30 апреля 2019
В течение последних лет, c опорой на зарубежный опыт и экспериментально-теоретические исследования, были выявлены существенные физико-механические показатели геосинтетических материалов и основные факторы, оказывающие разрушительное воздействие на геосинтетику при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог: пониженные температуры, солнечная радиация (ультрафиолетовое излучение), агрессивные среды (воздействие кислотной и щелочной среды), микробиологическое воздействие, повреждаемость материалов циклическими нагрузками во время их укладки и т. д.
Разработанный на основе этих исследований комплекс нормативно-технических документов позволяет оценивать качественные характеристики применяемых геосинтетических материалов, устанавливает минимальный набор физико-механических свойств для выполнения основных функций, на основе которого отечественные и зарубежные производители разрабатывают свои стандарты организаций и поставляют продукцию на объекты строительства.
Базовыми показателями для геосинтетики на данный момент являются прочность при растяжении и относительное удлинение при максимальной нагрузке, определяемые по ГОСТ Р 550300-2012. Но показатель «прочность при растяжении» в большей мере теоретический, не имеющий практического применения при работе материала в конструкции. Эта характеристика применяется для оперативного контроля качества материала (например, входного контроля), а также для оценки потери рабочих свойств материалов после воздействия вышеперечисленных факторов, как соотношение прочности после воздействия определенного фактора к исходной прочности материала. Как уже было отмечено выше, этот параметр не имеет практического применения для расчетов эксплуатационных свойств конструкций, поскольку деформации, при которых достигается максимальная прочность материалов, ведут к необратимому разрушению конструкций.
В соответствии с ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог», при практическом применении геосинтетики важными показателями, связанными с прочностью, является усилие в образце, отнесенное к ширине образца при двухпроцентном относительном удлинении. Возможно, стоит пересмотреть нормируемые параметры прочности при растяжении. Такой подход улучшит сходимость и воспроизводимость результатов испытаний, расширит диапазон допускаемых к испытанию материалов уже на имеющемся оборудовании, введет показатель, который имеет большее практическое применение, но с другой стороны, потребует пересмотра действующих национальных стандартов. Этот вопрос целесообразно решать комплексно, совместно с производителями геосинтетических материалов, проектировщиками и основными регуляторами — Федеральным дорожным агентством и ГК «Автодор».
Помимо предложенных показателей, с точки зрения выявления удлинения и падения прочности, в практической плоскости также важен показатель ползучести при растяжении и разрыва при ползучести, поскольку материал эксплуатируется в течение десятков лет, и кратковременное динамическое растяжение не дает возможности полностью предсказать его поведение в армогрунтовых конструкциях. Очевидно, что показатели ползучести нужно ввести в нормативные документы для армогрунтовых конструкций как параметры типовых испытаний в связи с длительным сроком проведения испытания, который по ГОСТ Р 56339-2015 составляет 1 тыс. часов. В соответствии с ОДМ 218.2.047-2014, предполагается также испытание на ползучесть в течение 10 тыс. часов, что позволяет экстраполировать это испытание на десятки лет. Явный недостаток таких испытаний — это длительное время их проведения. Подобных проблем можно отчасти избежать, используя методику ступенчатых изотерм в соответствии с ОДМ 218.2.047-2014. Сущность этой методики заключается в том, что при испытании одиночного образца геосинтетического материала температура увеличивается для ускорения ползучести материала, благодаря чему срок испытания можно снизить до одного дня. После этого секции кривой ползучести, измеренной при каждом уровне температуры, объединяют для получения единой обобщенной кривой, по которой можно прогнозировать долгосрочную деформацию ползучести и срок службы материала до разрушения. Недостаток представленного метода связан с ограничением его использования только полимерными геосинтетическими материалами, а также отсутствием возможности его применения к геосинтетическим материалам из минерального сырья в связи с его более высокой теплостойкостью, поскольку на него даже максимальная температура 90 °C, нормированная в ОДМ 218.2.047-2014, не оказывает существенного влияния.
В настоящее время все геосинтетические материалы, не зависимо от выполняемой функции, проходят испытания по определению коэффициентов запаса для оценки долговечности в соответствии с ОДМ 218.2.047-2014. При этом, по мнению некоторых производителей, оценка повреждаемости при укладке материалов в слои щебня и песка, которые выполняют функцию армирования асфальтобетонных слоев, не является объективной и требует пересмотра.
Поэтому в настоящее время ведется разработка соответствующего проекта ПНСТ, в котором коэффициенты долговечности, соответствующие различным воздействующим факторам, определяются для каждой выполняемой материалом функции отдельно.
Развитие лабораторного оборудования для испытания дорожностроительных материалов не стоит на месте и постоянно совершенствуется, в том числе адаптируются и зарубежные методы испытаний к условиям и законодательству Российской Федерации и Евразийского экономического союза. Поэтому в настоящее время можно продолжать исследовать влияние геосинтетики на эксплуатационные свойства конструкции дорожной одежды уже в лабораторных условиях, что, естественно, обеспечит большую точность измерений и их воспроизводимость, а также снизит стоимость испытаний.
