Параметры смеси, влияющие на уплотнение

Чтобы произошло эффективное уплотнение, сжимающая сила от дорожного катка должна превысить силу сопротивления уплотнению внутри смеси. Сопротивление смеси, это результат совместного сопротивления заполнителя и битумного вяжущего, который заполняет пустоты в заполнителе (6). Аналог системы заполнитель – битумное вяжущее, это система механики грунтов типа почва – вода, где сопротивление нормальной силе описывается как:

S = c + s тангенс j

где

S = почвенное сопротивление сдвигу;

С = когезия;

s = примененная вертикальная нагрузка;

j = угол внутреннего трения из-за взаимоблокировка частиц.

Сравнивая системы почва – вода и заполнитель – битумное  вяжущее, мы сразу увидим, что когезионные силы для битумного вяжущего гораздо больше, чем в системе почва – вода. Это из-за того, что вязкостное сопротивление битумного вяжущего гораздо выше кажущейся когезии между землей и водой.

Угол внутреннего трения увеличивается с увеличением угловатости частиц в массе заполнителя. Другими словами, смесь сделанная из речной гальки и песка имеет меньший угол трения, чем смесь сделанная из дробленых частиц заполнителя. В основном, чем больше процент дробленых частиц в массе заполнителя, тем больший угол внутреннего трения и тем труднее уплотнить смесь. Когда к заполнителю, который будет уплотнятся, добавляется жидкое битумное вяжущее, в начале смазывающий эффект жидкости уменьшает внутреннее трение между частицами заполнителя, позволяя им проскальзывать между друг другом, что создает условие для более сильного уплотнения. Однако при высоком содержание битума, битумное вяжущее сковывает частицы заполнителя и не позволяет им формироваться в более плотное состояние.

Параметры битумного  вяжущего не имеют значительного влияния на объемную вязкость смеси. Так как объемная вязкость это главная сила, препятствующая уплотнению, параметры заполнителя более важны, чем параметры битумного  вяжущего, потому что влияют на нее гораздо больше (6).

При рассмотрении уплотнения, кажется что:

1. Фактор наличия пустот должен иметь незначительный эффект, так как большинство смесей разработаны на 4% пустот;

2. Фактор наполнителя – битумное вяжущее, достаточно важен, так как он затрагивает объемную вязкость матрицы, которая окружает грубые частицы заполнителя;

3. Эффективный размер частиц наполнителя также важен, так как чем меньше эффективный диаметр наполнителя, тем больше его объемная вязкость;

4. Объёмная концентрация грубого заполнителя, возможно имеет наибольший потенциальный эффект на объемную вязкость; особенно когда увеличивается максимальный размер частиц, так как в этом случае нет сопутствующего увеличения в объёмной концентрации заполнителя.

Скорость сдвига также очень важна и это один фактор, над которым подрядчик имеет абсолютный контроль. Поэтому, если объемная вязкость для конкретной смеси выше нормы, подрядчик может уменьшить скорость катка чтобы уменьшить скорость сдвига. Таким образом он получит касательное напряжение достаточно высокое для увеличения плотности заполнителя. Конечно, подрядчик может увеличить вес катка, чтобы добиться того же эффекта.

Уплотнительное оборудование

Самоходные катки используются для обеспечения энергии сжатия, необходимой для достаточного уменьшения объема только что уложенной горячей асфальтобетонной смеси и обеспечения необходимой плотности. Этот уплотнительный поезд обычно состоит из двух или более катков, чтобы обеспечить:

1. Требуемую плотность, соответствующую спецификациям;

2. Гладкую поверхность.

Эти две цели достигаются через использование катков начальной укатки и промежуточных катков для обеспечения необходимой плотности смеси и чистовой прокатки, для удаления следов предыдущих катков. Промежуточные катки или катки начальной укатки могут иметь один или более вальцов, в зависимости от скорости укладчика и производительность катка начальной укатки. Если каток начальной укатки может обеспечить необходимую плотность, промежуточный каток может не потребоваться. Чистовой каток обычно необходим.

