Сегодня уже большинство причастных к сооружению дорожных объектов пришло к осознанию того, что уплотнение является если не основной или главной, то по крайней мере ключевой технологической операцией по своей значимости и влиянию на эффективность вкладываемых средств, на качество, надежность и долговечность всего дорожного сооружения.

Теперь никого из россиян не удивляет многочисленность (более двух десятков) фирм-производителей уплотняющей техники и широкое многообразие выпускаемых ими разного рода, типа и размера катков, трамбовок и виброплит. Причем многие из этих фирм, особенно те из них, кого можно причислить к законодателям высокотехнологических разработок (Bomag, Caterpillar, Dynapac, Hamm, Ingersoll-Rand и др.) и к основным поставщикам уплотняющей техники на мировой рынок, непрерывно совершенствуют свою продукцию, обновляя ежегодно до 30–40 % выпускаемых моделей машин и установок.

Некоторые из таких усовершенствований порой носят косметический характер, другие улучшают условия пребывания и работы машиниста в кабине катка, третьи облегчают и упрощают сам рабочий процесс уплотнения (например, прозрачная часть пола в кабине для наблюдения за поверхностью вальца во время укатки горячего асфальтобетона; подсветка боковых кромок вальца при работе катка вдоль бордюра или подпорных стенок в темное время суток; поворотные и поднимающиеся выше кабины для улучшения обзорности машиниста и т.д., и т.п.).
Виброкаток BW225 В-3 BVC фирмы Bomag
Рис. 1. Виброкаток BW225 В-3 BVC
фирмы Bomag для эффективного уплотнения
связных и других разновидностей грунтов

Однако периодически появляются и более серьезные новинки функционально-технологического характера, направленные на повышение качества и производительности операции уплотнения тех или иных материалов. Такие разработки заслуживают не только особого внимания дорожников, но и всестороннего анализа и оценки их полезности, эффективности и возможности использования в российских условиях.

Автору довелось побывать на двух последних крупнейших мировых выставках строительных и дорожных машин и оборудования в немецком Мюнхене (2004 г.) и американском Лас-Вегасе (2005 г.) и познакомиться с рядом «умных», интересных и полезных новых разработок, предназначенных для уплотнения грунтов, щебеночных материалов и асфальтобетонных смесей.

Как и положено при строительстве автомобильной дороги, логично начать с новинок для уплотнения грунтов земляного полотна. Фирма Bomag (Германия) создала для этих целей оригинальный крупный виброкаток BW225 D-3 BVC (Bomag VarioControl) с многогранной поверхностью вальца (рис. 1, 2). Последний имеет три, очевидно, сваренных в единый широкий валец восьмисегментных или восьмигранных кольца, которые смещены (повернуты) относительно друг друга на половину длины одного сегмента. В результате на вальце катка находится 24 ровных (плоских) площадки с гранями. При качении такого вальца статические и динамические воздействия на грунт передаются площадками и гранями [1].
Сегментный валец нового виброкатка BW225 D-3 BVC фирмы Bomag.
Рис. 2. Сегментный валец нового виброкатка
BW225 D-3 BVC фирмы Bomag

В мировой дорожной практике уже были подобные сегментные статические катки, на гладкой поверхности вальцов которых шарнирно крепились отдельные плоские площадки (сегменты), передававшие силу веса катка уплотняемому грунту. Таким способом пытались увеличить незначительную толщину слоя, уплотняемого гладковальцовым катком, и снизить чрезмерную сдвиговую волну на поверхности укатки. Как известно, по этим причинам гладковальцовые статические катки практически не используются на уплотнении грунтов земляного полотна.

В связи с новинкой фирмы Bomag полезно вспомнить и давнишний трамбующий каток с квадратным вальцом из Южной Африки (рис. 3), который при перекатывании с грани на грань опрокидывался на большую плоскую площадку, производя всей своей массой ударное нагружение грунта с хорошим результатом уплотнения.
Рис. 3. Формы рабочей поверхности вальцов грунтоуплотняющих катков
Рис. 3. Формы рабочей поверхности
вальцов грунтоуплотняющих катков:
1 – обычная цилиндрическая;
2 – восьмисегментная или восьмигранная
(фирма Bomag);
3 – квадратная (Южная Африка)

Производственное использование одновальцового грунтового виброкатка BW225 D-3 BVC с многогранной или сегментной формой поверхности вальца осуществлялось на трех объектах в Германии при возведении насыпей из различных типов и состояний грунтов, включая связные глинистые и скальноподобные мергелисто-сланцевые – на подъездной железной дороге к аэропорту, автомобильной дороге А38 и крупной промышленной площадке (объем грунта 450 тыс. м3).

