Вход

Характеристика покрытий из каменных материалов

Реферат по физике
Дата добавления: 28 мая 2006
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 347 кб (архив zip, 53 кб)
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу




Характеристика покрытий из каменных материалов.

1

Конец XVIII — начало XIX в. характеризовались большим числом экспериментальных и теоретических исследований в области сопро­тивления движению колесных повозок, направленных на установле­ние связи между силой тяги, размерами колес и нагрузками. Именно в связи с этими целями проводили опыты Б. Румфорд, А. Морен и ряд других исследователей. Из числа теоретических работ выделя­лась работа русского математика, члена Петербургской Академии наук Н. И. Фусса, который выступил с исследованием «из начал ме­ханики определить содержание движущей силы к перевозимым тя­гостям на четырехколесных и двухколесных повозках так, чтобы приняты были в рассуждение препятствия в движении, как, например, трение и тому подобные сопротивления, обычно при перевозках бываемые и движущей силой преодолеваемые».

Рост перевозок сопровождался появлением во второй половине XVIII в. первых попыток регламентирования правил пользования дорогами. В опубликованном в 1768 г. в Германии в герцогстве Пфальц постановлении было сказано, что «каждый, кто преднамеренно повредит мосты, придорожные аллеи, мильные столбы или со­оружения водоотвода, будет осужден на три месяца, а при повторении на год». В Саксонии в 1781 г. было утверждено руковод­ство — «Мандат на производство дорожных работ», в котором да­вались рекомендации по уходу за дорогами, выбору для их ремонта прочных каменных материалов, не подверженных выветриванию, говорилось о недопустимости использования гравия, содержащего примеси земли. Особенно подчеркивались требования к мощению — расположение камней большей стороной поперек дороги, недопусти­мость использования камней разных размеров; приводились также и другие правила, соблюдаемые в настоящее время.

Несмотря на наличие детальных руководств, дорожное строитель­ство фактически велось в XVIII в. упрощенными способами. В Гер­мании, в период после окончания Семилетней войны, в Ангальте, Саксонии и Пруссии, как отмечает д-р Хуммель, строили преимущественно многослойные гра­вийные покрытия путем последовательных ежегодных весенних рос­сыпей слоев гравия, которые за лето уплотнялись проездами повозок. Считали непригодным для дорожного строительства чисто отмытый речной гравий и сильно загрязненный карьерный гравий, летом силь­но пыливший, а в сырое время года покрывавшийся слоем грязи. Тяжелые повозки с узкими колесами образовывали на этих доро­гах глубокие колеи. В редких случаях в нижний слой одежды уклады­вали камни, уплотнявшиеся трамбованием. Покрытие устраивали только в средней части дороги.

При легком движении на дорогах к поместьям толщина слоя гра­вия составляла 16 см у краев покрытия и 23 см в середине. При тяже­лом движении, например на дороге Лейпциг — Вайсенфельз, по которой перевозили соль повозками с грузом до 60 центнеров упряж­ками в 6—8 лошадей, слой гравия достигал в середине проезжей части 65 см, а у краев 30 см. Дороги с пакеляжными основаниями строившиеся в редких случаях,

2

были весьма несовершенны. На до­роге Лейпциг — Линденау в нижний слой одежды были поставлены на ребро без расклинки крупные камни, перекрытые сверху плоско уложенными камнями. Толщина каменного слоя по оси дорог состав­ляла 45 см. Сверху было насыпано 7,5—15 см гравия. Тяжелым движением во время наполеоновских войск 1806—1813 г. все эти дороги были разрушены.

В конце XVIII в., когда темпы дорожного строительства начали возрастать, наибольшее распространение получили дорожные одеж­ды на основании из пакеляжа — камней, устанавливаемых широкой стороной на грунтовое или песчаное основание и расклиниваемых щебнем. В отличие от мостовых при проезде по дорогам воздейст­вие колес способствовало уплот­нению и упрочнению основания. Пакеляжные основания имели стратегические дороги к границам Франции, построенные во время правления Наполеона Бонапарта. Они были распространены до 30-х годов XX столетия и еще применя­лись на первых автомобильных магистралях Германии. Однако дорожные одежды на пакеляжных основаниях не удовлетворяли тре­бованиям механизированного строительства, а опыт эксплуата­ции показал, что они не выдержи­вали движения тяжелых автомо­билей, многократные проходы ко­торых сосредоточивались на узкой полосе наката и вызывали про­дольные просадки покрытий.

Широкое внедрение дорожных одежд на пакеляжных основаниях

в литературе связывают с именами француза П. Трезаге и англи­чанина Т. Тельфорда, хотя близкие к ним конструкции дорожных одежд в тот же период предлагались в России и в ряде других стран. П. Трезаге1 существенно уменьшил толщину дорожной одежды, снизив ее до 24—27 см по сравнению с толщиной одежд ранее строив­шихся дорог, которая по оси достигала 50 см. Дорожную одежду устраивали в вырытом в земляном полотне корыте, выпуклое дно ко­торого имело средний поперечный уклон около 6О%о. При связных грунтах это способствовало частичному стоку просочившейся через дорожную одежду воды, а также позволяло придать дорожной одежде постоянную толщину по всей ширине проезжей части. Не меньшее значение имела выпуклость дна корыта для более экономно­го расходования каменного материала.

Нижний слой (основание) дорожной одежды толщиной 10 дюймов устраивали из установленных на ребро на дно корыта камней, так чтобы ни один камень не возвышался над другим. Камни трамбовали ручной трамбовкой. Поверх них укладывали слой толщиной 8—10 см менее крупных камней, которые дробили на месте и уплотняли трамбованием. Частично проникая в промежутки между камнями, они расклинивали крупные камни. Сверху укладывали 10 см гравия, который в дальнейшем начали заменять щебнем «крупностью в орех из камня твердых пород», который распределяли слоем 8 см. П. Тре­заге подчеркивал, что качество дороги зависит от верхнего слоя.


3

При действии нагрузок от колес дорожная одежда работала как свод, распределяя давление на большую площадь основания, обеспечивая тем самым возможность пропуска наиболее тяжелых конных повозок. На слабых грунтах под пакеляж укладывали слой плоских камней толщиной 7—8 см. В горной местности на участках дорог с большими продольными уклонами для предотвра­щения размыва боковые канавы не устраивали, а проезжей части придавали вогнутый поперечный профиль.

Результатом привлечения к дорожным работам местного населе­ния (дорожной повинности) явилось выполнение работ неквали­фицированными людьми, а также отсутствие в течение большей части года ремонта дорог, поскольку дорожные работы выполнялись только в периоды, свободные от полевых работ. Возникавшие небольшие повреждения дорожной одежды успевали до следующего периода дорожных работ превратиться в серьезные разрушения. Сделался необходимым переход на систему непрерывных ремонтов и текущего содержания дорог. В 1785 г. П. Трезаге организовал во Франции государственную ремонтно-эксплуатационную службу. Ремонтеры (сап1ошег5), за которыми были закреплены постоянные участки дороги, должны были в течение всего года ежедневно об­ходить эти участки, своевременно исправляя мелкие повреждения дорожной одежды, устраняя образующиеся на них неровности и предотвращая застои воды на поверхности дороги и в боковых канавах.

Мысль о необходимости такой системы высказывал в России И. С. Гергардт: «Как бы ни была дорога хорошо сделана, но содержать оную необходимо нужно... Должно определить в некото­ром расстоянии надзирателей; 4 или 5 верст легко могут быть под присмотром одного человека, который удобно исправить может нужную починку».

Особенностью конструкции дорожных одежд П. Трезаге было использование для верхнего слоя искусственного щебня. В аналогич­ных конструкциях, строившихся в других странах, широко использо­вали местные каменные материалы, не требовавшие дробления. На­пример, в Англии Джон Скотт указывал, что для покрытий кремню, гальке, крупнозернистому песку и искусственному щебню следует предпочитать отгрохоченный гравий. Это легко можно объяснить тем, что при гранулометрическом составе, близком к оптимально­му, гравий во влажную погоду, характерную для Англии, хорошо закатывается колесами и образует плотную поверхность.

В Англии распространение по­крытий на пакеляже связано с име­нем Т. Тельфорда. Т. Тельфорд не предложил новых изменений в технике дорожного строительства и строил дороги по тому же типу, как П. Трезаге. Он следующим образом описывал конструкцию своих дорог: «Нижний слой состо­ял из твердых камней семи дюй­мов высотой, тщательно установ­ленных вручную широким концом вниз, плотно с перевязкой швов, и ни один камень не был более трех дюймов шириной поверху. Пространство между ними затем вручную заполнялось меньшими камнями так, чтобы образовалась плотная и ровная поверхность. Расположенный над ней слой тол­щиной 5—7

4

дюймов состоял из тщательно раздробленных твердых камней. Ни один из них не превышал весом шесть унций и не имел в поперечнике более 2,5 дюйма. Верхний слой толщиной в 1 дюйм был из связного гравия. Под нижним слоем на расстояниях через 100 яр­дов (91,5 м) закладывались перепускные трубы, выводимые в кана­вы. Результатом была легкая, плотная и сухая дорога, которой можно было пользоваться в любую погоду. Даже в дожди выпук­лость поверхности позволяла воде стекать вниз».

