1.6 Деформації і руйнування дорожніх одягів і покриттів

Тріщини є найбільш поширеним видом дефектів дорожніх одягів. Основною причиною утворення тріщин є виникнення розтягуючих і згинальних напружень в шарах дорожнього одягу, що виникають під дією навантаження від автомобілів і температурних коливань і особливо при спільній дії цих факторів. Тріщини зароджуються там, де нормальні напруження розтягу в шарі покриття або дорожнього одягу перевищують межу міцності на розтяг матеріалу відповідного шару. Тріщини на покриттях стають помітними при ширині 0,2-1 мм і довжині не менше 10 см. Більш дрібні тріщини або мікротріщини візуально не помітні. Основна частина тріщин, що виникають по смугах накату від дії навантаження, є результатом втомного руйнування шару дорожнього одягу. Механізм втомного руйнування полягає в наступному. Хоча розтягують напруги при проході одного автомобіля значно менше критичних, через неоднорідність матеріалу локальні напруги можуть істотно відхилятися від середнього значення. У місцях, де вони перевищують межу пружності плівок бітуму, зв'язки рвуться. Повторні прикладання навантажень призводять до накопичення розірваних зв'язків. У результаті через певна кількість циклів прикладання навантажень в нижній частині покриття по смугах накату виникають поздовжні волосяні тріщини, які об'єднуються потім у великі, утворюється сітка тріщин. Тріщини ростуть одночасно в двох напрямках: вгору і по довжині. При подальших навантаженнях тріщина проходить крізь покриття і стає видимою на його поверхні.Інша частина зароджується на поверхні покриття або іншого шару і розвивається зверху вниз. Це температурні тріщини і тріщини, що виникають в зоні опуклого вигину покриття під дією коліс автомобілів. Велику частку тріщин на поверхні покриття складають відображені тріщини. Це тріщини старого покриття, на якому покладений новий шар асфальтобетону. Досвід показує, що тріщини старого покриття в процесі експлуатації починають проявлятися вже через 1-2 роки, а після закінчення 5-7 років можуть повністю повторитися на новому покритті.Існує багато причин утворення тріщин: Недостатня міцність дорожнього одягу та земляного полотна, яка не відповідає фактичним навантаженням від автомобілів, внаслідок чого виникають великі прогини і розтягують напруги в шарах дорожнього одягу; Великі перепади температур від позитивних до негативних, при яких виникають знакозмінні напруги; особливо небезпечні низькі негативні температури, які супроводжуються виникненням дуже високих розтягуючих напружень в шарах дорожнього одягу; Недостатня тріщиностійкість асфальтобетонних покриттів, обумовлена невідповідністю деформативних властивостей бітуму реальним температурних умов роботи покриттів; Розходження теплофізичних властивостей матеріалів шарів суміжних покриттів, внаслідок чого виникають додаткові напруги по площинах сполучення шарів при температурних перепадах; Нерівномірне ущільнення земляного полотна та шарів дорожнього одягу; Освіта безодень, що супроводжується виникненням сітки тріщин у дорожньому одязі.Поява і розвиток тріщин не має вибухового характеру, але відбувається досить швидко. Виняток становлять тріщини в місцях утворення безодень, які виникають взимку в момент підняття бугра при промерзанні дорожнього одягу та земляного полотна, або навесні в момент повного відтавання грунту, коли проїжджаючі автомобілі можуть повністю зруйнувати ослаблену дорожній одяг. У цьому випадку сітка тріщин може утворитися протягом одного зимово-весняного періоду.В умовах континентального клімату першими, як правило, з'являються взимку температурні поперечні тріщини на відстані 40-50 м одна від іншої. Вони можуть з'являтися вже в перший рік служби дорожнього одягу або покриття. Поздовжні тріщини, тріщини по смугах накату і тріщини довільного напрямку виникають зазвичай через 4 роки і більше на новому покритті. Відображені тріщини можуть з'явитися через 1-2 роки після укладання нового шару.Найбільш швидко розвиваються тріщини навесні і восени, а найбільш широко розкриваються взимку і навесні. У літній період багато дрібні тріщини закриваються за рахунок розм'якшення бітуму і розширення матеріалу в покритті або закочуються колесами автомобілів.Тріщини в цементобетонних покриттях утворюються в різний час, в різних місцях плит, мають різне обрис і напрямок, а також неоднакову глибину. Кількість, протяжність і ширина тріщин пропорційні терміну служби покриття.