Каток начальной укатки, это уплотнитель, который первым укатывает свежеуложенную асфальтобетонную смесь и обычно он оборудован стальным вальцом, но также это может быть пневмоколёсный дорожный каток (PTR). Вальцовый каток может быть статичным или вибрирующим, но в любом случае первый каток который начнет уплотнение, должен быть самоходным с ведущим вальцом. Это устройство позволяет рыхлой горячей асфальтовой смеси подгибаться под ведущий валец. Если безприводной валец соприкасается с только что уложенной горячей асфальтобетонной смесью, то смесь имеет тенденцию собираться в волну и производить выступ материала сразу перед вальцом. После того как каток поменяет направление эта деформация остается  и производит бугор. Волосные трещины (растрескивание) также появляются, когда асфальтовая смесь раскатывается таким образом. Пневмоколёсный каток также может быть использован как каток начальной укатки, однако иногда трудно удалить углубления оставшиеся после него с помощью чистового катка. Горячая асфальтобетонная смесь также имеет тенденцию прилипать к резиновым покрышкам, что производит неровную поверхность. Поэтому, пневмоколёсный каток наиболее часто используется в качестве промежуточного катка. Чистовой каток, это обычно вальцевый каток.

Катки работают за асфальтоукладчиком в зоне укатки (уплотнения одним типом катка), длина зоны укатки определяется прежде всего количеством прокаток катка до достижения смесью требуемой плотности. Количество прокаток в свою очередь определяется эффективностью катка в получении необходимой плотности, уплотняемости уложенной горячей асфальтовой смеси, ширины катка, ширины линии укладки и скорости охлаждения полотна. Необходимо уплотнить полотно горячей смеси перед тем, как она охладиться до температуры приблизительно 80°С, которая называется температурой остановки. Скорость охлаждения слоя зависит от его толщины, температуры при укладке, температуры окружающего воздуха, температуры основания на которое укладывается асфальтовая смесь и ветрового режима. На Рис 6-24 показаны образцы доступных данных показывающих отношение время охлаждения к факторам влияющим на скорость охлаждения. 

Уплотнение всегда происходит от применения давления к постоянной области (8). Количество точек контакта в массе заполнителя увеличивается когда частицы передвигаются в более близкий контакт. Так уплотнение происходит только, когда горячая смесь сжимается в результате воздействия катка, опорной поверхности и окружающих частиц смеси. Если нет достаточного сжимающего давления, горячая смесь будет двигаться в стороны, производя разуплотнение вместо движения в вертикальном направления, производя уплотнение. Необходимо учитывать эту возможность уменьшения плотности при разработки схем укатки (Рис 6-25). Когда температура смеси падает и увеличивается количество точек контакта, сопротивление смеси дальнейшему уплотнению увеличивается. Этот процесс продолжается пока не произойдет дополнительное уплотнение. В этой точке отрицательной плотности, внутреннее сопротивление смеси становиться равным или превосходит уплотнительное контактное давление. Если отрицательная плотность не равна или не превосходит специфицированную плотность, оператор должен увеличить уплотнительное давление. Модификация конструкции смеси для улучшения плотности на месте, это обычная ошибка, совершаемая во многих дорожных проектах. Это общее правило, что конструкция смеси не должна претерпевать изменений ради увеличения плотности на месте проведения работ.

Способность оператора катка изменять контактное давление, увеличивает его шансы достижения установленной плотности. Оператору катка доступны следующие варианты увеличения контактного давления:

1. Увеличение балластной нагрузки (вальцевый или пневмоколесный катки);

2. Увеличение давления в шинах (пневмоколесный каток); и

3. Увеличение амплитуды компонента динамического усилия (вибрационный дорожный каток).

Рис. 6-24. Время доступное для уплотнения, основанное на температуре и толщине слоя и нижележащего основания (7)

Рис. 6-25. Уменьшение плотности при разработки схем укатки

 

Вальцевые катки были самыми первыми катками, используемыми в операциях по укладки горячих АБС. Они использовались исключительно до появления пневмоколёсных катков на самоходном шасси, которые были введены в 1930-х (9). В 1950-х были введены в эксплуатацию самоходные пневмоколёсные катки и в середине 50-х они были приняты во многих частях Соединенных Штатов. Катки с гидростатическим приводом были представлены в 1960-х и к концу той декады практически все изготовленные катки имели гидростатический привод, который обеспечивает лучший контроль скорости укатки и мягкие начало и остановку движении при смене его направления. В конце 60-х начали завоевывать популярность вибрационные вальцевые катки, и использование пневмоколёсных катков стало уменьшаться. В конце 1960-х, первые вибрационные дорожные катки были введены в эксплуатацию в Соединенных Штатах. Это машины оборудованы единственным вибрирующим вальцом, с пневмоколесным приводом. Более большие, более тяжелые вибрационные дорожные катки появились в Соединенных Штатах в 1970-х. Они были оборудованы одним или двумя вальцами размером до 25 тонн.

