открытым заполнителем» способны обеспечить высокую долговечность при адекватной себестоимости. Впоследствии цементобетонные покрытия также могут быть перекрыты тонкослойным асфальтобетонным покрытием, фактически выполняющим слой износа, что значительно увеличит жизненный срок службы дорожной одежды, межремонтный срок, простоту эксплуатации и ремонтов.
Активное применение технологий укрепления грунтов, холодной регенерации и строительства бетонных дорог позволило бы быстрее привести дорожную сеть в нормативное состояние; обеспечить выполнение транспортной части «Комплексного плана модернизации и расширения магистральной инфраструктуры (КПМИ)», национальных проектов «Безопасные и качественные автомобильные дороги» и «Комфортная городская среда», а также федеральных проектов, госпрограмм и поручений президента и правительства. А снижение себестоимости строительства и ремонта дорожных одежд и повышение их долговечности снизят периодичность и стоимость последующих ремонтов, что позволит высвободившиеся денежные средства направить на дальнейшее расширение дорожной сети.
Автор: Ю.Г. Жуков, руководитель направлений «Цементобетон» и «Ресайклинг»
Источник: Журнал «Дорожная держава», №101-2021, https://dorvest.ru/dd/newnumber.html