Одним из направлений подобного исследования было проведение АНО «НИИ ТСК» экспериментальной укладки различных геосинтетических материалов соответствующего назначения, в асфальтобетонные образцы в лабораторных условиях (рис. 1). В последующем на извлеченной из этих асфальтобетонных плит геосинтетике было проведено испытание на оценку повреждаемости материалов при укладке в асфальтобетон, которое показало сохранение остаточной прочности в среднем на уровне 18% от исходной (рис. 2).
Необходимо продолжать исследование геосинтетических материалов для армирования асфальтобетонных слоев дорожной одежды, разрабатывать и вводить эксплуатационные показатели, характеризующие работу материала непосредственно в конструкции. В рамках предложенного исследования можно провести испытание подготовленных вышеобозначенным способом образцов на сжатие, изгиб, сдвигоустойчи-вость, колееустойчивостьи прочность сцепления слоев асфальтобетона с геосинтетическим материалом. Отдельно стоит отметить испытания на изгиб асфальтобетонных образцов балочек с геосинтетическим материалом между слоями, оценивая, в том числе, ее трещинопрерывающие функции (рис. 3) и работу материала в образце. По результатам проведенных испытаний можно сравнить данные образцов, изготовленных с применением различных геосинтетических материалов между собой, и, самое главное, с аналогичными образцами, но изготовленными без геосинтетических материалов. Получив требуемые характеристики, разработав методику их определения и количественное значение, которое обеспечено должной сходимостью и воспроизводимостью, целесообразно будет внести соответствующие изменения в национальный стандарт, устанавливающий технические требования к геосинтетическим материалам, выполняющим функцию армирования асфальтобетонных слоев дорожной одежды.
Выше были рассмотрены частные проблемы, возникающие в процессе применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве. Основная же трудность, встающая на пути успешного применения геосинтетики в РФ — это отсутствие «официальных» методик расчетов конструкций дорожных одежд с применением геосинтетических материалов, например, в виде национального стандарта.
В действующем в настоящее время нормативном документе, регламентирующем проектирование нежестких дорожных одежд — ОДН 218.046-01 — практически отсутствуют численные методики учета влияния геосинтетических материалов на конструкцию дорожной одежды. ОДН 218.046 содержит положения о необходимости применения геосинтетических материалов в качестве защитных, дренирующих и трещинопрерывающих слоев, а также прослоек, разделяющих песчаные и щебеночные слои. Однако из численных параметров влияния применения геосинтетических материалов в документе присутствует только коэффициент kд, учитывающий особенности работы конструкции на границе песчаного слоя с нижним слоем несущего основания. При устройстве нижнего слоя из укрепленных материалов, а также при укладке на границе «основание — песчаный слой» разделяющей геотекстильной прослойки данный коэффициент имеет значения от 3,0 до 4,5, в то время как в конструкциях без применения геосинтетики значение этого параметра составляет 1,0.
Таким образом, при расчете на прочность по условию сдвигоустойчивости грунта земляного полотна и малосвязных конструктивных слоев, конструкции с применением геосинтетических материалов имеют значительное преимущество и запас прочности, чем конструкции без геосинтетики. Однако в данном расчете отсутствуют указания типов применяемых геосинтетичеких материалов, их прочностные и эксплуатационные характеристики.
Вторая проблема, вытекающая из отсутствия национального стандарта, — это сложившаяся практика проектных расчетов конструкций с применением геосинтетических материалов, состоящая в применении методик расчета, разработанных производителем геосинтетики под выпускаемый им материал. В формируемой таким образом проектной документации указывается марка материала отдельного производителя либо механические свойства и поверхностная плотность этого материала, что фактически указывает на применение именно этого конкретного материала. Такая ситуация повышает риски, связанные с надежностью конструкций с использованием геосинтетики, и создает затруднения для здоровой рыночной конкуренции в сфере производства геосинтетических материалов, что может со временем негативно сказаться на улучшении качества геосинтетики и динамики снижения ее стоимости.
Решением перечисленных проблемных вопросов может быть обобщение существующего опыта проектирования конструкций с применением геосинтетики и его всестороннее экспериментально-теоретическое исследование с проведением лабораторных и полевых испытаний, в том числе штамповых испытаний устраиваемых конструкций дорожных одежд и сопоставительных полигонных испытаний с целью формирования оптимальных методик расчета для будущего национального стандарта.
Таким образом, изучение поведения в дорожных одеждах имеющихся геосинтетических материалов в различных условиях эксплуатации является важной составляющей программы по развитию технологии применения геосинтетики в автодорожном строительстве. Предложенные исследования позволят актуализировать нормативную базу, адаптировать и больше приблизить методы испытаний геосинтетических материалов к реальным условиям их эксплуатации в конструкциях автомобильных дорог, а значит, организовать их более рациональное применение, обеспечить здоровую конкуренцию на рынке и больший экономический эффект от их применения в рамках полного жизненного цикла автомобильной дороги.
М. И. Никитин, ведущий специалист, эксперт по геосинтетическим материалам;
М. Ю. Горский, руководитель лаборатории оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог»
(АНО «НИИ ТСК»)
Журнал «ДОРОГИ. Инновации в строительстве» № 67, январь-февраль 2018 г.