Вальцевые катки. Эти катки обычно тандемного или трехколесного типа и производятся различным весом и конфигураций. Трехколесные катки обычно весят от 8 до 14 тонн (10). Два задних колеса обычно 55 – 69 дюймов (140 – 175 см) в диаметре и 18 – 20 дюймов (46 – 51 см) в ширину. Этот каток используется особенно как обжимной каток во время первой части укатывающей операции, которая выполняется сразу после прохода укладчика. Теперь эти катки не имеют широко применения. Их самое большое преимущество в их способности применить сильное давление, из-за узких задних колес, и таким образом улучшать плотность в таких местах как продольные швы.

Тандемные катки, это двухосные катки с двумя вальцами одинаковой ширины. Обычно они весят от 5 до 14 тонн (10). Эти катки могут быть балластированы водой или песком для увеличения веса. Обычно, вальцы варьируются от 48 до 60 дюймов (122 – 152 см) диаметром и 42 – 54 дюймов (107 – 137 см) в ширину. Многие из этих катков имеют один ведущий валец для продвижения машины вперед. Ведущий валец часто большего диаметра, чем рулевой валец.

Так как горячий асфальтобетон имеет тенденцию прилипать к стальным вальцам, все катки имеют специальные системы орашения уплоняющего органа. Это форсунки и текстильный материал, закрепленные на поперечной балке, которые увлажняют поверхность барабана. Этот материал поддерживается влажными чтобы уменьшить прилипание, особенно когда валец холодный. Поперек стального барабана также установлен скребок для удаления асфальтовой смеси, которая прилипла к колесам. Водная система для увлажнения полотна используется во время начальной укатки, но не используется во время чистового укатывания.

Действительное сжимающее усилие снабжаемое стальными вальцами определяется контактным давлением между стальным вальцим и уплотняемой горячей асфальтобетонной смесью. Вертикальная нагрузка определяется полным весом катка и балласта. Область контакта определяется диаметром барабана и глубиной проникновения в массу асфальтобетонной смеси, что является функцией характеристик уплотнения горячей асфальтовой смеси (Рис 6-26). Таблица 6-3 содержит информацию по контактному давлению для нескольких катков с различным диаметром вальца и статической линейной нагрузкой для различной глубины проникновения вальца в свежеуложенный пласт (h1- h2 от Рис 6-26). При увеличении глубины проникновения для данного катка, контактное давление уменьшается, так как увеличивается площадь контакта. Для данного контактного давления, более большие вальцы имеют меньший угол контакта, чем вальцы меньшего размера, так как угол зависит от длины дуги А1А2, разделенной на радиус вальца (Рис 6-26). Так как более крупные вальцы имеют меньший угол контакта они также имеют более низкий компонент горизонтальной силы, которая стремится толкать против слоя, подвергающегося уплотнению.

R = радиус стального вальца

H₁ = толщина слоя перед началом уплотнения

H₂ = толщина слоя после окончания уплотнения

Θ = угол между точками соприкосновения слоя и вальца перед уплотнением А1 и после уплотнения А2

Рис. 6-26. Угол контакта металлического вальца со слоем горячей асфальтобетонной смеси, подвергающейся уплотнению (11)

Таблица 6-3. Контактное давление при различной глубине проникновения – вальцевые катки (10)