В частности, на строительстве автомобильной дороги, для которой требования к качеству уплотнения грунтов наиболее жесткие в Германии (степень уплотнения по Проктору не ниже 97 %, а несущая способность земляного полотна при штамповых динамических испытаниях не менее 45 МН/м2), были получены удивительные результаты. На связном глинистом грунте степень уплотнения 98,2 % была зафиксирована на глубине около 1,0 м. Причем для этого потребовалось всего 4–5 проходов этого катка с новой формой вальца.

Разработчики новинки объясняют достигнутый эффективный или даже эффектный результат, которого никто в мире еще не получал при использовании катков на глинистых грунтах, различием в контактной передаче динамических давлений вальца такого катка уплотняемому грунту. При большей площади контакта плоского сегмента этого вальца с поверхностью укатки «луковица» (термин из механики грунтов) давлений в грунте заметно больше, чем под цилиндрическим вальцом (рис. 4).
Луковица давлений в грунте
Рис. 4. «Луковица» давлений в грунте
под цилиндрическим и сегментным вальцами

Действительно, в механике грунтов есть такое понятие как «глубина активной зоны» ha, в которой реализуется до 85 % появившейся на поверхности грунтового основания деформации или осадки, а остальные примерно 15 % приходятся на слои грунта, расположенные ниже глубины этой активной зоны вплоть до (3,5–4,0) dш или bо, где dш (или bо) – диаметр (или меньшая сторона) подошвы штампа или рабочего органа уплотняющей машины (основание виброплиты или вибротрамбовки, шина, валец гладкий, кулачковый, решетчатый, сегментный, ребристый, подошва трамбующей плиты).

В теории и технологии уплотнения различных дорожно-строительных материалов практическим путем получены универсальные результаты и зависимости, отраженные на графике рис. 5. Из него следует, что предельная толщина грунта или иного материала, прорабатываемого до требуемой степени уплотнения, или предельная глубина активной зоны ha зависит в основном от трех факторов – характера нагрузки (статическая, вибрационная или, точнее, виброударная, чисто ударная), размера контактной площадки (dш или bо), передающей усилия уплотнения грунту, и, наконец, от соотношения контактных давлений рабочего органа уплотняющей машины или устройства и предела прочности на сжатие уплотняемого грунта.

Правда, есть еще четвертый фактор влияния – количество циклов нагружения уплотняющей нагрузкой. Как правило, практически полная реализация потенциальных возможностей катка повышать плотность материала происходит примерно за 8–10 проходов при условии, что его давления будут близки прочностным показателям материала. При снижении контактных давлений катка количество потребных его проходов прогрессивно возрастает с одновременным снижением глубины проработки, т.е. нехватку силовых воздействий можно лишь частично компенсировать количеством проходов или циклов нагружения. А это не всегда технологически доступно и экономически выгодно, как например, при уплотнении горячих асфальтобетонных смесей.
Рис. 5. Зависимость глубины активной зоны от контактных давлений
Рис. 5. Зависимость глубины активной зоны ha в относительных единицах (толщина уплотняемого слоя) от контактных давлений в относительных единицах и характера уплотняющих нагрузок

Из приведенного графика следует, что даже при большой контактной площадке с малым контактным давлением можно получить незначительную глубину требуемого уплотнения. И наоборот, тот же не очень удовлетворительный результат будет при малой контактной площадке и высоком давлении. И уж совсем плохим он окажется при малой контактной площадке и низком давлении, так как в этом случае сработает известный эффект вытоптанной пешеходами дорожки на лужайке парка или на городском газоне.

Разработчики виброкатка BW225 D-3 BVC с сегментной поверхностью вальца, видимо, вольно или невольно использовали научные наработки для решения актуальной практической задачи и нашли удачное сочетание размера подошвы сегмента (очевидно около 600–700 мм) и высоких контактных динамических давлений вальца, воплотив старую идею в новое исполнение.

При весе вибровальцового модуля этого катка 17,6 т и центробежной силе 40,2 тс максимальные контактные его давления на грунт должны ориентировочно составить около 9–10 (грунт рыхлый) и 15–16 кгс/см2 (плотный), что вполне приемлемо для высококачественного уплотнения связного грунта и на достаточно солидную глубину.

