ПОКРЫТИЕ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ Российский патент 2025 года по МПК E01C7/18 E01C15/00 E01C7/30 

Изобретение относится к области транспортного строительства и может быть использовано для устройства покрытий транспортных сооружений, в частности автомобильных дорог и других транспортных сооружений, конструкций дорожного покрытия, укрепленных обочин, автомобильных дорог, велосипедных дорожек, а также аэродромов, промышленных и строительных площадок, для защиты водоотводных канав, при благоустройстве и строительстве объектов гидротехнического, гражданского и промышленного строительства.

Известны изобретения, конструкция покрытия в которых выполнена в виде одного или нескольких слоев [Патент RU № 66350, МПК E01C7/18, E01C7/08, опубл. 10.09.2007 г., патент RU № 2603310, МПК E01C7/18, C04B 26/26, опубл. 27.11.2016 г.].

В известных (приведенных) конструкциях дорожной одежды, покрытие выполнено из нескольких слоев асфальтобетона, в которых каждый последующий слой асфальтобетона имеет щебень меньшей фракции, чем нижний, используя для нижнего слоя щебень фракции 25-40 мм, а для верхнего слоя щебень до фракции 5-10 мм. При этом все основные слои асфальтобетонного покрытия делают только из горячего асфальтобетона с последующим уплотнением катками. На верхний слой покрытия обычно укладывают слой износа, задача которого - защитить основные слои покрытия от износа.

Некоторые слои износа, например литые эмульсионно-минеральные смеси могут иметь низкий коэффициент сцепления, что обуславливает низкий показатель безопасности такого покрытия, при этом для повышения стойкости к выкрашиванию щебня необходимо обеспечить условие высокой адгезии щебня в слое износа, что усложняет технологический процесс устройства покрытия дорожной конструкции.

Недостатками известных изобретений покрытий дорожных одежд является низкая несоответствие проектных межремонтных сроков.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является асфальтобетонное покрытие, структура которого включает зерновые элементы (каменный материал), вяжущее (битум), минеральный порошок и поры, преимущественно сферической формы, в которых присутствуют воздух, вода, вяжущее [Уплотнение и укладка дорожных материалов. Теория и практика, https://znaytovar.ru/gost/2/uplotnenie_i_ukladka_dorozhnyx.html].

Недостатком известного асфальтобетонного покрытия - является наличие пор преимущественно сферической формы, которые при увеличении в объеме содержащейся в них воды при ее замерзании приводят к микроразрывам пленок вяжущего на зернах каменного материала, что приводит к их оголению. Это приводит к ускоренному образованию дефектов, появлению трещин и как следствие снижению срока службы всей дорожной конструкции.

Задачей настоящего изобретения является повышение срока службы дорожной конструкции.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является улучшение эксплуатационных характеристик покрытия (плотность, прочность, водонасыщение, износостойкость) за счет образования в структурном композите асфальтобетонного покрытия нескольких взаимозависимых структур (полиструктурных уровней), что обеспечивает нормативные межремонтные сроки службы дорожной конструкции.

Технический результат достигается за счет того, что покрытие дорожной одежды включает поверхностный слой и подповерхностный слой.

Поверхностный слой выполнен из горизонтально ориентированных по верхней поверхности граней зерновых элементов асфальтобетона (каменного материала) и разноглубинных впадин между ними.

Подповерхностный слой, представляющий каркасную структуру из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по глубине слоя в вяжущих компонентах зерновых элементов с наклонно ориентированными их гранями и узких щелевидных пор между ними.

Заявляемая совокупность признаков обеспечивает повышение срока службы дорожной конструкции за счет образования в структурном композите асфальтобетонного покрытия нескольких взаимозависимых структур, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик дорожной конструкции (плотность, прочность, водонасыщение, износостойкость).