Класс	Диаметр вальца		Статическая линейная нагрузка		Глубина проникновения, дюймы
12-15 тонн Статический 3-колеса	69"	Условия			1/16	1/8	3/16			1/4		3/8		1/2		5/8		3/4
					Контактное давление
		Без балласта	341pli	psf	174	112		92	83		66		58		53		48
		С балластом	429 pli	psf	220	142		116	104		83		73		66		60
8 -12 тонн Статический Тандемный	60"	Без балласта	180pli	psf	96	64		53	45		38		33		29		26
		С балластом	250pli	psf	132	88		74	63		53		46		41		36
Более 14 тонн Вибрационный Тандемный	60"		190pli	psf	101	68		56	47		40		35		31		27
9 -11 1/2 тонн Вибрационный Тандемный	48"	Низкий диапазон	130pli	psf	78	51		43	38		31		26		24		22
		Высший диапазон	175pli	psf	105	68		58	51		42		35		32		30
6 -9 тонн Вибрационный Тандемный	41"	Низкий диапазон	115pli	psf	74	50		41	36		29		25		23		21
		Высший диапазон	135pli	psf	87	58		48	42		35		30		27		24

Пневмоколёсные дорожные катки. Эти катки обычно называются катком на резиновых шинах или пневмоколёсный каток (PTR). Их название происходит от пневматических (наполненных воздухом) резиновых шин, используемых для уплотнения горячих асфальтобетонных смесей. Давление воздуха в шинах может меняться, чтобы произвести желаемое контактное давление на полотне. Конструкция пневмоколёсных катков обеспечивает уплотняющее воздействие шин, каждая из которых отдельно закреплена на раме. Стандартная конфигурация пневмоколёсных катков предполагает 4, 5, 6 или 7 шин спереди катка и 3, 4, 5 или 6 шин сзади, со смещенными задними шинами для обеспечения уплотнения материала проходящего между передними колесами. Как указывается Геллером (Geller) (10), эти катки обычно различаются по весу между 1500 фунтов и 10000 фунтов. Шины гладкие, то есть у них нет узора на протекторе, и они должны быть способны в течении долгого времени противостоять высокому давлению воздуха в шинах. Размер и норма слойности шин могут значительно отличаться. Давление воздуха в шинах управляется нормой слойности шины, но комбинация контактного давления (управляемого давлением в шине) и областью соприкосновения (управляемой весом катка) важны в уплотнении горячей асфальтобетонной смеси. Высокое контактное давление достигается только с высоко нормированными по слойности шинами, где 7.50 или 20 дюймов (19 или 51 см) размер обода. Если пневмоколёсный каток должен использоваться для уплотнительных целей, тогда давление в шинах делается настолько высоким, насколько позволит поведение асфальтовой смеси, т.е. без серьезного колееобразования, которое потом будет трудно убрать чистовому катку.

Пневмоколёсные катки могут использоваться в начальной укатке или в качестве промежуточного катка. В режиме начальной укатки, пневмоколёсный каток обычно вызывает деформацию, которая не всегда может быть удалена с помощью чистового катка. Поэтому, поведение смеси определяет, может ли пневмоколёсный каток эффективно использоваться как каток начальной укатки (12). Геллер (10) отмечает, что эффективность пневмоколёсного катка в качестве катка начальной укатки можно определить только после того как следующий каток сравняет поверхность, так чтобы радиоизотопный плотномер плотно сидел на поверхности и можно было бы провести измерения.

Традиционно пневмоколёсные катки использовались в качестве промежуточного катка. Геллер (10) рекомендует контактное давление на материал между 75 и 90 psi (517 – 621 КПа), которое проще всего достигается 20-дюймовым ободом с 16 –18 кордовыми шинами. В дополнение к уплотнению, пневмоколёсные катки в промежуточном положении могут помочь удалить растрескивание. Растрескивание - это термин, описывающий тонкие, волосные, поперечные трещины, которые обычно появляются на поверхности слоя горячей асфальтобетонной смеси под стальным вальцевым катком. Обычно растрескивание происходит из-за горизонтального движения смеси, во время ее уплотнения вальцевыми катками. Это происходит из-за проблем в смеси (мягкая смесь) или из-за неправильной техники укатки.

Так как битумное вяжущее прилипает к холодным резиновым шинам, используются увлажняющие пластины, как описанные для вальцевых катков, которые закреплены таким образом, чтобы каждая пластина касалась отдельной шины. Как только шины становятся теплыми, битумное вяжущее не прилипает к шинам и увлажнение больше не требуется. Каток не должен ставиться на стоянку на слое горячего асфальта, так как это приводит к появлению на его поверхности впадин, которые невозможно удалить дополнительны укатыванием. Если шины холодные, их нужно привести обратно к рабочей температуре тем же способом как при начальном, холодном запуске.

