Рассказываем, какие сегодня проводятся исследования в области асфальтобетонов для повышения качества дорог
Дорожная наука не стоит на месте. Для улучшения качества автомобильных дорог и увеличения сроков их эксплуатации в области асфальтобетонных смесей в настоящий момент проводятся разные виды исследований по нескольким направлениям. Данная тема была поднята в рамках конференции «Асфальтобетон 2024», которая прошла в Санкт-Петербурге в феврале. Подробнее об этом – в материале «ДорИнфо».
Основные направления исследований
Начальник Управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Росавтодора Сергей Гошовец рассказал о перспективных направлениях исследований в области асфальтобетонных смесей. Он отметил, что одной из основных точек роста в данной области является техническое регулирование и стандартизация, поэтому на сегодняшний день нормативная база в дорожном хозяйстве – одна из самых современных.
По словам спикера, в 2011 году действовало 426 нормативно-технических документов (ГОСТ, ГОСТ Р, СП и др.) - только 15 % из них соответствовало актуальным требованиям. В 2015 году был разработан и введен в действие 171 ГОСТ (доказательная база ТР ТС 014/2011) с отменой действия устаревших документов: показатель соответствия актуальным требованиям вырос почти до 40 %. По состоянию на январь 2024 года действует более 430 НТД, 99 % из них соответствуют требованиям.
«На сегодняшний день в фонде более 430 документов, они разрабатываются не в произвольном порядке, не в хаотичном, у нас есть стратегия инновационной деятельности, где обозначены основные направления и векторы развития – это придает нашей работе системность. Основной инструментарий, который используется при проведении исследований, при разработке нормативных документов – это привлечение к нашим исследованиям Российской академии наук, широкого круга научных организаций, ВУЗов и экспертов дорожных организаций. Самое главное, что документ никогда не выпускается нами в каком-то закрытом режиме, всегда проходит его публичное обсуждение»
Стратегия развития инновационной деятельности в области дорожного хозяйства на период 2021-2025 годов содержит 27 инициативных направлений развития по пяти приоритетным направлениям: безопасность дорожного движения, дорожные материалы и изделия, технологии дорожной деятельности, экология и ресурсоснабжение, цифровизация дорожной деятельности. До 2023 года реализовано 58 мероприятия – это 74 % запланированных работ.
Если говорить о результатах работ по реализации плана научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) Росавтодора в 2022-2023 годах, то за этот период было актуализировано Положение о Научно-техническом совете Росавтодора, а также Положение о планировании, организации выполнения, приемке и использовании результатов НИОКР в системе Росавтодора. Кроме того, с привлечением экспертов проанализировано 132 предложения тем НИР и утверждено 66 НТД, из них ГОСТ Р - 56, ПНСТ - 4, ОДМ - 6. Согласовано 34 стандарта организаций.
«По проработанным стандартам у нас проектируются, ремонтируются, строятся и эксплуатируются дорожные объекты. И самое главное мерило нашей работы – что говорят люди. По результатам опроса, который проводит ВЦИОМ: в 2022 году более 50 % жителей регионов страны были удовлетворены качеством и доступностью автодорог, они отмечают улучшение дорожно-транспортной инфраструктуры. <…> Это очень значимый показатель. Важно констатировать, что это измеримый показатель более чем 20-летней работы, которая проводилась дорожным сообществом, в частности ФДА под руководством Министерства транспорта»
По словам Сергея Гошовца, каждый документ проходит цикл «взросления»: от стадии ОДМ (отраслевые дорожные методические документы) до национального стандарта. При этом на каждом этапе документ дорабатывается и проходит обсуждение.