Структура верхней части поверхностного слоя определяет текстуру поверхности покрытия за счет горизонтально ориентированных по верхней поверхности граней верхних зерновых элементов и разноглубинных впадин между зерновыми элементами, что обеспечивает требуемую макрошероховатость и сцепные свойства покрытия дорожной конструкции, что улучшает плотность, прочность и износостойкость покрытия.

Структура подповерхностного слоя определяет макроструктуру структурного композита за счет формирования по глубине слоя структуры из зерновых элементов с наклонно ориентированными гранями.

Наклонная ориентация граней зерновых элементов, уплотненных с эффектом их заклинки по всей глубине слоя обеспечивает получение более плотной упаковки зерновых элементов в пространстве и времени, предотвращает их последующее перемещение относительно друг друга при воздействии транспортной нагрузки от движущегося транспорта, обеспечивает эффект монолитности композита, способствует повышению плотности, прочности, износостойкости и, следовательно, долговечности покрытия.

Структура подповерхностного слоя позволяет достичь однородности уплотнения по глубине и в продольном направлении, исключение отрытых пор и эффективную передачу нагрузки от движущихся транспортных средств к нижележащим слоям дорожной конструкции.

Структура подповерхностного слоя формирует каркас зерновых элементов (скелет) слоя покрытия и обеспечивает однородное сопротивление нагрузки с уменьшением вероятности образования слабых мест в конструкции и снижение риска формирования и накопления дефектов (трещин, ямочности, выкрашиваний, колейности).

Подповерхностный слой также формирует образование поддерживающей системы для каркаса и обеспечивает однородность взаимодействия структурного композита и нижележащего основания дорожной одежды, а также за счет формирования равномерно-вероятностного распределения и ориентации узких щелевидных пор между случайно распределенным и ориентированными в вяжущих компонентах зерновыми элементами структурного композита, что обеспечивает плотность, прочность, износостойкость и, следовательно, долговечность и однородность конструкции (каркаса) слоя покрытия.

На Фиг. 1 представлено покрытие дорожной одежды.

На Фиг. 2 представлен фрагмент конструкции покрытия дорожной одежды (увеличено).

На Фиг. 3 представлено уплотнение распределенным усилием «Б», направленным, в том числе, под углом к поверхности дорожной конструкции.

На Фиг. 4 представлено уплотнение усилием «В», направленным перпендикулярно к поверхности А-А дорожной конструкции.

Покрытие дорожной одежды включает:

- нижележащий слой основания дорожной конструкции 1;

- вяжущие компоненты 2;

- зерновые элементы 3;

- поры 4;

- верхняя часть 5 поверхностного слоя 8;

- грани 6 зерновых элементов 3;

- впадины 7 между гранями 6 зерновых элементов 3;

- поверхностный слой 8;

- подповерхностный слой 9;

Обозначения на чертеже обозначают следующее: А-А - поверхность покрытия дорожной одежды; «h₁», «h₂», «h₃», «h₄» - глубина впадин 7 покрытия; «H» - глубина поверхностного слоя 8 и подповерхностного слоя 9 структуры композита.

Конструкция покрытия выполнена в виде композита, структура которого образована распределенными в отвержденных вяжущих компонентах 2 зерновыми элементами 3 и порами 4 (пустотами), согласно изобретению.

Структура композита покрытия по глубине сформирована двумя слоями, поверхностным слоем 8, который представляет собой структуру с горизонтально ориентированными по верхней части 5 поверхностного слоя 8 плоскими гранями 6 зерновых элементов 3, расположенных в поверхностном слое 8 покрытия и разноглубинными впадинами 7 между ними. Подповерхностный слой 9 представляет собой структуру из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по глубине слоя в вяжущих компонентах 2 зерновых элементов 3 с наклонно ориентированными их гранями 6 и щелевидными узкими порами 4 между ними.

Вяжущие компоненты 2 выполняют роль связующего и при отверждении (остывании) битумного вяжущего соединяют в монолит зерновые элементы 3.

