Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie Teoria i praktyka
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
1
2
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie Teoria i praktyka
Copyright Atlas Copco Road Construction Equipment, Szwecja 2014 Opracowanie Happiend Reklambyra, Szwecja Fotografie Atlas Copco, iStockphoto, Dreamstime, Fotolia Tłumaczenie Andrzej Grzybowski , Andrzej Mroziński Zastrzegamy sobie prawo wprowadzania zmian w specyfikacji bez uprzedzenia. Fotografie i ilustracje nie zawsze przedstawiają standardowe wersje maszyn. Informacje mają charakter ogólny i są dostarczane bez odpowiedzialności.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
3
Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie Teoria i praktyka Poradnik ten zawiera ogólny przegląd gruntów i mieszanek mineralno-asfaltowych, a także odpowiednie metody i sprzęt do ich zagęszczania. Opisane są również techniki i sprzęt do rozkładania mieszanek mineralnoasfaltowych. Głównym celem książki jest udzielenie wsparcia ważnej grupie pracowników inwestora, wykonawcom i nadzorowi, którzy mają do czynienia z operacjami zagęszczania i rozkładania nawierzchni. Książka powinna być także pomocna studentom i każdemu, kto jest zainteresowany wstępnym zapoznaniem się z tymi tematami.
Firma Atlas Copco od wielu lat przoduje w stosowaniu technologii wibracyjnego zagęszczania i rozkładania nawierzchni. Wzrost firmy jako międzynarodowej organizacji opiera się na solidnym fundamencie badań i doświadczeń technicznych. Doświadczenie firmy, obecnie zebrane w Centrum Technologii i Zastosowań (Technology and Application Center - TAC), wyposażyło przedsiębiorstwo w wiedzę i narzędzia do projektowania oraz produkcji sprzętu zagęszczającego i rozkładającego nawierzchnię, który zapewnia prawidłowe wykonanie robót; a także powoduje, że sprzęt sprawdza się w praktyce.
4
W Centrum TAC firma Atlas Copco opracowała CompBase, unikalne narzędzie umożliwiające optymalny dobór sprzętu w zależności od rodzaju robót i wymagań specyfikacji. CompBase, to system informacji wiążących zagęszczenie z rodzajem sprzętu, które zebrano w czasie badań w naturalnej skali, w kontrolowanych warunkach, prowadzonych z zastosowaniem zagęszczającego sprzętu Dynapac pracującego na różnego rodzaju gruntach. Jedno badanie materiałowe składa się z setek tysięcy pomiarów. Dla danych warunków CompBase zaleca optymalny rodzaj sprzętu oraz odpowiednią ilość wymaganych maszyn. W prakty-
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ce CompBase udowodnił wysoki stopień dokładności. Centrum TAC opracowało podobny program do rozkładania mieszanek mineralno-asfaltowych - PaveComp. Pomaga on wykonawcom i innym organizacjom zaangażowanym w procesy wykonywania warstw asfaltowych, w doborze właściwych maszyn dla założonych wydajności rozkładania i do danych rodzajów mieszanek mineralno-asfaltowych. PaveComp podaje również użytkownikom najbardziej ekonomiczny dobór rozkładarek i walców, który zapewnia spełnienie wymagań specyfikacji przy zachowaniu najlepszych metod rozkładania.
Rynkowa oferta Dynapac zawiera kompletny zakres walców do wibracyjnego zagęszczania gruntów i mieszanek mineralno-asfaltowych: od największych walców do małych, prowadzonych. Wśród oferowanych maszyn znajdują się również walce statyczne z gładkim bębnem i walce ogumione. Oprócz sprzętu zagęszczającego, w ofercie Atlas Copco znajduje się szeroki zakres rozkładarek gąsienicowych i kołowych, a także podajniki samobieżna. Zakłady Dynapac produkujące sprzęt zagęszczający i rozkładający znajdują się w Szwecji, Niemczech,
Brazylii, Chinach i Indiach. Produkty Atlas Copco sprzedawane są przez centra handlowe i dystrybutorów we wszystkich większych rejonach świata. Światowa sieć Atlas Copco dysponuje pełnym zakresem części i wsparcia serwisowego, co gwarantuje utrzymanie sprawności technicznej maszyn przez cały długi okres ich produkcyjnej żywotności.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
5
6
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
SPIS TREŚCI Zastosowanie technik zagęszczania i rozkładania nawierzchni asfaltowych
8
Zagęszczaniu gruntów Rodzaje gruntów
12
Metody zagęszczania
18
Sprzęt zagęszczający
20
Zagęszczalność różnych rodzajów gruntów
22
Zastosowania specjalne
25
Specyfikacje i polowe metody badania zagęszczenia gruntów
27
Polowe metody badania zagęszczenia
28
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych Rozkładanie i zagęszczanie mieszanek mineralno-asfaltowych
32
Jakość i wymagania funkcjonalne stawiane nawierzchniom asfaltowym
34
Rodzaje warstw i mieszanek mineralno-asfaltowych
35
Składniki mieszanek mineralno-asfaltowych
37
Projektowanie składu mieszanki
40
Własności mieszanek mineralno-asfaltowych
41
Wytwarzanie i transport
42
Rozkładarki 44 Operacje rozkładania
47
Zagęszczanie mieszanek mineralno-asfaltowych
50
Zasady wałowania
52
Dobór maszyn do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych
56
Specyfikacje i polowe metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych
57
Frezowanie na zimno
58
Istotne cechy ... ... walca wibracyjnego
63
... walca statycznego z gładkim bębnem
70
... walca ogumionego
74
... sprzętu do frezowania na zimno
78
... sprzętu do rozkładania mieszanek mineralno-asfaltowych
82
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
7
Zastosowanie
Zastosowanie technik zagęszczania i rozkładania nawierzchni asfaltowych Zagęszczanie jest zdefiniowane jako proces zwiększania gęstości objętościowej oraz nośności materiału dzięki zastosowaniu statycznych lub dynamicznych sił zewnętrznych. Zagęszczenie wymagane jest w wielu dziedzinach budownictwa. Na kolejnych stronach opisano najbardziej powszechne zastosowania przy wykonywaniu: dróg, ulic, autostrad, lotnisk, zapór ziemnych i z rumoszu skalnego, nasypów kolejowych i fundamentów pod budynki. Ponadto, zagęszczanie stosowane jest przy budowie: parkingów, placów składowych, terenów sportowych, terenów przemysłowych i mieszkaniowych, portów, zbiorników i kanałów.
Nośność i stabilność nasypów z gruntów, rumoszu i warstw asfaltowych oraz szczelność tych konstrukcji i ich zdolność do przenoszenia obciążeń, są ściśle związane z właściwym zagęszczeniem materiału. Znaczenie zagęszczenia obrazuje fakt, że jeden procent wzrostu gęstości przeciętnie powoduje wzrost nośności, co najmniej o 10-15%. Chociaż operacje zagęszczania mogą stanowić tylko od 1% do 4% całkowitych kosztów budowy, to wpływ właściwego zagęszczenia na jakość i żywotność gotowej konstrukcji jest ogromny. Jeżeli nie osiągnięto właściwego zagęszczenia lub zagęszczanie wykonano nieprawidłowo, to należy się liczyć z wysokim prawdopodobieństwem nadmiernych osiadań i innych usterek, co w konse-
8
kwencji spowoduje wysoki koszt napraw lub robót utrzymaniowych. W wielu z wyżej wymienionych zastosowań, głównie w budowie dróg, lotnisk, parkingów i placów składowych, żywotność konstrukcji zależy również od jakości warstwy nawierzchniowej. W przypadku warstw asfaltowych, ich stopień zagęszczenia decyduje o wytrzymałości, odporności na ścieranie, szczelności oraz trwałości. Dodatkowymi czynnikami niezbędnymi dla zapewnienia długiego okresu eksploatacji i niskich kosztów utrzymania są: właściwa równość powierzchni, jednorodna grubość warstwy, właściwe uziarnienie mieszanki oraz właściwe spadki podłużne i poprzeczne. Wynika z tego, że pod wieloma względami cechy eksploatacyjne sprzętu rozkładającego mają
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
decydujący wpływ na jakość wykonanej nawierzchni.
Konstrukcje gruntowe i asfaltowe
Projekt konstrukcji gruntowej i asfaltowej musi uwzględniać wiele czynników takich jak: warunki posadowienia, obciążenia oddziałujące na konstrukcję, dostępne materiały a także klimat. Rozkład obciążeń może się zmieniać w zależności od typu konstrukcji, ale głównym celem jest ich równomierne przeniesienie na podłoże gruntowe. Najczęściej spotykane rodzaje obciążeń to ruch samochodowy, obciążenia od budynków oraz ciśnienie wody. Na przykład w przypadku drogi, obciążenie jest przenoszone w dół na podłoże gruntowe poprzez kolejne
APPLICATONS Zastosowanie
warstwy konstrukcyjne. Najbardziej skupione obciążenia oddziałują na warstwy górne i stają się coraz bardziej rozproszone w głębszych warstwach konstrukcyjnych. Każda warstwa musi przenosić obciążenia pochodzące nie tylko od ruchu pojazdów, ale także ciężar warstw znajdujących się wyżej. Należy wziąć pod uwagę, że każda konstrukcja wywiera wpływ na środowisko i jest narażona na jego oddziaływanie, co musi być brane pod uwagę już na etapie projektu. Dzisiaj coraz szerzej wykorzystuje się recykling zamiast stosowania materiałów nowych. Jeśli tylko jest to możliwe, wykorzystuje się lokalne materiały na nasypy, a także do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. Dowożenie materiałów na budowę ma nie tylko negatywny wpływ na koszty, lecz także na środowisko. Dzisiaj materiały z zewnątrz stosuje się tylko wtedy, gdy jest to konieczne ze względu na ich specjalne właściwości. Warunki klimatyczne są ważnym czynnikiem w planowaniu i prowadzeniu robót oraz trwałości konstrukcji. Zmiany zawartości wody mogą skutkować na przykład niepożądanym osiadaniem. W zimnym klimacie należy również uwzględnić ryzyko wystąpienia niskotemperaturowych spękań warstw asfaltowych. Z drugiej strony, w gorącym klimacie należy zwrócić uwagę na
stabilność warstw asfaltowych, tak by zminimalizować ryzyko wystąpienia trwałych deformacji. We wszystkich warunkach zagęszczania ma podstawowy wpływ na funkcjonowanie, trwałość i koszty utrzymania konstrukcji. Drogi Występuje wiele rodzajów dróg, od małych drugorzędnych dróg wiejskich po wielkie wielopasowe autostrady. Głównym zadaniem dróg jest bezpieczny, szybki, ekonomiczny i komfortowy transport ludzi i towarów. W tym celu na drogi nakłada się różne wymagania związane i ich położeniem, równością i przyczepnością nawierzchni. Droga budowana jest na nasypie lub w wykopie i składa się z wielu warstw: nasypu, podbudowy pomocniczej, podbudowy zasadniczej, warstwy wiążącej i warstwy ścieralnej (patrz rysunek). W niektórych przypadkach istnieje konieczność podniesienia nośności podbudowy za pomocą stabilizacji cementem.
Drogi
Przekrój
Opis materiałów na str. 11
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
9
Zastosowanie
Koleje W wielu krajach koleje są nadal głównym środkiem transportu towarowego i pasażerskiego. W przypadku masowego transportu ciężkich materiałów takich jak ruda, węgiel i inne minerały, na nasypy wywierane są wielkie obciążenia. Koleje buduje się według tych samych reguł jak drogi, z wyjątkiem konstrukcji wyższych warstw. Dobrze zagęszczona warstwa podsypki z tłucznia stanowi podłoże dla podkładów. Są obecnie prowadzone badania nad zastosowaniem mieszanki mineralno-asfaltowych na warstwy górne. Z nastaniem ery szybkich pociągów, w wielu krajach stawiane są znacznie bardziej rygorystyczne wymagania względem nasypów kolejowych i warstw podsypki z tłucznia. Lotniska W obszarze kompleksu lotniska pasy startowe, drogi kołowania i place postojowe narażone są na działanie dużych obciążeń. Budowane są w ten sam sposób jak drogi, ale wymagania są z reguły wyższe niż w przypadku innych konstrukcji. Poza tym, konstrukcje te w żadnym wypadku nie mogą ulegać pęknięciom uwalniającym luźne kruszywo, mogące zagrażać silnikom samolotów.
Przekrój
Koleje
Fundamenty budynków lub mostów i wiaduktów Fundamenty generalnie budowane są tak jak drogi poniżej warstw asfaltowych. Grubości warstw mogą być różne i zależą od rodzaju obciążenia, jakiemu zostaną poddane. Lotniska
Fundamenty budynków lub mostów i wiaduktów
10
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Zastosowanie
Zapory ziemne
Kanały
Kanały Kanały muszą wytrzymywać wysokie ciśnienie wody i wymagają nieprzepuszczalnych wykładzin pokrywających dno i skarpy, odpornych na erozyjne działanie wody. Dno kanału jest wyrównane i zagęszczone. Następnie umieszczona jest warstwa filtracyjna wykonana z piasku lub żwiru. Na górze znajduje się wykładzina zbudowana z zagęszczonego drobnoziarnistego gruntu lub warstw betonowych czy asfaltowych. Warstwa wykładziny zawsze wykazuje pewną nieszczelność zabezpieczającą ją przed wymywaniem. Jeżeli wykonano ją z drobnoziarnistego gruntu, musi zostać przykryta warstwą zabezpieczająca przed erozją. Właściwe zagęszczenie jest niezwykle istotne dla zabezpieczenia kolejnych warstw przed pękaniem. Zapory ziemne Właściwości funkcjonalne są podobne do kanałów lecz ich konstrukcja jest odmienna. Zapory mają rdzeń z nieprzepuszczalnego gruntu, na przykład z drobnoziarnistego gruntu lub mieszanki mineralno-asfaltowej. Z jednej strony rdzenia znajduje się warstwa filtracyjna, a całość okryta jest okładziną. Nieprzepuszczalny rdzeń i warstwa filtracyjna spełniają te same funkcje
co wykładzina i warstwa filtracyjna w konstrukcji kanału. Okładzina utrzymuje wszystkie warstwy. Ściana zapory musi wytrzymać ogromne ciśnienie wody – wysokość niektórych zapór przekracza 100 metrów. Okładzina zabezpiecza konstrukcję przed erozją. Coraz bardziej powszechne stają się zapory z gruntu z nieprzepuszczalną wykładziną od strony nawodnej, wykonaną z warstw asfaltowych lub betonowych. Rdzeń zbudowany jest z nieprzepuszczalnego gruntu (pyły i glina) lub mieszanki mineralnoasfaltowej. Ważne jest użycie gruntu
o podobnych właściwościach dla uniknięcia rozwarstwiania podczas zagęszczania. Warstwa filtracyjna zbudowana jest z piasku i żwiru i służy do zabezpieczenia materiału rdzenia przed przenikającą wodą. Efekt przenikania jest nieunikniony; ważne aby utrzymać jak najniższy jego wskaźnik. Okładzina może być zbudowana z praktycznie dowolnego materiału, najczęstsze jest jednak wykorzystanie kruszywa. Ważne jest aby powierzchnie po obu stronach zapory były chronione przed erozją.
