М ашины для уплотнения грунтов, дорожных оснований и покрытий

1. Общие сведения и классификация

При сооружении дорожных покрытий из свежеприготовленных бетонных смесей, грунтовыых цементо- и битуминозных смесей и других материалов для получения наиболее плотной упаковки частиц материала и увеличения сцепления между ними дорожно-строительные мате­риалы уплотняют. Процесс уплотнения, выполняемого путем ста­тического и динамического воздействий, существенно влияет на эксплуатационную прочность отдельных строительных элементов и сооружения в целом. При уплотнении сокращаются воздушные включения в свежеприготовленных бетонных смесях; из цементо-бетонных смесей удаляется избыточная вода, которую добавляют для приготовления бетонной смеси и хорошей ее обрабатывае­мости, но которая не используется для схватывания цемента. При уплотнении насыпных материалов и грунтов естественного залегания, а также щебня уменьшаются поры, а при уплотнении влажного материала также сокращается содержание воды. Уплот­нение битуминозных смесей ведет к уменьшению воздушных включений, а также к увеличению сцепления между частицами, составляющими смесь.

По принципу действия рабочих органов уплотняющих машин различают следующие основные методы уплотнения (рис. 1, 2): укатка (рабочий орган — уплотняющий каток перемещается по уплотняемому материалу) (рис. 2, а); трамбование — ударное воздействие (уплотнение достигается периодическими ударами уплотняющего элемента по уплотняемому материалу) (рис. 2, в); вибрационные воздействия (материалу сообщают кратковременные, следующие один за другим импульсы) (рис. 2, б). Существуют также машины, основанные на комбинировании указанных прин­ципов действия: вибрационные катки, виброударное оборудование, вибрационное трамбование (рис.2, г) и др. Статическим воздействием яв­ляется укатка; к динамическим воздействиям относятся все остальные методы.

Процесс уплотнения строительных материалов является важ­ной технологической операцией строительства автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов. Высокая плотность материала достигается правильным выбором методов уплотнения, параметров применяемых машин и режимов уплотнения.

Рис. 1. Классификация машин для уплотнения дорожностроительных мате­риалов и грунтов и методов их воздействия на среду.

Давления на поверхности контакта рабочих органов машин с уплотняемой средой не должны быть выше пределов прочности среды. Они должны постепенно повышаться от прохода к проходу или от удара к удару. При высоких давлениях на поверхности контакта рабочих органов с материалом возникает пластическое течение (выдавливание) материала из-под рабочих органов. При укатке это влечет за собой волнообразование.

Наличие битума приводит к образованию между частицами минерального материала вязкопластических связей, что требует при уплотнении многократного приложения циклических нагру­зок. Укладка и уплотнение горячих смесей производится при тем­пературе 160 °С, теплых смесей — при более низких температу­рах. По мере уплотнения и остывания смеси ее вязкость повы­шается, поэтому важно успеть уплотнить смесь до требуемой плотности до ее охлаждения.

Рис. 2. Методы уплотнения и рабочие органы уплотняющих машин:

а — укатка; б — вибрирование; в — трамбование; г — вибротрамбование; 1— ве­дущий валец статического действия; 2 — прицепной валец статического действия; 3 — ведущий валец вибрирующего действия; 4 — прицепной валец вибрирующего действия, 5 — трамбующая плита; 6 — вибрирующая или вибротрамбующая плита: М — момент; G — сила тяжести катка; h — деформация материала; Р — тяговое усилие; m — вра­щающаяся масса дебаланса; ω— частота вращения; m_т — масса (трамбующей плиты; Н — высота падения плиты

Качество уплотнения оценивается коэффициентом уплотнения k_y = р_п/р_ст, где р_п, р_ст — плотность смеси после прохода катка и при уплотнении стандартным способом.

Кроме критерия k_y для оценки физико-механических свойств асфальтобетона в покрытии используют показатель водонасыщения, условную пластичность и др.

Бетонная смесь состоит из большого количества коллоидов — измельченных, некристаллизующихся частиц, выделяющихся в виде аморфной массы. В присутствии жидкой фазы (воды) эти частицы образуют студни-гели, в которых они связаны с водой и друг с другом (вода заполняет все промежутки между неподвиж­ными частицами), или золи — системы, по внешнему виду ана­логичные растворам, но отличающиеся от них малой устойчи­востью. При встряхивании связи между отдельными частицами ослабевают, гели переходят в золи, происходит разжижение — тиксотропия бетонной смеси. В период такого разжижения уплотняемость бетонной смеси существенным образом улучшается. После прекращения вибрирования золи снова переходят в гели.