Вяжущие компоненты 2 могут быть использованы следующим образом:

- в качестве основного вяжущего компонента асфальтобетонного покрытия используют битум, например, по ГОСТ Р 58400.1-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы, вяжущие нефтяные битумные»;

- в качестве вяжущего компонента асфальтобетонного покрытия может быть использовано полимерно-битумное вяжущее на основе вязких дорожных битумов, полученное введением полимеров - блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол, пластификаторов и поверхностно-активных веществ (ПАВ), например, по ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия;

- также в качестве вяжущего компонента асфальтобетонного покрытия может быть использована, например, мастики с минеральными и полимерными добавками или без них.

Зерновые элементы 3 для целей настоящего изобретения рассматриваются как основной структурообразующий элемент конструктивного слоя покрытия дорожной одежды, формирующий его жесткий пространственно-ориентированный каркас и определяющий его макроструктуру. В качестве зерновых элементов 3 используют каменный материал, например, щебень, с размером зерен в диапазоне смеси фракций от 4 мм до 31,5 мм.

Толщина слоя должна быть не менее чем 2,5-кратной и не более чем 4-кратной номинальному максимальному размеру зерна смеси. Верхний слой покрытия обычно составляет 4-6 см. Смесь для него рекомендуется применить с номинальным максимальным размером зерна 16 мм. Если дорога с высокой интенсивностью движения (более 10 тыс. авт./сут на полосу движения) находится в холодном регионе, то применяют смесь с максимальным размером зерна 22 мм толщиной 6 см. Нижний слой покрытия дорожной одежды проектируют толщиной 6-8 см из смесей с максимальным номинальным размером зерна 22 мм и более.

Структура композита слоя покрытия также включает в себя поры 4, представляющие собой ячейки, случайно распределенные и ориентированные в объеме структуры композита. При этом поры 4 могут быть заполнены или воздухом, или водой в жидком и парообразном состоянии, или вяжущими компонентами, или компонентами добавок, например, волокнистых добавок, состоящих из гранулированных волокон целлюлозы и связующего в виде органического материала.

Поровое пространство структуры композита покрытия характеризуется видом и размерами пор 4. Важной характеристикой порового пространства структуры композита покрытия является форма, вид и размер пор 4.

По форме поперечного сечения поры 4 могут быть сферические, нитевидные, щелевидные.

По замкнутости поры 4 могут быть:

- открытые (каналообразующие), сообщающиеся друг с другом и по которым проникать вода;

- тупиковые (открытые с одной стороны) поры, которые могут накапливать и удерживать в себе воду;

- закрытые поры внутри структуры композита, которые не имеют сообщения с другими порами.

Узкие (щелевидные) поры 4, оказывают влияние на ограничение сдвиговых и остаточных деформаций, а также на повышение устойчивости к водно-тепловым факторам и повышенной морозостойки.

Структура композита покрытия в поперечном сечении сформирована тремя слоями (Фиг. 1).

Верхняя часть 5 поверхностного слоя 8 представляет собой структуру с горизонтально ориентированными по верхней поверхности А-А покрытия гранями 6 зерновых элементов 3, расположенных в поверхностном слое 8 покрытия, и разноглубинными впадинами 7 между ними.

Структура поверхностного слоя 8 определяет текстуру поверхности покрытия и обеспечивает макрошероховатость покрытия дорожной конструкции за счет образования впадин 7 разной глубины - «h₁», «h₂», «h₃», между зерновыми элементами 3, повышение износостойкости покрытия за счет горизонтальной ориентации граней 6 зерновых элементов 3 и повышение устойчивости к трещинообразованию за счет наличия пор щелеобразной формы на поверхности впадин 7 (Фиг. 2).

Сцепление колеса транспортного средства с покрытием верхней части 5 поверхностного слоя 8 обеспечивается за счет втапливания (полного или неполного размещения в межзерновом пространстве) упругого материала колеса во впадины 7 покрытия дорожной конструкции.