Описанные методы постройки новых дорог П. Трезаге и Т. Тель­форда осуществлялись далеко не на всех маршрутах. На большинстве дорог тресты, выделявшие на работы по строительству и ремон­ту дорог ограниченные средства, благоустраивали дороги более при­митивно. В журнале «Monthly Magasin» писалось, что «обычный метод постройки или починки дорог в богатых камнем местностях очень неприятен для едущих. Он заключается в добыче в ближай­ших карьерах камней размером, не меньшим обычного кирпича, и в разбрасывании их по дороге. Можно себе представить, с какими усилиями и трудностью тянет бедная лошадь по такой дороге»



Для распространения новых конструкций дорожных одежд имело значение также своевременное опубликование предложенных мето­дов. Работы П. Трезаге и особенно Дж. Мак-Адама были широко известны при их жизни. Оригинальные поперечные профили русских дорожных одежд на пакеляже того же периода, извлеченные из ар­хивов, опубликовал впервые только в 1951 г. проф. А. С. Куд­рявцев.








5










В России в 1786 г. была утверждена как обязательная конструк­ция дорожной одежды капитана Баранова для дорог с проезжей частью шириной 4 сажени. Она представляла собой как бы сдвоенные двухполосные дороги (рис. 5.11,а), состоящие из боковых и осевой крепко расклиненных пакеляжных лент из двух камней каждая, кле­ток и диагоналей из крупного

6

булыжника и заполнения булыжными камнями более мелкого размера. Пакеляж из крупных камней укла­дывали в продольные ровики, заполненные песком. Каменные основа­ния, имевшие выпуклость, представляли собой как бы два свода. Сверху их засыпали гравием, природным щебнем (дресвой) или крупным песком.

Основания устраивали не только из округлого булыжного камня, но и из колотой шашки (рис. 5.11,6).

Аналогичные конструкции использовали и при более узкой проез­жей части. Вскоре эти конструкции были заменены более легкими в осуществлении (рис. 5.11, в). В них средний ряд пакеляжа ста­вили просто на дно плоского корыта, а крайние погружали в песчаное основание на большую глубину, чем заполнение мостовой. Одновременно отказались от устройства клеток из более крупных булыжных камней. В связи с неизбежной разницей в размере осадок крупных и мелких камней наличие клеток должно было способ­ствовать более быстрому возникновению неровностей на по­крытии.

Дорожные одежды описанного типа требовали высокой квали­фикации рабочих и тщательности выполнения. Они осуществлялись на участках небольшого протяжения и вскоре сменились более про­стыми. Описанная" И. С. Гергардтом в одной из первых статей о дорогах на русском языке конструкция имела ряд отличий от строившихся П. Трезаге (рис. 5.12). Они сводились к следующему: горизонтальное дно корыта, односкатный поперечный профиль, пеше­ходная дорожка на возвышающейся обочине, край которой под­держивался трехслойным валиком из крупных камней. С другой сто­роны проезжей части были установлены наклоненные во внешнюю сторону каменные надолбы, препятствовавшие заезду повозок на обочину. Пакеляж расклинивали камнем, который разбивали на месте укладки тяжелыми, весившими 10—12 фунтов молотками на длин­ных ручках. Покрытие было двухслойным. Нижний слой состоял из щебня размером «малого куриного яйца», а верхний толщиной 2—4 дюйма — из прочного каменного материала, который при по­стройке надо было «уколотить поплотнее ручными бабами и выров­нять катками, железными и каменными». Последняя строительная операция рекомендовалась значительно ранее, чем ее ввел в 1830 г. в строительную практику для щебеночных покрытий во Франции Полонсо.










7



Следующий этап развития техники дорожного строительства — переход к дорожным одеждам только из щебня, к так называе­мому «щебеночному шоссе», которое обычно связывают с именем шотландского дорожника Дж. Мак-Адама. Метод Мак-Адама получил широкое распространение потому, что был прост, дешев и отвечал требованиям времени.

Став в 1827 г. генеральным надзирателем над дорогами Англии, Дж. Мак-Адам настойчиво внедрял свой метод в практику. Оценивая его деятельность, Сидней и Беатриса Вебб отмечали, что нельзя считать, что метод постройки дорожных одежд из дробленого камня изобрел Мак-Адам, «поскольку его раньше использовали в Швеции, в Швейцарии и других странах и об этом давно знали наблюдательные путешествующие». «Главной заслугой Мак-Адама было скорее искусство дорожного администрирования, чем дорожной технологии».

Наиболее творческий подход к системе Мак-Адама был проявлен ,в России. Дорожные одежды из каменных материалов Ч5ыли давно известны в России, но строились они по методу, близкому к методу П. Трезаге в ограниченном числе случаев. По этой схеме были построены в 1817 г. первые участки шоссе Петербург — Москва (рис. 6.3), Гродненское и Калишское шоссе и некоторые дороги в западных губерниях «Царства польского», где проекты дорог утверж­дались наместниками, управляющими этими губерниями.

В дальнейшем строительстве дорог в России почти преиму­щественное распространение имели дорожные одежды по типу Мак-Адама (рис. 6.3). В 1838 г. Комиссия проектов и смет Ми­нистерства путей сообщения «изъяснила, что так называемая фран­цузская система шоссе, состоящая в употреблении различных слоев разной величины камней и щебенок, уже в России оставлена. Все способы устроения шоссе в просвещенных государствах Европы употребляемые, Главным управлением путей сообщения и публичных зданий исследованы» (ЦГИАЛ, фонд 218, 1835— 1836 гг., оп. 1, дело 1041, л. 48). С этого времени широко распространенные ранее пакеляжные основания практически перестали строить.


8

Изменились и условия строительства и содержания дорог, которые в значительной степени были возложены на созданные в 1864 г. земские учреждения, финансировавшие дорожные работы за счет сборов с местного населения. Ограниченные финансовые возмож­ности земств привели к тому, что на подъездных путях начали получать распространение булыжные мостовые, постройка которых не требовала механизации.

Они были менее трудоемки при строительстве, поскольку отпа­дала необходимость дробления камня на щебень, и их можно было надолго оставлять без ремонта.

На важнейших государственных дорогах преимущественным типом дорожного покрытия оставалось щебеночное. Несмотря на небольшие объемы его строительства, именно в России было достиг­нуто существенное улучшение техники постройки.






Трудности получения каменных материалов, суровость климата и значительное разнообразие климатических условий предопреде­лили творческое развитие в России конструкций щебеночных дорож­ных покрытий. Видный русский дорожник Егор Головачев писал в 1870 г. : «Нам, при значительном несогласии местных условий, при устройстве шоссейных дорог, зависящих столь много от климата и места, бессознательно подражать той или иной системе непрости­тельно. Во избежание этого нам необходимы рациональные иссле­дования условий страны». В этом можно усмотреть первое высказывание о необходимости разработки «региональных

9

технических условий», идея которых неоднократно всплывает перио­дически в современной литературе и в скрытом виде осуществляется через дорожно-климатическое районирование в современных нормах проектирования земляного полотна и дорожных одежд.

Существенным отличием конструкций дорожных одежд в России был отказ от обязательного требования Дж. Мак-Адама о соз­дании дорожной одежды из однородного по составу, крупности и прочности щебня.

Средняя полоса европейской части России, где велось строитель­ство щебеночных покрытий, бедна каменными материалами, так как коренные породы покрыты мощными слоями ледниковых отло­жений. Основным источником получения каменных материалов был сбор на полях валунов. Поэтому вскоре возникла мысль об укладке в нижний слой одежды крупного щебня слабых, но дешевых местных пород. Таким способом построен ряд шоссе в западных губерниях.

Вначале, так же как и Мак-Адам, щебеночным одеждам прида­вали толщину 25 см (10 дюймов), но потом, убедившись, что хоро­шее уплотнение щебеночного слоя проездом распространяется только на глубину примерно 10 см, а глубже щебень остается в слабо уплотненном состоянии, перешли постепенно в целях уменьшения расходов к толщине 15 см в уплотненном состоянии. Это оказалось возможным в связи с меньшими нагрузками на конные повозки в России по сравнению с применявшимися в Англии. При неблаго­приятных грунтовых условиях, где можно было ожидать пучин, щебеночную одежду утолщали до 9—12 дюймов, но, так как это силь­но удорожало строительство, нижнюю часть каменного слоя начали заменять песком. Так было построено шоссе Петербург — Москва.