Вообще же все до сих пор известные типы и разновидности дорожных грунтовых катков, при создании которых решались отдельные или комплексные задачи по повышению качества и толщины слоя уплотнения за счет увеличения силового давления и размеров контактной площадки с одновременным снижением сдвиговых смещений (волн) приповерхностной зоны укатки, наиболее характерных для тяжелых катков с гладкими вальцами, можно выстроить в один логический ряд с учетом последовательности их появления:

гладковальцовый статический;
кулачковый (sheep foot) статический
кулачковый (pad foot) статический, в том числе фирм Caterpillar, Bomag и Dynapac, с трамбующим эффектом (за счет скоростной укатки);
сегментный статический;
решетчатый статический;
ребристый статический;
гладковальцовый вибрационный (точнее, вибро- или частоударный);
кулачковый (pad foot) вибрационный;
сегментный или многогранный (многоплощадочный) вибрационный фирмы Bomag;
трамбующий с квадратным вальцом (Южная Африка).

Не исключено появление в этом ряду в соответствии с упомянутыми принципами и логикой и других новых разработок. Тем более, что большинство фирм находится в постоянном поиске, стремясь придать своим грунтоуплотняющим каткам больше технологической универсальности, повысить качественную сторону их работы путем более широкого регулирования уплотняющих воздействий, в том числе в автоматическом режиме, оснастить специальными устройствами и даже системами контроля качества уплотнения грунта.

Такие поиски приводят к некоторой модернизации существующих моделей грунтовых виброкатков, сводящейся к незначительному изменению их веса, повышению амплитуды и уточнению частоты колебаний вальца, разные сочетания которых дают в конечном итоге самое главное для уплотняющей способности виброкатка – амплитудное значение центробежной силы и ее качественную характеристику («острая» или «тупая», быстродействующая или вялодействующая вибросила).

Относительно изменения весовых показателей катков можно отметить, в частности, появление самого тяжелого на сегодня виброкатка BW226 фирмы Bomag, одна из модификаций которого имеет общий вес почти 27 т вместе с самым тяжелым вибровальцовым модулем (18,6 т).

Кстати, иногда вызывает удивление уже устоявшаяся практика для одновальцовых шарнирно-сочлененных виброкатков приводить в технической литературе совместный вес вибровальцового модуля и пневмоколесного тягача-толкача. Ведь не добавляют же к весу прицепного виброкатка вес тягача. Тем более, что в функционально-технологическом плане «главным действующим лицом» являются вес, габариты и другие показатели вибромодуля (вибровальца), которые и определяют его уплотняющую способность и эффективность. А весовые данные тягача для этих показателей в том и другом случае не играют роли.
Самая крупная модель катка фирмы Bomag BW226.
Самая крупная модель катка фирмы Bomag – BW226

Помимо некоторой прибавки в весе у отдельных катков возросло также максимальное значение центробежной силы, как, например, у самой крупной модели фирмы Bomag до появления BW226 она была 33 тс, а у последней – 40 тс. Правда, «чемпионами мира» пока остаются шарнирно-сочлененные образцы VV2510D фирмы STS (Stavostroj) и SR25D фирмы O+K (Orenstein and Koppel), у которых такая сила составляет 46 тс.

В последнее время специалисты ряда фирм осознали не только полезность, но уже даже и необходимость более широкого регулирования силовых воздействий виброкатков на уплотняемый материал. На большинстве же имеющихся сейчас в мире их моделей используется двухуровневая вибрация.

Слабый или сильный режим вибрирования устанавливается путем увеличения или уменьшения амплитуды колебаний вальца в 2 раза при реверсе вращения дебалансного вала.

На заре внедрения уплотняющей вибротехники в широкую практику дорожного строительства такая разработка фирмы Dynapac была очень полезной и прогрессивной. Это теперь двухрежимная вибрация стала явно недостаточной для технологии уплотнения материалов различного типа и состояния, да еще при значительном варьировании толщин уплотняемых слоев этих материалов.

И совершенно очевидно закономерным и оправданным стало появление виброкатков фирмы I-R (Ingersoll-Rand, США) с 8 амплитудами и двумя частотами колебаний вальца (вместе со статическим режимом можно получить 17 значений силовых воздействий – куда уж больше!?). Теперь уже есть виброкатки с 3,4 или 5 амплитудами при одной, двух и даже трех частотах колебаний вальца (фирма Caterpillar). Однако во многих подобных разработках использован принцип дискретного регулирования уплотняющих воздействий.

Разработчиком одного из способов плавного регулирования силовых воздействий виброкатков стала фирма Bomag, заменившая на своих асфальтобетонных (BW174 АD-2, BW184 AD-2) и грунтовых (например, BW177 D-4) просто устроенные вибровозбудители с круговыми колебаниями на более сложные подобные устройства с направленными колебаниями.

