Рассмотрим теперь эффективность новых технологий с точки зрения стоимости жизненного цикла. Чтобы охарактеризовать состояние дорожного покрытия и его изменение в процессе службы, американские дорожники используют оценку эксплуатационного состояния PCI (Pavement Condition Index), выраженную в баллах.
Пятибалльная система оценки эксплуатационного состояния PSI (Present Serviceability Index) была разработана в результате проведенных в 50-е годы прошлого века полигонных испытаний дорожных одежд. Было испытано несколько сотен конструкций дорожных одежд движением седельных тягачей с полуприцепами. Группа экспертов каждые две недели оценивала состояние покрытия на каждой опытной секции с потребительской точки зрения.
Эксперты не только не имели информации о конструкции дорожной одежды, осевой нагрузке и общем количестве проездов по данной секции, но и никаких измерительных приборов. Эксперт оценивал только качество покрытия, оцениваемого по 5-бальной системе и пригодность к эксплуатации. Оказалось, что по мере увеличения числа проездов оценка эксплуатационного состояния (среднее значение PSI) уменьшалась от 4–5 до 1,5–2 баллов. При PSI = 2,5, половина экспертов считала состояние покрытие неприемлемым, а при PSI = 1,5 все эксперты считали дальнейшую эксплуатацию дороги невозможной. Таким образом, почти новое дорожное покрытие имеет оценку между 4 и 5, при PSI менее 2,5 необходим капитальный ремонт, а при оценке ниже 1,5 требуется коренное переустройство дорожной одежды, включая слои основания.
Для рационального распределения ресурсов на содержание и ремонт различных участков дорожной сети и средств на новое строительство в ряде стран были разработаны системы управления состоянием дорожных одежд – PMS (Pavement Management System). В задачи PMS входит оптимальное распределение ресурсов во времени для каждого дорожного объекта: назначение очередности ремонта разных участков, выбор вида и последовательности их выполнения для каждого участка.
Чтобы это осуществить, нужно уметь прогнозировать изменение эксплуатационного состояния покрытия во времени в зависимости от конструкции дорожной одежды, природных условий и интенсивности движения. В качестве оценки эксплуатационного состояния сочли удобным использовать 100-балльный показатель состояния PCI (Pavement Condition Index), который можно рассматривать как умноженный на 20 пятибалльный показатель PSI. Прогноз изменения состояния покрытия в процессе его службы – трудная задача, которая ввиду множества влияющих факторов и несовершенства наших знаний пока не поддается строгому решению. Были разработаны как сложные математические модели прогнозирования появления различных признаков разрушения (колеи, усталостных трещин и т.д.), влияющих на PCI, так и упрощенные модели.
Одна из упрощенных математических моделей прогноза изменения состояния покрытия в процессе его службы была предложена автором данной статьи. Она базируется на следующих положениях:
* Состояние дорожной одежды ухудшается под действием повторных нагрузок (усталостные трещины, остаточные перемещения в виде колеи в поперечном профиле и неровностей в продольном профиле) и под влиянием природных факторов (понижение прочности при повторном замерзании и оттаивании, усталость покрытия при колебаниях температуры, старение вяжущего). Поэтому при прогнозировании состояния покрытия должен быть отражен повторный характер силовых и природных воздействий.
* Разрушение покрытия происходит не одновременно по всей протяженности дороги, что можно объяснить разбросом прочности материалов, толщины слоев, влажности грунта и степени его уплотнения. Поэтому при прогнозировании изменения состояния покрытия должен быть учтен разброс запаса прочности на повторные силовые и природные воздействия. При этом под запасом прочности здесь понимается отношение прочности к напряжению, а понятия «напряжение» и «прочность» употребляются в широком смысле. «Напряжение» рассматривается как внутренний силовой фактор, способствующий
разрушению, – напряжение, относительная деформация, прогиб. А «прочность» – как внутренний фактор, препятствующий появлению отказа, – предельное сопротивление растяжению или сдвигу, предельное относительное удлинение, условный предельно допустимый прогиб при однократном нагружении.
* Число повторных силовых и природных воздействий можно принять пропорциональным времени эксплуатации покрытия.
На основе этих положений по аналогии с процессом усталости набора образцов, имеющих разброс резерва прочности, была найдена доля длины или площади покрытия, не имеющей разрушений после определенного числа нагружений или спустя время t после ввода дороги в эксплуатацию. Оценку эксплуатационного состояния покрытия логично принять прямо пропорциональной доле его протяжения, не имеющей разрушений. Тогда при 100-балльной шкале формула для показателя эксплуатационного состояния покрытия принимает вид
где Φ(x)– интеграл вероятности, для которого имеются подробные таблицы и приближенные формулы.