Число случаев формального использования в России конструкций по типу, предложенному Дж. Мак-Адамом, было ограниченным. Их строили в 1840—1860 гг., т. е. несколько десятилетий после начала их распространения в Англии. Характерные для России поперечные профили дорог с щебеночными одеждами показаны на рис. 6.5.

Первые годы щебеночные покрытия строили с обязательным бордюром из крупных камней, отсутствовавшим в конструкции Дж. Мак-Адама, но являвшимся обязательной принадлежностью одежд по типу П.Трезаге и Т.Тельфорда. Поскольку обочины не укреплялись, при отсутствии бордюров на них вскоре от заезда колес повозок образовывались колеи, из которых вода просачи­валась в основание дорожной одежды. В 1843 г. для экономии средств устройство бордюров было запрещено на относительно прочном «твердом и неудоборастворимом в ненастное время» грунте. Это запрещение было отменено в 1851 г., но в целях экономии затрат дороги, как правило, продолжали строить без бордюров.





10



В период с 1820 по 1840 г. песчаные основания в замкнутом корыте и укладка щебня или гравия в корыте непосредственно на грунт встречались практически одинаково часто. В это время слой песка рассматривали лишь как замену дефицитного каменного материала. Примерно к 1840 г. было понято, что песчаный слой играет в дорожной одежде более важную самостоятельную роль, отводя проникающую воду и снижая опасность пучинообразования. М. С. Волков указывал, что «песчаное основание, имеющее целью не допускать воду до дна ящика, делается иногда не довольно толстым слоем. Толщина его должна бы непременно изменяться сообразно свойству грунта, между тем как она берется постоянной для всего протяжения шоссе». «Чем грунт слабее и более раство­ряем водою, тем толще должен быть основной слой песку. На грун­тах чисто глинистых не лишним было увеличивать среднюю толщину песка до 10 и 12 дюймов тем более, что после осадки дороги часть песка проникает в щебень и в грунт, так что действительная толщина этого слоя значительно уменьшается против предположен­ной».

Для улучшения отвода воды корыто начали делать с выпуклым дном, по уклону которого вода могла стекать к обочинам, не просачиваясь в грунт. В 1847 г. был утвержден «нормаль­ный поперечный профиль для государственных шоссе», предусматри­вавший на глинистых грунтах песчаный слой толщиной по оси 10 дюймов и постепенно утончавшийся к откосам земляного полотна до 5 дюймов.

Застаивание воды у краев проезжей части в корыте и разру­шение щебеночной коры у кромок из-за переувлажнения грунта основания вызвали распространение в 1840—1860 гг. сплошных пес­чаных слоев. Однако по экономическим соображениям примерно с 1860 г. начали устраивать песчаные дренажные воронки.

11

Введение в России в конструкцию дорожной одежды пористого песчаного слоя, который обеспечивал отвод воды и способ­ствовал осушению грунтового основания, почти на 150 лет опереди­ло зарубежную практику. До второй мировой войны в США и европейских странах в дорожных одеждах отсутствовали пористые основания для осушения поверхностного слоя земляного полотна. Укладывавшиеся иногда толстые песчаные или гравийные слои пре­следовали цель защиты от пучения. Обширные исследования, про­веденные в США в конце 60-х годов, выявили значительную роль в разрушениях дорожных одежд гидродинамических напоров, воз­никающих в переувлажненных грунтовых основаниях дорожных одежд при проезде автомобилей, и необходимость в связи с этим отвода воды из пористых слоев.

В предложение Мак-Адама о постройке покрытий из одномерного на всю толщину слоя щебня к середине XIX в. был введен ряд уточнений. Повсеместно было узаконено устройство многослойных покрытий. В Ганновере технические предписания 1860 г. оговарива­ли, что «в отличие от прежнего способа производства работ… проезжая часть... должна устраиваться из двух или даже трех слоев, из коих нижний слой, с целью удешевления, может быть устроен из менее тщательно и равномерно набитого щебня, чем для верхнего слоя». В утвержденных в 1889 г. правилах постройки стратегических шоссе в западных губерниях России было сказано, что «щебеночная одежда должна устраиваться из самого твердого и однородного каменного материала, какой только имеется вблизи от проводимой дороги. В случае же недостатка его щебеноч­ная одежда должна устраиваться из двух слоев: нижний из более мягкой и верхний из более твердой породы».

Выработалось представление о структуре щебеночной коры. Как указывал в 1860 г. инж. Васильев, «хорошее шоссе должно состоять из двух главных частей: 1. .Твердой сетки или основы, образуемой кусками щебня, взаимно соприкасающимися и передаю­щими давление один другому; 2. Из вещества, заключенного в пустотах сетки, которое связывает сеть и поддерживает ее равно­весие; следовательно, прочность шоссе зависит: а) от степени сопро­тивления материалов, употребляемых для твердой сетки, стиранию на поверхности и раздроблению или раскрошиванию внутри; б) от каче­ства вещества, заполняющего пустоты твердой сети, от его упру­гости и прочности».

Отмеченная инж. Васильевым роль веществ, заполняющих пусто­ты в щебеночной коре, долгое время являлась предметом споров. Для повышения связности щебеночной коры высказывались пред­ложения о необходимости введения в нее материалов, «образующих связь, основанную на силе химического средства». При этом зна­чительную пользу могло бы оказать «употребление веществ извест­ковых для заполнения пустот в измельченном виде с особую их поставкою».


12

В России идея повышения связности щебеночного покрытия .начала реализовываться лишь после введения искусственного уплот­нения щебеночных россыпей катками, причем на основе других принципов, чем за рубежом. Щебеночная кора из одномерного проч­ного щебня, несмотря на обламывание кромок щебенок, имела высокую пористость. Для заполнения пор в верхнем наиболее уплот­нявшемся слое начали использовать более мелкий материал — клинец и высевки, вдавливаемые весом катка в незаполненные места между щебенками и создающие расклинивание. В России счи­талось обязательным использование для этой цели щебня тех же горных пород, что и для основной россыпи, поскольку примене­ние мягких легко дробящихся пород, облегчая закатку, давало малоустойчивое, быстроразрушающееся покрытие.

За границей для облегчения заключительной стадии укатки щебеночных покрытий был «распространен другой прием, при кото­ром... добавляемый мелкий материал стараются так подобрать, чтобы он в некотором случае дополнил свойства каменного материа­ла, употребленного для щебня. Если щебень, разрушаясь, дает пыль рассыпчатую, сухую, то прибавляют материалов вяжущих, например, известняковых пород, дающих липкую грязь; например, на севере Франции, где шоссейные дороги поддерживаются бель­гийским гранитным щебнем, таким материалом служит известковый овражный песок». Аналогичная рекомендация содержа­лась в широко распространенном в 1920—1930 гг. американском справочнике Харгера и Боннея: «Лучший заполнитель — известковые высевки, так как они обладают хорошими цементирующими качест­вами. Для трудно укатываемых пород (трапп, гранит, песчаник) в клинец можно примешивать не менее 50% известковой пыли». Однако тут же отмечалось, что значительное число разруше­ний покрытий «непосредственно связано с размягчающимся запол­нителем».

С самого начала использования щебня в строительстве дорожных одежд выдвигались предложения о необходимости их искусственного уплотнения. В 1725 г. Якоб Леопольд рекомендовал для уплот­нения дорог железные катки. В 1787 г. в Париже Цессарт делал по­пытки укатки одежд, построенных по методу П. Трезаге, чугунными катками массой 3,5 т, которые тянули шесть лошадей. В 1802 г. И. С. Гергардт предлагал дорожную одежду «...уколачивать поплот­нее ручными бабами и выравнивать катками». Однако обычно в литературе искусственную укатку щебеночных одежд свя­зывают с именем французского инженера Полонсо (Ро1опсеаи), применившего в 1829 г. вместо трамбования щебеночной россыпи 20-килограммовой трамбовкой, «которая уплотняла только поверх­ность», укатку 3-тонным катком, массу кото­рого при последних проходах увеличивали до 4,5 т. Каток был сде­лан из дубовых брусьев, окованных железными обручами, диаметр вальца составлял 2,1 м, ширина — 1,6 м. Брусья имели в середине вогнутость, равную 3,2 см, предназначенную для того, чтобы при укатке формировалась цилиндрическая поверхность

13

покрытия, а щебень не выжимался из-под катка в сторону. В боковых дисках катка были предусмотрены отверстия, через которые каток можно было заполнять песком или гравием, увеличивая его массу с 1,2 до 6 т. В дальнейшем Полонсо рекомендовал систему послой­ной укатки россыпи чугунными катками.