Тріщини мають різні розміри по ширині, довжині і глибині. Однак загальноприйнята класифікація тріщин відсутня. Найбільш часто поділяють тріщини по ширині, при цьому в різних країнах критерії віднесення тріщин до того чи іншого класу розрізняються. Узагальнюючи різні джерела, можна запропонувати наступну класифікацію тріщин по ширині: вузькі - до 3-5 мм; середні - 5-10 мм; широкі - 10-30 мм і дуже широкі - більше 30 мм.У початковій стадії утворення тріщини практично не роблять впливу на умови руху автомобілів до тих пір, поки тріщини не переходять у вибоїни. Наявність тріщин на покритті і в дорожньому одязі робить дуже великий вплив на міцність і термін служби дорожнього одягу з наступних причин: Тріщини порушують цілісність і монолітність дорожнього одягу, розділяючи її на окремі, не пов'язані між собою блоки. У результаті навантаження від колеса автомобіля передається на значно ослаблену конструкцію, розподіляється на меншу площу, створюючи в них підвищені напруги і деформації; Через тріщини вода проникає в основу і земляне полотно і значно послаблює їх міцність і несучу здатність; При наїзді коліс на кромки тріщини окремі частини покриттів обламуються, стінки тріщини перемішаються щодо одне за одним у вертикальній площині. В результаті кромки обламуються і руйнуються, стінки розфарбовуються і поступово тріщина перетворюється на вибоїну. Процес перетворення тріщин у вибоїни неминучий, якщо не вжити своєчасних заходів з ремонту тріщин. Важливо і те, що потрапила в розкриту тріщину вода при замерзанні збільшує темп росту тріщин по ширині та довжині.Таким чином, кожна своєчасно не усунена тріщина, а тим більше сітка тріщин рано чи пізно перетвориться на вибоїну.З позицій сприйняття водієм стану поверхні покриття та його впливу на умови руху автомобіля до вибоїн і ямковості можна віднести місцеві посадки, проломи, місця з сильним Викришування матеріалу покриття, а також великі тріщини.Існує багато причин утворення ям і вибоїн.

Однією з головних причин є недостатня міцність дорожнього одягу, а наявність широких тріщин і тим більше сітки тріщин служить явною ознакою цього.Досвід показує, що із зменшенням міцності дорожнього одягу площа ямковості в процесі експлуатації різко збільшується. Як випливає з цього графіка, середньорічна площа ямковості на 8-й рік експлуатації дорожнього одягу капітального типу з асфальтобетонним покриттям при коефіцієнті запасу міцності 1,5 становить близько 0,1% від загальної площі, а при коефіцієнті запасу міцності 1,0 складає близько 2 %, тобто в 20 разів більше. У більшості випадків початкова стадія виникнення вибоїн і ямковості збігається з періодом несприятливих погодних умов, особливо з весняним періодом частого переходу від позитивної до негативної температурі повітря, надмірного зволоження грунту земляного полотна і шарів дорожнього одягу.Вода, потрапляючи в тріщини, посилює корозійні фізико-хімічні процеси в матеріалах дорожнього одягу, а при замерзанні надає розтягувальне дію на стінки тріщин і окремі частинки матеріалів. У поєднанні з динамічним впливом від транспортних навантажень матеріал покриття в зоні утворення тріщини починає руйнуватися і вибиватися,а тріщина швидко переростає у вибоїну. Тому незроблена тріщина завжди є потенційним джерелом появи вибоїн.Іншим джерелом виникнення вибоїн є нерівності дорожнього покриття,починаючи від нерівностей, допущених при влаштуванні шарів дорожнього одягу, коли не дотримуються вимоги до рівності і однорідності в процесі розрівнювання і ущільнення матеріалів,і включаючи нерівності у вигляді тріщин,зрушень і напливів, які виникають в процесі експлуатації асфальтобетонних покриттів із сумішей з підвищеною пластичністю.Відразу після проїзду колеса автомобіля через виступ нерівності у вигляді тріщини або вибоїни виникає динамічний удар на покриття на деякій відстані за вибоїною. Багаторазове повторення такого удару призводить до розхитування структури матеріалу,появі та розвитку ще більш великих тріщин або вибоїни, які потім зливаються в одну велику вибоїну. Ще одним джерелом утворення вибоїн служать ділянки покриття, де відбувається лущення і викришування кам'яного матеріалу.У будь-якому випадку вибоїни і ями необхідно закладати на ранній стадії їх утворення. Досвід показує, що кожна незроблена вибоїна збільшується в розмірах і сприяє появі нових вибоїн. На початку цей процес йде повільно, а потім набуває лавиноподібний характер.