В выражении для показателя PCI обозначено:
t – время, по истечении которого определяется этот показатель;
T – время до снижения первоначальной оценки вдвое, зависящее от конструкции дорожной одежды, природных условий ее работы и интенсивности движения, приведенной к расчетной осевой нагрузке;
b – постоянная, характеризующая сопротивление материала повторным нагрузкам;
с – коэффициент вариации, характеризующий разброс запаса прочности относительно его среднего значения.
Кривые PCI (t), построенные по формуле (1), имеют очертание, характерное для экспериментальных данных об изменении оценки состояния покрытия. В начальный период эксплуатации дороги оценка убывает медленно, затем темп ее падения возрастает, становится примерно постоянным, а после уменьшения оценки вдвое – снижается (рис 3). Использованные при вычислениях по этой формуле значения b = 2,5–3,5 примерно соответствуют результатам испытания на усталость конструкций нежестких дорожных одежд и являются промежуточными между значениями этого показателя для образования усталостных трещин и увеличения глубины колеи при повторных проездах автомобилей. Значения с = 0,16–0,20 по порядку величины соответствуют коэффициенту вариации толщины слоев дорожной одежды и их механических характеристик.
Рис. 3. Очертание кривой деградации дорожного покрытия зависит от капитальности конструкции, качества строительства и свойств материалов.
Решение о виде ремонта зависит от оценки эксплуатационного состояния покрытия (рис. 4). Состояние покрытия при PCI = 80–100 считается очень хорошим, этому соответствует оценка комиссии AASHO от 4 до 5 баллов для нового или почти нового покрытия. При таком состоянии можно ограничиться содержанием и текущим ремонтом. Замечено, что снижение оценки эксплуатационного состояния на 40 баллов (от 100 до 60) происходит в течение примерно 65–75% срока службы до капитального ремонта покрытия, если считать срок службы исчерпанным при оценке 30–40 баллов (для данных рис. 4 это срок службы 14–16 лет). Момент проведения капитального ремонта покрытия часто выбирают с учетом категории дороги: для дорог высшей категории – от 55 до 60, для артериальных дорог – от 50 до 55, для коллекторных – от 45 до 50 и для местных – от 40 до 45. Соответственно, при оценках ниже 55, 50, 45 и 40 предусматривают замену покрытия и основания. Напомним, что значению PCI = 50 равноценна по пятибалльной шкале оценка 2,5, при которой половина экспертов опытного полигона AASHO считала состояние покрытие неприемлемым для нормальной эксплуатации.
Рис. 4. Ремонтные мероприятия в зависимости от оценки состояния дорожного покрытия
В различных штатах эти значения могут отличаться от приведенных. Так, в Алабаме новое покрытие должно иметь оценку не ниже 95, текущий ремонт требуется при 75, замена покрытия – при 57, а замена покрытия и основания – при 38. В округе Монтеррей (северная Калифорния) для коллекторных и местных дорог при оценке 70–100 выполняют работы по содержанию и текущему ремонту, включая заливку трещин и укладку сларри-сил с применением эмульсии на ПБВ (в частности, Ralumac); при оценке 55–70 устраивают поверхностную обработку (например, RoadArmor) либо укладывают тонкий (до 37,5 мм) слой износа; при оценке 25–55 делают усиление одним толстым слоем горячей смеси либо двумя слоями; а если оценка опускается ниже 25, дорожную одежду реконструируют. При этом имеет значение, что дорожно-климатические условия в северной Калифорнии благоприятные. Состояние дорог в округе Монтеррей поддерживают на уровне средней оценки около 70, отмечая, что если не расходовать средств на ремонтные мероприятия в течение 5 лет, то средняя оценка понизится до 55.
Эффективность ремонта существенно зависит от момента его проведения. Так, считается, что 1 доллар, израсходованный на ремонт при состоянии покрытия с оценкой выше 60, экономит 4–5 долларов на ремонт при оценке 30. Остаточную стоимость дорожной одежды оценивают с точки зрения возможности повторного применения ее материалов при реконструкции дороги и приводят к стоимости на данное время. Типичные стоимости ремонтных мероприятий с применением технологий, описанных в данной статье, даны в таблице. Выбор вида и последовательности проведения мероприятий по ремонту и содержанию – это технико-экономическая задача, которая решается в пределах определенного периода анализа («жизненного цикла», обычно назначают 30–35 лет), на основе сведений о стоимости строительства дорожной одежды, сроках службы после
ремонтов по разным технологиям, стоимости выполнения этих ремонтов, потерь пользователей в связи с задержками во время ремонтных работ и остаточной стоимости дорожной одежды к концу рассматриваемого периода.
Изменение оценки состояния покрытия при различных стратегиях эксплуатации иллюстрируется на рис. 5. Вычисления проведены на основе формулы (1). Черным цветом показано прогнозируемое изменение оценки состояния без проведения каких-либо ремонтных мероприятий. Голубая линия соответствует стратегии планово-предупредительных ремонтов, при которой хорошее состояние покрытия поддерживается содержанием и ремонтом. Красной линией показано изменение оценки состояния при альтернативной стратегии – проведении двух капитальных ремонтов покрытия на 13-й и на 23-й годы после ввода дороги в эксплуатацию.