Катки являются наиболее распространенными и про­стыми машинами для уплотнения дорожно-строительных материа­лов. Катки классифицируют по давлению, способу перемещения, числу расположения и конструкции вальцов.

Катки имеют один или чаще несколько уплотняющих вальцов. В процессе прокатывания вальцов по поверхности обрабатывае­мого материала, нанесенного слоями, происходит уплотнение под действием собственного веса катка, а при необходимости под действием дополнительных вибраций. В зависимости от формы вальца и связанной с этим спецификой воздействия на уплотняе­мый материал катки используют для уплотнения связного и несвязного грунта, а также битуминозной смеси и щебня. Вальцы выполняют обычно в виде гладких цилиндрических барабанов, кулачковыми, решетчатыми с плитками по поверхности обода, в виде набора на оси колес с пневматическими шинами дисков и сегментов, а также компакторными и специальной формы.

Гладкие вальцы (рис. 11.3, а) представляют собой барабан цилиндрической формы. Их уплотняющее воздействие обеспечи­вается собственным весом катка, который можно увеличить до­полнительным балластом (это относится также и к другим валь­цам). Катки бывают: легкими — распределенная нагрузка менее 40 кН/м, масса 5 т, мощность двигателя до 20 кВт; средними — распределенная нагрузка 40—60 кН/м, масса 6—10 т, мощность двигателя 25—30 кВт; тяжелыми — распределенная нагрузка свыше 60 кН/м, масса более 10 т. Легкие катки применяют для предварительного уплотнения оснований и покрытий. Средние катки служат для промежуточного уплотнения оснований и по­крытий, а также для окончательного уплотнения покрытий облег­ченного типа. Тяжелые катки используют для окончательного уплотнения гравийных и щебеночных оснований и асфальтобе­тонных покрытий. По числу и расположению вальцов катки могут быть: одновальцовые, с поддерживающими вальцами или коле­сами; двухвальцовые с одним или двумя ведущими вальцами; трехвальцовые двухосные; трехвальцовые двухосные с дополни­тельным вальцом малого диаметра; трехвальцовые трехосные с одним или тремя ведущими вальцами.

Катки бывают полуприцепными, самоходными и прицепными. Для получения необходимого уплотнения материала обычно требуется несколько проходов: число их зависит от типа катка, свойства укатываемого материала и толщины слоя.

В настоящее время находят преимущественное применение полуприцепные и самоходные катки, снабженные разными типами укатывающих рабочих органов (вальцов).

Одновальцовые катки относят к каткам легкого типа. Двига­тель и трансмиссию иногда располагают внутри вальца, а рычаги управления выносят на рукоятку дышла, с помощью которого вручную выполняют повороты катка. Поддерживающие вальцы или колеса делают управляемыми.

Двухвальцовые катки (тандем) имеют вальцы одинаковой ши­рины и бывают легкого, среднего и тяжелого типов (рис. 11.4, а). Один из вальцов является управляемым, может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Валец состоит из двух одинаковых секций, сидящих на общей оси. Секции имеют возможность сво­бодно вращаться вокруг оси, что облегчает поворот катка и пре­дотвращает сдвиг уплотняемого материала. В связи с необходимостью поворота ширина вальца не может быть больше 1300 мм, иначе на поверхности покрытия появятся дефекты. Подвеска переднего управляемого вальца обеспечивает поперечный наклон его в вертикальной плоскости на угол до 30—35° при наездах одной стороной на препятствия.

Рис. 11.3. Схемы укатывающих рабочих органов:

а — гладкобарабанный укатывающий элемент; б — кулачковой укатывающий элемент; в — укатывающий элемент с решетчатым колесом; г — укатывающий элемент на пневмоколесах; д — укатывающий элемент с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса; е — дисковый укатывающий элемент; ж — сегментный укатывающий элемент; з — компакторный валец; и — валец о набором многоугольных дисков

Двухвальцовые двухосные катки имеют вальцы одинаковой ширины. Оба вальца часто выполняют ведущими, что улучшает качество укатки. Диаметры обоих вальцов таких катков одина­ковые. Привод ведущего вальца (вальцов) осуществляется от гидродвигателя.

