дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий

Формула изобретения

1. Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающая призму из укрепленного грунта с дренирующей системой, размещенные на ней и изготовленные из дренирующего бетона основание и покрытие со слоем износа, отличающаяся тем, что покрытие и основание выполнены из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного крупного заполнителя в виде щебня, при этом основание и покрытие выполнены двухслойными:

- нижний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 40 мм толщиной, выбранной в пределах от 100 мм до 300 мм;

- верхний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм, которым также укрыты боковые поверхности нижнего слоя основания и грунтовой призмы слоем толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм;

- нижний слой покрытия выполнен из мелкого щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм с толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 100 мм;

- верхний слой покрытия - слой износа - выполнен из мелкозернистого бетона толщиной, выбранной в пределах от 5 мм до 20 мм.

2. Дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий по п.1, отличающаяся тем, что слой износа выполнен с равномерно распределенной по покрытию перфорацией на всю толщину в виде конических ямок круглой или многоугольной формы в основаниях с обратным трапециевидным вертикальным сечением, со средней шириной по нижнему основанию обратной трапеции от 5 мм до 10 мм и углом наклона бокового ребра трапециевидного сечения к вертикальной оси от 15° до 40° из расчета суммарной площади перфорации поверхности слоя износа от 5 до 20% площади покрытия.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к строительству дорожных одежд для автомобильных дорог и аэродромных покрытий и может быть использовано в дорожных конструкциях и покрытиях, к которым предъявляются требования обеспечения высокой безопасности движения транспортных средств путем эффективного дренирования воды и других жидкостей с поверхности дорожных одежд.

Известна дорожная одежда, включающая основание из плотно укатанных дренирующего слоя и слоя щебня из слабопрочного известняка или гравия, а также слой из крупнозернистого асфальтобетона и покрытие из асфальтобетона с расположенным на нем слоем поверхностной обработки из черного щебня-клинца крупностью до 10 мм (см., например, патент РФ № 2332535, кл. Е01С 7/18, 2006 г.). Причем в качестве асфальтобетонной смеси покрытия используют битумокерамзитовую композицию толщиной 60 мм, а в качестве керамзитового заполнителя берут керамзитовый песок фракции 0,14-5,0 мм в количестве до 70% масс.

Такая конструкция дорожной одежды позволяет за счет использования в составе покрытия керамзитового заполнителя заметно снизить теплопроводность дорожной конструкции, ее плотность и массу, а также толщину покрытия.

Однако использование в конструктивных слоях дорожной одежды асфальтобетонных смесей не обеспечивает необходимой прочности дорожной одежды, ее долговечности и способности нести возрастающие нагрузки на дорожное полотно: на покрытиях дорог появляются колеи, такие покрытия быстро разрушаются. Кроме того, для отвода воды из-под асфальтобетонного покрытия в известном решении под асфальтобетонным слоем основания предусмотрен дренирующий слой. Однако этот слой в процессе монтажа дорожной конструкции подвергается укатке, что заметно снижает эффективность его использования и, как следствие, эффективность применения известного решения в целом.

В другом известном решении дорожная одежда включает песчаное основание, прослойку из нетканого пористого синтетического материала, размещенную на основании под швами расширения покрытия, и покрытие из сборных плит со швами расширения (см., например, патент РФ № 2020197, кл. Е01С 5/00, 1990 г.). Для повышения устойчивости и прочности дорожной одежды в известной конструкции основание выполнено из округлого одномерного песка диаметром более 0,1 мм, а между покрытием и прослойкой из нетканого синтетического материала размещен дополнительный слой из одномерного округлого песка. Причем пустоты в этом слое песка и в нетканой прослойке, а также швы расширения заполнены герметизирующим упругим материалом, например, из битумных, битумно-резиновых и битумно-полимерных мастик, различных изолов, вследствие чего образуется упругодеформирующий материал, воспринимающий нагрузки от покрытия при упругих деформациях и распределяющий нагрузки на основание.

Однако заполнение пустот в основании и швах расширения упругодеформирующим материалом одновременно герметизирует слои известной дорожной одежды, что существенно снижает дренирующую способность основания, может привести к его морозному пучению и, таким образом, существенно снизить устойчивость дорожной одежды.