Asfaltowa warstwa ścieralna Asfaltowa warstwa wiążąca Podbudowa asfaltowa Podbudowa zasadnicza Podbudowa pomocnicza Nasyp Pobocze/okładzina Warstwa filtracyjna Rdzeń Podsypka Grunt rodzimy
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
11
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
RODZAJE GRUNTÓW Grunty mogą być sklasyfikowane w wielu różnych grupach w zależności od ich składu, historii geologicznej i własności fizycznych.
Rozkład wielkości ziaren Uziarnienie jest bardzo ważną cechą wpływającą na cechy mechaniczne gruntu oraz na dobór sprzętu zagęszczającego. Uziarnienie gruntu oznacza się w badaniu analizy sitowej i gdy jest to niezbędne - analizy areometrycznej. Dla sklasyfikowania grubiej uziarnionych gruntów można dokonać również ich analizy optycznej. Analiza sitowa Próbka wysuszonego gruntu jest przesiewana przez zestaw standardowych sit o różnym rozmiarze oczek. Ilość materiału zatrzymanego na każdym sicie jest przeliczana jako procent całkowitego ciężaru próbki. Procent ziaren przechodzących przez dane sito przedstawia się na wykresie pokazującym krzywą uziarnienia tego materiału.
12
Analiza areometryczna Analizę areometryczną należy wykonać, gdy zawartość frakcji ilasto–pylastej przekracza pewien poziom, na przykład 15%. W analizie areometrycznej próbka gruntu (ok. 40-60 gramów) mieszana jest z wodą i odpowiednimi związkami chemicznymi. Po dokładnym wymieszaniu, przy pomocy areometru, mierzona jest gęstość zawiesiny po 1, 2, 4, itd. minutach. Następnie można obliczyć i wykreślić krzywą uziarnienia. Grunty klasyfikuje się według wielkości ziaren w następujących frakcjach (od najmniejszej do największej): iły, pyły, piaski, żwiry, kamienie i głazy. W naturze rzadko występują grunty składające się z jednej frakcji. Zwykle mamy do czynienia z kombinacją dwóch i więcej różnych frakcji, np.: żwir piaszczysty, piasek pylasty, glina pylasta, piasek pylasto – gliniasty, itp.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Analiza sitowa
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Uziarnienie Uziarnienie jest ważnym czynnikiem wpływającym na nośność i zagęszczalność gruntu. Wskaźnik równoziarnistości oznacza się z krzywej przesiewu według wzoru:
d60 d10
Cu =
Powyżej, d60 oraz d10 oznaczają średnice sit odpowiadające skumulowanym wartościom 60% i 10% przechodzącym przez sito. % Przesiew
Jeżeli wskaźnik równoziarnistości Cu jest mniejszy od 5, to grunt uważa się za uziarniony jednorodnie, a jeśli Cu jest większy od 15 to grunt uważany jest za dobrze uziarniony. Między tymi dwoma wartościami mamy do czynienia z gruntami średnio uziarnionymi. Omówione granice mogą się nieznacznie różnić w innych systemach klasyfikacji. W materiałach dobrze uziarnionych, czego obrazem jest krzywa uziarnienia zawierająca wszystkie frakcje, wolne przestrzenie między dużymi ziarnami
Standardowe sita USA 200
100
100
50 40 30
16 10 8
90 80 70
4
3" 8
3" 4
" 2
1 1 3"
6"
wypełnione są mniejszymi ziarnami. W efekcie powstaje gęsta struktura o dobrej nośności. Krzywa uziarnienia pokazująca ziarna o zbliżonej wielkości informuje, że mamy do czynienia z gruntem równoziarnistym. W tym przypadku brak jest mniejszych ziaren do wypełnienia wolnych przestrzeni. W konsekwencji, trudniej jest uzyskać wysoką gęstość i nośność dla gruntu równoziarnistego w porównaniu z gruntem dobrze uziarnionym.
12"
Dobrze uziarniony piasek
Glina
60
Materiał dobrze uziarniony
50
Materiał podbudowy drogowej
Pył
40
Piasek równoziarnisty
30 20 10 0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100 Wymiar ziaren, mm
Materiał równoziarnisty
atlas |copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie atlas copco Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
13
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Konsystencja Konsystencja jest ważną cechą gruntów spoistych. Konsystencja każdego drobnoziarnistego (spoistego) gruntu może być: płynna, plastyczna lub zwarta w zależności od zawartości wody. W miarę jak zmienia się konsystencja gruntu, zmieniają się również jego właściwości mechaniczne. Grunty spoiste są często klasyfikowane według standardowych badań laboratoryjnych, w których oznaczane są: zagęszczalność, granica płynności (wL), granica plastyczności (wp) oraz granica skurczalności (ws). Wskaźnik plastyczności (Ip) to różnica między granicą płynności a granicą plastyczności. Wartość granicy płynności jest określana jako zawartość wody przy której grunt spoisty zaczyna płynąć, kiedy w standardowym pojemniku zostaje lekko wstrząśnięty 25 razy. Wartość wskaźnika plastyczności to zawartość wody wyrażona w procentach, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm. Granica skurczalności to zawartość wody wyrażona w procentach, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swej objętości i jednocześnie zmienia barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy. Grunt o niskim wskaźniku plastyczności, czyli grunt mało plastyczny, jest bardzo wrażliwy na zmiany zawartości wody. Wraz ze wzrostem zawartości wody nośność takiego gruntu maleje.
Głazy
Piasek
Kamienie
Pył
Żwir
Glina
Pochodzenie gruntów
Przydatność materiału budowlanego, jakim jest grunt, zależy od jego składu i sposobu, w jaki powstał. Grunty można podzielić na dwie główne kategorie: mineralne i organiczne. W budownictwie stosowane są tylko grunty mineralne. Grunty organiczne jak ziemia, torf, namuł/ szlam są całkowicie nieprzydatne, gdyż ulegają ciągłemu rozkładowi, a ich nośność jest niska. Grunty mineralne powstały w wyniku wietrzenia fizyko-chemicznego i mechanicznego. Mogą być one również wytworzone sztucznie w procesach strzelania i kruszenia. Ich trwałość zależy od składu mineralnego, a także od sposobu, w jaki powstał grunt oraz skała. Istnieją trzy typy pochodzenia: skały magmowe, skały osadowe i skały metamorficzne. Skały magmowe Skały magmowe powstały w wyniku stygnięcia magmy – ciekłego stopu skalnego o wysokiej temperaturze, tworzącego skały przy wysokim ciśnieniu. Magma zawiera wysoką zawartość pary wodnej i innych gazów i znajduje się zawsze pod ziemią. Ciekła skała, która dociera do powierzchni i traci zawartość wody i gazów staje się lawą. Generalnie magma, która powstaje około 16 km pod powierzchnią zawiera duże ilości krzemionki, jest bogata w sód, potas i glin i ma tendencję do tworzenia skał granitowych. Magma pochodząca z głębokości od 16 do 64 km poniżej powierzchni ma tendencje do tworzenia skał typu gabro. Głębiej z magmy powstają perydotyty.
14
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Skały osadowe Skała wystawiona na działanie warunków atmosferycznych w miarę upływu czasu na skutek wietrzenia i erozji ulega rozdrobnieniu i rozpuszczeniu. W wyniku powtórnego osadzania się materiału przenoszonego przez wodę i wiatr powstają skały osadowe. Rozdrobniony materiał jest przenoszony w postaci luźnych ziaren. Najpierw osiadają ziarna cięższe, lżejsze przenoszone są na większe odległości. Najbardziej charakterystyczną cechą skał osadowych jest ich budowa warstwowa. Powszechnie występujące skały osadowe to: łupki, piaskowce i wapienie. Materiał może być albo bardzo miękki albo nieomal tak twardy, jak niektóre skały magmowe. Skały metamorficzne Skały metamorficzne powstały na skutek zmian tekstury i/ lub składu mineralogicznego skał magmowych
Klasyfikacja gruntów Grunty klasyfikowane są według uziarnienia. Określenie zakresu uziarnienia materiału jest podstawą klasyfikacji gruntu. Systemy klasyfikacji różnią się nieznacznie między poszczególnymi krajami. Klasyfikacja gruntów spoistych zawiera dodatkowo oznaczanie ich konsystencji. Najbardziej popularny system klasyfikacji gruntów został opracowany w USA i nazywany jest Zunifikowanym Systemem Klasyfikacji Gruntów (Unified Soil Classification System – USCS).
lub osadowych pod wpływem działania wysokiej temperatury, ciśnienia i płynów. Ponieważ przejście z jednego stanu w drugi jest stopniowe, występują więc i stany pośrednie; chociaż metamorfizm może być tak głęboki, że zniszczone są wszelkie ślady stanu początkowego. Skały metamorficzne z reguły są bardziej twarde niż skały, z których powstały. Typowym przykładem jest gnejs. Kształt ziaren Kształt ziaren wywiera pewien wpływ na zagęszczalność i nośność danego gruntu. Kształt ziaren związany jest ze sposobem formowania skały oraz rodzaju czynników, które oddziaływały na nią przez lata. Wyróżnia się trzy kategorie kształtu ziaren: okrągłe, kubiczne i niekształtne.
ISO–EN Glina 0,002
Ziarna kubiczne powstały w wyniku mechanicznego oddziaływania lodowca na skałę. Typowym przykładem takiego gruntu jest morena – również o szerokim zakresie uziarnienia. Ziarna niekształtne są sztucznie produkowane w procesach strzelania i mechanicznego kruszenia.
Ziarna okrągłe powstały w wyniku ścierania pod wpływem działania wody i wiatru. Ten rodzaj gruntu występuje
System klasyfikuje grunty w 15-tu grupach, identyfikowanych nazwą i symbolami literowymi. System klasyfikacji AASHTO (American Association of Highway and Transportation Officials) został utworzony z myślą o zastosowaniu w budowie dróg. Również system AASHTO został opracowany w USA. Systemy klasyfikacji używane przez rożne kraje europejskie są identyczne, za wyjątkiem klasyfikacji największych ziaren. Grunty mogą być również klasyfikowane w większych grupach, na przykład:
0,75
USA
najczęściej w złożach rzecznych, osadach jeziornych, wydmach, lessach i osadach lodowcowo- rzecznych. Możliwy jest szeroki zakres uziarnienia takiego gruntu.
grunty gruboziarniste i drobnoziarniste, zawierające ziarna łamane i niekruszone oraz grunty sypkie i spoiste. Nie istnieje generalna zasada dopuszczająca maksymalną zawartość frakcji drobnych w gruntach gruboziarnistych. Wartości zawierają się w zakresie 1550% w zależności od systemu klasyfikacji. Grunty gruboziarniste są generalnie uważane za wodoprzepuszczalne, jeżeli zawierają, co najwyżej 5-10% frakcji drobnych (pylasto-ilastych).
4,75
75
300
Glina i pył
Piasek
Żwir
Kamienie
Głazy
Pył
Piasek
Żwir
Kamienie
Głazy
0,063
2,0
63
200 630 Rozmiar ziarna, mm
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
15
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Opór gruntu podczas zagęszczania Trzy główne czynniki powodujące opór gruntu podczas zagęszczania, to: tarcie, kohezja i kohezja pozorna. Tarcie spowodowane jest interakcją między ziarnami gruntu i stanowi główny czynnik oporu podczas zagęszczania gruntów gruboziarnistych.
Wewnętrzne tarcie w gruncie jest wynikiem działania sił w punktach kontaktu pomiędzy ziarnami.
Kohezja spowodowana jest oddziaływaniem sił molekularnych między najmniejszymi cząstkami i stanowi główny czynnik oporu podczas zagęszczania gruntów drobnoziarnistych. Kohezja pozorna jest spowodowana działaniem sił kapilarnych związanych z obecnością wody w gruncie i występuje w różnym stopniu we wszystkich gruntach. Zwiększenie zawartości wody spowoduje, że woda zaczyna działać jak smar pomiędzy ziarnami.
Kohezja występuje w glinach dzięki działaniu sił molekularnych między bardzo drobnymi ziarnami gruntu. Im większa jest wartość kohezji, tym większa wymagana energia zagęszczania.
Kohezja pozorna występuje w wyniku działania sił kapilarnych, utrzymujących razem ziarna gruntu sprężystymi wiązaniami, które powstają w wyniku obecności wody w częściowo wypełnionych małych porach. Im mniejsze ziarna gruntu, tym większe są siły pozornej kohezji.
Większość gruntów osiąga najwyższą gęstość przy pewnej zawartości wody, optymalnej¹ dla danej wielkości energii zagęszczającej. Po prostu, suchy grunt jest twardszy i bardziej „oporny” podczas zagęszczania, podczas gdy grunt wilgotny zagęszcza się łatwiej. Tym niemniej, im wyższa zawartość wody, tym niższa gęstość materiału. Najwyższa gęstość jest uzyskiwana przy pewnej optymalnej zawartości wody zawierającej się między stanem suchym a wilgotnym. Najbardziej popularną metodą wyznaczenia optymalnej zawartości wody jest badanie Proctora. Czysty piasek i żwir, a także inne gruboziarniste grunty wodoprzepuszczalne (samo drenujące), są mniej wrażliwe na zmiany zawartości wody i mogą osiągnąć maksymalną gęstość zarówno wtedy, gdy są kompletnie suche, jak i w stanie nasycenia wodą tak długo, jak wewnętrzny opór podczas zagęszczania zostanie przezwyciężony.
