Материал опубликовала

методист сектора естественнонаучного и технологического образования (физика, астрономия), Центр непрерывного повышения профессионального мастерства педагогических работников в Череповце, АОУ ВО ДПО "Вологодский институт развития образования"

Россия, Вологодская обл., Череповец

#11 класс #Физика #Школьное образование #Проектная деятельность #Научно-исследовательская работа

Исследовательская работа на тему: «Качественная укладка и ремонт асфальтированной дороги»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

Средняя образовательная школа №17

Исследовательская работа на тему:

«Качественная укладка и ремонт асфальтированной дороги»

Выполнил:

Ученик 10 «Б» класса

Микуцких Григорий

Проверила: Учитель физики

Куркина Полина Валентиновна.

г. Череповец

2021 г.

Содержание. Стр.

Введение…………………………………………………………………………...3

Глава 1. Асфальт как основной материал в строительстве дорог……………...5

1.1. Виды асфальта………………………………………………………………..5

1.2. Технологии укладки………………………………………………………….6

1.3. Процесс укладки покрытия………………………………………………….9

1.4. Ремонт асфальтированных дорог…………………………………………..12

1.5. Причины разрушения дорог………………………………………………..13

Глава 2. Моделирование и макетирование…………………………………….15

2.1. Сборка моделей……………………………………………………………..15

2.2. Заморозка……………………………………………………………………16

2.3. Сборка макетов……………………………………………………………...16

Заключение.............................................................................................................18

Используемая литература……………………………………………………….19

Приложение………………………………………………………………………20

ВВЕДЕНИЕ

Тема моей исследовательской работы – «Качественная укладка и ремонт асфальтированной дороги».

Климатическая обстановка в Череповце не самая благоприятная. У нас преобладают холода и дожди, а летом не всегда стоит жаркая погода. Качество асфальтового покрытия напрямую зависит от внешних воздействий, а значит экономия на материалах и халатное отношение к ГОСТовской технологии укладки приводит к многочисленным проблемам и ещё большим затратам. Я решил провести исследование и выяснить, какие существуют причины разрушения асфальта.

Актуальность: дороги являются «лицом» и основой экосистемы каждого города. Качество укладки и своевременного ремонта покрытий говорит о состоятельности и ответственности всей страны в целом. В свою очередь, от качества зависит не только скорость внутренней миграции, но и жизни людей напрямую (например, скорость передвижения транспорта скорой помощи, малая длина тормозного пути автомобилей во избежание аварий).

Гипотеза: на асфальтовое покрытие влияют климатические условия (количество осадков и отрицательные температуры).

Цель: исследование причин разрушения асфальтового покрытия.

Задачи:

Изучить виды асфальта, используемые материалы и технологии асфальтирования.

Изучить причины разрушения дорог раньше положенного срока.

Собрать модель с дефектами, проверить её прочность в условиях, близких к реальности.

Объект исследования: слой асфальтового покрытия.

Предмет исследования: воздействие температуры и осадков на покрытие.

Методы исследования:

Анализ

Синтез

Моделирование

Глава 1. Асфальт как основной материал в строительстве дорог.

1.1. Виды асфальта.

Асфальт – это устойчивый материал, который включает камни, битум, гравий, песок и другие наполнители. Его используют для создания дорог, причем укладку чаще выполняют в летне-весенний период. Именно такое покрытие используется для городов с большим потоком транспорта. Оно способно выдерживать большие нагрузки и не терять своих свойств многое время. Проходимость в сутки может составлять более 3 тыс. автомобилей любого веса.

Асфальтобетон является смесью, используемой в строительстве дорожных покрытий, состав которой оптимально подобран на основе минералов. В качестве минералов используются: песок, щебень, жидкий битум или битумная эмульсия, минеральный порошок. В соответствии с ГОСТом в зависимости от того, какой каменный материал лежит в ее основе, смесь классифицируется на три типа:

Песчаные.

Гравийные.

Щебеночные.

Существует еще одна классификация, которая основывается на размерах минеральных зерен в смеси:

Мелкозернистые.

Песчаные.

Крупнозернистые.

При этом холодные смеси могут быть исключительно песчаными или мелкозернистыми. Так же выделяют еще три группы по проценту содержания гравия или щебня (каменной составляющей):

Группа В около 30-40%.

Группа Б около 40-50%.