Наиболее близкой к предлагаемой и принятой за прототип является дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающая упрочненный грунт и изготовленные из пористого дренирующего цементобетона основание и покрытие (см., например, Ланге Ю.Г. Применение пористого (дренирующего) цементобетона при строительстве слоев дорожной одежды / Автомобильные дороги и мосты / Обзорная информация / ИНФОРМАВТОДОР, вып.6. - М., 2007. 88 с.).

В известной конструкции дорожной одежды верхний слой-покрытие, несущий функцию дорожного покрытия, и нижний слой-основание, выполняющий конструктивную и водопроницаемую функцию, изготовлены из пористого цементобетона. Для обеспечения комфорта и безопасности движения верхний слой может содержать слой усиления (износа) толщиной до 50 мм. Основные слои дорожной одежды в известной конструкции уложены на земляное полотно, которое примерно на глубину 150 мм укреплено цементом («укрепленный грунт») для предотвращения возможной эрозии от просачивающейся дождевой воды. Следует заметить, что в рассматриваемой конструкции предусмотрено последовательное (сверху вниз) снижение коэффициента водопроницаемости каждого слоя для обеспечения непрерывного испарения воды и поддержания таким образом функции ограничения так называемого «острова теплого воздуха» вдоль дороги. Для отвода дождевой воды и просачивания ее в окружающий грунт устраивается водопроницаемый желоб.

Верхний слой-покрытие в рассматриваемом типе конструкции дорожной одежды характеризуется достаточной ровностью, шероховатостью, водопроницаемостью и шумопоглощением, а нижний слой-основание - высокой несущей способностью. Однако для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик расход цемента при изготовлении известной конструкции достигает 300 кг/м³, что существенно удорожает известную конструкцию, заметно снижая эффективность ее применения.

Целью предлагаемого изобретения является снижение расхода цемента и удешевление строительства дорожной одежды, обеспечение безопасности движения транспорта.

Поставленная цель достигается тем, что в дорожной одежде для автомобильных дорог и аэродромных покрытий, включающей призму из укрепленного грунта с дренирующей системой, размещенные на ней и изготовленные из дренирующего бетона основание и покрытие со слоем износа, покрытие и основание выполнены из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного крупного заполнителя в виде щебня, при этом основание и покрытие выполнены двухслойными:

- нижний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 до 40 мм с толщиной, выбранной в пределах от 100 до 300 мм;

- верхний слой основания выполнен из щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм, которым также укрыты боковые поверхности нижнего слоя основания и грунтовой призмы слоем толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм;

- нижний слой покрытия выполнен из мелкого щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм с толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 100 мм;

- верхний слой покрытия - слой износа - выполнен из мелкозернистого бетона толщиной, выбранной в пределах от 5 мм до 20 мм.

Кроме того, слой износа выполнен с равномерно распределенной по покрытию перфорацией на всю толщину в виде конических ямок круглой или многоугольной формы в основаниях с обратным трапециевидным вертикальным сечением, со средней шириной по нижнему основанию обратной трапеции от 5 мм до 10 мм и углом наклона бокового ребра трапециевидного сечения к вертикальной оси от 15° до 40° из расчета суммарной площади перфорации поверхности слоя износа от 5 до 20% площади покрытия.

За пределами указанных параметров изготовления предлагаемого дорожного покрытия поставленная цель не достигается.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что благодаря новой технологии - капсуляции плотного заполнителя - происходит интенсивное втирание и вдавливание цементного раствора в поверхность щебеночного заполнителя с образованием тонкой, но очень прочной оболочки - капсулы толщиной 0,1-0,5 мм. Контакт таких капсулированных частиц заполнителя позволяет получать монолитную структуру дренирующего бетона без заполнения пустот между зернами заполнителя, что, в свою очередь, обеспечивает получение цементобетона со значительной пустотностью (достигающей 30-50% объема) и высокой дренирующей способностью новых бетонов (фиг.1 и фиг.2), что значительно превышает аналогичную для известных дренирующих бетонов.

Кроме того, размещение на боковых поверхностях грунтовой призмы и нижнего слоя основания монолитного слоя дренирующего бетона того же состава, что и верхнее основание, и толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм (согласно предлагаемому решению призма и нижний слой основания «укрыты» слоем дренирующего бетона), предотвращает расползание призмы и конструктивных слоев дорожной одежды под действием возрастающих транспортных нагрузок на дорожное полотно, также повышая долговечность дорожной одежды и безопасность движения на дорогах.