1 W niektórych publikacjach zawartość wody jest określana jako wilgotność. W tej książce mówimy o zawartości wody.
16
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Laboratoryjne metody badania zagęszczenia Optymalna zawartość wody może być wyznaczona w laboratoryjnym badaniu zagęszczenia. Istnieją dwa podstawowe rodzaje badań. W jednym wykorzystuje się energię swobodnego spadku standardowego obciążnika na próbkę znajdującą się w pojemniku, w drugi jest standaryzowanym badaniem z zastosowaniem zagęszczania wibracyjnego. Najbardziej popularną metodą jest badanie Proctora, które polega na zagęszczaniu gruntu spadającym ubijakiem. W badaniu tym określana jest optymalna zawartość wody oraz maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, która stanowi punkt odniesienia przy określaniu wskaźnika zagęszczenia na budowie. Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego wyrażona jest jako stosunek ciężaru wysuszonego gruntu do objętości próbki. Badanie Proctora Próbka badanego gruntu umieszczana jest w cylindrycznej formie i zagęszczana ubijakiem. Maksymalny wymiar ziarna jest ograniczony do 1/10 średnicy formy. Jeżeli zawartość dużych ziaren jest mała, to wymiar maksymalnego ziarna jest ograniczony do 1/5 średnicy formy. Średnica formy wynosi 102 mm przy mniejszych ziarnach oraz 153 mm dla większych ziaren. W zależności od wielkości energii zagęszczającej wyróżnia się dwie metody badania: normalną próbę Proctora oraz zmodyfikowaną próbę Proctora. Energia zagęszczająca w zmodyfikowanej próbie Proctora jest 4,5 razy większa od energii w normalnej próbie Proctora.
W normalnej próbie Proctora stosuje się ubijak o wadze 5, 5 funta (około 2,5 kg) opadający z wysokości 12” (305 mm). Próbka gruntu zagęszczana jest w trzech warstwach.
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, g/cm3 2,4 2,3
Żwir
2,2 2,1 Piasek 2,0
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, g/cm3
Krzywa pełnego nasycenia wodą
1,9 1,8
1,7
W zmodyfikowanej próbie Proctora stosuje się ubijak o wadze 10 funtów (około 4,5 kg) opadający z wysokości 18” (457 mm). Próbka gruntu zagęszczana jest w pięciu warstwach.
Pył
Maksymalna gęstość
1,7
1,6
1,6
1,5
Optymalna zawartość wody
1,4
1,5
Glina
1,4
5
10
15
Zawartość wody, %
20
25
1,3
0
5
10
15
20
25
30
Zawartość wody, %
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
17
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Metody zagęszczania Działanie sprzętu do zagęszczania gruntu i rumoszu skalnego opiera się na trzech zasadach: nacisku statycznym, wibracji i udarze. Czynnikami decydującymi o doborze metody zagęszczania i o osiągniętych efektach zagęszczenia są: • rodzaj gruntu • zawartość wody • grubość warstwy • sztywność warstwy niżej leżącej • czas działania energii zagęszczającej
Zagęszczanie statyczne Statyczny sprzęt zagęszczający wykorzystuje własny ciężar maszyny do wywarcia ciśnienia na powierzchnię, tak by ścisnąć luźny materiał. Jedynym sposobem zmiany wielkości statycznego ciśnienia wywieranego na powierzchnię zagęszczaną, jest zmiana ciężaru sprzętu zagęszczającego lub jego powierzchni nacisku. Efekt zagęszczania jest również zależny od prędkości walca oraz liczby wykonanych przejść. Wśród konwencjonalnych typów walców statycznych stosowanych od lat należy wymienić statyczne walce trójkołowe, statyczne walce tandemowe oraz walce ogumione. Zagęszczanie wibracyjne Walce wibracyjne wywołują powtarzające się szybkie uderzenia przekazywane na zagęszczaną powierzchnię. Uderzenia wytwarzają falę ciśnienia przekazywanego w dół zagęszczanej warstwy i wprawiają w ruch ziarna gruntu. Redukuje to, lub prawie eliminuje tarcie wewnętrzne
18
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Zagęszczanie statyczne
i ułatwia bardziej „gęste” ułożenie ziaren. Wzrost liczby punków kontaktu między ziarnami prowadzi do wzrostu nośności warstwy. Walce wibracyjne są najbardziej skuteczne w przypadku zagęszczania gruntów gruboziarnistych. Chociaż walce wibracyjne są mniej skuteczne w przypadku zagęszczania gruntów drobnoziarnistych, to nadal są jednym z najbardziej skutecznych rodzajów sprzętu zagęszczającego. Stosując zagęszczanie wibracyjne osiąga się wyższe gęstości i większą głębokość zagęszczania dla wszystkich rodzajów zagęszczanego gruntu, niż w przypadku zagęszczania statycznego. Ponadto, docelowa gęstość objętościowa jest osiągnięta przy mniejszej ilości przejść walca. Wyjaśnia to, dlaczego użycie sprzętu wibracyjnego jest bardziej skuteczne i bardziej uzasadnione ekonomiczne nieomal we wszystkich sytuacjach. Zagęszczanie wibracyjne powoduje rozluźnienie górnej powierzchni warstwy na głębokość zależną od
Zagęszczanie wibracyjne
Zagęszczanie udarowe
rodzaju gruntu, uziarnienia i zawartości wody. W przypadku jednorodnie uziarnionego gruntu gruboziarnistego zagęszczanego z wysoką amplitudą efekt ten będzie wyraźniejszy. Rozluźniony grunt na powierzchni zagęszczonej warstwy zostanie dogęszczony wraz z kolejną zagęszczaną warstwą.
jest duża ilość przejść, aby zapewnić jednorodne zagęszczenie. Walce udarowe, by były skuteczne, muszą poruszać się ze znacznie większymi prędkościami w porównaniu do walców wibracyjnych czy statycznych. Są one najbardziej ekonomiczne na dużych powierzchniach.
Zagęszczanie udarowe Zagęszczanie udarowe polega na wykorzystaniu dużej siły uderzenia. Siła udaru wytwarza falę ciśnienia przekazywaną w głąb gruntu. Statyczne walce udarowe używane do zagęszczania gruntów spoistych pracują z dużymi prędkościami, przy których ich stopa uderza w grunt z pewnym efektem dynamicznym. W niektórych przypadkach mogą być użyte walce o trójkątnym, kwadratowym czy pięciokątnym przekroju bębna, charakteryzujące się stosunkowo dobrym efektem zagęszczania wgłębnego. Ponieważ maszyna tego typu zagęszczarka niezagęszczony obszar pomiędzy każdym uderzeniem, wymagana
Wpływ sztywności podłoża Sztywność podłoża ma wpływ na efekt zagęszczający. Podatne podłoże może spowodować, że efekt zagęszczania nie zostanie w pełni osiągnięty. Często wysoki stopień zagęszczenia nie może być osiągnięty gdy zagęszczana warstwa leży na podłożu o niskiej nośności, np. na gruncie drobnoziarnistym o dużej zawartości wody.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
19
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Sprzęt zagęszczający Dobierając sprzęt zagęszczający należy uwzględnić rodzaj gruntu, grubość warstwy, wymagania specyfikacji co do zagęszczenia oraz wielkość robót. Najważniejszym warunkiem jest zdolność maszyny do spełnienia wymagań specyfikacji w sposób ekonomiczny. Nie stosuje się najcięższego walca do niewielkich robót, takich jak na przykład budowa podjazdów. Z drugiej strony, wybór małego walca jako głównej maszyny do budowy zapory również jest nieuzasadnione. Obecnie istnieje wiele rodzajów maszyn do zagęszczania gruntu. Poniżej przedstawione są najbardziej popularne maszyny z podaniem powszechnie akceptowanego sposobu użycia.
Wibracyjne walce tandemowe p Zazwyczaj z wibracją i napędem na obydwa bębny. Używane do zagęszczania warstw asfaltowych a także podbudów, piasku i żwiru. Ciężar od 1 do 18 ton. Najważniejszymi parametrami zagęszczania są: statyczny nacisk liniowy, amplituda, częstotliwość oraz prędkość. Wyższy nacisk liniowy zapewnia lepsze efekty zagęszczania, a wielkość amplitudy znacznie wpływa na głębokość zagęszczania. Częstotliwość powinna być dobrana do amplitudy dla zagęszczania danej grubości warstwy. Prędkość nie powinna przekraczać 6 km/ godz., w przeciwnym razie znacznie spada skuteczność zagęszczania. Najbardziej przydatne do zagęszczania cienkich i średniej grubości warstw gruntów gruboziarnistych.
20
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Samojezdne, jednobębnowe walce wibracyjne p Posiadają jeden bęben wibracyjny i pneumatyczne koła napędowe. Stosowane do zagęszczania rumoszu skalnego i gruntów. Specjalne wersje okołkowane są bardzo skuteczne na glinach. Ciężar od 4 do 27 ton. Najważniejszymi parametrami zagęszczania są: statyczny nacisk liniowy, amplituda, częstotliwość oraz prędkość. Wyższy nacisk liniowy gwarantuje lepsze efekty zagęszczania. Wielkość amplitudy wpływa na głębokość zagęszczania. Częstotliwość powinna być dobrana do amplitudy i rodzaju zagęszczanego materiału. Prędkość nie powinna przekraczać 6 km/ godz., w przeciwnym razie znacznie spada skuteczność zagęszczania. Odpowiednie do zagęszczania stosunkowo grubych warstw wszystkich rodzajów gruntów. Do zagęszczania rumoszu skalnego przydatne są jedynie najcięższe walce gładkie.
Walce ogumione p
Statyczne walce trójkołowe p Dwa napędzane bębny stalowe i bęben sterujący ze sztywną ramą, lub napęd na trzy bębny i przegubowa rama. Skuteczność zagęszczania może być regulowana przez zmianę ciężaru (balastowanie). Ciężar od 8 do 15 ton. Najważniejszymi parametrami zagęszczania są: statyczny nacisk liniowy i prędkość. Wyższy nacisk liniowy zapewnia lepsze zagęszczanie. Prędkość nie powinna przekraczać 6 km/godz., w przeciwnym razie znacznie spada skuteczność zagęszczania. Najbardziej przydatne do zagęszczania cienkich warstw gruntów gruboziarnistych.
Normalnie posiadają 7-11 ogumionych kół. Przednie i tylnie koła są względem siebie przesunięte (z zakładem). Skuteczność zagęszczania może być regulowana przez zmianę ciężaru (balastowanie) wodą, piaskiem lub specjalnymi obciążnikami żeliwnymi. Ciężar od 10 do 35 ton. Najważniejszymi parametrami zagęszczania są: obciążenie na koło i prędkość. Wyższy nacisk koła zapewnia lepsze zagęszczenie. Prędkość nie powinna przekraczać 6 km/godz., w przeciwnym razie znacznie spada skuteczność zagęszczania. Najbardziej przydatne na cienkich warstwach.
Statyczne walce udarowe Cztery okołkowane bębny. Sterowanie przegubowe. Poruszają się z większymi prędkościami niż walce wibracyjne. Stosowane do zagęszczania udarowego. Skuteczne na gruntach spoistych. Ciężar od 15 do 35 ton. Najważniejszymi parametrami zagęszczania są: nacisk koła, szerokość koła, kształt kołków oraz prędkość. Wyższy nacisk koła zapewnia lepsze zagęszczenie. Prędkość powinna przekraczać 10 km/godz., w przeciwnym razie znacznie spada skuteczność zagęszczania. Najbardziej przydatne na cienkich warstwach i dużych powierzchniach.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
21
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Zagęszczalność różnych rodzajów gruntów Dokonując wyboru sprzętu zagęszczającego trzeba uwzględnić wiele czynników, takich jak: • rodzaj robót i wielkość budowy • rodzaj gruntu i zawartość wody • grubość warstw • sztywność warstw leżących niżej • wymagania specyfikacji • wymaganą wydajność • warunki klimatyczne W niniejszym rozdziale omówiono różne rodzaje gruntów i ich zagęszczalność.
22
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rumosz skalny (kamienie i głazy)
Rumosz skalny zawiera kamienie i głazy o różnej wielkości – od rozmiaru kurzego jaja w górę do ok 1,5 m. Rumosz może zawierać odstrzeloną skałę, kruszywo łamane lub kruszywo naturalne. Głazy i kamienie są frakcją dominującą, chociaż występują również drobniejsze frakcje. Maksymalny wymiar ziarna i uziarnienie rumoszu zależą od rodzaju i jakości skały, a także metody strzelania skały. Główne skały takie jak bazalt, gnejs i granit cechuje duża wytrzymałość, a odstrzelony rumosz ma wymiar rzędu 1,0-1,5 m przy niewielkiej zawartości drobniejszych ziaren. Gdy rumosz skalny składa się z wapienia, piaskowca itp., maksymalny wymiar ziaren jest mniejszy, a ziaren drobniejszych jest tyle, że jeśli nasyp nie był prawidłowo zagęszczony, to możliwe jest jego znaczne osiadanie. Maksymalny dopuszczalny wymiar głazów z reguły nie przekracza dwóch trzecich grubości warstwy, chociaż biorąc pod uwagę zagęszczanie, korzystne jest by maksymalny wymiar nie przekraczał jednej trzeciej grubości warstwy, gdyż mniejsze jest wtedy ryzyko miażdżenia skały. Doświadczenie wskazuje, że najbardziej odpowiednim i ekonomicznie skutecznym jest sprzęt wibracyjny. Sprzęt
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Głazy
Żwir
Pył
Kamienie
Piasek
Glina
statyczny i udarowy zdecydowanie nie nadaje się do zagęszczania nasypów z rumoszu. Zagęszczanie udarowe może być przydatne, gdy stosowany jest ciężki ubijak. Wzrasta wtedy jednak ryzyko miażdżenia skały. Ciężki i średnio-ciężki sprzęt wibracyjny jest wymagany przy zagęszczaniu rumoszu skalnego, gdy trzeba przemieścić duże głazy oraz aby osiągnąć wymaganą gęstość i stabilność nasypu. Należy kontrolować ryzyko miażdżenia materiału skalnego i odpowiednio dobierać wielkość walca oraz liczbę przejść. Podczas zagęszczania rumoszu skalnego na sprzęt działają bardzo duże obciążenia, dlatego ważne jest stosowanie maszyn, które zostały specjalnie zaprojektowane do tego celu.
Żwiry i piaski
Żwiry i piaski to frakcje o wymiarach od wielkości kurzego jajka do 0,06 mm lub czasem 0,075 mm. Mogą one zawierać frakcje, charakterystyczne dla innych rodzajów gruntów, co wpływa na ich zagęszczalność. Również zawartość wody wpływa na zagęszczalność żwiru i piasku; zagęszczanie jest najbardziej skuteczne przy optymalnej zawartości wody. Jeżeli zawartość frakcji ilasto-pylastej jest mniejsza od 5-10%, to grunt jest klasyfikowany jako wodoprzepuszczalny (samo drenujący). W przepuszczalnych żwirach i piaskach nadmiar wody jest wyciskany na zewnątrz podczas zagęszczania. Oznacza to, że można prowadzić zagęszczanie podczas opadu deszczu, lub gdy powierzchnia jest zalana wodą.