Группа А около 50-60%.

Именно твердые "ингредиенты" асфальтной смеси после укатывания заполняют собой все образующиеся воздушные полости.

Также существует классификация для горячих асфальтобетонных смесей по остаточной пористости материала, то есть по процентному объему "пор" в материале после его уплотнения:

Пористые.

Плотные.

Высокопористые.

Высокоплотные.

Асфальтобетонную смесь применяют не только в качестве основы для дорожных покрытий, хотя здесь она себя зарекомендовала, как один из наиболее надежных и экономичных материалов. Асфальт используют для покрытия площадей, аэродромов, садовых дорожек, частных дворов и полов в помещениях промышленного назначения.

1.2. Технологии асфальтирования.

На данный момент технология асфальтирования дорог бывает двух видов. Эти виды получили свои названия в соответствии с температурой асфальтобетонной смеси, которая при них используется.

Горячий метод.

Холодный метод.

Разница в степени вязкости битума в разных типах смесей, что и определяет температурный режим укладки. Метод с применением холодной смеси применяется все чаще. Он имеет ряд своих преимуществ:

Его можно использовать зимой и в дождливую погоду.

Температуру смеси постоянно поддерживать не нужно.

К сожалению, этот способ удобен только для текущего ремонта. Холодный асфальт дорогой и недолговечный, поэтому об укладке дорог общественного использования (тем более автострад) и речи быть не может. При строительстве новой дороги или во время капитального ремонта специалисты всё же используют способ горячего асфальтирования. Именно горячая смесь по поверхности распределяется лучше и хорошо уплотняется, соответственно можно говорить о более длительных сроках эксплуатации такого дорожного покрытия.

Горячий способ укладки

Укладка асфальта горячим способом является распространённой, характеризуется меньшей стоимостью и даёт хорошие результаты. СНиП рекомендует разогревать готовую смесь до 130ºС, на момент засыпания дорожного полотна температура должна быть не менее 100 ºС.

Горячий асфальт можно укладывать и ручным способом, то есть без применения крупногабаритной техники. Пошагово процесс выглядит следующим образом:

Подготовка «бетономешалки». С этой целью справиться металлическая бочка, в которой электрической дрелью (сверло 16 мм) внизу и вверху по центру просверливаются отверстия. В них вставляется прочная ось, обваривается по кругу. По бокам прикрепляются прочные ручки для прокручивания. Вся конструкция устанавливается на опору.

Закладка ингредиентов. В бочку помещаются щебень и минеральный порошок, смешиваются. Для битума берётся другой сосуд, масса нагревается до однородности. Разогретый битум добавляется в бочку с содержанием минерально-щебёночного состава. Бочку необходимо всё время прокручивать. После добавления достаточного количества смолы (10%) засыпается песок, полученный состав хорошо перемешивается.

Закатывание. Выложить горячий асфальт на подготовленное место толщиной около 5 см и плотно утрамбовать ручным катком. При соприкосновении с массой инструмент необходимо смачивать водой, чтобы поверхность получилась гладкой.

Если асфальт уложен качественно, то он способен выдержать массу до 5 тонн и не испортиться от воды и солнца на протяжении многих лет.

Холодный способ укладки

Данные работы производятся с использованием готовой смеси, которую можно купить в магазине. Она избавит от трудоёмкости приготовления горячей смеси. Но такая масса стоит дорого, выполненные из неё покрытия плохо выдерживают высокие летние температуры.

ГОСТ 11-10-75 запрещает такой способ асфальтирования на основных дорогах, предусматривает применение холодного асфальта только для ремонта дорог или на дачных участках.

Данный способ выполняется поэтапно:

Подготовительный этап. Приобретение готовой смеси в магазине. На будущих дорожках убирается слой земли (10 см), половина углубления засыпается щебнем и уплотняется.

Послойная закладка асфальтовой смеси. Укладываются два слоя с интервалом в 20 минут, каждый тщательно утрамбовывается ручным катком. Толщина укладываемого слоя составляет 2-3 см.

Завершающие работы. На последнем этапе полотно ещё раз утрамбовывается и сбрызгивается водой. Пользоваться можно через сутки.

Укладка асфальта таким способом займёт немного времени, потому что смесь уже готова. На прокладку дорожки потребуется несколько часов, яму можно закрыть за 5 минут. (Приложение 2).

1.3. Процесс укладки покрытия.