«Каждая императивная норма в нашем документе подкреплена конкретными испытаниями, она обоснована, она не придумана по мнению какого-то ученого, а подкреплена доказательствами. И в связи с этим мы всех коллег призываем: если кто-то предлагает внесение изменений в документы по стандартизации – они должны быть подкреплены или какими-то серьезными наблюдениями, или результатами испытаний. Собственно говоря, такой путь, который подкреплен значительной доказательной базой, прошла вся линейка нормативных документов в области асфальтобетонов»
По его словам, на сегодняшний день весь фонд документов по стандартизации в области асфальтобетонов сформирован, поэтому сейчас ведется комплексное исследование, направленное на пересмотр методики расчета нежестких дорожных одежд.
«В частности, создаем станции мониторинга напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд, в том числе в первой климатической зоне, чтобы у нас расчет дорожной одежды был подкреплен доказательной базой и реальной несущей способностью, реальными дорожными условиями»
Кроме того, проводится исследование опыта применения пропиточных составов для обеспечения долговечности и увеличения межремонтных сроков, а также исследование эксплуатационного состояния автодороги с разработкой метода прогнозирования накопления усталостных повреждений в слоях асфальтобетона. Также ведется работа по исследованию способов повышения температурной однородности асфальтобетонных смесей.
Совершенствование методики расчета нежестких дорожных одежд
Генеральный директор АНО «НИИ ТСК» Евгений Симчук в своем выступлении рассказал об исследованиях в области совершенствования методики расчета нежестких дорожных одежд. Он отметил, что сегодня дорожная наука ушла от одного мощного центра и распределилась по регионам: по организациям, которые занимаются не только научной, но и практической деятельностью.
«Очень важно, что исследованиями занимаются и производители материалов, в первую очередь, органических вяжущих материалов. Когда мы все собираемся, обмениваемся своими полученными результатами, то рождаются новые перспективные направления или корректируются те, которые уже были сделаны. И хочу сказать, что толчком этого развития стало принятие новых нормативных документов. <…> Сегодня у нас появился инструментарий, который позволяет совершенно по-новому взглянуть на те же самые традиционные материалы: понять, работают ли они в тех или иных задачах, в тех или иных условиях и тем самым оптимизировать и принять новые прорывные решения, применяя различные и модифицирующие добавки. Мы понимаем, как меняются свойства - эксплуатационные, усталостные, трещиностойкость, низкотемпературность, двигоустойчивость. <…> И все это мы делаем ради того, чтобы наши дороги сопротивлялись сегодняшним нашим транспортным нагрузкам и как можно дольше служили в том исходном состоянии, в котором они были построены изначально»
Он отметил, что на сегодняшний день в России создан большой фонд нормативных документов с обновленными требованиями и подходами к традиционным материалам: асфальтобетонным, щебеночно-песчаным смесям и пр. И сегодня стоит вопрос: как правильно применять данные материалы? По его словам, правильно применить материал возможно только тогда, когда верно выполнено конструирование дорожной одежды и когда правильно рассчитаны параметры будущей дороги, исходя из нормативных требований.
Первый нормативный документ в этой области появился в 1960 году - ВСН 46-60 «Инструкция по назначению конструкций дорожных одежд нежесткого типа». Он основывался на основном критерии расчета на прочность – соответствие требуемому общему модулю деформации на поверхности дорожной одежды. Для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) применялась теория прочности на основе однородного изотропного упругого полупространства. Расчет выполняли исходя из суточной интенсивности движения на наиболее нагруженной полосе при расчетном давлении 0,5 МПа.
В 1972 году серьезно пересмотрели методы расчета нежестких дорожных одежд: ушли от теории прочности к теории упругости, которая и на сегодняшний день остается основной. Как результат – выпустили новый документ ВСН 46-72 «Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа», где впервые для расчета НДС конструкций применили теорию упругости в упрощенном виде (2-слойная), а также ввели три критерия прочности: расчет дорожной одежды в целом по допускаемому упругому прогибу в зависимости от интенсивности, расчет слоев асфальтобетона на изгиб на возникновение трещин на нижней границе нижнего слоя и расчет сдвигающих напряжений в песчаных слоях и рабочем слое земляного полотна от статической и динамической нагрузки.