Нижний слой покрытия, изготовленный из плотного мелкого щебня фракции от 2 мм до 10 мм, наносится на поверхность верхнего слоя основания с толщиной от 50 мм до 100 мм и имеет весьма шероховатую поверхность (фиг.3).

На поверхность нижнего слоя покрытия наносится слой износа толщиной от 5 мм до 20 мм. Применение разработанного слоя износа позволяет изолировать зерна щебня на поверхности покрытия от механического воздействия колес автотранспорта, предотвращает вырыв частиц щебня, а также снижает истираемость и износ покрытия, одновременно позволяя обеспечить высокую регулируемую шероховатость и значительную водопроницаемость покрытия.

Предлагаемая перфорация слоя износа значительно увеличивает сцепление поверхности шин автомобилей с полотном в связи с зацеплением выступами протекторов за углы конических круглых или многоугольных перфораций, величина которых колеблется к вертикальной оси от 15° до 40°, а суммарная площадь равномерно распределенных перфораций составляет от 5 до 20% поверхности покрытия. Кроме того, знакопеременные локальные воздействия на воду находящуюся в ямках, продавливают ее в дренирующий нижний слой покрытия и крупнопористый бетон основания, а в зимнее время разрушает частички льда в ямках, превращая их в крупку, улучшающую сцепление протектора автошин с покрытием.

Предлагаемая конструкция дорожной одежды для автомобильных дорог и аэродромных покрытий показана: на фиг.1 (фотография) - поперечное сечение уложенного нижнего слоя основания предлагаемой дорожной одежды; фиг.2 (фотография) - поверхность уложенного верхнего слоя основания этой дорожной одежды; фиг.3 (фотография) - поверхность уложенного нижнего слоя покрытия; фиг.4 - поперечный разрез (все слои) предлагаемой дорожной одежды; фиг.5 (фотография) - поперечное сечение верхнего слоя основания и нижнего слоя покрытия; фиг.6 - перфорированная поверхность дорожной одежды с нанесением, например, многоугольных пирамидальных «ямок»: а) общий вид, б) «ямка».

Дорожная одежда (фиг.4) содержит двухслойное покрытие, включающее верхний слой 1 - слой износа толщиной от 5 мм до 20 мм, изготовленный из мелкозернистого бетона, и нижний слой 2, изготовленный из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 2 мм до 10 мм. Покрытие уложено на основание дорожной одежды, выполненное так же, как и покрытие двухслойным и содержащее верхний слой 3 и нижний слой 4, изготовленные аналогично слою 2 покрытия из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня, причем верхний слой 3 содержит щебень фракций от 5 мм до 20 мм, а нижний слой 4 содержит щебень с размером зерен от 5 мм до 40 мм. Основание дорожной одежды смонтировано на призме 5 из грунта, а для отвода воды из основания в заявляемой конструкции предусмотрен дренаж 6. Для укрепления откосов призмы 5 и нижнего слоя 4 основания дорожной одежды боковые поверхности нижнего слоя 4 основания и призмы 5 до ее нижней части укрыты монолитным слоем 7 дренирующего бетона того же состава, что и верхний слой 3 основания, и толщиной, выбранной в пределах от 50 мм до 200 мм. При опасности заиливания основания дорожной одежды на верхней и боковых поверхностях призмы может быть уложена прослойка из геотекстильного полотна (геотекстильной сетки) 8, использование которого, по мнению зарубежных специалистов, является перспективным направлением совершенствования методов строительства аэродромов, автомобильных и железных дорог.

Строительство автомобильных дорог по предлагаемому изобретению может вестись согласно Инструкции ВСН 139-80 «Инструкция по строительству цементобетонных покрытий автомобильных дорог», предусматривающей соответствующую технику, оснастку и приспособления, а возведение аэродромных покрытий может осуществляться согласно технологиям, приведенным в монографии «Гражданские аэродромы», под ред. В.И. Иванова. - М.: «Воздушный транспорт». - 2010. - 280 с.

Дорожную одежду согласно предлагаемому техническому решению возводят следующим образом.