Сам асфальт укладывать нельзя. Это эластичное дорожное покрытие, которое само не сможет выдержать оказываемую на него нагрузку. Один из факторов, от которых зависит качество дороги – состояние и подготовка первого слоя: натуральной подложки. Это грунт, находящийся под дорожным покрытием. Для некоторых регионов характерно сильное смещение почвы, вот почему при создании дороги нужно углубиться немного ниже, до тех пор, пока грунт не станет устойчивым и прочным. Также прибегают к созданию большого насыпного слоя.

В первую очередь снимается верхний слой грунта. Если задача – снять большой слой, требуется использование специализированной техники – бульдозеров и погрузчиков. Разравнивается территория при помощи грейдеров. Для укладки дорожек достаточно снять 15-25 см почвы. Тут действует правило: чем больше планируемая нагрузка на полотно – тем глубже копается котлован. Если работы делаются не с нуля, имеющееся покрытие разрушают при помощи дорожного фрезера. Устаревшее покрытие может использоваться повторно, если правильно его переработать.

Жесткость дорожного покрытия и его стабильность зависит от наполнителя. Для этого используется щебень, гравий, крупнозернистый песок, каменная крошка из горных пород, которая пропитанная битумом. При прокладке дорожек и подъездов для легковых машин щебень либо вообще не используется, либо заменяется мелким гравием. На крупных трассах большое содержание щебня способно выдержать непродолжительные нагрузки до нескольких десятков тонн. Однако гладкость в таком случае теряется. Услышать это можно на средней или большой скорости, когда шумят шины.

Чтобы увеличить устойчивость создается основа или подкладка, состоящая из крупного щебня. Иногда, в зависимости от местности, может быть использована измельченная горная порода для создания покрытия.

Очень много зависит от добавок, используемых для дорожного покрытия. Содержание битума (продукта нефтепереработки или искусственный битум) может колебаться от 1% (второстепенные дороги) до 11% (основные автомагистрали). Битум используется для придания дорожному полотну амортизации, повышения сцепления покрышек с дорогой, устранения скольжения. Минеральный порошок получается способом дробления известняка и окаменевших останков. Структура порошка вязкая, содержит много углерода, что способствует снятию внутренних нагрузок. Чаще применяется при прокладке асфальтового полотна на мостах и магистралях, на второстепенных дорогах практически не применяется. Последним компонентом асфальтовой смеси является песок. Его тщательно очищают от примесей, чтобы повысить прочность конечной массы.

Технология укладки асфальта предполагает применение пропиток, которые улучшают качество дорожного полотна.

Сегодня ГОСТ 11-10-75 рекомендует несколько видов пропиток:

Масса на основе полимера из акрила. Стоит очень дорого, укладывается на небольших территориях (теннисные корты, специальные площадки и т.д.), имеют высокое качество защиты, производятся в нескольких цветах.

Каменноугольная смола. Не поддаётся разрушению от попадания нефтепродуктов, служит долго, имеет качественную структуру и цвет.

Асфальтовая эмульсия. Распространённое и доступное покрытие, недолговечное, требующее постоянного ремонта.

Для продления срока службы при укладке СНиП 3.06.03-85 рекомендует использовать сетки под асфальт. Они повышают плотность полотна и обеспечивают его сцепку. Эти же характеристики достигаются и качественным уплотнением асфальтобетонной смеси, для чего применяется асфальтовый каток. Чтобы нагревать асфальт, используется специальная техника. Ее особенность в автономной работе. Правда, перед укладкой требуется наличие источника питания.

Еще один момент заключается в создании дренажа для дорожного покрытия. Благодаря ему можно вовремя отводить осадки с поверхности дороги. Ведь задерживаясь на ней, влага будет разрушать асфальт. Особенно это касается зимы. Многие заметили, что весной, когда снег уже сошел, качество дорог желает иметь лучшего. Все дело в том, что жидкость проникает внутрь пор, замерзает в них, расширяясь. Как результат – дорожное покрытие деформируется и образуются ямы.

Хоть асфальтированная дорога очень прочная и часто используется, у нее есть недостатки. Так как в состав асфальта входит темная минеральная составляющая (деготь или битум), под воздействием солнечных лучей она начинает нагреваться и терять прочностные свойства.