В 1987 году документ слегка изменили: обновили расчетные характеристики материалов и изменили подход к назначению коэффициентов приведения к расчетной осевой нагрузке (из-за того, что появились другие ТС). Позже, в 2001 году, РОСДОРНИИ выпустили ЛДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», который внес определенные положительные моменты. Так, вместо суточной интенсивности начали применять расчет на приведенную суммарную интенсивность за весь срок службы (вместо графика введена формула). Исходя из этого актуализировали расчеты на прочность по всем критериям с учетом суммарного числа приведения нагрузки (введены коэффициенты снижения прочности асфальтобетона и грунтов от количества приложений нагрузки).
В 2018 году выпустили ПНСТ 265-1018. В документе, во-первых, учли стандарты, входящие в перечень Технического регламента Таможенного союза и другие нормативно-технические документы, посвященные аспектам проектирования и дорожно-строительным материалам, разработанным с 2001 года, в том числе, комплексы ПНСТ на асфальтобетоны, запроектированные по разным системам. Во-вторых, учли расчетные нагрузки по ГОСТ Р 32960 в зависимости от капитальности дорожной одежды и увеличенные до 24 лет сроки службы дорожных одежд. В-третьих, учли влияние современного транспорта на дорожные одежды путем расчета коэффициентов приведения многоосных грузовых автомобилей. Четвертый момент – выполнили актуализацию положений ОДН 218.046-01, исправление недочетов, ошибок, несоответствий и опечаток. В части уточнения расчетов НДС в специальных программных комплексах актуализированы номограммы, ранее переходившие из документа в документ, вносящие ошибки в расчет, и увеличены их диапазоны.
В 2021 году появился ПНСТ 542-2021, в котором учли стандарты, разработанные за период действия ПНСТ 264, в том числе комплексы ГОСТ Р, посвященные проектированию асфальтобетонов по двум системам и выбору битумных вяжущих, а также посвященные требованиям к дорожным одеждам. В документе актуализировали расчетные характеристики асфальтобетонов по новым национальным стандартам. Впервые в отечественной практике в части расчета НДС добавили возможность расчета напряжений и деформаций без применения упрощенных схем в исследовательских целях и для набора статистики. Также была разработана тестовая версия программы расчета. Кроме того, регламентированы требования к рабочему слою земполотна в части минимального модуля упругости (от 45 до 60 Мпа) и мероприятий по улучшению его свойств (замена на непучинистые грунты, укрепление, стабилизация).
«Скоро ПНСТ 542 завершает свое действие, надо чтобы была альтернатива. Поэтому сейчас разрабатывается национальный стандарт в этой области на основе ПНСТ 54. <…> Самое важное, что в этом документе приоритет будет отдан всем слоям основания, которые применяются с использованием укрепленных материалов. <…> Этот стандарт позволит всем укрепленным материалам иметь преимущество при конструировании нежестких дорожных одежд. Это, наверное, самый основной момент, который в этом документе будет присутствовать»
В новом документе будут учтены стандарты, разработанные за период действия ПНСТ 542. В нем актуализировали требования к толщинам асфальтобетона в случае применения в слоях основания материалов, укрепленных минеральных вяжущих материалов, а также откорректирован расчет асфальтобетона на изгиб для конструкций с применением в основании слоев, содержащих органическое вяжущее. Добавлены расчетные характеристики для новых дорожно-строительных материалов, в частности, органоминеральных смесей по ГОСТ Р 70197.1. и широко распространенных видов песков, а также разработан раздел по проектированию дорожных одежд на обочинах, разделительных полосах, остановках, стоянках, площадках отдыха, пересечениях в одном уровне, на подходах к пересечениям с ж/д путями, на местных проездах вдоль основной дороги, съездах развязок, объездах, тротуарах, пешеходных улицах, площадях и велодорожках.