Jeżeli grunt jest nieprzepuszczalny, to mogą wystąpić problemy przy próbie zagęszczania gruntu o zawartości wody większej od optymalnej. Grunt staje się elastyczny i sprężysty i osiągnięcie wymaganego specyfikacjami zagęszczenia może być niemożliwe, gdyż grunt jest nasycony wodą przy ciężarze objętościowym niższym od wymaganego. Gdy piasek lub żwir są jednorodnie uziarnione, to często trudno jest osiągnąć wymagany ciężar objętościowy blisko powierzchni warstwy (górne 10-15 cm) z uwagi na ich niską wytrzymałość na ścinanie. Materiały te mają tendencję do wyciskania się za bębnem walca i dlatego warstwa przypowierzchniowa osiąga słabsze zagęszczenie. Tym niemniej nie ma to większego znaczenia w praktyce. Jeżeli zagęszczanie prowadzone jest warstwami, to warstwa przypowierzchniowa będzie zagęszczona przy wałowaniu następnej warstwy. Przy wykonywaniu badań zagęszczenia należy uwzględnić opisane trudności z zagęszczaniem warstwy przypowierzchniowej. Zasadniczo do zagęszczania żwirów i piasków przydatne są maszyny wszystkich typów i wielkości, ale oczywiście ich dobór będzie zależał od wymaganego zagęszczenia i wydajności. Średnie i ciężkie walce wibracyjne zapewnią zagęszczenie grubych warstw. Lekkie walce wibracyjne osiągną dobre wyniki zagęszczania na warstwach o ograniczonej grubości.
Pyły
różnić dla poszczególnych systemów klasyfikacji gruntów. Pyły mogą zawierać frakcje, charakterystyczne dla innych rodzajów gruntów co wpływa na ich podatność na zagęszczanie. Kohezja jest niewielka, jeżeli pył jest czysty lub z nieznaczną domieszką frakcji gruboziarnistych. Kohezja rośnie w miarę wzrostu zawartości frakcji ilastej. Tak jak w przypadku wszystkich gruntów drobnoziarnistych, skuteczność zagęszczania pyłu zależy od zawartości wody. Dla osiągnięcia dobrego efektu zagęszczania zawartość wody nie powinna nadmiernie odbiegać od zawartości optymalnej. Pył daje się stosunkowo łatwo zagęścić przy optymalnej zawartości wody. Przy wysokiej zawartości wody i pod wpływem działania wibracji lub ruchu, pył przechodzi w stan mniej lub bardziej płynny. Przy zagęszczaniu pyłów najbardziej skuteczny jest sprzęt wibracyjny. Jeżeli tylko zawartość części ilastych jest niewielka, to grubość zagęszczanej warstwy może być taka sama jak przy żwirach i piaskach. Przy zawartości części ilastych powyżej 5% (lecz nie więcej niż 15%) dla przezwyciężenia kohezji wymagane są większe maszyny i cieńsze warstwy. W takich przypadkach walec okołkowany może być bardziej skuteczny od walca gładkiego. Dodatkowo przy nieco większej zawartości wody walce gładkie mogą mieć problemy z poruszaniem się.
Uziarnienie frakcji pylastej zawiera się w przedziale 0,06-0,002 mm, chociaż podane granice mogą się nieznacznie
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
23
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Objętość gruntu
Zagęszczalność gruntów Podsumowanie cech gruntów drobnoziarnistych i gruboziarnistych wpływających na ich zagęszczalność. Materiały gruboziarniste Stosunkowo łatwo zagęszczalne, zwłaszcza pod wpływem wibracji. Wysoka nośność. Wodoprzepuszczalne (samodrenujące) grunty nie są wrażliwe na nasycanie wodą i działanie mrozu.
Żwir
Piasek
Materiały drobnoziarniste Wyniki zagęszczania w poważny sposób zależą od wilgotności gruntu, a tym samym warunków pogodowych. Wskazane jest zagęszczanie w stosunkowo cienkich warstwach.
Pył
Grunty mają różne ciężary objętościowe w zależności od tego czy są w stanie naturalnym, luźnym czy zagęszczonym. Na rysunkach konstrukcyjnych zawsze podawana jest grubość warstwy w stanie zagęszczonym. Objętość gruntu może być zdefiniowana w różnych warunkach: • w stanie naturalnym (in situ) • w stanie luźnym (nie zagęszczonym) • w stanie zagęszczonym Tabela poniżej podaje relatywne objętości dla różnych typów gruntów:
Gliny składają się z najdrobniejszych ziaren, od 0,002 mm w dół. Ziarna są tak małe, że nie mogą być rozróżnione ludzkim okiem. Zawartość 15% frakcji ilastej wystarcza, aby grunt wykazywał własności gliny z kohezją i kohezją pozorną jako głównymi czynnikami oporu przy zagęszczaniu. Wielkość kohezji zależy od zawartości frakcji ilastej, uziarnienia, kształtu ziaren, a także składu mineralogicznego części ilastych. Kohezja może znacznie się różnić dla dwóch glin o tym samym uziarnieniu, lecz różnym kształcie ziaren i różnym składzie mineralogicznym. Zawartość wody ma znaczący wpływ na opór stawiany przez grunt podczas zagęszczania. Zagęszczanie jest najbardziej skuteczne przy zawartości wody równej optymalnej, lub nieznacznie od niej większej. Konsystencja gliny także wpływa na zagęszczalność. Powyżej granicy płynności glina traci nośność, podczas gdy poniżej granicy plastyczności wymaga zwiększonej energii zagęszczania. Glina wymaga stosunkowo wysokiej energii zagęszczania (w porównaniu z gruntami gruboziarnistymi). Do zagęszczania gliny bardzo przydatne są wibracyjne walce okołkowane, gdyż przekazują duże naciski i siły ścinające, co jest potrzebne, aby zagęścić glinę przy zawartości wody równej lub niższej od optymalnej, kiedy wytrzymałość gliny na ściskanie jest najwyższa. Grubości zagęszczanych warstw z reguły ograniczone są do
24
Kamienie i głazy
(strzelany)
(nie strzelane)
Piasek i żwir
Pył
Glina
1,0 m3
1,0 m3
1,0 m3
1,0 m3
1,0 m3
1,75 m3
1,2 m3
1,2 m3
1,3 m3
1,5 m3
1,4 m3
0,9 m3
0,9 m3
0,85 m3
0,85 m3
Glina
Maksymalna dopuszczalna zawartość frakcji ilasto-pylastej w gruntach przepuszczalnych (samodrenujących): 5-10%
Gliny
Rumosz skalny
15-40 cm w zależności od wielkości maszyny. Pracujące z dużą szybkością statyczne walce udarowe są również przydatne do zagęszczania glin. Są one bardzo ekonomiczne na dużych nasypach z gliny. W takich przypadkach glina jest rozkładana warstwami grubości 15-20 cm. Glina o zawartości wody większej od optymalnej ma niższą wytrzymałość na ściskanie i może być zagęszczana walcami gładkimi i walcami ogumionymi.
Stabilizacja wapnem
Nie jest możliwe osiągnięcie wysokiej gęstości przy zagęszczaniu mokrych gruntów spoistych (gruntów o dużej zawartości wody). Stabilizacja gruntu za pomocą wapna zwiększa jego zagęszczalność i stabilność. Wapno jest rozsypywane na powierzchni i mieszane za pomocą stabilizatorów. Wapno wiąże część wody i z czasem następuje wiązanie chemiczne, które znacznie zwiększa wytrzymałość materiału. Często dobrym wyborem jest użycie wibracyjnych walców okołkowanych.
Podbudowy pomocnicze i zasadnicze
Warstwy podbudowy pomocniczej i zasadniczej wykonywane są z wyselekcjonowanego materiału o uziarnieniu mieszczącym się wewnątrz wyspecyfikowanych krzywych granicznych uziarnienia. Żwir stanowi główną frakcję. W niektórych krajach dopuszcza się stosunkowo dużą zawartość frakcji drobnych w podbudowie pomocniczej, ale traci ona wtedy zdolność
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
do „samo-drenowania”. Z reguły dla podbudów pomocniczych i zasadniczych wymagane jest lepsze zagęszczanie i dlatego należy stosować większą energię zagęszczającą niż w przypadku zagęszczania gruntów w nasypie o tej samej grubości warstwy. Podbudowy pomocnicze i zasadnicze są najbardziej skutecznie zagęszczane przez walce wibracyjne. Zagęszczanie udarowe nie jest odpowiednie. W niektórych przypadkach, gdy warstwa podbudowy zasadniczej jest cienka (10-15 cm), mogą być stosowane walce statyczne – zwłaszcza, gdy chcemy uniknąć rozluźnienia materiału. Zanim na podbudowie zasadniczej zaczniemy układać warstwy asfaltowe, jej powierzchnia powinna być „wykończona” kilkoma przejściami statycznymi.
Stabilizacja
Warstwy podbudowy pomocniczej i zasadniczej mogą również składać się z materiału stabilizowanego cementem, wapnem lub asfaltem, w celu podniesienia ich wytrzymałości. Stabilizowany materiał podbudowy często rozkładany jest za pomocą rozkładarki dla osiągnięcia najlepszej równości warstwy.
Podbudowa pomocnicza i zasadnicza
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Zastosowania specjalne Znanych jest wiele zastosowań wymagających specjalnego podejścia i metod. W przypadku takich robót nie mogą być stosowane ogólne wytyczne.
Zagęszczanie skarp Zagęszczanie skarp może być wymagane przy budowie tam i kanałów. Tamy z nieprzepuszczalną powierzchnią asfaltową lub betonową od strony nawodnej są przykładem, kiedy dobre zagęszczenie skarpy jest szczególnie wymagane. Samobieżny, jednobębnowy walec wibracyjny jest najbardziej przydatnym typem maszyny do zagęszczania skarp. W zależności od spadku skarpy może zachodzić konieczność użycia wciągarki. W czasie zagęszczania, wibracja powinna być włączona przy jeździe pod górę i wyłączona przy jeździe w dół. Jeżeli stosowana jest wciągarka, to na walcu powinna być zamontowana krata
osłonowa dla ochrony operatora; walec powinien być połączony z wciągarką drugą, dodatkową liną bezpieczeństwa na wypadek pęknięcia pierwszej liny. Walec powinien być wyposażony w kabłąk antykapotażowy (ROPS). Przed wprowadzeniem maszyn do pracy na skarpach należy sprawdzić u producenta czy silniki mogą w sposób ciągły pracować przy danym pochyleniu skarpy. Zagęszczanie na sucho Normalnie grunty wszystkich rodzajów dają się zagęszczać najbardziej skutecznie przy wilgotności optymalnej. Tym niemniej w rejonach suchych i półsuchych może się okazać niepraktyczne lub zbyt kosztowne nawilżanie gruntów. W takich przypadkach żwiry i piaski mogą być zagęszczone w stanie suchym (zawartość wody < 1,5%). Ważne jest, aby uwzględnić zasolenie gruntu, gdyż wysoka zawartość soli może być szkodliwa dla nośności materiału. Suche zagęszczanie stosunkowo grubych warstw było z powodzeniem stosowane przy budowie dróg i lotnisk w rejonach pustynnych.
Stabilizacja gruntu Stabilizacja zwiększa wytrzymałość struktury. Może być stosowana zarówno na bardzo luźnych gruntach, jak i na podbudowach zasadniczych dla zwiększenia odporności na duże obciążenia. Na gruntach luźnych, jak glina, stabilizacja może być chemiczna lub mechaniczna. W przypadku stabilizacji chemicznej grunt jest mieszany z cementem, wapnem, asfaltem, lotnymi popiołami lub innymi środkami chemicznymi. W przypadku stabilizacji mechanicznej stosowany jest dodatek gruntu gruboziarnistego. Czynnik stabilizujący jest mieszany z gruntem, a zagęszczanie następuje jak najwcześniej, kiedy tylko nie występuje niebezpieczeństwo zapadania się maszyn w gruncie. Do stabilizacji podbudów często stosuje się cement. W tym przypadku zagęszczanie powinno być prowadzone w ciągu godziny od przeprowadzenia stabilizacji ze względu na natychmiastową reakcję cementu z wodą.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
25
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Beton wałowany W odróżnieniu od podbudowy stabilizowanej cementem, beton wałowany (RCC) to mieszanka betonowa o niskiej (5-6%) zawartości wody. Beton wałowany (RCC) jest wytwarzany, transportowany i rozkładany z użyciem standardowych maszyn. Następnie jest zagęszczany przy pomocy walców wibracyjnych. Beton wałowany jest stosowany przy budowie zapór betonowych jako wypełniacz, oraz przy budowie placów przemysłowe i portowych gdzie ciężkie pojazdy wykonują manewry przy niskich prędkościach. Mieszanki mineralno-asfaltowe nie nadają się do tego typu zastosowań. Przy budowie zapór beton wałowany ma niską zawartość cementu (4-7%) i normalnie jest rozkładany warstwami grubości 20-30 cm. Inne zastosowania to: oraz nawierzchnie w tunelach i kopalniach. Odcinki próbne Bardzo często na początku robót wykonuje się odcinki próbne dla ustalenia technologii zagęszczania gwarantującej spełnienie wymagań specyfikacji.
Na dużych budowach, jak np. budowa tamy, dla określenia najlepszej technologii zagęszczania, może być wykonany odcinek próbny w pełnej skali z zastosowaniem kilku walców różnych rodzajów. Jednym ze sposobów wykonania odcinka próbnego może być rozłożenie pasa materiału o zmiennej grubości – od prawie zera do maksymalnej grubości pożądanej. Wymagane pomiary zagęszczenia wykonywane są dla różnych grubości warstwy w miarę postępu procesu zagęszczania. W ten sposób można ustalić maksymalną grubość warstwy dla określonych robót. Wibracje gruntu Podczas pracy walec wibracyjny generuje fale ciśnienia, fale ścinające oraz fale powierzchniowe. Fale powierzchniowe są głównym problemem dla konstrukcji znajdujących się w pobliżu. Generalnie przyjęto zasadę, że wibracje gruntu, które nie przekraczają 10 mm/s nie powodują żadnych uszkodzeń budynków z fundamentami umieszczonymi w gruncie. Dla operacji strzelania przyjęto znacznie wyższy limit bezpieczeństwa, wynoszący 50 mm/s. Warto również zauważyć, że równoczesny pomiar drgań konstrukcji budynku i otaczającego gruntu pokazuje istotną różnicę prędkości fali. 10 mm/s w gruncie odpowiada 2-5 mm/s w konstrukcji budynku.