Чтобы решить эту проблему, требуется наносить на дорогу отражающую краску в качестве разметки. Иногда дорога делается светлее, посредством добавления в нее оксидов кальция и других компонентов.

Раньше нужно было ждать определенное количество времени, дабы дорога полностью стала прочной, крепкой. Только тогда по ней можно было спокойно ездить. А за счет современных добавок, которые позволяют ускорить процесс затвердевания, время сократилось до минимума. Еще для работ внедрили уникальную схему уплотнения поверхности специальной техникой. Это позволило снизить количество воды в покрытии дороги, застывание ускорилось. (Приложение 1).

1.4. Ремонт асфальтированных дорог.

Про ремонт можно сказать, что он очень важен для всех дорожных покрытий. Он обходится намного дешевле, чем укладка нового слоя. Своевременный и качественный ремонт продлит срок эксплуатации дороги и сэкономит много средств. ГОСТ 11-10-75 рекомендует применять холодный способ для ремонта основных дорог, дорог на дворовых территориях, для устройства тротуаров.

Для ремонта можно применить следующие восстанавливающие технологии:

Заделка трещин гудроном. Трещина зачищается, засыпается песком и заполняется гудроном, через 15 минут асфальт выравнивается шпателем.

Укладка рулонов готового асфальта на старый. Освобождённый от защитной плёнки пласт располагается над повреждённым местом и плотно прижимается.

Использование холодного асфальта. В месте повреждения на старый асфальт надо выложить готовую смесь, разровнять и утрамбовать.

А для ремонта выбоин большого размера лучше подойдет горячий способ, так как придется укладывать много асфальта, что похоже скорее не на ремонт, а на укладку нового. Также с магистралями, где замена полотна будет более рентабельна и безопасна.

1.5. Причины разрушения дорог.

В результате использования покрытий из асфальтобетона, они подвергаются различным деформациям. Износ дорог образуется из-за внешних и внутренних воздействий на асфальтобетонные покрытия. Дефекты на покрытии образуются от:

силовых нагрузок от автомобилей;

атмосферных осадков (дождей, температурных изменений, снега, замораживания, таяния).

Основные причины разрушений – несоблюдение технологии укладки или ремонта дорожного полотна и воздействие автомобилей.
Разрушения асфальтобетонного покрытия изнутри возникают при неправильном составлении проекта дорог, их строительства и ремонта. Например:

Неправильное проектирование асфальтобетонной автомобильной трассы. Ошибки в исследованиях и расчётах потока транспортных средств.

Применены старые методики и выбраны материалы низкого качества при работе с покрытием из асфальтобетона. Чтобы избежать дефектов и износа дорожного полотна, следует не только применять новые смеси для укладки асфальта, но и выбирать новые технологии, которые позволят стабилизировать и укрепить ослабшие подвижные почвы основания.

Чтобы предотвратить разрушения покрытий, используют армирующую сетку, которая усилит дорожную конструкцию и увеличит срок эксплуатации асфальтированного полотна.

Неправильный технологический процесс работ. Разрушения образовываются из-за допущенных ошибок при укладке асфальта и ремонте трассы. Способствуют возникновению дефектов нарушения правил перевозки асфальтобетонного раствора, в результате чего, смесь подается неправильной температуры. При уплотнении уложенной смеси не были удалены пузырьки воздуха или, наоборот, раствор был слишком уплотнен, тогда асфальтированное полотно начнет трескаться и расслаиваться. Разрушения трассы могут возникнуть в результате некачественной подготовки земельного полотна и работ по укладке дорожного сооружения.

Дефекты на дорожном покрытии чаще всего образовываются в результате погодных условий, когда во время дождей влага проникает в асфальтированное полотно, а жаркие лучи солнца портят верхний слой трассы – осуществляется ухудшение прочности асфальтобетона, что приводит к образованию выбоин. В период минусовых температур собравшаяся влага в слоях асфальтобетона способна увеличиваться в объеме и тем самым разрушать структуру и уплотнение асфальта.

В результате больших нагрузок от транспортных средств происходит разрушение дорожного полотна. Высокие нагрузки на поверхность трассы обусловлены интенсивным потоком транспортных средств, в результате чего, норма пропускной способности за 24 часа превышается и как последствие – ресурс полотна трассы снижается. Повышение осевой нагрузки вследствие эксплуатации дорожного покрытия транспортными средствами большой грузоподъемностью, приводит к разрушениям асфальтобетонного полотна, образованию колеи и трещин.