«Одна из основных наших проблем при расчете конструкции дорожных одежд – это то, что мы применяем теорию упругости в упрощенном виде: приводим многослойную конструкцию к двухслойной и используем номограммы для определения НДС. Сейчас у нас появился и алгоритм, и программный комплекс, который позволяет рассчитывать конструкцию дорожных многослойных одежд без приведения к двухслойности. И проведенные расчеты показывают, что если мы рассчитываем по двухслойной модели, то мы недостаточно учитываем те возникающие напряжения и деформации, которые возникают от сегодняшнего транспорта»
Он отметил, что разница в результатах расчета напряженно-деформированного состояния между двухслойными и многослойными моделями может достигать 30 % в сторону увеличения напряжений и деформаций, что приводит к необходимости увеличения ее капитальности по отдельным критериям. Сегодня специалисты используют методику расчета без приведения к упрощенным схемам и без использования номограмм, но с использованием программных продуктов.
«На данный момент такая программа разработана – мы сейчас можем спокойно это считать. Более того, программа разработана на основе советских и российских исследований. <…> Мы ее сравнили с тем, что у нас сейчас применяется в мире, в частности, с американской программой, которая применяется для механико-эмпирического метода расчетов. <…> Сделали вывод, что методика рабочая»
Гендиректор АНО «НИИ ТСК» назвал основные направления исследований в области проектирования нежестких дорожных одежд: первое – это создание станций мониторинга напряженно-деформированного состояния дорожных одежд и водно-теплового режима, второе – исследования влияния современного грузового транспорта на напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций, третье – разработка нового метода прогнозирования накопления усталостных повреждений в слоях асфальтобетона. Подробнее спикер остановился на исследовании НДС дорожных одежд на станциях мониторинга в различных дорожно-климатических зонах (ДКЗ). Основные задачи исследования: оценка напряженно-деформированного состояния дорожных одежд и мониторинг водно-теплового режима в различное время года. На 2022-2023 годы стоял план – установить три станции мониторинга во второй, третьей и четвертой ДКЗ: на дороге М-9 «Балтия» с 214-го по 220-й км в Тверской области (II зона), на трассе М-5 «Урал» с 286-го по 297-й км в Рязанской области (III зона) и на дороге А-135 «Подъездная дорога к Ростову-на-Дону» от М-4 «Дон» (Западный подъезд) с 0-го по 6-й км в Ростовской области (IV зона). В дальнейшем планируется устроить две станции в первой ДКЗ.
«На сегодняшний момент устроена только одна станция – это третья ДКЗ на трассе М-5 «Урал». Там такая станция полностью во всех слоях сделана. Практически закончены станции мониторинга во второй и четвертой ДКЗ. Проблема в том, что не успели в прошлом году уложить верхний слой асфальтобетона, поэтому пока там не пустили движение, поэтому пока станции стоят в несколько замороженном виде. Сейчас все исследования проводятся на одной станции, которая находится в третьей ДКЗ»
Для понимания картины спикер назвал конструкцию дорожной одежды, где расположена станция мониторинга: грунт (тяжелый суглинок), далее – мелкий песок с содержанием пылеватых частиц 5 %, затем – щебень фракции 31.5-63 мм с заклинкой фракционным мелким щебнем и три слоя асфальтобетона (А-320т, А22Нт и ЩМА-16). На участке в рабочем полотне и в асфальтобетонных слоях заложили различные типы датчиков, в том числе измеряющие влажность. Датчик растяжения устроили под нижний слой асфальтобетона, так как именно он больше всего подвергается растяжению. Евгений Симчук подчеркнул, что в первую очередь оценивать изменение напряженно-деформированного состояния необходимо в зависимости от климатических условий. Для проведения исследований специалисты сделали четыре выезда на место мониторинга: осенью 2022 года, весной, летом и зимой 2023 года. Испытания проводили как при статическом, так и при динамическом нагружении.