Praktyczne badania wykazały, że prędkość fali w fundamentach nie przekracza 5 mm/s, jeśli zagęszczanie z zastosowaniem wibracji jest prowadzone odległościach od budynku podanych poniżej.
Zastrzegamy, że powyższa informacja ma charakter ogólnej rekomendacji i Atlas Copco nie ponosi żadnej odpowiedzialności za ewentualne zniszczenia, nawet w przypadku stosowania powyższych zaleceń. Ze względu na różne zachowanie poszczególnych materiałów zalecamy instalowanie urządzeń do monitorowania wibracji na obiektach wymagających ochrony.
Bezpieczne odległości dla walców wibracyjnych (współczynnik bezpieczeństwa 2) Samojezdne, jednobębnowe walce wibracyjne (wysoka amplituda) Bezpieczna odległość w metrach = 1,5 x masa modułu przedniego (w tonach) Wibracyjne walce tandemowe (wysoka amplituda) Bezpieczna odległość w metrach = 1,0 x masa modułu bębna (w tonach)
Odcinek doświadczalny o różnej grubości warstwy. Można w ten sposób określić maksymalną grubość warstwy i właściwą liczbę przejazdów walca.
26
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Specyfikacje i polowe metody badania zagęszczenia gruntów Znane są trzy główne rodzaje specyfikacji, które niekiedy mogą być łączone: według metody, według rezultatu końcowego i według funkcji.
Niezależnie od rodzaju specyfikacji, inwestorzy państwowi, prywatni oraz wykonawcy żądają skutecznych systemów zapewnienia jakości. Specyfikacje według metody Specyfikacje według metody szczegółowo określają wymagania wobec rodzaju sprzętu, który ma być użyty, ilości przejść, prędkości, grubości warstwy, rodzaju gruntu i jego wilgotności. Wykonawca jest zobowiązany do ich przestrzegania podczas realizacji kontraktu. Specyfikacje według rezultatu końcowego Specyfikacje według rezultatu końcowego są najczęściej stosowane dla operacji zagęszczania przy budowie dróg, kolei, zapór i fundamentów. Specyfikacje mogą określać minimalną gęstość objętościową lub minimalną nośność. Powszechny jest trend w stosowaniu specyfikacji według rezultatu końcowego. Oferują one więcej swobody w doborze sprzętu i nadają się do wyboru najbardziej ekonomicznej metody prowadzenia robót w celu spełnienia wymagań specyfikacji. Często
zastosowanie sprzętu wibracyjnego umożliwia wykonawcy osiągnięcie najlepszego efektu finansowego. Specyfikacje według funkcji Trzeci rodzaj specyfikacji znany jako specyfikacje według funkcji, w których pewne wyspecyfikowane cechy funkcjonalne (np. osiadanie, równość i szorstkość) muszą być spełnione podczas określonego w kontrakcie terminu. Tak długo jak osiągana jest wyspecyfikowana jakość, wykonawca ma swobodę w doborze materiałów, grubości zagęszczanych warstw i rodzaju stosowanego sprzętu. Specyfikacje tego rodzaju są często włączone w kontrakty typu: Zbuduj, Utrzymuj, Przekaż (Build, Operate, Transfer – BOT), w których wykonawca przejmuje eksploatację autostrady lub innej budowli na określony czas (łącznie z utrzymaniem i innymi robotami) przed przekazaniem jej lokalnej administracji drogowej.
Specyfikacja według metody
JAK NALEŻY PRZEPROWADZIĆ ZAGĘSZCZANIE • Materiał i grubość warstwy • Typ i wielkość maszyny • Ustawienia maszyny i ilość przejść Wykonawca musi potwierdzić zastosowanie się to tak szczegółowo określonych wymagań. Specyfikacja według rezultatu końcowego
JAKI MA BYĆ OSIĄGNIĘTY EFEKT ZAGĘSZCZANIA • Wyniki zagęszczania • Metoda kontroli Wybór metody zagęszczania należy do wykonawcy. Wyniki końcowe mają być sprawdzone i przekazane inwestorowi do zatwierdzenia. Specyfikacja według funkcji
CECHY FUNKCJONALNE KONSTRUKCJI SPEŁNIONE PRZEZ OKREŚLONY CZAS • Natężenie ruchu • Przewidywany czas eksploatacji • Minimalna akceptowalna jakość (np. równość, szorstkość, koleinowanie) Wykonawca projektuje i buduje drogę spełniającą wymagania funkcjonalne; odpowiedzialność za utrzymanie jest elementem kontraktu.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
27
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Polowe metody badania zagęszczenia Znanych jest wiele metod polowych określania zgodności zagęszczenia z wymaganiami specyfikacji. Punktowe metody badań, to między innymi: badania gęstości objętościowej, badania nośności, niwelacja powierzchni i inne. Inną metodą jest zastosowanie zamontowanego na walcu odpowiednio oprogramowanego miernika zagęszczenia podłączonego do systemu gromadzenia danych, który w sposób ciągły mierzy przebieg procesu zagęszczania i osiągane wyniki zagęszczenia.
28
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Metoda objętościowa Do metod objętościowych należy metoda stożka piaskowego i balonu wodnego. W gruncie wykopuje się mały otwór. Wybrany grunt jest ważony, a objętość otworu zostaje wyznaczona przez wypełnienie go kalibrowanym suchym piaskiem lub za pomocą balonu wodnego.
Metoda cylindra W grunty drobnoziarniste, zwłaszcza glinę, wciskany jest cylinder i pobierana próbka cylindryczna do badania gęstości objętościowej.
Metoda miernika izotopowego Izotopowym miernikiem gęstości natychmiast można zmierzyć gęstość objętościową oraz zawartość wody w zagęszczanym gruncie. Miernik izotopowy pracuje w oparciu zasadę, że rozproszenie promieniowania radioaktywnego w materiale jest proporcjonalne do jego gęstości. Najlepiej metoda ta sprawdza się w przypadku gruntów jednorodnych.
Statyczne badanie nośności Statyczne badanie nośności wykonywane jest na powierzchni zagęszczonego materiału. Przez pomiar odkształcenia pod płytą (przy znanym obciążeniu i powierzchni płyty), można obliczyć moduł odkształcenia zagęszczonego gruntu. Nośność warstw niżej leżących wpływa na pomiar w stopniu zależnym od grubości zagęszczonej warstwy.
Test penetracji Znanych jest wiele rodzajów testów penetracji, których celem jest ilościowy opis zachowania się gruntu. Jednym z najbardziej znanych jest badanie CBR (Kalifornijskiego Wskaźnika Nośności). Test CBR jest badaniem arbitralnym. Nie usiłuje w bezpośredni sposób zmierzyć żadnej z fundamentalnych cech gruntu. W skrócie, test ten polega na wciskaniu standardowego trzpienia w grunt, przy zachowaniu standardowej prędkości penetracji i pomiarze oporu gruntu. Opór ten jest następnie porównywany z pewną wartością standardową. Stosunek zmierzonego oporu gruntu do wartości standardowej jest podawany jako wartość CBR. Badanie CBR jest najczęściej stosowane dla gruntów drobnoziarnistych.
Dynamiczne badanie nośności Metoda dynamicznego badania nośności pozwala na skuteczne i szybkie określenie na budowie nośności przypowierzchniowych warstw konstrukcyjnych. Badanie normalnie może być wykonane przez jednego operatora. Przyrząd mierzy powierzchniowe ugięcie wywołane opadającym ciężarem i na podstawie tej wartości oblicza dynamiczny moduł sprężystości. Znane są przyrządy typu zarówno lekkiego jak i ciężkiego.
Niwelacja osiadania powierzchni Metoda najczęściej stosowana przy nasypach z rumoszu skalnego. Instrumentem niwelacyjnym sprawdzana jest rzędna szeregu punktów przed i po zagęszczaniu.
Próba wałowania Test, w którym bardzo ciężki walec ogumiony przejeżdża po zagęszczonej powierzchni i wielkość głębokości zagłębiania się opon nie może przekraczać pewnej wartości.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
29
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Ciągły pomiar zagęszczenia Wiele drogowych i innych instytucji opracowujących specyfikacje żąda udokumentowanego dowodu, że kontrakt został wykonany zgodnie ze specyfikacjami na całej powierzchni – a nie tylko w pewnej liczbie losowo wybranych miejsc poboru próbek. To żądanie zapewnienia jakości doprowadziło do rozwoju skomplikowanych systemów dokumentacji (kontroli i monitorowania), które wykreślają i zapisują wyniki z miernika zagęszczenia zainstalowanego na walcu. Natychmiastowa i ciągła rejestracja wyników z całej zagęszczanej powierzchni stanowi źródło cennej informacji o osiągniętej jakości i jednorodności zagęszczenia. Metoda ta ma wiele poważnych zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami badań, które mogą przerywać i opóźniać roboty. Prawdę mówiąc w niektórych przypadkach, koszt konwencjonalnych badań zagęszczenia gruntu może przekroczyć wartości samego procesu zagęszczania. Zastosowanie mierników zagęszczenia okazało się bardzo ekonomiczną metodą kontroli. Zastosowanie mierników zagęszczenia wraz z systemem dokumentacji, w połączeniu z ograniczoną liczbą badań gęstości i nośności, zawarte jest w specyfikacjach wielu krajów, szczególnie przy zagęszczaniu gruntów gruboziarnistych. Dokumentacja wyników zagęszczania dostarcza wszystkim zainteresowanym cennych informacji dotyczących otrzymanej jakości i jednorodności zagęszczenia. Użycie miernika zagęszczenia pozwala operatorowi walca na wyłapanie wszystkich słabych punktów zagęszczanego obszaru pozwalając na wykonanie dodatkowych przejść walca w tych miejscach w celu uzyskania jednorodnego zagęszczenia. Miernik zagęszczenia pozwala również na zoptymalizowanie procesu zagęszczania i ograniczenie liczby przejazdów walca.
Systemy mierników zagęszczenia i dokumentacji Zasada i funkcja Zamontowany na walcu miernik zagęszczenia składa się z miernika przyspieszenia zamontowanego na bębnie wibracyjnym. Sygnały z miernika przyspieszenia przesyłane są do procesora i prezentowane na panelu operatora. Sygnały te zamieniane są na wartość miary zagęszczenia, która jest względną miarą nośności gruntu. System zbiera informacje do pewnej głębokości, w zależności od wielkości walca i wybranej amplitudy. Komputer zbiera i pokazuje zmierzone wartości na ekranie, który może być umieszczony w zasięgu wzroku operatora walca. System dokumentacji danych prezentuje na ekranie zagęszczany obszar. Wprowadzenie kolorowej grafiki umożliwia natychmiastową informację,
30
które obszary wymagają dodatkowego zagęszczenia. Dokładna pozycja walca i jego prędkość pobierane są z odbiornika GNSS i zapisywane wraz wartościami zagęszczenia. Wyniki mogą być przeniesione do komputera biurowego dla ostatecznej analizy i zachowania danych. Zastosowania Metoda miernika zagęszczenia (z systemem dokumentacji, lub bez) jest najbardziej odpowiednia dla gruntów gruboziarnistych i rumoszu skalnego. Odpowiedź miękkiego, nie zagęszczonego gruntu jest słabsza niż odpowiedź gruntu twardego, dobrze zagęszczonego. Sztywność wzrasta proporcjonalnie do nośności. System ciągłej kontroli zagęszczenia (Continuous Compaction Control – CCC) może być użyty w każdym z niżej opisanych zadań.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Analiza słabych punktów Wartości CCC są używane do wskazania obszarów o najniższej nośności. Dla takich obszarów wykonuje się statyczne badanie nośności. Jeśli otrzymane wartości mieszczą się w zakresie wymaganym, można stwierdzić, że pozostały obszar również został prawidłowo zagęszczony.
Wartości kalibrowane
ZAGĘSZCZANIE GRUNTÓW
Dla konkretnego rodzaju zagęszczanego gruntu wartości CCC mogą zostać skalibrowane w celu określenia ich korelacji do danej metody określania zagęszczenia, najczęściej do statycznego badania nośności. Używając tej korelacji wskazuje się konkretne wskazanie CCC jako wartości docelowej dla całego zagęszczanego obszaru.
Zliczanie przebiegów Użycie systemu CCC do liczenia i dokumentowania liczby przebiegów pomaga operatorowi osiągnąć równomierne zagęszczenie i wykazuje, że zadanie zostało wykonane zgodnie ze specyfikacją.
Postęp procesu Wartość CCC wzrasta podczas każdego przejazdu walca – najszybciej na początku, a najwolniej przy osiąganiu zadanego zagęszczenia. Jeśli ten wzrost jest niewielki, przyrost stopnia zagęszczenia jest również mały. Jest to jeden z możliwych do użycia wskaźników zakończenia procesu zagęszczania.
Można użyć powyżej wskazanych zadań w kombinacji, jak w poniższym przykładzie: Założona liczba przebiegów: 6 Analiza słabych punktów: 2 obszary Postęp procesu: max 5%
Operator wykonuje walcem sześć przebiegów na wibracjach. Po zakończeniu przełącza wskazania na wartość miary zagęszczenia i odnajduje dwa obszary o obniżonej nośności. Sprawdza, czy wzrost wskazań miernika zagęszczenia w stosunku do poprzedniego przebiegu jest mniejsza niż 5%. Jeśli wzrost jest większy niż 5%, ciągle możliwy jest wzrost zagęszczenia w tym obszarze – proces zagęszczenia nie jest w tym miejscu zakończony. Wykonuje dodatkowy przejazd po zagęszczonym obszarze w celu wykrycia innych słabych punktów. Sprawdza przyrost wartości miary zagęszczenia – jeśli jest mniejszy niż 5%, oznacza to, że za pomocą użytego walca nie można osiągnąć wyższego stopnia zagęszczenia. W ten sposób można dokonać testów przed odbiorem danego obszaru. Jeśli taki test da zbyt niski wynik, jest to najczęściej problem zagęszczanego materiału, ponieważ użyta maszyna nie jest w stanie osiągnąć wyższego stopnia zagęszczenia. Przy budowie dróg i lotnisk z powodzeniem zastosowano następującą metodę kalibracji: po zarejestrowaniu wartości miary zagęszczenia (CMV) z miernika zagęszczenia dla całej zagęszczanej powierzchni, w miejscach o najniższych wielkościach, dodatkowo wykonuje się statyczne badanie nośności. Taka procedura powinna stanowić gwarancję, ze założona nośność jest osiągnięta na całej powierzchni, na przykład warstwy podbudowy zasadniczej. Nośność gruntów drobnoziarnistych w znacznym stopniu zależna jest od
zawartości wody. Ponieważ miernik zagęszczenia wskazuje wielkość nośności gruntu, nie istnieje bezpośredni związek pomiędzy wartością miary zagęszczenia, a gęstością objętościową gruntu. Dlatego też metoda miernika zagęszczenia nie może być stosowana do bezpośredniego sterowania procesem zagęszczenia gruntów drobnoziarnistych tak jak jest to możliwe w przypadku gruntów gruboziarnistych. Tym niemniej, dużą wartość może mieć informacja z miernika zagęszczenia co do jednorodności i poziomu wartości nośności. Pożytecznym zastosowaniem miernika zagęszczenia jest wykorzystanie go do wykrywania miękkich i słabych miejsc mokrych gruntów drobnoziarnistych w gruntach drobnoziarnistych o dużej zawartości wody. Miejsca takie występują zarówno w materiałach stosowanych do budowy nasypów jak i w gruncie rodzimym. Z tego względu walce wyposażone w mierniki zagęszczenia stosowane były z dobrymi efektami do badania powierzchni terenu, na którym miały być budowane nasypy drogowe i kolejowe. Nawet, jeżeli stosowanie mierników zagęszczenia nie jest wymagane przez specyfikacje, to ich stosowanie pomaga operatorom wyznaczyć miejsca wymagające większej liczby przejść walca i generalnie, zoptymalizować liczbę przejść dla uniknięcia nadmiernego wałowania.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
31
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych System ruchu drogowego ma wiele aspektów. Obejmuje on drogi, ludzi używających tych dróg oraz pojazdy. To, jak dobrze pracuje system jako całość zależy od cech wszystkich indywidualnych składników, od tego jak wzajemnie na siebie oddziałują oraz od wpływu zewnętrznych czynników takich jak klimat, warunki oświetlenia itp.