Глава 2. Моделирование и макетирование.

2.1. Сборка моделей.

Для начала нужно выбрать сосуд, который бы идеально подошёл под такие параметры: прочность, теплостойкость, прозрачность, средний объём, дешевизна. Сначала я планировал соорудить из фанеры и стекла прямоугольные сосуды. Однако это бы заняло ещё больше времени перед экспериментом, а ресурс как время для меня очень важен. Поэтому самая обычная пол-литровая банка идеально подходит под эти требования.

Дальше нужно раздобыть материалы: песок, щебень, асфальтная крошка.

Теперь создание «подопытных». Песка, у которого главная роль в этом эксперименте, должно быть больше половины сосуда. После идёт трамбовка и заливание в один из сосудов воды, чтобы смочить песок (во второй банке он сухой). Затем размещаем щебень фракции 10−20.

Напоследок самый важный этап – укладка асфальта. Мне нужно разогреть асфальт до температуры >100°С, чтобы после укладки он затвердел и стал похож на камень. Грел я на газовой плите, а за сосуд взял обычную консервную банку.

Перед тем, как уложить асфальт на щебень, нужно прогреть банки, чтобы они не лопнули. Тут нам пригодился фен.

Заключительный шаг – укладка. Уложил я, конечно, не поровну, однако это нам пригодится позже. После укладки идет трамбовка. Главное не забыть подписать банки: где сухой, а где мокрый песок. Как только образцы остынут, их можно поставить в морозилку.

2.2. Заморозка.

Для проверки моей гипотезы, мне нужно испытать свой асфальт на морозостойкость. Так как за окном уже тает снег, единственным местом с низкой температурой является морозилка (-18°C).

1-ая заморозка: К сожалению, моё предположение о трещинах после заморозки не оправдались – с образцами ничего не произошло. Однако это всего лишь первая заморозка, к тому же на нашу «дорогу» не оказываются нагрузки, а значит износ может быть долгим. Я решил на оба образца налить воды. К удивлению, в «сухой» банке оказались полости между асфальтом и краем, из-за чего вода просочилась в полости. Тогда мне пришла в голову идея заполнить банку по максимуму, тем самым сымитировав подземные воды и отсутствие дренажа с геотекстилем.

2-ая заморозка: После второй заморозки результатов было больше – хоть ожидаемых трещин и не было, зато верхний слой обоих образцов оставлял на пальцах черный песок, а края начали легко отколупываться от небольших манипуляций ножом. Это значит, что вода с холодом повредили «дорогу». Теперь последняя манипуляция – создание искусственной трещины в «мокром» образце.

3-я заморозка: После последней заморозки слои не особо изменились, но в «трещине» я обнаружил чёрный песок – значит разрушение произошло снова и сильнее обычного.

2.3. Сборка макетов.

Я решил сделать два макета: один покажет, как выглядит ГОСТовская технология, а другой продемонстрирует почему важно утрамбовывать землю перед укладкой и для чего нужен щебень. Первый макет сделан из настоящей земли, песка, щебня и асфальта, за сосуд я взял пластиковую банку. Второй макет я сделал из картонной коробки, а для визуализации асфальтового покрытия я использовал наждачную бумагу. Земля(песок) из обычного картона, а песок(земля) – из губки.

Вывод: моя гипотеза частично верна. Изначально я думал, что вода после заморозки поднимет асфальт. Но я увидел другой результат: вода и низкие температуры могут сильно повредить покрытие с течением времени. Из эксперимента я выяснил, что класть асфальт зимой и в дожди идея рискованная, так как неуплотненный асфальт имеет слабые связи и быстро рушится. Поэтому укладку нужно проводить в сухую погоду, а зимой после укладки − тщательно утрамбовывать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя исследование, я сделал вывод, что на дороги в нашем крае особо воздействует климат. После первой зимы в покрытии появляются ямы и трещины, что говорит о некомпетентности строителей. К тому же за качеством дорог во многих дворах не следят, хотя они сделаны много лет назад, либо вообще отсутствуют.

Для меня всегда было интересно устройство дороги, поэтому данная работа открыла для меня много нового и дала ценный опыт. Я надеюсь, что когда-нибудь наши дороги будут держаться десятки лет, а на их строительство будут тратится всего несколько часов.