Идея отказа от уплотнения щебеночных покрытий движением и перехода к уплотнению катком не сразу получила признание и лишь в 40-х годах XIX столетия стала рассматриваться как обязательная, по крайней мере, на первом этапе уплотнения. Так, напри­мер, инж. Васильев предлагал при устройстве двухслойных одежд сперва рассыпать половину щебня и укатывать его катком и открыть проезд, для облегчения которого в первое время можно употреблять некоторое количество песку».

В России Комиссия проектов и смет Министерства путей сооб­щения постановила в 1842—1843 гг.: «Комиссия полагает весьма полезным укатывание щебня большими катками для составления плотной коры прежде открытия дороги, ибо цель дороги есть спокойный проезд и удобный провоз, а потому несправедливо в от­ношении к частному интересу укатывать дорогу... теми транспор­тами, которые случаются в то время на дороге» (ЦГИАЛ, фонд 23, 1842—1843 гг. дело 517, л. 13). В этом решении сыграл роль ряд об­стоятельств — стремление возчиков объезжать неуплотненные рос­сыпи и необходимость усиленного наблюдения за проездом, чтобы не происходило движения по одному следу, поскольку «рыхлые щебе­ночные насыпи, однажды прорезанные колеями, никогда уже не могут образовать впоследствии плотной и однородной массы» (ЦГИАЛ, фонд 218, 1845—1850 гг. оп. 1, дело 1724, л. 24).

При укатке рекомендовалось употреблять «катки сначала незна­чительного веса, но увеличивать по мере укатки вес оных». При этом «польза от катка могла только тогда быть, коль скоро тяжесть его постепенно доходила до 300 пудов нагрузкой в ящик камня»

(ЦГИАЛ, фонд 218, он. 1, 1843-1846 гг. дело 571, л. 5 и 94)

Расширению применения укатки способствовало.появление паро­вых катков. В 1859 г. был выпущен каток Лемуана, имевший три вальца, расположенные один за другим. Передний и задний вальцы были меньшего диаметра, чем средний ведущий. Каток Баллезона был двухвальцовым. Начиная с Катков Эвелинга и Портера перешли к обычной трехвальцовой схеме. Оптимальная масса катков была найдена не сразу. Каток Дрелинга массой от 26 до 40 т был трудноуправляем и дробил щебень.

В России первые заграничные паровые катки (рис. 6.6) массой 10 т появились только в 1875 г., а их производство в ограниченном объеме на Коломенском, Варшавском и Брянском машиностроитель­ных заводах было развернуто в конце XIX в. Для укатки преимущественно использовали каменные катки диаметром 0,5—0,6 сажени и длиной 0,5 сажени, массой 150—300 пудов (2,4—4,8 т) и чугун­ные катки с загрузочными ящиками, позволявшими увеличивать их массу до 400 пудов (6,4 т). Каток с двигателем

14

внутреннего сго­рания впервые появился в США в 1909 г. К этому же периоду отно­сится широкое внедрение механической бойки щебня.




Долгое время укатку вели без поливки водой, хотя положительное действие увлажнения щебня на закатывание было известно. В 1851 г. инж. Евреиновым рекомендовалось «при укатке до россыпи высевок выбирать по возможности сырое и дождливое время, укатку же с высевками производить тогда, когда уже шоссейная поверхность несколько просохнет, а влажность будет находиться только в нижнем слое» (ЦГИАЛ, ф. 220, 1851 г., оп. 1, дело 257, с. 30). В конце концов, пришли к выводу, что одна укатка не обеспечивает необходимого уплотнения щебеночной коры и для этого необходимы «...примесь щебеночной мелочи, сырость и усиленное укатывание катками и ездой; без совокупности содействия этих условий щебеночный слой не уплотняется». Для большей эффективности доуплотнения движением и предотвращения проезда колес по одному следу проводилось ре­гулирование движения укладкой на дороге камней, «чтобы движение происходило змейкой». Камни периодически перекладывали. Эта рекомендация сохранялась до начала интенсивной автомобилиза­ции.

Роль воды в создании вместе с каменной пылью цементирующего щебеночную россыпь материала и образовании щебеночной коры получила отражение в названии этого покрытия — «водосвязное шоссе» (Waterbound


15

macadam surface), которому противопостав­лялось уплотнение щебня в сухом состоянии «Dry-bound macadam surface».

Прогресс в строительстве щебеночных покрытий по сравнению с техникой, рекомендованной Мак-Адамом, лучше всего сформулиро­вал в 1870 г. Е. Головачев, писавший, что «...начиная с сороковых годов, когда убедились в полной необходимости изучать не только крепость щебня, но и свойства его пыли, обеспечивающей наибольшую связь между щебнем, прибавлять к щебню мелкий материал для заполнения промежутков, укатывать шоссе искус­ственно до полного уплотнения, чтоб сберечь то количество камен­ного материала, которое должно было, при прежней системе укатки шоссе проездом, обращаться в пыль и осколки, чтоб заполнить про­межутки между щебенками, без чего они не могли получить должной неподвижности и устойчивости, что собственно и обеспечивает прочность щебеночной насыпи, когда для облегчения укатки введена была поливка щебня водой и для лучшего уплотнения щебеночного слоя стали в иных местах вместе со щебнем твердых пород, состав­ляющих основу щебеночной насыпи, [применять] еще примесь Щебня мягких известковых пород, тогда разъяснились причины: по­чему устраиваемая по прежней системе щебеночная одежда из крепкого и дорогостоящего щебня не получала ожидаемой прочности и не имела гладкой поверхности».

Все отмеченные Е. Головачевым особенности рациональной системы строительства щебеночных покрытий, дополненные вве­дением уплотнения катками постепенно увеличивающейся мас­сы, нашли отражения в технических правилах постройки щебе­ночных покрытий, действовавших до начала второй мировой войны. К этому времени сложилось своеобразное «искусст­во укатки», сводившееся в основном к тому, чтобы не допус­кать как «перекатывания», так и «недокатывания» щебня и точно улавливать моменты начала рассыпания клинца и высевок, не пере­увлажнять песчаное основание избыточной поливкой, укладывать тонкие защитные слои из листьев, соломы, травы и т. п. для предотвращения перемешивания щебня с мелкозернистым песком основания, начинать укатку щебеночной россыпи рано утром «по росе», когда щебень еще влажный и т. п.

Особенностью щебеночных покрытий было то, что они нужда­лись в повседневном надзоре и ремонте, так как от выбитой щебенки начинался быстрый рост дальнейших разрушений. Это отмечал в своей статье А. Гофмейстер: «Ни одно сооружение не требует столь бдительной и беспрерывной поддержки, как шоссе, особен­но многопроезжее, которое только тогда удовлетворяет своему назначению, когда ремонт проводится своевременно, систематичес­ки и, конечно, старательно».

Уже на первых этапах строительства щебеночных одежд учиты­валась связь их толщины с работоспособностью. «Шоссе может иметь применение только в известных пределах длительности проез­да (по опыту Лондона максимум для городских улиц 4000 лоша­дей в сутки)»,— писал М. С. Волков. Еще в 1842 г. Комиссия проектов и смет Министерства путей

16

сообщения отме­чала, что «каким бы образом ни составилась щебеночная кора, толщина ее должна быть достаточной для сопротивления проез­ду» (ЦГИАЛ, фонд 23, 1842—1843 гг., дело 517, л. 16).

М. С. Волков рекомендовал толщину щебеночного слоя увязывать с прочностью щебня и загрузкой дороги, оценивая ее по количеству повозок, одновременно находящихся на участке («число встречаю­щихся в одно время повозок»). В зависимости от их числа (2—8) и вида каменного материала рекомендуемая толщина щебеночного слоя менялась от 4 до 8,5 дюйма. При двухслойных покрытиях, если нижний слой устраивался из известнякового щебня, общую толщину надлежало увеличивать еще на 2—3 дюйма.

Уже в 1870 г. было опубликовано первое предложение о методике расчета толщины дорожной одежды. Исходя из пред­ставления о передаче в щебеночном покрытии давления от частицы к частице, Е. Головачев пришел к выводу, что давление колеса, прилагаемое к покрытию через малую прямоугольную площадку kL (L — длина следа колеса; k — ширина обода), распространяясь в слое щебня под углом естественного откоса L, равным по Ренкину 48°, передается на песчаное основание через большую прямоугольную площадь. Зная допускаемое давление на песчаное основание, можно определить необходимую толщину слоя щебня.

Толщина песчаного слоя может быть определена аналогич­ным образом исходя из площади передачи давления покрытием на поверхность песчаного слоя и допускаемой нагрузки на грунт. Формула Е. Головачева почти аналогична опубликованной 75 лет спустя формуле Харгера, отличающейся лишь тем, что площадка передачи давления на покрытие и грунт учитывает форму кон­такта шины с покрытием в виде прямоугольника с двумя полуокруж­ностями по концам.

