Требования к георешеткам для армирования монолитных слоев дорожных одежд

Наиболее распространенным материалом для устройства покрытий автомобильных дорог в России стал асфальтобетон. Но несмотря на хорошую сопротивляемость кратковременным нагрузкам, постепенно его физические возможности могут исчерпываться, не обеспечивая требуемое в настоящее время продление срока службы дорожной одежды.
30 апреля 2019

30 апреля 2019

Наиболее распространенным материалом для устройства покрытий автомобильных дорог в России стал асфальтобетон. Но несмотря на хорошую сопротивляемость кратковременным нагрузкам, постепенно его физические возможности могут исчерпываться, не обеспечивая требуемое в настоящее время продление срока службы дорожной одежды. С целью решения данной проблемы проектировщики и строители обратили внимание на армирующие материалы, которые способны воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения и предотвращать избыточную горизонтальную деформацию удлинения при изгибе монолитных слоев, возникающих при многочисленных кратковременных воздействиях колесной нагрузки, приложенной к покрытию.

Наиболее близким аналогом применения геосинтетических материалов является армирование бетонных конструкций стальной арматурой, которое вот уже несколько десятилетий считается очень эффективным способом повышения прочности конструкций. Асфальтобетон также должен воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения и предотвращать избыточную деформацию, возникающую от температурных колебаний (диапазон температурной работы дорожной одежды для II дорожноклиматической зоны составляет около 100 °С, от –35 до +60). Кроме того, асфальтобетонные покрытия в процессе службы дороги постоянно подвергаются воздействию погодно-климатических факторов и изменяют свои свойства во времени. Так, например, быстрое старение битума, входящего в состав смеси, происходит под воздействием кислорода, температурных условий и воды. Это, в конечном счете, приводит к значительному снижению водо- и морозостойкости асфальтобетона и появлению трещин и выбоин.

На современном рынке представлено большое многообразие геосинтетических материалов, но не все они обладают необходимыми армирующими свойствами. Сегодня в основном предпочтение отдают георешеткам, обладающим высокой химической стойкостью, водо- и светостойкостью, повышенными прочностными и низкими деформативными характеристиками, неплохой адгезией с асфальтобетоном и термостойкостью в диапазоне рабочих температур укладки асфальтобетонной смеси (120–160 °С).

Введение в монолитные слои дорожной одежды армирующей прослойки из георешетки позволяет увеличить сопротивление асфальтобетона усталостному разрушению от растяжения при изгибе, повысить сопротивление растягивающим температурным напряжениям. При правильном конструировании, исполнении и использовании качественных геосинтетических материалов существенно (до 50%) уменьшается колееобразование на покрытиях в III–V дорожноклиматических зонах, в 2–3 раза увеличивается шаг температурных трещин, в 1,5–2 раза — срок службы асфальтобетонных покрытий даже в суровых климатических условиях.

Изучив российский и мировой опыт проектирования и строительства, можно сформулировать ряд принципиальных требований к геосинтетике, соблюдение которых будет способствовать повышению эффективности армирования асфальтобетонных покрытий. Однако следует отметить, что в различных источниках отечественных и зарубежных исследователей и производителей геосинтетических материалов эксплуатационные характеристики и технологические параметры значительно отличаются друг от друга, что не позволяет достоверно оценить эффективность армирования и выработать единую концепцию.

Остановимся подробнее на исследованиях российских авторов и требованиях, предъявляемых к армирующим георешеткам для монолитных слоев дорожной одежды:

  1. По исследованиям В.В. Сиротюка (д. т. н., профессор СибАДИ), модуль упругости арматуры (геосинтетического материала) должен быть намного (в 68 и более раз) выше, чем у армируемого материала, иначе асфальтобетон может получить избыточные деформации раньше, чем геосинтетический материал воспримет и перераспределит растягивающие напряжения. По мнению Э.Д. Бондаревой (к. т. н., доцент кафедры «Автомобильные дороги» СПбГАСУ), модуль упругости георешетки должен быть соизмерим с модулем упругости армируемого асфальтобетона. Л.Б. Шевердин (генеральный директор компании «НОТЕХ», производящей геосинтетические материалы для дорожного строительства) в своей публикации утверждает, что модуль упругости армирующего материала должен быть больше модуля упругости асфальтобетона, но не более чем на один порядок, чтобы воспринимать растягивающие усилия.
  2. Согласно ОДМ 218.5.001-2009, прочность армирующей георешетки на растяжение с учетом усталостных явлений от многократных силовых воздействий для наибольшего эффекта должна превышать прочность асфальтобетона и быть не менее 50 кН/м. Решетки, обладающие меньшей прочностью и повышенной деформативностью, могут использоваться в качестве трещино-прерывающих прослоек, а также для уменьшения колееобразования. Применительно к автомобильным дорогам I технической категории прочность должна находиться в диапазоне от 80 до 100 кН/м в связи с повышенными нагрузками от автотранспорта. Аналогичные показатели в ОДМ 218.5.001-2009 прописаны и в целом для I дорожно-климатической зоны в связи со значительными температурными воздействиями на дорожное покрытие.
  3. Геосинтетический материал должен иметь не менее 75% свободной поверхности от общей площади для обеспечения плотного соприкосновения нижележащего и вышележащего слоев асфальтобетона. Также требуется наличие прочного сцепления с армируемым материалом для перераспределения возникающих напряжений в дорожном полотне.
  4. Разница между коэффициентами температурного расширения асфальтобетона и армирующего материала должна быть как можно меньше, так как при перепадах температур в месте их соединения возникают вторичные локальные напряжения, которые могут превысить предельные значения. При этом система перестанет работать как единое целое.
  5. Самым эффективным является расположение георешетки в слое асфальтобетона с наибольшими растягивающими напряжениями (нижний слой покрытия).
  6. Армирующая георешетка должна обладать низкой ползучестью при длительном приложении нагрузки и восприятии длительных температурных напряжений. В противном случае геосинтетический материал утратит свое предназначение, не выдержав возникшие напряжения, либо релаксируя их.
  7. Расположение армирующего материала в зоне промерзания (активной зоне) не должно влиять на потерю адгезионной способности георешетки после воздействия попеременных циклов промерзания — оттаивания. Не должны происходить деформация и снижение прочностных характеристик при отрицательных и высоких положительных температурах.
  8. Георешетка должна выдерживать температуру укладки асфальтобетонной смеси (120–160 °С) и обладать высокой термостойкостью.
  9. Недопустима потеря прочности в соленых и пресных водах.
  10. Армирующая георешетка должна иметь высокую химическую стойкость к воздействию кислот и щелочей.
  11. Недопустима потеря прочности георешетки под действием солнечных лучей (ультрафиолета).
  12. По мнению Э.Д. Бондаревой, оптимальный размер ячеек георешетки — 30×30 — 40×40 мм. По исследованиям В.В. Сиротюка, оптимальный размер ячеек для мелкозернистого асфальтобетона — 25×25 мм, для крупнозернистого — 35×35 мм. По технологическому регламенту размер ячеек рекомендуется подбирать из расчета в 2–2,5 раза больше размера щебня, используемого в асфальтобетонной смеси (по максимальным диаметрам). При производстве крупнозернистого асфальтобетона используется щебень фракции до 40 мм, среднезернистого — до 20 мм, мелкозернистого — до 15 (10) мм. Таким образом, размер ячеек должен находиться в диапазоне от 20×20 мм (для мелкозернистого асфальтобетона) до 100×100 мм (для крупнозернистого асфальтобетона). Л. Б. Шевердин считает оптимальным размер ячеек от 20×20 до 40×40 мм.
  13. При строительстве и эксплуатации автомобильной дороги геосинтетический материал не должен оказывать негативного воздействия на окружающую среду (ОДМ 218.5.001-2009).
  14. Увеличение стоимости строительства с применением армирующего материала должно оправдывать эффект от его применения.

Приведенный анализ показывает значительный разброс во мнениях исследователей и производителей, что значительно осложняет выбор конкретного материала для армирования и подтверждает отсутствие единого мнения в назначении таких параметров георешеток, как модуль упругости, прочность, размер ячеек и других. Именно поэтому требуется систематизация уже имеющихся знаний, дальнейшее проведение полномасштабных экспериментальных исследований и выработка единых рекомендаций для производства и применения геосинтетики в дорожных одеждах автомобильных дорог.

А. А. Игнатьев, к. т. н., декан архитектурно-строительного факультета;
К. А. Курочкина, ассистент
(Ярославский государственный технический университет)

Журнал «ДОРОГИ. Инновации в строительстве» № 67, январь-февраль 2018 г.

Материалы для дорожного строительства