Рис. 5. Изменение эксплуатационного состояния при различных стратегиях проведения ремонтов.
При выборе технологии ремонта имеет значение не только ожидаемый срок службы до следующего ремонтного мероприятия, но и продление срока службы покрытия благодаря применению данной технологии ремонта (см. таблицу). Например, на седьмом году службы асфальтобетонного покрытия (рис. 5), когда оценка его состояния понизилась до 82, выполнили заливку трещин полимерно-битумным вяжущим и его поверхностную обработку по технологии RoadArmor, после чего оценка повысилась до 92. Если больше не проводить ремонтных работ, то на 18-й год оценка понизится до уровня 40, при котором нужен капитальный ремонт (ход прогнозируемого снижения оценки после первого ремонта показан голубыми точками). Но без выполнения поверхностной обработки прогнозируемая оценка состояния понизилась бы от 100 до 40 в течение 13,5 лет, т.е. благодаря ремонту срок службы существующего покрытия в данном примере продлен на 4,5 года (горизонтальный зеленый отрезок на рис. 5). Приведенные в таблице значения основаны на опыте и свидетельствуют, что продление может составить 7–10 лет.
Характерно, что, согласно данным таблицы, продление срока службы существующего покрытия может превышать интервалы между ремонтными мероприятиями. Так, разлив-разбрызгивание разбавленной эмульсии ПБВ (Fog Seal) целесообразно повторять через 2–4 года, но достигаемое в результате этого разлива продление срока службы асфальтобетонного покрытия составляет 3–5 лет, если разлив выполнен своевременно, когда покрытие находилось в хорошем состоянии (PCI = 80). Стоимость жизненного цикла при стратегии планово-предупредительных ремонтов обычно ниже, чем при стратегии проведения только капитальных ремонтов.
Таблица. Стоимость ремонта и ожидаемый срок службы.
Вид ремонта Ожидаемый срок службы, годы Стоимость ремонта, долл./м2 Продление срока службы существующего покрытия в зависимости от его состояния перед ремонтом, годы Хорошее, (PCI=80) Удовлетворительное (PCI=60) Плохое, (PCI=40)
Заливка трещин 2–4 0,35–0,55
Разбрызгивание разбавленной
эмульсии на ПБВ (Fog Seal) 2–4 0,50–0,70 3–5 1–3 1–2
Поверхностная обработка (Chip Seal)
быстро распадающейся эмульсией на
ПБВ и щебнем узкой фракции,
например RoadArmor 4–8 0,95–3,00 7–10 3–5 1–3
Защитный слой по технологии Сларри
Сил, например, Ralumac 4–10 0,70–1,20 7–10 3–5 1–3
Тонкие (25–37,5 мм) и ультратонкие
(менее 25 мм) слои из горячей смеси
на ПБВ, например NovaChip 8–15 2,10–3,60 10–12 5–7 2–4
Вот примерный перечень технологий с применением ПБВ, используемых на различных стадиях эксплуатации:
При состоянии, характеризуемом оценкой 70–85.
Разлив эмульсии ПБВ (Fog Seal), заливка трещин и заделка выбоин, поверхностная обработка RoadArmor®, ликвидация колеи по технологии Ralumac®, ультратонкий слой из горячей смеси на ПБВ по технологии NovaChip®.
При состоянии, характеризуемом оценкой 50–70.
Тонкий слой из горячей смеси на ПБВ по технологии NovaChip®, слой усиления из горячей смеси на ПБВ Stylink®.
При состоянии, характеризуемом оценкой ниже 50.
Ликвидация трещин, выбоин и колеи методом холодного ресайклинга ReFlex®, горячий ресайклинг с эмульсией на ПБВ EncoreTM, фрезерование и эмульсионная стабилизация основания с устройством нового покрытия из горячей смеси на ПБВ Stylink®.
Опыт применения ПБВ для строительства асфальтобетонных покрытий в США и Канаде свидетельствует, что хотя использование ПБВ приводит к удорожанию строительства покрытия на 15–25%, срок службы до капитального ремонта увеличивается на 35–50%, а при последующем использовании ПБВ для ремонта и содержания суммарные прямые затраты на ремонтные мероприятия в «жизненном цикле» уменьшаются не менее чем на 25–40%, и притом тем в большей степени, чем выше интенсивность движения и тяжелее природные условия, особенно при выборе стратегии планово-предупредительных ремонтов.
Все разрабатываемые новые технологии, в конечном счете, направлены на повышение долговечности покрытия, понятие о которой так трудно выразить количественно. В данной статье была сделана попытка, наряду с описанием технологий, изложить принципы, на которых базируется оценка их эффективности.
84 комментария