Горизонтальная ориентация граней 6 зерновых элементов 3 обуславливает отсутствие зон активных выступов зерновых элементов 3 на внешней поверхности покрытия (см. фиг. 3), исключая возможность их разрушения, что и обеспечивает повышение износостойкости покрытия.

Подповерхностный слой 9 представляет собой структуру из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по всей глубине «H» слоя 9 в вяжущих компонентах 2 зерновых элементов 3 с наклонно ориентированными их гранями 6, а также пор 4 между ними.

Сформированная по глубине «H» подповерхностного слоя 9 структура из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки зерновых элементов 3 с наклонно ориентированными гранями 6 определяет макроструктуру композита, формирующую конструкцию (скелет) слоя покрытия, и способствует за счет получения более плотной упаковки зерновых элементов 3 в пространстве и времени, частичному защемлению пор 4 и эффективную передачу нагрузки от движущихся транспортных средств на нижележащие слои дорожной конструкции.

Частично защемленные поры 4 в поверхностном слое 8 и подповерхностном слое 9 способствуют изоляции внутреннего пространства поры 4, а также сближению стенок пор 4, обеспечивая преобразование пор сферической формы в поры 4 щелеобразной формы.

Данные преобразования пор 4 повышают адгезионно-когезионную прочность их взаимодействия с вяжущими компонентами 2 и/или зерновыми элементами 3 при резких колебаниях температуры, особенно, в условиях режима замерзания/оттаивания.

При этом когезионная прочность обеспечивается межмолекулярным взаимодействием внутри гомогенной фазы, то есть чем меньше объем пор, тем необходимо меньше давления для разрушения поры изнутри при колебаниях температуры.

Адгезионная прочность обеспечивается молекулярной связью между поверхностями двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких тел (фаз), то есть внешней связью поверхности пор 4 с вяжущими компонентами 2 и зерновыми элементами 3.

Поскольку адгезионная прочность измеряется работой на разрыв, или сопротивлением на разрыв, на единицу площади контакта при данном виде деформации (отрыв, скалывание), то меньшая площадь межфазного контактного слоя между порами и остальными компонентами структуры требует большей энергии на разрушение адгезионных связей между ними.

Таким образом, при меньшем объеме пор 4 и изменения их формы в подповерхностном слое 9 снижается риск разрушения структуры композита покрытия в местах контакта пор 4 с вяжущими компонентами 2 и/или зерновыми элементами 3 при воздействии на структуру композита покрытия знакопеременных механических и температурных нагрузок, что способствует повышению прочности конструкции покрытия.

Случайное распределение и ориентирование в вяжущих компонентах 2 зерновых элементов 3 способствует образованию поддерживающей системы для каркаса композита покрытия и обеспечивает однородность взаимодействия его и нижележащего слоя 1 основания дорожной конструкции.

Равномерно-вероятностное распределение пор 4 между случайно распределенными и ориентированными в вяжущих компонентах 2 зерновыми элементами 3 композита обеспечивает однородность температурно-влажностного режима эксплуатации дорожной конструкции.

Заявляемая конструкция дорожного покрытия может быть получена при комплексном воздействии уплотняющего усилия различной направленности на асфальтобетонную смесь: сначала осуществляют уплотнение распределенным усилием «Б», направленным, в том числе, под углом к поверхности дорожной конструкции, а затем - усилием «В», направленным перпендикулярно к поверхности А-А дорожной конструкции (Фиг. 3 и 4).

При этом на первом этапе формируют структуру подповерхностного слоя 9 из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по всей глубине «H» слоя 9 в вяжущих компонентах 2 зерновых элементов 3 с наклонно ориентированными их гранями 6, а также пор 4 между ними, а на втором этапе формируют структуру поверхностного слоя 8 за счет разворота граней 6 зерновых элементов 3 в горизонтальной плоскости.

Пример практической реализации.

На щебеночно-мастичную смесь ЩМА-20 на локальных участках автомобильной дороги применяли как обычную технологию уплотнения, так и воздействовали комплексными уплотняющими усилиями с различной ориентацией по отношению к граням зерновых элементов 3.