1 Nawierzchnia drogowa ma decydujący wpływ na ruch pojazdów. Rodzaj warstwy ścieralnej i jej stan wpływają na zachowanie się pojazdów korzystających z drogi, a tym samym na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Czynniki te wpływają również na koszt podróży oraz na środowisko. Większość dróg posiada nawierzchnię asfaltową1. Rzadziej stosowane są nawierzchnie z betonu cementowego, chociaż w niektórych krajach beton jest preferowanym materiałem. Mieszanka mineralno-asfaltowa stosowana jest w warstwach: ścieralnej, wiążącej oraz podbudowie. 1 Nawierzchnia asfaltowa ma warstwę lub kilka warstw wykonanych z mieszanki asfaltu drogowego z kruszywem i wypełniaczem.
32
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
2 3
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
1
2
3 Zdjęcie przedstawia trzy warstwy konstrukcyjne nawierzchni.
Warstwa ścieralna (1) zapewnia równą, odporną na działanie warunków atmosferycznych i szorstką powierzchnię jezdną, która dodatkowo wytrzymuje działanie sił ścierających. Ta warstwa powoduje, że droga jest bezpieczna, a jazda komfortowa. W połączeniu z innymi warstwami nawierzchni, warstwa ścieralna pomaga w takim rozłożeniu obciążeń od ruchu, aby uniknąć nadmiernego przeciążenia całej nawierzchni.
Podbudowa (3) jest głównym składnikiem zapewniającym nawierzchni wytrzymałość i zdolność do przenoszenia obciążeń. Na drogach o ruchu lekkim, z reguły wykonywana jest z dobrze uziarnionego skalnego kruszywa łamanego. Na drogach o ruchu ciężkim, dla osiągnięcia wymaganej wytrzymałości i trwałości, z reguły stosowana jest podbudowa asfaltowa lub z kruszywa stabilizowanego cementem.
Warstwa wiążąca (2) spełnia tą samą funkcję przeniesienia obciążeń od ruchu oraz tworzy równą, o odpowiednich spadkach, powierzchnię pod warstwę ścieralną.
W procesie projektowania konstrukcji nawierzchni (część drogi nad nasypem), dobór materiału i grubości poszczególnych warstw nawierzchni, są czynnikami krytycznymi, decy-
dującymi o przedłużonej bezawaryjnej eksploatacji drogi. Dla prawidłowego zaprojektowania konstrukcji nawierzchni wymagana jest znajomość różnych cech materiałów, oczekiwanego obciążenia od kół pojazdów oraz natężenia ruchu. Dodatkowo należy uwzględnić lokalne warunki klimatyczne oraz uwarunkowania ekonomiczne.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
33
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Jakość i wymagania funkcjonalne stawiane nawierzchniom asfaltowym Nawierzchnie asfaltowe są budowane przy założeniu pewnego okresu eksploatacji (np. 20 lat). Trwałość i żywotność nawierzchni będą zależały od jakości składników, projektu mieszanki oraz procesu wytwarzania i otaczania, po ostateczne zagęszczanie.
Istnieje szereg wymagań funkcjonalnych, które musi spełniać nadająca się do eksploatacji nawierzchnia asfaltowa
34
1.
2.
3.
4.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Jakość nawierzchni asfaltowej może być oceniona pod względem spełniania szeregu kryteriów. Do najważniejszych należą: • Odporność na deformacje plastyczne, co może być wyrażone jako stabilność, • Odporność na zmęczenie pod wpływem ruchu i temperatury, • Zdolność do przenoszenia obciążeń (sztywność), • Odporność na działanie wody, • Starzenie, • Odporność na pękanie w niskich temperaturach.
1. Równość Jeżeli droga ma funkcjonować w sposób satysfakcjonujący przez założony czas eksploatacji, to musi być równa. Nierówności zmniejszają prędkość ruchu i wydłużają czas podróży. Zmniejszają jakość jazdy oraz zwiększają zużycie pojazdu oraz opon. Nierówności zwiększają również efekt oddziaływania pojazdów na drogę, co z kolei przyspiesza zużycie drogi, a tym samym skraca jej czas eksploatacji. Nierówności poprzeczne odnoszą się do kolein powstałych na skutek zużycia warstwy ścieralnej lub odkształceń w jednej lub kilku warstwach niżej leżących. Miarą tego zjawiska jest głębokość koleiny. Nierówności podłużne dotyczą nierówności wzdłuż drogi lub jej odcinka. Stosowane są różne metody do pomiaru tego zjawiska, np. IRI (Międzynarodowy Wskaźnik Nierówności).
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Wybór górnej warstwy nawierzchni i jej jakość, zależą od spodziewanych obciążeń i natężenia ruchu a także od warunków klimatycznych, których działaniu poddana będzie droga w określonym czasie eksploatacji.
Rodzaje warstw i mieszanek mineralno-asfaltowych Aby warstwa asfaltowa funkcjonowała zgodnie z założeniami, różne składniki (lepiszcze, kruszywo, wypełniacz) powinny być starannie dobrane, tak by otrzymać ostatecznie mieszankę o optymalnym składzie. Dobra jakość materiałów i dobrze zaprojektowana mieszanka nie wystarczają, aby zagwarantować długi okres eksploatacji. Równie ważny jest sposób wytworzenia mieszanki oraz to jak jest ona rozkładana i zagęszczana. Korzyści ze stosowania materiałów najwyższej jakości mogą szybko zniknąć, jeżeli jeden z etapów produkcji jest niezgodny z przyjętymi normami. Lepiszcze, kruszywo i wypełniacz są
trzema podstawowymi składnikami mieszanki mineralno-asfaltowej. W wielu przypadkach lepiszcze zawiera również dodatki. W praktyce występują dwa główne rodzaje materiałów: mieszanki mineralno-asfaltowe i różne powierzchniowe utrwalenia.
2a. Tekstura
3. Odblaskowość
Nośność
Tekstura odnosi się do szorstkości powierzchni. Tekstura dzieli się na dwie kategorie: makro (0,5-50 mm) oraz mikrotekstura (< 0,5 mm). Mikrotekstura wynika z szorstkości kruszywa grubego w warstwie. Zarówno makro - jak i mikrotekstura mają wpływ na zużycie opon; im gładsza tekstura tym mniejsze zużycie. Makrotekstura ma znaczny wpływ na hałaśliwość opon oraz na wielkość tarcia między oponą a powierzchnią drogi.
Odblaskowość jest miarą „jasności” nawierzchni. Wysoka odblaskowość zwiększa widzialność w ciemnościach, co pozwala na rozwijanie większych prędkości i krótszy czas podróży. Lepsza widoczność powinna prowadzić do lepszego bezpieczeństwa w nocy, chociaż często ta zaleta niwelowana jest możliwością podróżowania z większymi prędkościami.
Nośność drogi wywiera znaczny wpływ na długość okresu jej eksploatacji. Obniżona nośność drogi może zmusić ruch ciężki do wyboru innych, często dłuższych, tras.
2b. Tarcie Tarcie mierzone jest jako stosunek (z wykorzystaniem znormalizowanych wzorów) pionowej i poziomej siły działającej na koło. Wysoka wartość tarcia zwiększa bezpieczeństwo ruchu dzięki lepszej przyczepności opony do nawierzchni.
Mieszanki mineralno-asfaltowe
Chociaż znanych jest wiele rodzajów mieszanek mineralno-asfaltowych, nie ma jakiegoś powszechnie obowiązującego systemu klasyfikacji. Najbardziej powszechny sposób polega na podziale według temperatury mieszania: gorące mieszanki asfaltowe („Hot Mix Asphalt –
4. Porowatość Porowatość jest zdolnością powierzchni do drenowania. Porowata powierzchnia zmniejsza hałas od opon. Mniejsza ilość wody na drodze znacznie obniża rozpryski brudu i wody, a także ryzyko powstania aquaplaningu.
HMA”), mieszanki asfaltowe na ciepło (Warm Mix Asphalt – WMA”) oraz mieszanki asfaltowe na zimno („Cold Mix Asphalt – CMA”). HMA i WMA są mieszanką gorącego kruszywa, asfaltu i wypełniacza. Wytwarzana są w cyklicznych lub ciągłych wytwórniach w wysokiej temperaturze, tj. 130-180 °C (HMA). Penetracja stosowanego asfaltu zależy od zewnętrznych warunków takich jak klimat i obciążenie ruchem pojazdów. Na przykład w gorącym klimacie i przy ciężkim ruchu, wymagany będzie asfalt o niskiej wartości penetracji. Lepiszcze może być modyfikowane różnymi dodatkami, takimi jak polimery.
>
Odporność na ścieranie Odporność drogi na ścieranie jest ważna nie tylko ze względu na czas jej eksploatacji. Jeżeli ścieranie jest duże, to powstały pył może spowodować zanieczyszczenie środowiska w pobliżu drogi.
atlas |copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie atlas copco Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
35
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Mieszanki asfaltowe na zimno (CMA) W CMA zimne kruszywo jest mieszane z wstępnie ogrzanym asfaltem, emulsją asfaltową lub asfaltem upłynnionym. Temperatura lepiszcza przed mieszaniem z reguły wynosi 75-85 °C. Mieszanki asfaltowe na ciepło (WMA) Temperatura produkcji WMA jest niższa niż gorących mieszanek asfaltowych (HMA) i wynosi 100-140 °C. Niższa temperatura produkcji oznacza mniejsze zużycie energii, co z kolei oznacza mniejszą emisję podczas produkcji mieszanki. Zastosowania WMA są w zasadzie takie same jak WMA. Gorące mieszanki mineralno-asfaltowe (HMA) Znane są cztery główne rodzaje mieszanek HMA: beton asfaltowy o strukturze zamkniętej, mastyks grysowy (SMA), asfalt porowaty i podbudowa asfaltowa. Kruszywo w betonie asfaltowym o strukturze zamkniętej oraz w podbudowie ma uziarnienie ciągłe (zamknięte), podczas gdy SMA i asfalt porowaty mają uziarnienie nieciągłe (otwarte) Mieszanki o strukturze zamkniętej, dzięki małej zawartości wolnych przestrzeni, wykazują dobrą odporność na starzenie. Mieszanki o strukturze zamkniętej nadają się do wszystkich zastosowań w nawierzchniach asfaltowych. Są mniej odporne na ścieranie i mniej stabilne niż SMA. Główną cechą charakterystyczną SMA jest nieciągłość we frakcjach drobnych, wysoka zawartość grubego kru-
szywa i wysoka zawartość wypełniacza. Gruboziarnisty materiał tworzy szkielet kruszywa w mieszance. Zawartość lepiszcza w SMA jest nieco wyższa niż w mieszankach o strukturze zamkniętej, które z kolei zawierają więcej lepiszcza niż asfalty porowate. Niekiedy w SMA i asfalcie porowatym, dla umożliwienia stosowania wysokich zawartości lepiszcza, stosowane są włókna do jego absorpcji. Zawartość wolnych przestrzeni w betonie asfaltowym o strukturzezamkniętej i w SMA zwykle wynosi 3-5% (podbudowy asfaltowe: 5-7%), podczas gdy w asfalcie porowatym jest znacznie wyższa, gdyż wynosi około 15-20%. SMA dobrze zachowuje się w warstwach ścieralnych na drogach o ruchu ciężkim, dzięki dużej zawartości grysów, co zapewnia dobrą odporność na ścieranie, a także dobrą stabilność. Jak sugeruje nazwa, asfalt porowaty ma dobre zdolności do drenowania. Zmniejsza to ryzyko rozprysku wody i poślizgu wodnego (aquaplaning). Ma dobre własności odblaskowe w nocy i podczas deszczu. Hałas od opon jest również niższy niż na innych rodzajach warstw ścieralnych. Korzyści te maleją stosunkowo szybko, gdy pory w nawierzchni ulegają zatkaniu drobnymi cząstkami i brudem. Z uwagi na swoją budowę, asfalt porowaty jest bardziej wrażliwy na czynniki klimatyczne. Może to mieć negatywny wpływ na „odporność na działanie wody” oraz własności starzeniowe lepiszcza i może skrócić czas eksploatacji.
Zabiegi powierzchniowe
W zabiegach powierzchniowych lepiszcze i kruszywa rozkładane są oddzielnie. Przykładami zabiegów powierzchniowych są: powierzchniowe utrwalenie, makadam penetracyjny oraz slurry seal. Powierzchniowe utrwalenie Powierzchniowe utrwalenie zapobiega penetracji wody w głąb drogi. W utrwaleniach powierzchniowych istotna dla długotrwałej eksploatacji jest ilość użytego lepiszcza. Kruszywo powinno mieć jednorodne uziarnienie oraz powinno być płukane (pozbawione drobnych ziaren) dla zapewnienia dobrej adhezji. Makadam penetracyjny Makadam penetracyjny stosowany jest niekiedy jako warstwa podbudowy i warstwa ścieralna. Składa się z warstwy kruszywa, którą skrapia się lepiszczem. Jeżeli lepiszczem jest emulsja asfaltowa, to lepkość i własności dyspergujące (czas rozpadu) powinny być takie, aby lepiszcze nie penetrowało głębiej niż na 50% grubości warstwy. Slurry seal Slurry seal polega na skropieniu powierzchni lepiszczem, a następnie rozłożeniu na wierzchu piasku. Możliwe jest również wstępnie przygotowane slurry seal w postaci emulsji. Slurry seal stosowane jest do uszczelnienia spękań i wypełniania innych ubytków, tak by zapobiec penetracji wody w warstwie ścieralnej.