Рис. 11.4. Схемы основных типов катков:

а — с гладкими вальцами и последовательным расположением (тандем); б — комбиниро­ванный с пневмоколесным и барабанным (сменным) вальцом и шарнирно-сочлененной ра­мой; в — кулачковый для уплотнения мусора с шарнирно-сочлененной рамой; 1 — веду­щие вальцы; 2 — управляемые вальцы; 3 — сменный уплотнительный валец; 4 — базо­вая машина; 5 — защитные броневые листа; 6 — очистные скребки; 7 — задний кулач­ковый валец; 8 — передний кулачковый валец; 9 — отвал.

Трехвальцовые двухосные катки выполняют среднего и тяже­лого типов. Диаметр задних ведущих вальцов примерно в 1,3— 1,6 раза больше диаметра переднего и через них передается ²/₃ веса катка. Распределенная нагрузка от задних вальцов в 2 раза больше нагрузки от переднего вальца. Уплотнение материала производится в основном задними вальцами. Задняя ось снаб­жена дифференциалом, что позволяет легко проходить по кривым малого радиуса без повреждения уплотняемого покрытия. Ши­рина переднего вальца такая, что при движении катка его след перекрывается задними вальцами на 100 мм с каждой стороны. Каток имеет высокую поперечную устойчивость. Такое располо­жение вальцов способствует хорошей компоновке отдельных агрегатов, что облегчает доступ к ним. Большой диаметр веду­щих вальцов улучшает качество укатки и дает возможность легко преодолевать встречающиеся сопротивления. Однако для обеспечения необходимой и одинаковой плотности слоя по всей ширине дорожного основания или покрытия таким каткам требуется большее число проходов, чем каткам типа тандем.

Трехвальцовые трехосные катки имеют вальцы одинаковой ширины и выполняются тяжелого, реже — среднего типа. Наи­более совершенным является каток со всеми ведущими вальцами. Один из ведомых вальцов (передний) свободно перемещается в вертикальной плоскости, что позволяет при транспортном поло­жении копировать профиль дороги, не загружая раму. При не­обходимости валец может быть зафиксирован в определенном положении. Такая конструкция обеспечивает безволновую укатку покрытия и соответствующее рациональное перераспределение веса по вальцам. Ведущий валец расположен на оси, которая закреплена неподвижно в опорах рамы. Ведомые вальцы разде­лены на две одинаковые секции, вращающиеся независимо одна от другой на общей оси. В трансмиссии катка предусмотрен цен­тральный реверсивный механизм, совмещенный с муфтой сцепле­ния и обеспечивающий плавное переключение с переднего хода на задний, независимо от скорости движения. Поворот ведомых вальцов осуществляется от гидропривода.

Катки имеют приспособление для очистки и смачивания вальцов; тент, предохраняющий водителя от солнечных лучей и атмосферных осадков. Механизмы управления (поворотом катка, реверсивным механизмом, переключением передач, тормозом, агрегатами двигателя) сосредоточены на рабочем месте водителя. Ряд катков имеют два раздельных сиденья. Все механизмы управ­ления расположены у каждого сиденья, причем одноименные ме­ханизмы сблокированы.

Кулачковые катки (рис. 11.4, в) имеют кулачковые вальцы (см. рис. 11.3, б). Последние представляют собой гладкий цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов укреплены выступы (кулачки). Напряжения на поверхности контакта кулачков с грунтом в несколько раз больше, чем напряжения на поверх­ности контакта с катком с гладкими вальцами. Поэтому кулач­ковые катки эффективны только при уплотнении связных грун­тов, преимущественно комковатых. На несвязных грунтах вслед­ствие высоких напряжений грунт интенсивно перемещается из-под кулачков в стороны и вверх. При работе кулачки врезаются в грунт на значительную глубину. Уплотняется грунт, который расположен ниже плоскости погружения кулачков, а верхняя часть грунта при этом разрыхляется. Это верхняя часть слоя может быть уплотнена лишь после отсыпки поверх нее нового слоя грунта.