Асфальтобетонное покрытие из щебеночно-мастичной смеси ЩМА-20, на которое воздействовали комплексными уплотняющими усилиями с различной ориентацией по отношению к граням зерновых элементов 3 оказалось наиболее износостойким.

В течение года эксплуатации макрошероховатость (разноглубинность) асфальтобетонного покрытия из щебеночно-мастичную смесь ЩМА-20, где применяли обычную технологию уплотнения, на локальном участке уменьшилась в среднем с 3 до 1 мм (изменение на 2 мм). Обычная технология уплотнения с числом проходов катка более 20 приводила к переуплотнению асфальтобетонного слоя и связанного с этим негативным явлениям разрушения пленки вяжущего на зернах каменного материала и частичному разрушению самих зерен щебня.

В течение года эксплуатации макрошероховатость (разноглубинность) верхней части 5 поверхностного слоя 8 асфальтобетонного покрытия из щебеночно-мастичной смеси ЩМА-20, где воздействовали комплексными уплотняющими усилиями с различной ориентацией по отношению к граням зерновых элементов 3, на локальном участке уменьшилась в среднем с 3 до 1,5 мм (изменение на 1,5 мм).

Во время испытания на меньшем числе циклов укатки (не более 10) изменились не только взаимное положение, но и ориентация зерен щебня за счет чего образовался каркас однородно и упруго контактирующих друг с другом зерен щебня. Негативного явления разрушения пленки, вяжущего 2 на зернах каменного материала и частичному разрушению самих зерен щебня не происходило. Подобная конструкция меньше зависит от показателей водонасыщения и с учетом формирования в композите щелевидных пор 4 не приводит к уменьшению морозостойкости.

Таким образом, выполнение конструкции покрытия в виде композита, представляющего собой многофазную структуру, состоящую из подповерхностного 9 и поверхностного слоя 8 с горизонтальной ориентацией граней 6, содержащих различные компоненты отвержденного вяжущего 2 и распределенных в нем зерновых элементов 3, и щелевидных пор 4, позволит решить следующие актуальные проблемы:

- повысить прочность и износостойкость дорожного покрытия;

- обеспечить однородность температурно-влажностного режима эксплуатации дорожной конструкции;

- обеспечить устойчивость дорожного покрытия к трещинообразованию.

Заявляемая конструкция покрытия дорожной одежды может быть реализована с использованием известного оборудования для распределения и уплотнения асфальтобетонных смесей.

В пределах заявленной совокупности признаков настоящее изобретение не ограничивается приведенными примерами его выполнения и охватывает любые иные варианты, попадающие в объем прилагаемой формулы для достижения заявленного технического результата.

Изобретение относится к области строительства, а именно к покрытию дорожной одежды. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик покрытия (плотность, прочность, водонасыщение, износостойкость) за счет образования в структурном композите асфальтобетонного покрытия нескольких взаимозависимых структур (полиструктурных уровней), что обеспечивает повышение срока службы дорожной конструкции. Покрытие дорожной одежды включает поверхностный слой и подповерхностный слой. Поверхностный слой выполнен из горизонтально ориентированных по верхней поверхности граней зерновых элементов асфальтобетона (каменного материала) и разноглубинных впадин между ними. Подповерхностный слой, представляющий каркасную структуру из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по глубине слоя в вяжущих компонентах зерновых элементов с наклонно ориентированными их гранями и узких щелевидных пор между ними. 4 ил.

Покрытие дорожной одежды, включающее верхний поверхностный слой, выполненный из горизонтально ориентированных по верхней поверхности граней верхних зерновых элементов и разноглубинных впадин между ними; подповерхностный слой, представляющий каркасную структуру из случайно распределенных и уплотненных с эффектом их заклинки по глубине слоя в вяжущих компонентах зерновых элементов с наклонно ориентированными их гранями и узких щелевидных пор между ними.