Beton asfaltowy
Asfalt porowaty
Mastyks grysowy SMA
Gorąca mieszanka asfaltowa
36
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Powierzchniowe utrwalenie
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Składniki mieszanek mineralnoasfaltowych Mieszanki mineralno-asfaltowe składają się zwykle z trzech składników: lepiszcza, kruszywa i wypełniacza. Niektóre mieszanki zawierają dodatki takie jak środki adhezyjne, polimery, włókna i produkty odpadowe
Lepiszcza
Asfalty upłynnione i emulsje Asfalty upłynnione i emulsje mogą być również zastosowane jako lepiszcza. Asfalt upłynniony jest mieszaniną asfaltu i rozpuszczalnika (na przykład nafty), podczas gdy emulsja jest mieszaniną asfaltu, emulgatora i wody. Oba lepiszcza polepszają płynne własności mieszanki w niskiej temperaturze.
Po odparowaniu rozpuszczalnika lub wody, asfalt zachowuje swoje pierwotne własności. Cechy lepiszcza w nawierzchni są głównie zdeterminowane przez cechy składnika bitumicznego. Zastosowanie asfaltów upłynnionych maleje (z uwagi na problemy środowiskowe), podczas gdy wzrasta zużycie emulsji. Najczęstsze zastosowania obejmują zabiegi powierzchniowe, mieszanki mineralno-asfaltowe na zimno, warstwy szczepne, slurry seal oraz makadamy penetracyjne. Specyfikacje i metody badań asfaltów W większości krajów asfalty drogowe klasyfikowane są według lepkości lub penetracji. Właściwości starzeniowe asfaltu są określone przez pomiar jednej lub kilku cech (np. penetracji) przed i po starzeniu w laboratorium, według określonych metod.
Moduł sztywności (MPa)
Asfalt Lepiszcze w mieszankach mineralnoasfaltowych określa się jako bitumiczne, to jest zawierające pewną formę asfaltu. Asfalt jest materiałem termoplastycznym co oznacza, że staje się bardziej miękki i płynny przy podgrzaniu i twardnieje przy oziębianiu. Proces jest odwracalny. Może być również opisany jako materiał lepkosprężysty co oznacza, że jego sztywność jest funkcją temperatury oraz czasu obciążenia. Na wykresie poniżej można zauważyć, że sztywność przy danym czasie obciążenia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Wykres pokazuje również, że przy danej temperaturze, sztywność zmniejsza się ze wzrostem czasu obciążenia. Podczas mieszania z kruszywem, asfalt powinien być wystarczająco lep-
ki, aby pokrył powierzchnię kruszywa. Tym niemniej nie może być zbyt płynny, gdyż spłynąłby z powierzchni kruszywa podczas składowania lub transportu. Lepkość powinna również umożliwić procesy rozkładania i zagęszczania. Lepiszcze powinno zapewnić stabilność, aby uniknąć nadmiernych odkształceń, ale musi być wystarczająco elastyczne, aby uniknąć ryzyka spękań. Adhezyjne cechy lepiszcza decydują o tym jak wiele ziaren kruszywa oderwie się z warstwy (łuszczenia).
mm x 10
Czas obciążenia (S)
Sztywność jako funkcja temperatury oraz czasu obciążenia dla asfaltu 100 Pen.
25°C
Specyfikacje i metody badań asfaltów – określenie penetracji
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
37
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Penetracja, dmm 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000
Lepkość, Pa*s 100000 10000 1000 100 50 20 10 5 2 1 0.5 0.2
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
0.1
Ta zmodyfikowana karta BTDC pokazuje maksymalne i minimalne temperatury otaczania i zagęszczania dla asfaltu o penetracji 100 oraz temperaturze mięknienia 50 °C.
Temperatura,°C
Karta BTDC (Bitumen Test Data Chart) Karta BTDC stosowana jest do określania zależności między temperaturą a lepkością asfaltu w szerokim zakresie temperatur. Jest bardzo przydatna, do zapewnienia odpowiedniej lepkości asfaltu dowolnego rodzaju. Karta BTDC składa się z poziomej osi temperatury i dwóch pionowych osi dla penetracji i lepkości. Oś temperatury jest liniowa, podczas gdy oś penetracji jest logarytmiczna. Oś penetracji zaprojektowano tak, aby dla asfaltów klasyfikowanych według penetracji i o normalnej wrażliwości temperaturowej lub indeksie penetracji, otrzymać zależność prostoliniową. Istnieją optymalne lepkości asfaltu dla procesów technologicznych, takich jak produkcja i zagęszczanie mieszanek mineralno-asfaltowych. Nadmierna lepkość asfaltu podczas produkcji w wytwórni powoduje, że kruszywo jest niedostatecznie otoczone i przeciwnie, jeżeli lepkość jest zbyt niska, asfalt łatwo otoczy kruszywo, lecz następnie spłynie z niego. Jeżeli lepkość jest zbyt niska podczas zagęszczania, to mieszanka będzie nadmiernie miękka i urabialna. Może to doprowadzić do przepychania lub poprzecznego przesuwania się mieszanki podczas zagęszczania. Wysoka lepkość powoduje znaczne ograniczenie urabialności mieszanki, co w konsekwencji czyni ją trudniejszą do zagęszczenia. Rodzaj funkcjonalny (Performance Grade; PG) W USA stosowana jest procedura Superpave do klasyfikacji materiałów asfaltowych. Lepiszcza asfaltowe klasyfikowane są w oparciu o specyfikacje cech funkcjonalnych. Temperatury eksploatacji nawierzchni, do której budowy asfalt będzie zastosowany, wyznaczają rodzaj asfaltu, którego należy użyć. Asfalty sklasyfikowane są według najwyższej i najniższej temperatury nawierzchni, w których asfalt musi zapewniać możliwość uniknięcia koleinowania jak i spękań niskotemperaturowych.; np. PG 64-22 (sześćdziesiąt cztery minus dwadzieścia dwa) zapobiega tworzeniu się kolein latem w gorący dzień, gdy temperatura wynosi +64 °C 20 mm poniżej powierzchni i przeciwdziała spękaniom niskotemperaturowym w zimie przy –22 °C na powierzchni.
38
Kruszywo
Kruszywo jest ogólnym terminem określającym wszystkie składniki mineralne mieszanki mineralno-asfaltowej. Zawiera grysy, żwiry, piasek, żużel i pyły. W mieszankach mineralno-asfaltowych, kruszywo stanowi około 85% ciężaru całej mieszanki. Jakość kruszywa zależy zarówno od jego pochodzenia jak i metody produkcji (materiał naturalny lub łamany). Cechy kruszywa, które w sposób bezpośredni lub pośredni wpływają na właściwości funkcjonalne warstwy ścieralnej to: uziarnienie, porowatość, kształt ziaren, trwałość, odporność na ścieranie, odporność na polerowanie oraz odporność na działanie warunków atmosferycznych. Wiele z tych cech jest wzajemnie od siebie zależnych. Cechy kruszywa Najważniejszymi cechami fizycznymi kruszyw są wytrzymałość i kształt. Jakość skały może być częściowo polepszona na etapie produkcji kruszywa. Ogólnie, każdy etap kruszenia może polepszyć mechaniczne własności kruszywa; np. kształt ziaren zwiększa odporność kruszywa na ścieranie, a także podnosi stabilność mieszanki w warstwie ścieralnej i tym samym zwiększa trwałość drogi. Uziarnienie Uziarnienie jest podstawową cechą kruszywa. Uziarnienie próbki oznaczane jest w badaniu analizy sitowej, w którym wysuszona próbka jest przesiewana przez szereg sit o różnych wymiarach oczek. Uziarnienie przedstawiane jest graficznie w formie wykresu krzywej uziarnienia. Uziarnienie decyduje
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
o rodzaju mieszanki. Zmiana uziarnienia dla danej mieszanki, spowoduje zmianę jej cech funkcjonalnych. Wypełniacz Wypełniacz stosowany jest do wypełnienia wolnych przestrzeni między grubymi ziarnami i do usztywnienia lepiszcza. Zatem przyczynia się do wzrostu stabilności mieszanki mineralno-asfaltowej. Wypełniacz (ziarna < 0,074 mm) może być pozyskany z układu odpylania wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych, lub specjalnie wyprodukowany przez kruszenie. Wypełniacze specjalne jak wapno hydratyzowane i cement, są niekiedy stosowane w celu zmniejszenia ryzyka odmywania lepiszcza. Dodatki W wielu krajach wzrost ruchu wytworzył potrzebę posiadania dróg wyższej jakości. Opracowanie nowszych i lepszych materiałów jest jednym ze sposobów rozwiązania problemu, dlatego też opracowano wiele dodatków do mieszanek mineralno-asfaltowych. Ogólnie, dodatki można sklasyfikować w dwóch grupach. Pierwsza zawiera produkty handlowe zaprojektowane z myślą o polepszeniu cech funkcjonalnych mieszanki. Są to polimery, środki adhezyjne, inhibitory starzenia, zmiękczacze, środki podnoszące stabilność (asfalt naturalny, katalizatory utleniania) oraz włókna do absorpcji asfaltu. Wiele polimerów, elastomerów i plastomerów, jest stosowanych do modyfikacji asfaltu dla polepszenia cech eksploatacyjnych oraz funkcjonalności nawierzchni. Mogą być one stosowane dla zwiększenia stabilności w wysokich temperaturach oraz do polepszenia odporności na spękania niskotemperaturowe. Druga grupa zawiera różnego rodzaju materiały odpadowe lub pochodzące z recyklingu, jak np. granulowana guma, popioły lotne i siarka.
MIESZANKI WRAŻLIWE
MIESZANKI OSTRE (trudnozagęszczalne)
Tendencja mieszanki do wrażliwości prowadzi do niestabilnych warstw
Tendencja mieszanki do „ostrości” prowadzi do stabilnych warstw
Kruszywo naturalne
Kruszywo łamane
Niska zawartość kruszywa grubego
Duża zawartość kruszywa grubego
Mały wymiar maksymalny kruszywa grubego
Duży wymiar maksymalny kruszywa grubego
Mała zawartość wypełniacza
Duża zawartość wypełniacza
Mieszanki wrażliwe często zawierają naturalne (okrągłe) kruszywo, przy małej zawartości wypełniacza i niskiej lepkości asfaltu. Są miękkie i wymagają starannego zagęszczania, aby uniknąć przemieszczeń poziomych i spękań powierzchniowych. Mają tendencję do tworzenia niestabilnych warstw.
Mieszanki ostre są wynikiem zastosowania kruszywa łamanego zawierającego dużą ilość grubego materiału, oraz wystarczającej ilości wypełniacza zmieszanego z asfaltem o dużej lepkości. Opór podczas zagęszczania jest duży i dla osiągnięcia wymaganej gęstości wymagają one użycia dużej energii zagęszczania. Mają tendencję do tworzenia stabilnych warstw.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
39
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Gyratorowe zagęszczanie próbki mieszanki mineralno-asfaltowej
Zagęszczanie próbki mieszanki mineralnoasfaltowej w metodzie Marshalla
Projektowanie składu mieszanki Odpowiednie projektowanie mieszanki mineralno-asfaltowej ma zasadniczy wpływ na trwałość drogi.
Projektowanie obejmuje dobór materiału (lepiszcze, kruszywo, wypełniacz oraz dodatki) o własnościach zapewniających osiągnięcie zamierzonych wyników oraz zmieszanie składników we właściwych proporcjach. Uwzględnione również muszą być czynniki zewnętrzne takie jak intensywność i wielkość ruchu oraz warunki klimatyczne. Zakres temperatur eksploatacji decyduje o doborze rodzaju asfaltu. Rodzaj kruszyw i lepiszcza musi być powiązany z obciążeniami od ruchu pojazdów – im większa intensywność ruchu, tym wyższe stawiane wymaga-
40
nia. Rodzaj i wielkość ruchu ma silny związek z wyborem kruszyw i lepiszcza, a także projektem mieszanki. Powinno być również uwzględnione: obciążenie, układ osi i ciśnienie w oponach. Po dokonaniu wyboru składników, należy dobrać kruszywo w takich proporcjach, aby uzyskać wymagane uziarnienie. Następnie, dobrana mieszanka kruszywa jest mieszana z różnymi ilościami wybranego lepiszcza; ilość lepiszcza musi się mieścić w granicach specyfikacji. Jedna z próbek powinna zawierać ilość lepiszcza zalecaną przez specyfi-
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
kację techniczną administracji drogowej. Zawartość lepiszcza w pozostałych próbkach powinna być dobrana w odpowiednich odstępach powyżej i poniżej tej nominalnej wartości. Następnie mieszanki są zagęszczane przy pomocy prasy gyratorowej lub ubijaka Marshalla. Na zagęszczonych próbkach oznacza się zawartość wolnych przestrzeni, ich stabilność itp. Na podstawie otrzymanych wyników wybiera się mieszankę o optymalnym składzie.
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Beton asfaltowy
Mastyks grysowy (SMA)
Własności mieszanek mineralnoasfaltowych
Proporcje składników dla dwóch różnych mieszanek mineralno-asfaltowych o maksymalnym wymiarze ziarna równym 16 mm. Po lewej beton asfaltowy o strukturze zamkniętej, ciągłym uziarnieniu, a po prawej mastyks grysowy (SMA). Zwraca uwagę wysoka zawartość grubego kruszywa w SMA.