Рекомендуя свой метод расчета, Е. Головачев придавал большое значение правильному назначению расчетных характеристик грун­та. Он писал, что «степень сопротивляемости в различных грунтах неодинакова, и она, кроме того, в каждом грунте зависит еще от степени насыщения его водой и уплотнения грунта трам­бовкой, потому в каждом частном случае при устройстве шоссе необходимо определять наименьшую единичную сопротивляемость грунта давлению». Для этого предлагался ориги­нальный практический прием: «При изыскании нужно заметить глу­бину колеи и диаметр колес повозок, нагруженных грузом, при следовании их по дороге, грунт которой испытывается» и на основании этих данных определять временное сопротивление грунта как нагрузку, деленную на площадь контакта колеса с грунтом.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным дорожным строи­тельством. Дорожная техника того периода вполне соответствова­ла требованиям, предъявляемым к ней конным транспортом. Однако возможности конного транспорта не могли обеспечить возрастающие потребности в перевозках быстро развивающейся промышленно­сти. Поэтому развернувшееся дорожное строительство вскоре смени­лось застоем,

17

вызванным появлением нового, более производитель­ного железнодорожного транспорта, надолго оттеснившего дороги на второстепенную роль путей подвоза массовых грузов к железно­дорожным станциям. Созданные в начале века безрельсовые паро­вые механические транспортные средства из-за несовершенства их конструкции и низкого качества, дорог не смогли выдержать конку­ренции с железными дорогами.

Несмотря на снизившиеся темпы дорожного строительства, XIX в. не был временем застоя дорожной техники. Он стал периодом накоп­ления первоначальных теоретических представлений о работе земля­ного полотна и дорожных одежд при воздействии проезда и природ­ных факторов. Были сделаны первые попытки использования машин при строительстве дорог, расширился круг дорожно-строительных материалов. Зарождались новые более совершенные типы дорожных одежд, в том числе и с использованием органических вяжущих ма­териалов. Многие высказывавшиеся идеи получили научное обосно­вание лишь позднее, при появлении автомобильного транспорта.

В конце XIX в. произошло событие, внесшее революционное изменение в технику транспорта,— появление автомобиля — само­ходной повозки с двигателем внутреннего сгорания. В 1885—1886 гг. немецкий инженер К.Ф. Бенц установил бензиновый двигатель на трехколесной повозке, а в 1887 г. Г. Даймлер приступил к серийному изготовлению автомобилей. Уже в 1895 г. во Франции состоялись автомобильные гонки Париж — Руан, на которых была достигнута средняя скорость 24 км/ч.

В 1893 г. Г. Форд изготовил свой первый автомобиль на велосипед­ных колесах. Вскоре было начато массовое производство автомо­билей, число которых начало быстро возрастать. В 1900 г. во всем мире их насчитывалось 8000, в 1905 г.— 78 тыс., в 1910 г.— 468,5 тыс., а после окончания первой мировой войны в 1918 г.— 6 196 617 шт.

Первоначально автомобили являлись предметом развлечения и спорта состоятельных слоев населения. Будущая роль автомобиля в транспортной системе недопонималась. В 1896 г. английский пар­ламент высказал опасение «вредных последствий его развития в отношении поддержания конной тяги, имеющей военное значение», а английский крупный политический деятель, впоследствии ставший премьер-министром, Г. Асквит говорил в 1907 г. об автомобилях, как о «роскоши, способной выродиться во вредность».

Значение автомобилей в полной мере выявилось после оконча­ния первой мировой войны. При большей стоимости перевозки груза на единицу

расстояния автомобильный транспорт оказался более экономичным при малых дальностях перевозок, чем железнодорож­ный. Уже с начала 20-х годов он начал конкурировать с железно­дорожным, поскольку доставлял грузы «от двери к двери» без пере­грузочных операций и простоев во время переформирования желез­нодорожных составов. Пассажирские перевозки автомобилями также были удобнее, так как не были связаны с расписаниями поездов. Уже в 1922—1925 гг. в США 8,3 тыс. км железных дорог, ставших

18

убыточными, были закрыты. С 1935 по 1943 г. из 26 тыс. км дополни­тельно закрытых железных дорог 15 тыс. (58%) не выдержали кон­куренции с автомобильными. Аналогичные процессы происходят до сих пор в Англии и Японии. Нередки случаи, когда полотно железных дорог использовали для постройки автомобильных дорог. Примером может служить сооружение в 1940 г. в США первой платной Пенсильванской магистрали Питтсбург — Гаррисберг дли­ной 250 км, для которой были использованы готовые участки земля­ного полотна и тоннели прекращенной строительством железной

дороги. Массовое производство автомобилей дало толчок дорожному строительству.

Щебеночные покрытия начали сильно изнашиваться при движе­нии автомобилей. Уплотненные россыпи, прочность которых обеспе­чивалась взаимной заклинкой щебенок и слабым цементирующим действием каменной пыли, образовавшейся при трении частиц друг о друга во время укатки, достаточно хорошо сопротивлялись вер­тикальным нагрузкам от колес конных повозок. Быстро движущиеся автомобили оказывали на покрытия также и касательные усилия не только при движении юзом во время торможения, но и в резуль­тате возникновения зон проскальзывания на входном и выходном участках площади контакта шин ведущих колес с поверхностью по­крытия.

Уже в первых книгах периода начала автомобилизации дава­лось правильное объяснение причин быстрого разрушения щебеноч­ных покрытий тем, что «из всех слагающих сил, действующих на шоссе в точке прикосновения к ней автомобильного колеса, выдаю­щуюся роль играет касательная слагающая, стремящаяся сдвинуть верхний слой щебня в сторону, обратную направлению движения...». «При вращении колеса шина его, встречая неровности, сначала вытягивается, а затем, сокращаясь, притягивает вместе с тем продукты изнашивания каменной одежды и вновь отбрасывает назад под действием центробежной силы». Кроме того, «при быстром движении автомобиля получается сзади колеса полоса раз­реженного воздуха; в эту, так сказать, воздушную впадину устрем­ляется плотный воздух, со всех сторон увлекая за собой пыль и мелкие частицы, находящиеся на пути». Однако в дальнейшем еще долго в литературе господствовало примитивное объяснение разрушений щебеночных покрытий всасывающим действием рисунка протектора шины.

Разрушающее действие автомобилей на щебеночные покрытия усугублялось тем, что до середины 20-х годов на грузовых автомо­билях

многих марок устанавливали сплошные литые резиновые шины или так называемые эластичные шины — те же сплошные шины, в которых были устроены для повышения их сжимаемости отверстия и внутренние полости. Их динамический коэффициент при движении по неровной поверхности в 2—3 раза превышал коэф­фициент для пневматических шин. Чтобы снизить разрушения дорож­ных одежд, неоднократно вводились ограничения осевых нагрузок и скорости. Московским градоначальником в 1912 г. нагрузка на


19

ось была ограничена 500 пудами (8 тс) и 25 пудами на дюйм (15,5кгс/см) ширины шины. В решениях IV Международного дорожного конгресса (Севилья, 1923 г.) скорости движения на ма­гистральных дорогах были рекомендованы в зависимости от типа шин и осевой нагрузки:


Осевая нагрузка, тс . . . . . . . . . . . . . . .

2-3

3-5,5

5,5-8

8

Наибольшая скорость, км/ч, при шинах:




сплошных . . . . . . . . . .

30

25

20

10

пневматических . . . . . . .

45

40

30

15


Развитие автомобильного движения, «причинявшее местами, резко выразившееся расстройство шоссейных дорог и возбудившее по­всеместные жалобы на убийственную пыль», привело к тому, что среди широких кругов населения и отдельных специалистов возникла мысль о «банкротстве современных дорог», утверждали, что «шоссе отныне не может больше существовать, что нужно выра­ботать особый тип «современной дороги», отвечающий своей конст­рукцией новым способам передвижения».

Состоявшийся в 1914 г. Первый Всероссийский съезд деятелей по шоссейному делу принял решение, что «на тех перегонах, где дви­жение велико, а также в районе городов и населенных мест, реко­мендовать замену щебеночной коры мостовой, так как при этих усло­виях щебеночная кора перестает удовлетворять условиям и характе­ру движения».