Ввиду интенсивного уплотнения нижней части слоя заглубле­ние кулачков по мере увеличения числа проходов постепенно уменьшается. При кулачковых катках легкого и среднего типов толщина верхней неуплотненной части слоя сравнительно неве­лика и составляет 4—6 см. По давлению кулачковые катки разделяют на легкие (р = 0,4 2 МПа); средние (р = 2 4 МПа); тяже­лые (р = 4 10 МПа). При большем и меньшем давлении эффект уплотнения снижается. Для грунтов оптимальной влажности рекомендуют следующие значения давлений: для легких и сред­них суглинков (в том числе и пылеватых) 0,7—1,5 МПа, для средних и тяжелых суглинков 1,5—4 МПа; для тяжелых суглин­ков и глинистых грунтов (в том числе пылеватых) — 4—б МПа.

Кулачки бывают симметричной и асимметричной формы. Вальцы кулачкового типа в ряде случаев работают с вибрацией. Под действием собственного веса катка и вынуждающей силы вибровозбудителя кулачки проникают в грунт, а на опорных базовых поверхностях возникают высокие давления. В начале уплотнения валец погружается в грунт до поверхности обода. С повышением плотности увеличивается несущая способность грунта, и валец поднимается вверх. В отличие от гладких вальцов в этом случае уплотнение происходит снизу вверх. Движение кулачков сквозь верхние слои грунта оказывает дополнительное разрыхляющее действие. Это позволяет использовать кулачковые вальцы для уплотнения как слабосвязных, так и хорошо связных грунтов. Однако при этом верхний слой грунта остается неуплот­ненным. Его уплотняют при следующей засыпке и при окончатель­ном уплотнении с помощью катков с гладкими вальцами или катков на пневматических шинах.

Катки с решетчатыми вальцами (см. рис. 11.3, в) имеют опор­ную поверхность в виде решетки. Последняя состоит из перепле­тенных прутьев профильной стали или же из отдельных сегментов листовой стали. В процессе укатывания осуществляется также разминающее воздействие. Небольшая базовая поверхность ре­шетки обеспечивает высокие контактные давления. Это вызывает размельчение верхних слоев материала. Решетка имеет квадрат­ные отверстия со сторонами квадрата 15 или 20 см. Масса катка с балластом составляет 15—30 т. Каток может уплотнять грунт слоями толщиной до 40 см. Эти катки бывают самоходными. Решетчатые катки применяют при уплотнении разнообразных грунтов (песков, супеси, суглинков и глины), в том числе и грун­тов с включениями валунов размером до 40—50 см. Широко при­меняют эти катки при уплотнении грунтов в зимних условиях с включениями мерзлых комьев размером до 60 см. Производи­тельность решетчатого катка на 20—30 % выше, чем у катков на пневматических шинах такой же массы.

Катки на пневматических шинах (рис. 11.4, б) оснащают пне­вматическими колесами с гладкой или профилированной рабочей поверхностью. Кроме статического эффекта уплотнения, явля­ющегося результатом воздействия собственного веса катка вслед­ствие упругой деформации пневматических шин, возникает сдви­говой эффект уплотнения, который способствует удалению жидко­сти и воздуха из уплотняемого материала. Для изменения кон­тактного давления пневматических шин на уплотняемый материал в зависимости от этого материала изменяют размер контакт­ной поверхности шины путем варьирования давления воздуха в шине. Катки на пневматических шинах эффективно уплотняют несвязные, слабосвязные, а также связные грунты с оптимальным содержанием воды. Пневмокатки с гладкой рабочей поверхностью используют для уплотнения асфальтобетонных и битуминозных смесей. Прицепные катки на пневматических шинах предназна­чены для уплотнения грунтов аэродромов. Их масса достигает 100, 120 т, а в отдельных случаях и 200 т. Наибольшее распро­странение получили катки массой 20—25 и 40—50 т. Оптимальная толщина уплотняемых слоев для таких катков больше, чем при уплотнении гладкими и кулачковыми катками. Кроме того, для доведения грунтов до одной и той же плотности требуется меньшее число проходов, что повышает производительность катков.