Обусловлено это новшество не различием в эффективности и качестве уплотнения материалов при их использовании (экспериментально давно показано, что особого различия нет), а возможностью у катков или вальцов с направленными колебаниями плавно изменять (поворачивать) направление вектора суммарной центробежной силы от 0 до 90°, т.е. регулировать значение вертикальной ее составляющей от нуля до максимума, плавно переводя колебания вальца с чисто вертикальных до сугубо горизонтальных. Такой способ давно применяется на виброплитах для обеспечения их самоходности с одновременным выполнением самой операции уплотнения.

Наличие возможности дискретно или плавно изменять центробежную силу вибровальца в большую или меньшую сторону, а также наличие успешно и давно работающих систем и приборов контроля качества уплотнения грунтов по относительным (косвенным) показателям, которыми оснащены виброкатки фирм Dynapac, Bomag, Hamm и других, очевидно, и породило идею и дало толчок к их объединению с разработкой новой системы автоматического регулирования силовых воздействий в соответствии с показаниями приборов, контролирующих качество уплотнения.

Такие новые разработки были осуществлены фирмами Bomag и Ammann и установлены на образцах не только грунтовых, но и асфальтобетонных виброкатков.

Следует отметить, что автоматическая система, например, фирмы Bomag, названная для асфальтобетонных виброкатков ВАМ (Bomag Asphalt Manager) или просто Асфальт Менеджер, включает в себя несколько других систем и подсистем, среди которых фигурируют ВТМ-Е (Bomag Terra Meter E) – измеритель модуля деформации грунта Е, ВЕМ (Bomag Evib Meter)– измеритель вибрационного модуля деформации Evib поверхности уплотняемого материала, ВСМ 05 (Bomag Compation Menegement 2005 г.)– управление уплотнением, разработка 2005 г. и другие.

Система Асфальт Менеджер позволяет непрерывно контролировать качество уплотнения материала, правда, в косвенных показателях (вибрационный или динамический модуль деформации Evib в МН/м2). Фактически впервые оказалось возможным следить за относительным результатом уплотнения асфальтобетона во время его укладки и укатки в покрытии (на земляных работах такое случилось ранее) и заблаговременно выявлять недоуплотненные места и участки. При этом непременным условием эффективного функционирования системы является непрерывное измерение температуры асфальтобетона, но не только.

Машинист катка с такой системой имеет возможность вмешиваться в автоматический процесс уплотнения, если температура асфальтобетонной смеси окажется очень высокой или чрезмерно низкой. Как автоматика, так и машинист в подобных случаях могут изменять силовое вибровоздействие катка, регулируя величину вертикальной составляющей центробежной силы путем поворота ее вектора, а в нужном случае даже просто отключать вибрацию вообще.

На первых виброкатках Bomag с Асфальт Менеджер (BW170/174 AD AM и BW184 AD AM) установлены вибровозбудители с более высокой уплотняющей способностью. Наиболее крупная модель из этих трех имеет повышенную частоту (60 Гц) при неизменной амплитуде колебаний. Но на всех трех виброкатках предусмотрен дополнительный повышенный режим силового воздействия за счет увеличения амплитуды колебаний только заднего вальца. Это запасное более мощное воздействие (в 1,5–4 раза сильнее) иногда требуется на практике для уплотнения, например, слишком остывшего асфальтобетонного материала.
Грунтовый одновальцовый шарнирно-сочлененный каток AC110 (фирмы Ammann)
Грунтовый одновальцовый шарнирно-сочлененный каток AC110 (фирмы Ammann) оборудован электронной контрольно-измерительной системой АСЕ

На выставке Bauma-2004 в Мюнхене фирма Ammann рекламировала два новых виброкатка, оснащенных подобной электронной контрольно-измерительной системой, названной АСЕ (Ammann Compaction Expert)– грунтовый одновальцовый шарнирно-сочлененный АС110 – 3HD+ACE (общий вес 11,2 т, вес вибромодуля 7,2 т, регулирование амплитуды плавное от 0 до 2 мм, частоты колебаний в пределах 25–33 Гц, центробежной силы от 0 до 250 кН или 25 тс и рабочей скорости в пределах 0–7 км/ч) и асфальтобетонный тандем AV95ACE (вес 9,5 т, амплитуда колебаний от 0 до 1 мм, частота от 0 до 50 Гц, центробежная сила от 0 до 85 кН или до 8,5 тс и рабочая скорость от 0 до 10 км/ч).

Система АСЕ на асфальтобетонном виброкатке автоматически настраивает амплитуду и частоту в соответствии с установленной рабочей скоростью катка, температурой поверхности асфальтобетона (непрерывно измеряется устройством инфракрасного типа), прочностными и деформативными характеристиками поверхности укатки (Ammann утверждает, что АСЕ оценивает ее несущую способность, но почему-то с размерностью МН/м).