Конфликт между автомобильным транспортом и дорогами пе­риода преимущественного конного движения был кратковременным и явился стимулом дальнейшего прогресса техники дорожного строи­тельства — массового появления усовершенствованных покрытий на основе органических вяжущих материалов. Впервые вопрос об учете особенностей автомобильного движения при проектировании и строи­тельстве дорог явился основной темой созванного в 1909 г. в Париже I Международного дорожного конгресса, в котором приняло участие 27 стран. Основной секцией строительства и содержания дорог руко­водил представитель России проф. В. Е. Тимонов (1862—1936 гг.). С тех пор организованная на конгрессе Международ­ная ассоциация дорожных конгрессов регулярно, за исключением перерывов, вызванных первой и второй мировыми войнами, созывает раз в 4 года конгрессы, на которых обобщается мировой опыт

дорож­ного строительства. СССР вступил в Ассоциацию в 1950 г. и прини­мает активное участие в ее деятельности.

Многие из усовершенствованных беспыльных покрытий, как уже отмечалось выше, строились в порядке попыток и в прошлом. Песок, обработанный дегтем, предшественник литого асфальта, укладыва­ли в 1870—1884 г. на улицах Вашингтона, поверхностную обработ­ку дегтем делали во Франции в провинции Жиронда в 1880 г., в 1876 г. в США

20

применили литой асфальт, приготовленный с исполь­зованием нефтяных битумов. Но все это были единичные случаи, которые не получили широкого распространения и не вноси­ли вклада в прогресс техники дорожного строительства.

Началом систематического строительства усовершенствованных покрытий следует считать быстро распространявшуюся укладку на улицах столичных городов покрытий из «трамбованного асфаль­та» — щебня из природных асфальтовых пород, который разогре­вали в котлах и уплотняли трамбованием после разравнивания на прочном каменном основании. В 1913 г. в Европе впервые была применена заимствованная в США укатка «асфальтовой мас­сы». Покрытия получили название «укатанного асфальта».

В России метод трамбованного асфальта оказался неприемлемым, так как сызранские асфальтовые известняки, несмотря на значитель­ное содержание битума, в разогретом состоянии не поддавались трамбованию и укатке. Их использовали в виде «литого асфаль­та» — материала, готовившегося из полуфабриката — плит асфаль­товой мастики, приготовленных на заводе из порошка натуральной асфальтовой породы, обогащенной битумом примерно до 15—16%. Мастику нагревали и перемешивали в котлах с битумом, мелким гравием и песком. При распределении по твердому основанию лито­го асфальта ограничивались разравниванием вручную деревянными вальками.

Быстрый прогресс в расширении использования в дорожном стро­ительстве органических вяжущих материалов связан с именем швей­царского врача Э. Гуглилминетти (1862— 1943 гг.). В течение 12 лет, начиная с 1902 года, для борьбы с пылью на 20-километровом участке дороги Ницца — Монте-Карло при еже­дневном движении почти 1000 автомобилей и большом количестве конных повозок Э. Гуглилминетти успешно применял разогретый каменноугольный деготь газового завода. Деготь использовали для ежегодного восстановления поверхностной обработки щебеночного покрытия с последующей засыпкой песком.

Достигнутые хорошие результаты, а главное, активная пропа­гандистская деятельность Э.Гуглилминетти, получившего прозвище «доктор Гудрон», и одобрение метода I Международным дорож­ным конгрессом вызвали быстрое распространение метода поверх­ностных обработок во многих странах.

В России ограниченные по масштабу опыты устройства поверх­ностных обработок проводились в 1902 г. вблизи от Варшавы, в 1908 г.— в

Закавказье, в 1903 г.— в Одессе и в 1909 — 1914 гг.— в Крыму. В большинстве случаев результаты не были вполне удовлет­ворительными из-за неудачного выбора вяжущих материалов и роз­лива их по неочищенной от пыли и грязи поверхности щебеноч­ного покрытия. Работы В. Зинюхина в Крыму 1925 г. оказались более удачными, и с 1927 г. поверхностная обработка с использованием вязких битумов начала получать распространение в СССР.

21

Опыт устройства поверхностных обработок показал, что они не только приводят к обеспыливанию покрытий, но и существенно умень­шают их износ. В результате повторных поверхностных обработок на дорогах образуется своеобразный коврик — тонкослойное асфаль­товое покрытие. Первоначально розлив битума и дегтя осуществляли вручную из леек с последующим распределением по покрытию щет­ками. Затем появились котлы вместимостью 250—350 л на тележках, из которых вяжущее вытекало через отверстия в горизонтальной трубке. Тележку перевозили двое рабочих. Следующим этапом были распределители на конной тяге. Они имели емкости на 1200—1500 л, из которых битум подавался под давлением до 8 атм. (0,8 МПа) при возможности регулирования количества подаваемого вяжущего. Распределители на автомобилях — автогудронаторы в СССР начали выпускать с 1931 г.

Положительное влияние битумов и дегтей на прочность дорож­ных одежд вызвало постепенное на протяжении ряда лет появле­ние новых конструкций. Это было связано как с развитием научных исследований, так и главным образом с совершенствованием вы­пускаемых дорожных машин. Схематически этот процесс можно описать следующим образом.

Поверхностная обработка захватывала только верхний слой по­крытия. Расположенный ниже щебень удерживался лишь силами заклинки и поэтому при износе поверхностной обработки возобнов­лялось быстро прогрессирующее разрушение покрытия. Задача свя­зывания щебня на большую толщину была решена появлением метода пропитки. Наиболее вероятно, что его развитие связано со случаями, когда избыточно разлитый при поверхностной обработке би­тум потребовал засыпки толстым слоем щебня, в который при укатке вжимался битум. При устройстве пропитки по недоуплотненному слою щебеночной россыпи разливали горячий битум, который проса­чивался в щели между камнями тем глубже, чем большее количество его было разлито. В среднем расход вяжущего составлял 1 л/1 м2 на 1 см толщины пропитываемого слоя. На обработанную таким образом поверхность дороги рассыпали мелкий щебень-клинец и укатывали. Таким, образом технология строительства по сути воспроизводила обычную постройку щебеночного покрытия с заменой поливки водой розливом битума.

В дополнение к создаваемой при укатке заклинке при методе про­питки введенное вяжущее, склеивавшее щебенки, придавало щебе­ночной коре связность, хотя часть его образовывала сгустки в порах между щебенками,

где роль его сводилась лишь к уменьшению водо­проницаемости покрытия. В зоны контакта между щебенками вяжу­щее практически не попадало. Метод пропитки начал получать рас­пространение примерно с 1910 г.

Желание создать более однородный материал поверхностного слоя вызвало идею устройства покрытий из каменного материала, заранее подвергнутого обработке вяжущим. Метод зародился из простейшего просушивания щебня на железных листах и смешения с дегтем вручную. Вот

22

как описывали эту технологию в 1913 г.: «Для того чтобы щебень покрылся как следует смолой, необходимо его предварительно хорошо высушить. Простейшим способом такое вы­сушивание производится на железных листах, уложенных поверх кирпичных стенок и подогреваемых снизу углем или коксом... Сухой и теплый щебень затем смешивают со смолой, перекидывая его три раза лопатами наподобие того, как приготовляют бетон из цемент­ного раствора... После этого щебень оставляют лежать на штабелях приблизительно в течение месяца, причем щебенки постепенно оплы­вают смолой со всех сторон». Вскоре для перемешивания смеси были созданы смесительные установки, и метод смешения на­чал получать широкое распространение, постепенно вытесняя менее совершенный метод пропитки.

В 1913 г. впервые был использован щебень из доменного шлака, а в 1928 г. в Германии появились укладчики дегтебетона. Постепен­но выяснилось, что при соответствующем подборе минералогическо­го состава каменного материала и битума или дегтя малой вязкости период хранения «созревшей» смеси может быть значительно про­длен, причем она не слеживается. Это давало возможность заготов­ки обработанного щебня впрок, изготовления его на заводах, в том числе и в зимнее время, и перевозки на строительство на большие расстояния, сводя процесс постройки покрытия только к распределе­нию по подготовленному основанию и к укатке. Был запатентован ряд способов приготовления «термакадама», из которых наибольшую известность получил в начале 30-х годов «эссенский асфальт», или «дамманасфальт», названный так по имени предложившего его спе­циалиста инж. Даммана. Этот асфальт готовили из каменного мате­риала в виде измельченного до крупности песка доменного шлака и минимального количества жидкого битума. Для постройки щебе­ночных покрытий методом пропитки и устройства поверхностной обработки с использованием горячего вязкого битума требовалось обязательно, чтобы щебень находился в сухом состоянии и на щебенках не было пыли. Просачивающийся в покрытие битум быстро ох­лаждался и загустевал, не попадая в узкие промежутки между щебенками. Для этой цели были необходимы менее вязкие материалы. Следующим этапом развития техники постройки усовершенствован­ных дорожных покрытий явилось применение битумных и дегтевых эмульсий и разжиженных битумов, которые в СССР были впервые испытаны в 1928 и 1930 гг.