На призму 5 из грунта укладывают и закрепляют полотна геотекстиля 8 для предотвращения заиливания несущих слоев дорожной одежды и укрепления откосов призмы 5, после чего на призму укладывают двухслойное основание. Согласно заявляемому решению сначала изготавливают и укладывают нижний слой 4 основания из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 5 мм до 40 мм с последующим его твердением в течение 0,5-1-х суток в зависимости от температуры окружающей среды. Затем на боковых поверхностях призмы 5 до ее нижней части, а также на слое 4 укладывают верхний слой 3 основания, изготовленный, как и слой 4, из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня с размером зерен от 5 мм до 20 мм (фиг.5).

После отвердевания в течение 1-2-х суток (в зависимости от погодных условий) верхний слой 3 основания совместно со слоем 7 крупнопористого бетона на боковой части призмы 5 образуют монолитную структуру, укрывающую и, таким образом, изолирующую призму 5 от водной и ветровой эрозии, повышая ее общую устойчивость при воздействии многотоннажных транспортных нагрузок. Следует заметить, что в летнее время при температурах не ниже 10-12°С для твердения бетона достаточно одних суток, а в более холодное время оно может увеличиваться до 3-х суток, если не применяется теплозащита дорожной одежды. При температуре окружающей среды до -10°С возможно применение противоморозных добавок, например, нитрит - нитрат хлоридов кальция. Для отвода воды из дорожной одежды в нижнем слое 4 основания предусмотрен дренаж 6.

На уплотненное омоноличенное и затвердевшее основание дорожной одежды укладывают нижний слой 2 покрытия, изготовленный, как и основание, из капсулированного и омоноличенного в массив цементным раствором плотного щебня фракций от 2 мм до 10 мм.

После выдержки в течение 5-6 часов на нижний слой 2 покрытия наносят слой износа 1 из мелкозернистого бетона толщиной от 5 мм до 20 мм, который разравнивают стальной рейкой и укрывают брезентом.

После выдержки в течение 1-3 часов схватившийся слой износа 1 из мелкозернистого бетона перфорируют на всю толщину с помощью специального вала с рельефным рисунком в виде конических выступов для нанесения конических, например, круглых ямок диаметром от 5 мм до 10 мм из расчета площади перфорации от 5 до 20% (фиг.6).

После нанесения перфорации поверхность покрытия обрабатывают пленкообразующим веществом, например раствором этилбутилцитата натрия.

Выдержка готового покрытия в течение 1-2 суток (в зависимости от температуры окружающей среды) позволяет ему приобрести 30-40% своей прочности, достаточной для открытия дорожного движения транспорта.

Сравнительные строительно-технические свойства и характеристики дренирующих бетонов по прототипу и предлагаемой дорожной одежде приведены в таблице.

Применение в верхнем высокопрочном слое покрытия заявляемой дорожной конструкции - слое износа - регулируемой перфорации на всю толщину в виде ямок оригинальной формы с суммарной площадью от 5 до 20% от площади покрытия обеспечивает необходимую шероховатость покрытия, повышает коэффициент трения поверхности колес автомобилей с полотном.

Таблица
Характеристики дорожных одежд
Слой дорожной одежды	Расход цемента на 1 м3, кг	Открытая пористость, % по объему	Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа	Водопроницае- мость, м/с
Предлагаемая конструкция дорожной одежды
Покрытие:
- слой износа (из мелкозернистого бетона)	450	12	40,2	1,0
- нижний слой	120	25	17,7	1,2
Основание:
- верхний слой	105	27	14,7	1,4
- нижний слой	127	29	13,2	1,6
Прототип
Покрытие	300	20	18,0	0,9
Основание (верхний слой)	200	15	12,0	0,001

Высокая дренирующая способность заявляемого дорожного покрытия позволяет решать проблему быстрого удаления воды с поверхности, делая его практически сухим и повышая, таким образом, безопасность движения в дождливую погоду.

Предлагаемая дорожная одежда для автомобильных дорог и аэродромов, содержащая дренирующие прочное износостойкое покрытие и основание из крупнопористого цементобетона на основе капсулированного щебеночного заполнителя, благодаря высокопористой структуре слоев покрытия и основания ускоряет отвод воды из дорожной одежды, обеспечивает хорошую дренирующую способность дорожной конструкции, повышает ее морозостойкость и долговечность, предохраняя от растрескивания и расслаивания в процессе замерзания и оттаивания.