Принцип управления АСЕ состоит в том, что энергия уплотнения автоматически понижается при возрастании несущей способности поверхности укатки. Подобным же образом зоны или места с пониженными показателями несущей способности уплотняются с более высокой, а очень твердые (жесткие) поверхности – с более низкой рабочей амплитудой. Регулирование амплитуды осуществляется автоматически за счет поворота одного центробежного эксцентрика относительно другого, установленных в вибровозбудителе направленных колебаний. Сама система АСЕ установлена в переднем или заднем вальцовом модуле. Вибрирование другого вальца происходит по автоматическим командам вальцового модуля с АСЕ.

Что дает использование передовой технологии уплотнения виброкатками, оборудованными системами Асфальт Менеджер, АСЕ или им подобными?

Во-первых, требуемое качество уплотнения материала достигается всегда, причем оно становится более равномерным по площади с отсутствием недоуплотненных и переуплотненных мест потому, что энергия уплотнения виброкатка всегда приводится в соответствие с потребностями материала. Во-вторых, практическое выполнение операции становится более легким и простым, а ошибки оператора или машиниста катка исключаются потому, что вибрационный режим укатки контролирует автоматика. В-третьих, экономятся затраты времени и энергоресурсов потому, что количество проходов катка минимизируется, а это может дать повышение производительности до 2 раз (оценка фирмы Bomag).

Новые идеи и разработки не обошли стороной и американских производителей дорожных катков. На выставке в Лас-Вегасе фирма Bomag Americas представила две модификации одного и того же виброкатка четвертого поколения, одну из которых BW190AD-4HF (вес около 12 т, амплитуда колебаний 0,37/0,86 мм, частоты соответственно 60/48 Гц и центробежные силы 13,1/18,6тс) можно отнести к обычным высокочастотным моделям. А другую (BW190AD-4AM), оснащенную системой Asphalt Manager, можно зачислить в отряд новых образцов «умного уплотнения» (Intelligent Compaction).

Помимо этих виброкатков Bomag Americas показала также три новые свои разработки (BW266, BW278 и BW284 весового класса соответственно 9, 11 и 13т), отличительной особенностью которых является чрезмерно высокая величина центробежной силы как на слабой (13–15 тс), так и на сильной (15–19 тс) вибрации.

Не совсем понятно, как такими мощными виброударными воздействиями можно качественно уплотнять рекомендуемые Bomag Americas слои асфальтобетона толщиной от 1,5 до 3 дюймов (от 3,5–4 до 7,5–8 см)?

В соответствии с оценкой уплотняющей способности по статическим и динамическим индексам контактных давлений оптимальные слои для эффективного уплотнения асфальтобетона этими катками составляют от 10–12 до 14–15 см на слабом режиме вибрирования вальцов, а на сильном – еще больше (от 14–15 до 17–19 см). Очевидно, самым соответствующим слоям 1,5–3 дюйма может оказаться только статический режим укатки, для которого оптимальные толщины слоев равны 6–7,5 см.

Вообще же у каждого статического или вибрационного катка, наделенного разработчиками определенными геометрическими, весовыми и вибрационными параметрами, существуют вполне конкретные оптимальные толщины уплотняемых слоев асфальтобетона, щебня или грунта.

Если реальный слой уплотнения меньше оптимального, его приповерхностная зона будет подвергаться силовым перегрузкам катком, что непременно приведет к частичному ее разуплотнению или даже разрушению (рис. 6). Если реальный слой больше оптимального, пострадает нижняя его часть, где будет иметь место недоуплотнение.

Рис. 6. Схема возможных результатов уплотнения асфальтобетона при несовпадении толщин оптимального и реального слоев

Рис. 6. Схема возможных результатов уплотнения асфальтобетона при несовпадении толщин оптимального и реального слоев:
hопт – оптимальный слой уплотнения;
h0 – реальный слой.

По разработанной в фирме «ВАД» методологии (индексы контактных давлений) оптимальную толщину слоя уплотнения для любого виброкатка определить несложно. Следует только знать параметры виброкатка и прочностные и деформативные свойства уплотняемого материала.

В качестве примера в табл. 1 даны найденные таким способом значения оптимальных слоев уплотняемого щебенистого асфальтобетона теми виброкатками, которыми располагает парк фирмы «ВАД» и с помощью которых осуществляется каждодневная практическая реализация технологии высококачественного уплотнения асфальтобетонного покрытия.