Битумные и дегтевые эмульсии, состоящие примерно на 50% из воды, включали 2% эмульгатора и диспергированный битум или де­готь. Они

давали возможность выполнять работы при более низких положительных температурах и влажном щебне. Распадаясь при соприкосновении с поверхностью каменного материала, они остав­ляли прилипшую к нему битумную пленку.

Вяжущие материалы, разжиженные летучими растворителями, также легче проникали в пространства между щебенками, связы­вая пыль с поверхностью каменных частиц. Особенно широкое при­менение жидкие битумы получили

23

при устройстве гравийных покры­тий на дорогах низших категорий методом смешения на дороге, по­скольку гравийные материалы, содержащие большой процент пылеватых и песчаных частиц, можно было перемешать на полотне дороги малым числом проходов грейдера или дисковой бороны только с мало­вязким материалом. Широкое применение такие методы находили в США и в СССР перед второй мировой войной при создании низовой сети автомобильных дорог в условиях быстрого роста автомобили­зации.

На первых этапах применения органических вяжущих материа­лов наибольшее применение находил каменноугольный деготь, полу­чаемый в процессе сухой перегонки каменного угля при приготов­лении кокса и светильного газа. Получение природных битумов было трудоемким, и они были более дорогими. Нефтяные битумы нашли распространение позднее, с развертыванием добычи нефти. Первая нефтяная скважина была пробурена в Баку в 1848 г., в США — в 1859 г. В 1878 г. инж. В. И. Рогозин и другие предложили получать битум из нефти. В 1901 г. в Баку начал работать завод по выпуску остаточного битума. Однако начало промышленного изготовления нефтяных битумов относится к более позднему периоду (1907— 1913 гг.):

В процессе развития дорожного строительства дегти постепен­но вытеснялись битумами. Причин было несколько. Каменноуголь­ный деготь был освоен химической промышленностью как сырье для изготовления ценных продуктов. Для дорог, как выяснилось, они бы­ли менее выгодны, поскольку в дорожных одеждах происходит быст­рое старение дегтя, он становится хрупким, и прочность одежды сни­жается. Позднее была установлена канцерогенность дегтей и введе­ны ограничения на их использование в верхних слоях покрытий и в пределах населенных пунктов. Битумы, изготовляемые из гудрона — остаточного продукта перегонки нефти, который шел на топливо, бы­ли доступным сырьем, и их использование быстро росло. Современный дефицит битума в ряде стран связан с непропорционально большим использованием гудрона в период после второй мировой войны как топлива в промышленности и относительным снижением использо­вания для этой цели каменного угля.

Рост интенсивности движения и появление на дорогах тяжелых автомобилей потребовали дальнейшего повышения прочности дорож­ных покрытий по сравнению со щебеночными покрытиями, обрабо­танными вяжущими материалами. В дорожном строительстве начали получать распространение асфальтовый и цементный бетоны. Ас­фальтобетон возник

как развитие щебеночных покрытий из материа­лов, обрабатываемых вяжущими в установках. Коренным отличием асфальтобетона от щебня, обработанного вяжущим, явилось обя­зательное наличие в его составе тонкого минерального порошка круп­ностью менее 0,1 мм. На первом этапе проектирования составов асфальтобетона ему предписывалась роль заполнения пор между песчаными частицами, откуда и родилось его первоначальное наиме­нование «заполнитель», впоследствии замененное

24

термином «минеральный порошок». В зависимости от соотношения минераль­ного порошка и вяжущего покрытие оказывалось слишком хрупким или слишком пластичным, особенно в жаркую погоду, когда на нем оставались следы от колес и возникали сдвиги при торможении. Одежды с малым содержанием вяжущего быстро разрушались. Изу­чение опыта службы асфальтобенных покрытий показало необхо­димость тщательного подбора гранулометрического состава мине­ральной части и количества битума с учетом климатических условий его работы. Появившись впервые в 1910—1912 гг., асфальтобетон получил широкое распространение в практике дорожного строитель­ства в конце 20-х - начале 30-х годов. Первые отечественные - асфальтобетонные смесители производительностью 15—18 т/ч нача­ли выпускаться в 1936 г.

В СССР развитие теории асфальтобетона связано с именами проф. П. В. Сахарова и его учеников профессоров В. В. Ми­хайлова, И. А. Рыбьева, Н. В. Горелышева, И. В. Королева, Л. Б. Гезенцвея и др.

При проектировании состава асфальтобетона с первых лет вы­явилась направленность на обеспечение наибольшей плотности смеси путем подбора зернового состава по крупности в такой пропорции, чтобы поры между более крупными зернами были заполнены мел­кими. Битуму отводилась роль самой тонкой фракции, заполнявшей поры в минеральном порошке (принцип минимума пустот). Это меха­нистически упрощенное представление об асфальтобетоне. Постепен­но сменилось углублявшимся учетом структуры и физико-химическо­го взаимодействия его составляющих.

Проф. П. В. Сахаров (1879—1945 гг.) первый обратил внима­ние на особую роль асфальтового вяжущего вещества — однооб­разной дисперсной системы, образующейся в результате физико-химического взаимодействия объединяющихся минерального по­рошка и битума. Он отмечал, что в асфальтобетоне их нельзя рас­сматривать по отдельности и что в нем «роль вяжущего выполняет однородная смесь битума с асфальтовым порошком». Битум «не должен рассматриваться как само­стоятельное вяжущее вещество... Вяжущее вещество по отношению к песку должно состоять, поэтому из тесной связи битума с более тонким минеральным порошком». Проф. П. В. Сахаров не отрицал значения заполнения всех пор, говоря, что в «асфальтово-песчаной смеси должны быть сообразованы относительные ко­личества песка, тонкого асфальто­вого порошка и битума так, чтобы все поры в песке могли быть за­полнены асфальтовым вяжущим веществом с небольшим избытком для распределения по всей поверх­ности зерен песка».

Исследования в области при­менения органических вяжущих материалов в дорожных одеждах получили в СССР развитие в на­чале 30-х годов после неудачной попытки привлечения в 1929 г. американских и германских фирм к строительству дорог в Москве, Московской области и Харькове. Опыт показал, что ни фор­мальное использование оправдавших себя в условиях США соста­вов асфальтобетона («метод рецептов»), ни германский «метод ми­нимума пустот», применявшиеся без предварительного

25

изучения физико-химического взаимодействия отечественных органических вяжущих с минеральными компонентами асфальтобетона, не дали положительных результатов — построенные участки покрытий быст­ро разрушились.

Проводившиеся с тех пор исследовательские работы в области асфальтобетона были направлены на повышение его структурной прочности, сдвиго - и влагоустойчивости, на поиски путей усиления внутренних сил взаимодействия между его составляющими. В состав битума вводятся поверхностно-активные добавки, адсорбирующиеся на поверхности каменных материалов и улучшающие сцепление с ними битумов. Для активизации поверхностной энергии песка с поверхности его зерен перед введением минерального порошка и би­тума интенсивным перемешиванием удаляются покрывающие пленки окислов.

Строительные и эксплуатационные качества асфальтобетона — сравнительная легкость постройки и ремонта покрытий, возмож­ность механизации, а также комфортабельность проезда по ним автомобилей, связанная с упругоэластичным характером взаимо­действия колеса и покрытия, явились причиной широкого распространения асфальтобетонных покрытий в период после второй миро­вой войны.

Если не касаться недоказанного предположения об использовании бетона в дорожных одеждах римлянами, то первые случаи примене­ния минеральных вяжущих относятся к концу XVIII — началу XIX столетия. В 1796 г. П. Э. Шретер описал проведенный в Петербурге опыт постройки улицы, на которой по основанию из пакеляжа был уложен слой в 2—3 дюйма густого известкового раствора с засып­кой слоем песка. Для твердения раствора улица была закрыта на месяц, после чего по ней открыли движение. В течение нескольких лет покрытие работало успешно, но потом началось разрушение известково-песчаного слоя, сопровождавшееся сильным пылеобразованием.

Уже через три года после оформления в 1824 г. в Англии Апсдином патента на портландский цемент, изобретенный им практически одновременно с Челиевым в России, там были запатентованы способы постройки дорожной одежды из утрамбованного щебня, пролитого цементным раствором, и из бетона, приготовленного из остроуголь­ного карьерного песка, гранитного щебня и портландцемента.

Единичные случаи постройки цементобетонных покрытий были известны еще в прошлом столетии. В Шотландии первый участок был построен в г. Инвернессе в 1865 г., в Австралии (г. Сидней) — в 1882 г., в

Германии (г. Герлиц) — в 1888 г., во Франции (г. Гре­нобль) — в 1892 г. Покрытие, построенное в США (г. Белфонтин) в 1894 г., состояло из квадратных плит со сторонами 1,5 и 1,8 м.