Наибольшее распространение получили катки с независимой подвеской отдельных колес, что обеспечивает равномерное уплот­нение грунта, а при неровной поверхности предохраняет шины от перегрузки. Ось каждого колеса жестко связана с балластным контейнером, передняя часть которого шарнирно подвешена к траверсе рамы машины. Каток состоит из следующих основных узлов; рамы, силовой установки, трансмиссии, задних ведущих мостов, управляемого моста, рулевого управления, системы регу­лирования давления воздуха в шинах, тормозов, гиросистемы, смачивающего устройства, электрооборудования, а также бун­кера для балласта. Управляемый передний мост имеет три ко­леса, расположенных в шахматном порядке по отношению к ве­дущим колесам. Рулевое управление — механическое с гидро­усилителем. Одно рулевое колесо находится в кабине, второе — на открытой площадке справа от кабины. Система регулирования давления позволяет из кабины водителя изменять давление воз­духа в шинах во время работы катка. Снижение давления в ши­нах приводит к уменьшению давления шин на грунт и улучшает проходимость катка по рыхлому грунту.

Катки с плитами оборудованы вальцами, представляющими собой цилиндрический барабан небольшой ширины, на поверх­ности которого расположены плитки по всей его ширине. Эти вальцы через плитки оказывают статическое воздействие на материалы с усилием, направленным вертикально к поверхности укладываемого материала, горизонтальных смещений укладывае­мого материала не происходит. Катки с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса, предназначены для уплотнения слабосвязных и сыпучих грунтов.

Катки с дисковыми вальцами (см. рис. 11.3, е) оборудованы вальцами, состоящими из дисков различного диаметра, установ­ленных на одной оси. К началу уплотнения валец погружается в уплотняемый материал так, что все диски находятся в контакте с материалом. С увеличением степени уплотнения валец подни­мается вверх и с материалом контактируют только диски с большим диаметром. Это увеличивает контактное давление. Дисковые вальцы применяют для уплотнения несвязных и слабосвязных грунтов.

Катки с сегментными вальцами (см. рис. 11.3, ж) оборудованы гладкими барабанами, на ободе которых имеются сегменты. Ука­тывающий валец погружается в грунт по обод барабана. Затем он поднимается наверх, к поверхности прилегают только плиты, и контактное давление увеличивается. Сегментные вальцы при­меняют для уплотнения таких же материалов, что и дисковые вальцы.

Катки компакторного типа имеют вальцы (см. рис. 11.3, з), представляющие собой цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов приварены кулачки симметричной формы. По сравнению с кулачковыми вальцами, на которые по­хожи компакторные по своей конструкции, последние имеют мень­шую ширину и меньшее число рядов с кулачками. Уплотнение происходит под действием силы тяжести катка, а также в резуль­тате сминающего воздействия кулачков. Кроме того, благодаря тому, что последние врезаются в укатываемый материал с большой скоростью, возникает динамическое воздействие на материал (ударные нагрузки), поэтому для таких катков вибровозбудители не требуются. Высокие рабочие скорости компакторных катков обусловливают их применение при уплотнении больших площа­дей грунта, а также для уплотнения мусорных свалок.

Катки из многоугольных дисков (см. рис. 11.3, и) набирают из элементов, расположенных на одной оси один за другим или смещенных один относительно другого. Диски передают грунту сжимающие и сминающие усилия. Возникают дополнительные ударные нагрузки на материал, являющиеся результатом высо­ких рабочих скоростей (до 40 км/ч). Края многоугольных дисков быстро изнашиваются, но их легко заменять. Специальные вальцы применяют аналогично компакторным вальцам.

Укатывающие элементы катков, за исключением комбиниро­ванных, имеют одну и ту же форму и часто одинаковые размеры, как, например, тандемные, трехосные и четырехвальцовые катки.

Комбинированные катки имеют уплотняющие органы различной формы. В результате комбинации уплотняющих элементов (пневмошин с гладкобарабанными вальцами, кулачковыми или решет­чатыми укатывающими элементами как со статическим, так и вибрирующим воздействием последних) во время укатывания одно­временно появляются различные эффекты и достигается высокая степень уплотнения.

Гладковальцовые катки с пневмовакуумным балластным уст­ройством позволяют интенсифицировать уплотнение асфальтобе­тонного покрытия. Каток снабжен балластной камерой, которая подвешена к основной раме. Внутренняя полость камеры соеди­нена с компрессором. Между камерой и дорожным покрытием существует зазор, перекрываемый специальным эластичным устройством. Пригрузка вальцов прямо пропорциональна разреже­нию воздуха в камере и площади ее поверхности. Поверхность асфальтобетонного слоя при проходе катка с включенной балласт­ной камерой подвергается вакуумированию, что, как полагают, улучшает физико-механические свойства асфальтобетона.