Считается, что при уплотнении плотной асфальтобетонной смеси пневмоколёсные катки дают следующие преимущества (12):

1. Они обеспечивают более равномерную степень уплотнения, чем вальцевые катки;

2. Они обеспечивают более плотную, более сжатую поверхность, таким образом уменьшая проницаемость слоя;

3. Они обеспечивают более высокую плотность, которую часто трудно получить с помощью вальцевого катка;

4. Они уплотняют смесь, не вызывая растрескивания и помогают его устранить, когда растрескивание вызывается работой вальцевого катка.

Вибрационный вальцевый каток. Последние разработки катков для уплотнения горячей асфальтобетонной смеси, это вибрационные вальцевые катки или просто виброкатки. При выполнении программы укатки, вибрационные катки требуют большей дисциплины от оператора, чем не вибрационные. Неправильно выбранные степень воздействия, слишком быстрое движение, или слишком большое количество проходов с включенным вибратором может привести к проблемам. Однако современные модели катков оборудованы множеством компонентов, которые помогают оператору в поддержании схемы укатки. Эти компоненты постоянно совершенствуются (10).

Пять видов вибрационных катков обычно используются для уплотнения горячих асфальтовых смесей:

1. Одновальцевый каток – с жесткой рамой;

2. Одновальцевый каток - с шарнирно-сочленённой рамой;

3. Двухвальцевый каток - с жесткой рамой;

4. Двухвальцевый каток – с шарнирно-сочлененной рамой;

5. Двухвальцевый каток – с двумя шарнирно-сочлененными рамами.

Схематическое изображение этих различных конфигураций показано на Рис 6-27. Наиболее популярным из этих типов катков, это Одновальцевый каток - с шарнирносочленённой рамой и двухвальцевый каток – с шарнирно-сочлененной рамой.

Рис. 6-27. Типы вибрационных катков наиболее часто используемых для уплотнения АБС

Вибрационный каток, это единственный тип уплотнителей горячей асфальтобетонной смеси, который имеют компонент динамической нагрузки и обычно легче чем невибрационные вальцевые катки из-за того что полное, уплотнительное усилие это сумма статической и динамической нагрузки. Обычная ширина вальца у виброкатка составляет 58 – 84 дюйма (147 – 213 см) с диаметром 40 – 60 дюйма (102 – 152 см). Динамическая нагрузка, применяемая вибрационным катком это главный компонент силы, производящей уплотнение горячей асфальтобетонной смеси.

Динамическая нагрузка получается от эксцентрика, прикрепленному к торсионному валу. Когда эксцентрик вращается в сторону уплотняемой поверхности, полная примененная нагрузка, это сумма статической и центробежной нагрузки. Когда эксцентрик дебаланс вращается от уплотняемой поверхности, полная примененная нагрузка, это статическая нагрузка минус центробежная нагрузка. Геллер (10) сообщает, что вибрация уменьшает механическое трение во время уплотнения, но после этого приводит к механической блокировке. Вибрация особенно эффективна на жёстких смесях, которые имеют высокое содержание грубого заполнителя.

Чтобы эффективно уплотнить конкретную горячую асфальтовую смесь, необходимо правильно выбрать частоту и амплитуду воздействия, чтобы прилагаемое усилие было соответствующим для достижения необходимой плотности, но не достаточно большой, чтобы из-за большого вибрационного воздействия произошло разуплотнение. В основном, по сравнению с более тонкими слоями, более толстый слой требует большую амплитуду и более низкую частоту. Для слежения за изменением в плотности полотна после прохода каждого катка, используется радиоизотопный плотномер. Возможно, это самый простой способ установить правильные настройки амплитуды и частоты вибрации для конкретного проекта.

Несколько организаций оценили взаимоотношения между частотой ударов и отметками на поверхности дорожного покрытия (13). Для поверхности смесей, ровная езда это один из главных критериев для принятия; поэтому расстояние между ударами должно быть достаточно коротко, чтобы на законченной поверхности не оставалось следов вибрации. Для достижения этого, рекомендуется, чтобы расстояние между ударами было 1.5 дюймов (38 мм) или менее (8 или более толчков на фут).