В России первое бетонное покрытие было уложено на улице Пе­тербурга в 1913 г. В дальнейшем цементобетонные покрытия общей протяженностью 20 км были уложены на внутризаводских проездах

26

автомобильного завода в Нижнем Новгороде в 1931 г. и на опытных участках на дороге Москва — Минск в 1937 г.

Штыри в поперечных швах были поставлены впервые в 1918 г. в г. Ньюпорт-Ньюс в штате Виргиния. С 1920 г. для борьбы с трещи­нами начали устраивать ложные швы, ослабляя сечение плиты при укладке бетона втапливанием рейки. Примерно в то же время начали устанавливать анкеры в продольные швы. Из боязни возникновения ритмических толчков при переезде колесами швов поперечные швы располагали под углом к продольной оси покрытия, а длину плит принимали переменной в определенной последовательности, напри­мер, 3,6—4,5—3,9—5,2 м. В дальнейшем, когда убедились в надеж­ности соединения плит штырями, от этого отказались.

Чтобы обеспечить равнопрочность при приложении нагрузки в любом месте, толщину плит принимали переменной, устраивая у краев утолщения. В дальнейшем от всех этих усложняющих строи­тельство предложений отказались и перешли к плитам постоянной толщины, учитывая влияние установленных штырей на распреде­ление нагрузки между плитами.

Для бетонных покрытий характерны отдельные периоды интен­сивного строительства преимущественно при создании сетей автомобильных магистралей. Это объяснялось более высокой степенью меха­низации строительства бетонных покрытий в то время по сравнению со строительством покрытий, в которых используются органические вяжущие материалы, в том числе и асфальтобетонных.

При строительстве бетонных покрытий исключались, ручное раз­равнивание смеси и укатка — медленная и требующая тщательного контроля и квалификации рабочих операций. Недостаток бетонных покрытий — необходимость тщательного ухода за уложенной бетон­ной смесью во время твердения — был легко преодолим, поскольку требуемое для этого оборудование входило в состав комплекта ма­шин, передвигающихся вдоль дороги по рельс-формам.

Переход от единичных случаев постройки бетонных дорожных покрытий к их массовому строительству произошел в США в годы первой мировой войны. После ее окончания при быстром росте чис­ленности парка автомобилей все магистральные дороги США строили из бетона комплектами бетоноукладчиков. В 1917 г. протяженность таких дорог

составляла 8500 км, в 1919 г. было построено еще 4500 км, а в 1923 г. в США имелось уже около 50 тыс. км дорог с бетонными, покрытиями. В последующие годы ежегодно строилось по 10—15 тыс. км в год.

Аналогично, когда в 1933 г. Германия приступила к созданию сети стратегических автомобильных магистралей, дорожные покры­тия строились только из бетона и лишь на соединительных рампах, на пересечениях в разных уровнях, где на крутых подъемах и виражах было трудно укладывать бетон, устраивали мостовые из брусчатки или мозаики. С 1934 до 1942 г.,


27

когда строительство автомобильных магистралей было прекращено, было построено 3000 км четырехпо­лосных дорог с бетонными покрытиями.

В СССР бетонные дорожные покрытия строились на целом ряде автомобильных магистралей начиная с 50-х годов (Харьков — Рос­тов, Ростов — Орджоникидзе, Московская кольцевая дорога и др.), чему способствовало освоение промышленностью комплектов бетоноукладочных машин для дорожного и аэродромного строительства.

В период до второй мировой войны для всех стран был типичен поперечный профиль бетонного покрытия из соединенных металличе­скими штырями плит постоянной толщины 18—24 см, укладываемых на песчаное или гравелистое основание или более толстый «морозозащитный слой», предохранявший от пучения. Предполагалось, что толстая бетонная плита, распределяющая давление от колес автомо­билей на большую площадь основания, может в известной степени компенсировать неоднородность грунта земляного полотна. Однако опыт эксплуатации показал, что различие в прогибах центральной части и краев плит при проезде автомобилей приводит к накоплению остаточных деформаций грунта под поперечными швами и образо­ванию там полости, заполняющейся в дождливые периоды водой, разжижающей грунт земляного полотна. Возникает характерное явление «выплесков» — выбрызгивание из швов при проезде автомобилей грязной воды, приводящее к увеличению полостей под концами плит, их работе под нагрузкой как консоли, в конце концов, к их обламыванию. Аналогичное явление накопления осадок подстилающего грунта под влиянием прогиба плит возникает и в центральной части плит. В бетоне плиты, не испытывающей полной поддержки грунтового основания, начинают развиваться усталост­ные явления, приводящие к образованию трещин.

Однако в условиях движения того времени это явление не имело массового характера и с ним боролись армированием швов, устройст­вом под ними прокладок и ремонтом с нагнетанием под приподнятую домкратами плиту тощего цементного раствора.

Тенденция изменения типа покрытий до начала второй мировой войны видна по данным об относительной протяженности участков с разными покрытиями на государственных дорогах Германии:


Годы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1913

1925

1939

Протяженность покрытий, %:




щебеночных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87,8

85,7

4,4

поверхностной обработки . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,3

0,5

41

облегченных усовершенствованных и асфальтобетонных

0,1

0,1

34,8

бетонных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

-

-

0,7

брусчатых . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11,8

13,7

18,1


28

Период 30-х годов характеризовался в СССР быстрым развитием автомобильного движения по дорогам в связи с вводом построенных в первой пятилетке автомобильных заводов в Москве, Горьком и Ярославле. К концу второй пятилетки в 1937 г. автомобильная про­мышленность выпускала более 200 тыс. автомобилей. Советский Союз занял четвертое место в мировом выпуске автомобилей.

Рост интенсивности движения вызывал быстрый износ основных в то время щебеночных и гравийных покрытий, развитие пучинообразования и разрушений в периоды весеннего оттаивания дорог. Для дорожных покрытий стало типичным прогрессирующее разви­тие поверхностных деформаций — выбоин и волн, образование кото­рых связано с колебательными процессами автомобилей, возникаю­щими при движении по неровному дорожному покрытию. Много­летние исследования связи динамики развития поверхностных де­формаций с интенсивностью движения и автомобильными нагрузка­ми, их влияние на междуремонтные сроки, сопротивление движению, расход топлива и комфортабельность перевозок, проводившиеся проф. А. К. Бируля (1895—1967 гг.), заложили основы нового раз­дела теории эксплуатации дорог о транспортно-эксплуатационных характеристиках автомобильных дорог.

Конец 30-х годов характеризовался в СССР возрастанием темпов строительства дорог. XVIII съезд ВКП (б) наметил в третью пятилет­ку построить и реконструировать 210 тыс. км дорог с решительным увеличением доли усовершенствованных дорог. Предусматривалось увеличение объема автомобильных перевозок в 4,6 раза.

Запланированные объемы работ не могли быть выполнены ранее применявшимися методами организации строительства и требовали сокращения его сроков. Была по­ставлена задача значительного по­вышения темпов — переход на ско­ростное строительство, идея кото­рого сводилась к ускорению от­дельных этапов строительства, исключению технологических про­цессов, требовавших длительного времени (выдерживание насыпей для уплотнения под действием собственного веса или для осадки на болотах ), применения конст­рукций дорожных одежд, не тре­бующих ручного труда,

типизация и сборность искусственных сооружений, и сведение к минимуму их индивидуального проектирования.

Переходу на скоростные мето­ды строительства способствовал значительный прогресс в развитии дорожного машиностроения. За десятилетие с 1930 г. было освоено серийное производство грейдеров, скреперов, бульдозеров, самоходных дорожных катков, камнедроби­лок, автогудронаторов и асфальтовых смесителей, хотя номенклатура их еще и не была достаточной, а выпуск не вполне удовлетворял по­требности дорожных

29

организаций. В решениях XVIII съезда ВКП (б) ставилась задача «преодолеть отставание в производстве строитель­ных и дорожных машин и механизмов».

Успешно начатое выполнение плана третьей пятилетки было пре­рвано вероломным нападением фашистской Германии. Идеи скорост­ного строительства были воплощены в жизнь после окончания Вели­кой Отечественной войны на более высоком организационном уровне поточного строительства, при котором специализированные отряды движутся по трассе с ритмичной ежесуточной готовностью участков дороги. Неравномерно распределенные по трассе сосредоточенные работы (высокие насыпи и глубокие выемки, мосты и трубы) выпол­няются заблаговременно специальными отрядами до подхода к ме­стам их расположения отрядов, занятых на линейных работах.






































30





Л и т е р а т у р а :


1. В.Ф.Бабков, Развитие техники дорожного строительства. Москва, 1988.





© Рефератбанк, 2002 - 2017