Якщо вартість робіт з ямкового ремонту, виконаному ранньою весною, прийняти за одиницю, то з запізненням ремонту на 2-3 місяці ця вартість може зрости в 3-5 разів.Колія - це деформування поперечного профілю проїзної частини з утворенням поглиблень і гребенів випора вздовж смуг накату внаслідок нерівномірного зносу і накопичення пластичних деформацій у покритті, а також залишкових деформацій в шарах дорожнього одягу та земляного полотна, що відбувається при багаторазовому впливі коліс автомобілів. Найбільш часто колія утворюється на нежорстких дорожніх одягах з покриттям з асфальтобетону та інших бітумомінеральних сумішей, однак колія стирання може формуватися і на цементобетонних покриттях. Як і більшість інших деформацій, колія утворюється при несприятливому поєднанні двох груп факторів: Зовнішні чинники - впливу навантаження, кліматичні чинники, особливо температура повітря і сонячна радіація, а також умови зволоження грунту земляного полотна; Внутрішні чинники - фізико-механічні характеристики дорожньої конструкції: зсувостійкість, структурний стан, міцність і ступінь ущільнення дорожнього одягу та земляного полотна, тип грунту і його властивості.Найважливішим з усіх чинників утворення колій є вплив важких багатовісних автомобілів. Процес утворення колій починається одночасно з відкриттям руху по дорозі. Спочатку він йде повільно, зачіпаючи тільки верхній шар покриття, а потім поширюється на інші шари дорожнього одягу і на земляне полотно. Однак у випадку коли матеріал якогось шару дорожнього одягу погано ущільнений або має низьку міцність і зсувостійкість, залишкові деформації накопичуються в цьому шарі і проявляються на поверхні покриття.Насамперед, колія може утворюватися за рахунок доплотності шарів дорожнього одягу, якщо вони не були достатньо ущільнені при будівництві.

Колія з цієї причини утворюється в перший рік експлуатації. Досвід показує, що доплотності дорожнього одягу завершується після проходу 300 тис. стандартних осей вантажного автомобіля.Знос (стирання) покриття під дією коліс автомобіля відбувається при гальмуванні і при русі в режимі тяги за рахунок неминучого прослизання шини в зоні контакту колеса з покриттям. Знос відбувається приблизно однаково протягом року, якщо взимку не застосовуються шини з шипами. Враховуючи цю обставину, можна вважати, що в країнах з короткою зимою частка колій з причини зносу покриття складає близько 5%. Пластичні деформації покриття є причиною 15-20% випадків утворення колії на асфальтобетонних покриттях, які полягають у накопиченні вертикальних залишкових деформацій внаслідок підвищення пластичності, тобто зниження структурної в'язкості асфальтобетону при високих температурах, яке, у свою чергу, відбувається через зниження в'язкості бітуму або в'язкого опору бітуму зрушенню.Одночасно з вертикальними накопичуються і горизонтальні залишкові деформації, коли під дією рухаючих напруг відбувається витискування частинок асфальтобетону в сторони. Ці деформації при багаторазових повторних додатках навантаження безперервно зростають, внаслідок чого з боків колії з'являються гребені або вали.

Накопичення пластичних деформацій в асфальтобетонному покритті відбувається влітку при температурі повітря вище 25-30 ° С, при якій температура покриття підвищується до 40-60 ° С і вище. Розрахункової приймають температуру асфальтобетону 40-50 ° С і вище залежно від в'язкості бітуму.Глибина пластичної колії залежить від вихідної в'язкості бітуму, складу асфальтобетону, числа програм навантаження і її величини, товщини шару асфальтобетону.Структурне руйнування і залишкові деформації покриття і шарів основи. Під дією багаторазово додаються навантажень в шарах дорожнього одягу можуть скластися такі умови, коли вертикальні або горизонтальні напруги перевищать місцеві гранично допустимі значення напруг і почнеться руйнування суцільності або структури матеріалу шару з втратою міцності і зсувостійкості. Наслідком цього є прискорене накопичення залишкових деформацій і формування колії, яка з'являється після критичного для даної конструкції дорожнього одягу числа програм важкого навантаження.

Структурні руйнування покриття відбуваються приблизно однаково протягом усього року, а в шарах підстави вони накопичуються найбільше навесні, коли міцність дорожнього одягу найменша. Глибина колії за рахунок структурного руйнування залежить від міцності дорожнього одягу, тріщиностійкості, зсувостійкості, терміну служби покриття, завантаженості і т.д.