«Если раньше всегда считали, что самое худшее условие, при котором работает дорожная одежда – это весна/осень, то все наши исследования на одной станции мониторинга показывают, что самые худшие условия, при которых работает конструкция дорожной одежды – это лето. <…> Асфальтобетон как материал, который очень сильно зависит от температуры, начинает работать в более ослабленном виде, когда нагревается. И вот это как раз оказывает самое большое влияние на напряженно-деформированное состояние дорожных одежд. Если посмотрим, когда возникает самое большое растяжение в нижнем слое покрытия, - тоже лето. Самые высокие растягивающие деформации появляются в нижних слоях именно летом за счет того, что асфальтобетон работает в более ослабленном состоянии»
Он добавил, что при измерении влажности на участке пришли к выводу, что этот показатель возрастает также в летний период.
Спикер привел некоторые результаты оценки несущей способности и параметров НДС в различные периоды. Первое – динамическое нагружение (отпечаток колеса и давление) оказывает меньшее воздействие на НДС. Второе – при повышении температуры асфальтобетона с 10 до 35 градусов давление на поверхность ППС увеличилось на 41 % при статическом, и на 150 % при динамическом нагружении, а на поверхность рабочего слоя – на 65 % при статическом, на 135 % – при динамическом. Третье – растягивающие деформации нижнего слоя асфальтобетона в летний период увеличились на 63 % при статическом нагружении и на 134 % - при динамическом (относительно осеннего периода).
Еще одно направление исследования в области проектирования нежестких дорожных одежд – станции мониторинга температуры слоев асфальтобетона: на сегодняшний день они установлены в Рязанской, Ростовской и Ленинградской областях, а также в Краснодарском крае. В 2024 году такую станцию планируют устроить на территории Тверской области. Оборудование в режиме реального времени передает информацию о температуре воздуха и каждого слоя дорожной конструкции в центр мониторинга. В ходе выступления спикер показал график изменения температуры воздуха и слоев асфальтобетона на дороге М-5 «Урал» в Рязанской области за период с апреля 2023 года по январь 2024 года, согласно которому наибольшие температуры в слоях асфальтобетона выявлены июле, в пиковые периоды они достигают 30,9 градусов на глубине 22 см и 46 градусов на глубине 3 см от верха покрытия. Аналогичная ситуация и по низким температурам: верхние слои быстро нагреваются и быстро остывают, нижние слои так же медленно нагреваются и более медленно остывают.
Мониторинг воднотеплового режима грунта земляного полотна в III ДКЗ (трасса М-5 в Рязанской области) показал, что рабочий слой на глубину не менее 30 см промерз в 20-х числах января и оттаял в середине апреля. После оттаивания грунта его влажность повысилась на непродолжительный период (в пределах нескольких недель), затем снизилась и снова постепенно стала расти, достигнув стабильно высоких значений летом, в наиболее жаркие месяцы. Со слов выступающего, отклонения влажности в течение года (без учета периода замерзания) составляют до 2 %. Мониторинг воднотеплового режима песчаноподстилающего слоя (ППС) и грунта земляного полотна в II ДКЗ (на трассе М-9 в Тверской области) показал важность наличия ППС – этот слой при дожде наполняется влагой, после чего отфильтровывает ее, таким образом, вода не доходит до рабочего слоя земполотна.
«Основываясь на том, что показывают цифры, надо активно уходить в укрепленные несущие слои основания: они должны быть из укрепленных материалов. Вот тогда мы действительно можем говорить о сохранности и долговечности наших автомобильных дорог»
Напомним, в этом году конференция «Асфальтобетон 2024» прошла в пятый раз. В течение двух дней более 300 специалистов дорожной отрасли обсудили ряд вопросов, касающихся развития асфальтобетона в России, в частности, подняли тему применения литого асфальтобетона, а также поговорили о проблемах при проектировании автодорог. По итогам мероприятия сформирована резолюция с актуальными предложениями для развития дорожно-транспортного комплекса.