Wewnętrzne tarcie
Adhezja
Mieszanki mineralno-asfaltowe i grunty mają wiele podobnych cech. Tym niemniej, podstawowa różnica między nimi polega na własnościach adhezyjnych lepiszcza stosowanego do związania ziaren w mieszance mineralno-asfaltowej. Mieszanki mineralno-asfaltowe cechuje wielka różnorodność składu i własności. Ich własności i zagęszczalność w głównej mierze są funkcją następujących czynników: • tarcie wewnętrzne • adhezja • opór lepkościowy zależny od temperatury
Tarcie wewnętrzne Tarcie wewnętrzne związane jest głównie z cechami kruszywa i jest częściej obecne w mieszankach o uziarnieniu
ciągłym, niż w mieszankach o uziarnieniu nieciągłym. Mieszanka zawierająca naturalne, okrągłe kruszywa, którego ziarna mogą się stosunkowo łatwo wzajemnie przemieszczać względem siebie podczas zagęszczania, posiada niższe tarcie wewnętrzne od mieszanki zawierającej kubiczne kruszywo łamane. W konsekwencji mieszanka z kruszywem łamanym wymaga większej energii zagęszczającej, ale tworzy warstwę asfaltową o wyższej wytrzymałości i stabilności. Innymi czynnikami, które powodują wzrost stabilności mieszanki są: wysoka zawartość kruszywa grubego
i duża wartość wymiaru maksymalnego kruszywa. Adhezja Adhezja to cecha powodująca, że lepiszcze przylega do kruszywa. Opór lepkościowy Opór lepkościowy jest funkcją lepkości asfaltu i aktualnej temperatury mieszanki mineralno-asfaltowej. Opór lepkościowy przeciwstawia się zmianie położenia ziaren pod wpływem zagęszczania – im niższa temperatura, tym opór większy.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
41
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Wytwarzanie i transport Mieszanie Mieszanki mineralno-asfaltowe są wytwarzane w wytwórniach mieszanek bitumicznych (WMB) o ruchu ciągłym lub o ruchu cyklicznym. Wytwórnia może być przewoźna lub stacjonarna. Wydajności wytwórni cyklicznych wahają się przeważnie od 100 do 300 ton na godzinę, podczas gdy wytwórnie o ruchu ciągłym stosowane są do produkcji większych ilości tych samych mieszanek; ich wydajność waha się od 50 do 600 ton na godzinę. Składniki mieszanki mineralno-asfaltowej w sposób oczywisty wpływają na jej ostateczną jakość. Ponieważ kruszywo stanowi ponad 90% mieszanki, jej jakość w dużym stopniu zależy od jakości kruszywa, co z kolei jest
42
funkcją procesu kruszenia. Ważny jest również właściwy sposób przechowywania kruszywa tak, aby nie dopuścić do pogorszenia uziarnienia i zawilgocenia. Podstawą dobrej mieszanki jest suche, dobrze uziarnione kruszywo. W nowoczesnych wytwórniach praca automatycznych sterowników procesu powoduje, w znacznym stopniu, że kruszywo jest dozowane w proporcjach zgodnych z zaprogramowaną receptą. Kruszywo jest wysuszone i podgrzane w bębnie suszarki. W procesie produkcyjnym, do kruszywa dodawane są: asfalt i wypełniacz. W zależności od pożądanych cech mieszanki mogą być stosowane różne wypełniacze. Aminy dodaje się aby polepszyć cechy adhezyjne, włókna by można było stosować większe
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
ilości asfaltu, a polimery aby polepszyć cechy asfaltu. Mogą być również dodawane barwniki, jak np. czerwień do nawierzchni kortów tenisowych. Składniki są mieszane według założonej kolejności tak, aby osiągnąć jednorodną mieszankę mineralno-asfaltową. Czas mieszania będzie się zmieniał w zależności od rodzaju mieszanki i typu mieszalnika. Dla ostatecznej jakości ważne jest, aby czas ten nie był ani zbyt krótki, ani zbyt długi. Wyprodukowana mieszanka jest transportowana do izolowanego i/lub podgrzewanego zasobnika aby zmniejszyć efekt stygnięcia. Powinny być również podjęte kroki zabezpieczające mieszankę przed utlenianiem oraz segregacją.
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Użycie podajnika samobieżnego zwiększa wydajność. Rozkładarka nie kontaktuje się z ciężarówką podczas wyładunku. W wyniku można oczekiwać poprawy równości homogeniczności temperaturowej mieszanki. Stała prędkość i jakość rozkładanego materiału ma również wpływ na efekt rozkładania.
Transport Zanim mieszanka zostanie wbudowana w nawierzchnię, przechodzi trzy stadia transportu od wytwórni do miejsca wbudowania: załadunek przy wytwórni, transport na budowę, wyładunek do kosza rozkładarki. Transport powinien być dobrze zaplanowany i prawidłowo prowadzony aby uniknąć przerw w dostawach. Podczas załadunku ważne jest zmniejszenie ryzyka wystąpienia segregacji. Załadunek powinien być szybki, a mieszanka powinna być możliwie równo rozłożona na całej powierzchni skrzyni samochodu. Ostry stożek spowoduje, że mieszanka zacznie się segregować. Transport do miejsca wbudowania musi być dobrze zaplanowany. Jakość rozkładanej warstwy pogorszy się, jeżeli rozkładarka będzie musiała zatrzymywać się oczekując na samochód z mieszanką. Może to prowadzić do powstawania nierówności oraz zmniejszenia zagęszczenia warstwy, co w sumie może skrócić jej żywotność. Z drugiej strony należy unikać sytuacji, w której konwój samochodów z mieszanką oczekuje na rozładunek na budowie. Podczas wyczekiwania, mieszanka może ostygnąć, co może prowadzić do niedostatecznego zagęszczenia lub nawet konieczności odrzucenia mieszanki. Rozładowywanie mieszanki
wymaga umiejętności, aby uniknąć segregacji i zatrzymań. Proporcje składników dla dwóch różnych mieszanek mineralno-asfaltowych o maksymalnym wymiarze ziarna równym 16 mm. Po lewej beton asfaltowy o strukturze zamkniętej, ciągłym uziarnieniu, a po prawej mastyks grysowy (SMA). Zwraca uwagę wysoka zawartość grubego kruszywa w SMA. Duża ilość mieszanki mineralno-asfaltowej stygnie znacznie wolniej niż jej małe ilości. Po załadowaniu do ciężarówki wyposażonej w izolowaną skrzynię ładunkową i przykryciu plandeką, szanse na dostarczenie jej we właściwej temperaturze znacznie wzrastają. Zaokrąglony kształt skrzyni załadunkowej zapobiega wychładzaniu mieszanki w narożnikach. Znanych jest wiele wzorów matematycznych do obliczenia kosztu transportu mieszanki mineralno-asfaltowej. Nadrzędnym celem tych obliczeń musi być zapewnienie ekonomicznie efektywnego transportu przy utrzymaniu jakości mieszanki mineralno-asfaltowej.
cą nawierzchnię asfaltową. Wykonanie warstwy szczepnej jest ważnym etapem w wykonywaniu warstw asfaltowych, często wymaganym w specyfikacjach drogowych. Prawidłowo wykonana warstwa szczepna zapobiega łuszczeniu się i fałdowaniu warstwy wyżej leżącej pod wpływem ruchu. Również ważne jest dla nośności konstrukcji nawierzchni, aby warstwy asfaltowe były dobrze połączone. Zwiększona adhezja zapewniona przez warstwę szczepną oznacza również, że podczas wałowania warstwy mniejsza będzie tendencja do przemieszczania się mieszanki, czy tworzenia się rys.
Warstwa szczepna Warstwa szczepna, to zastosowanie emulsji asfaltowej lub asfaltu upłynnionego do „sklejenia” lub związania razem dwóch warstw asfaltowych; np., gdy dodawana jest nowa warstwa ścieralna na istnieją-
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
43
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Rozkładarki Zadaniem rozkładarki mieszanki mineralno-asfaltowej jest zapewnienie równej powierzchni warstwy i jednorodnego zagęszczenia wstępnego dla nadania mieszance wystarczającej stabilności tak, aby walce mogły rozpocząć proces zagęszczania. Również musi być zapewniona jednorodna tekstura.
Osiągi rozkładarki są najważniejszym czynnikiem, gdy chcemy dotrzymać powyższych wymagań. Wszystkie nowoczesne rozkładarki składają się z dwóch głównych części: ciągnika i rozkładającej, pływającej deski. Ciągnik Ciągnik porusza się na ogumionych kołach lub na gąsienicach. Rozkładarki na kołach są łatwe do transportu. Wysoka prędkość transportowa pozwala im na szybkie przemieszczanie się w obrębie budowy, a także na łatwe poruszanie się na drogach publicznych między różnymi budowami. Dzięki dobrym cechom trakcyjnym, ciągniki gąsienicowe są przydatne do pracy na niezwiązanych powierzchniach i przy układaniu podbudów stabilizowanych mechanicznie, czy cementem. Wymagane jest również stosowanie ciągników gąsienicowych przy układaniu dużymi szerokościami oraz na stromych pochyleniach.
44
Przepływ materiału Mieszanka mineralno-asfaltowa rozładowywana jest do kosza rozkładarki, która popycha tylne koła samochodu. Z kosza mieszanka transportowana jest podwójnym lub pojedynczym przenośnikiem zgrzebłowym, a następnie na przenośnik ślimakowy, który rozprowadza mieszankę poprzecznie, na całą szerokość roboczą deski. Wysokość zamontowania przenośnika ślimakowego można regulować, dopasowując ją do grubości warstwy. Przepływ materiału jest regulowany prędkością przenośnika zgrzebłowego i przenośnika ślimakowego.
Prędkość przenośnika jest automatycznie powiązana z prędkością poruszania się rozkładarki i wysokością „wałka” materiału tworzącego się przed deską. Wysokość tego „wałka” powinna być utrzymywana, jak to tylko możliwe, na stałym poziomie.
1 2
3 4
Płynny przepływ materiału przez rozkładarkę – z kosza (1), przez przenośniki zgrzebłowe (2), na przenośnik ślimakowy i pod deskę (4) – ma decydujący wpływ na dobre efekty rozkładania.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Deska rozkładająca Deska wyrównuje i wstępnie zagęszcza mieszankę mineralnoasfaltową do wymaganej grubości, spadku podłużnego i poprzecznego oraz przekroju daszkowego. Samopoziomująca się, pływająca deska przymocowana jest do ciągnika za pomocą dwóch ramion w dwóch punktach holowania, znajdujących się po obu stronach ciągnika, blisko jego osi. Dzięki temu jakiekolwiek pionowe ruchy spowodowane nierównościami powierzchni ograniczone są do minimum. Pozwala to desce na ułożenie równej warstwy, nawet, jeśli podłoże jest nieco nieregularne. W miarę jak układana jest każda następna warstwa, nierówności stają się coraz mniej widoczne. Punkty holowania deski na ciągniku ustawione są tak, aby otrzymać wymaganą grubość warstwy. Ich pozycja może być w sposób ciągły nieznacznie korygowana przez system elektroniczny. Czujnik spadku podłużnego automatycznie utrzymuje wysokość w nawiązaniu do powierzchniowego punktu odniesienia, jakim może być „łyżwa” lub linka, podczas gdy czujnik spadku poprzecznego utrzymuje poprzeczne nachylenie deski. Kąt natarcia Kąt między spodnią płytą deski, a układaną powierzchnią, nazywany jest „kątem natarcia”. Jest on różny dla poszczególnych desek, w zależności od ich ciężaru, powierzchni styku dolnej płyty oraz kształtu przedniej części deski. Na kąt natarcia ma również wpływ grubość rozkładanej warstwy i rodzaj materiału. Pożądana równość warstwy jest osiągnięta, gdy wszystkie siły działające na deskę znajdują się w stanie równowagi. Tylko wtedy deska ustawi się w jej prawidłowym kącie natarcia rozkładając równą warstwę o stałej grubości.
Kąt natarcia może być zwiększony lub zmniejszony przez podniesienie lub obniżenie poziomu punktów holowania na ciągniku. Jakikolwiek ruch punktów holowania zakłóca równowagę i powoduje podniesienie się lub opadnięcie deski. Gdy deska znajdzie się w nowym położeniu, kąt natarcia odtwarza się i siły powracają do stanu równowagi.
1 Punkt holowania z regulacją wysokości. 2 Siła holująca, powodująca ruch postępowy deski. 3 Opór od wałka materiału i tarcie pomiędzy płytami spodnimi i rozkładanym materiałem. 4 Masa deski oddziaływująca na materiał. 5 Siła podnosząca generowana przez kąt natarcia i ruch postępowy deski. 6 Kąt natarcia powodujący powstawanie siły podnoszącej i zagęszczenie wstępne rozkładanego materiału.
1 2
4 3
6 5
Kąt między dolną płytą deski i układaną warstwą nazywany jest katem natarcia. Każda zmiana wysokości punktów holowania deski na ciągniku powoduje odpowiednie dopasowanie się kąta natarcia. Pożądana równość jest osiągnięta, gdy wszystkie siły działające na deskę znajdują się w stanie równowagi.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
45
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Ogrzewanie dolnych płyt deski Deski są ogrzewane palnikami na paliwo płynne lub gazowymi albo też elektrycznie; co ma na celu zapobieganie podrywania gorącej mieszanki przez płyty i pozostawianiu śladów na powierzchni rozkładanej warstwy. Stała lub zmienna szerokość rozkładania Najbardziej popularnym typem jest deska teleskopowa, która ma hydraulicznie zmienianą szerokość roboczą. Deska teleskopowa pozwala operatorowi na zmianę szerokości rozkładania w dowolnym momencie. Funkcja ta jest szczególnie wygodna w terenie zabudowanym lub w innych miejscach, gdzie wymagane są zmiany szerokości rozkładania. Deski o stałej szerokości są bardziej ekonomiczne i odpowiednie w zastosowaniach, w których rozkładanie przebiega na stałych szerokościach przez długi czas. Zmiana szerokości deski stałej wymaga paru godzin pracy mechaników. Systemy zagęszczania w desce Głównym parametrem decydującym o zdolności deski do zagęszczenia wstępnego jest jej ciężar. Przy cięższej desce uzyskamy lepsze zagęszczenie niż przy desce lżejszej. Często wstępne zagęszczenie jest wspomagane zamocowanymi do deski systemami ubijaków i wibratorów. Polepszają one również przepływ materiału pod deską. O wyborze deski z ubijakami i/lub wibratorami decyduje rodzaj zastosowania, rodzaj mieszanki, maksymalny wymiar ziarna, grubość warstwy, a także lokalne preferencje i specyfikacje.
Ubijaki Mechanizm ubijania wykorzystuje pionowy ruch o dużej amplitudzie i stosunkowo niskiej częstotliwości. Głównym zadaniem ubijaków jest ułatwienie przepływu materiału pod płytą deski. Za ubijakami znajduje się statyczna lub wibracyjna płyta. Szerokość ubijaków i częstotliwość ubijania ogranicza maksymalną prędkość rozkładania. Zbyt mała częstotliwość ubijaków w stosunku do prędkości rozkładania może powodować powstawanie śladów na powierzchni rozkładanej warstwy i zbyt niskie zagęszczenia wstępne. Wibracja Deska wyposażona jest w zespół wibracyjny. Oprócz efektu dodatkowego zagęszczenia, wibracja zmniejsza tarcie między płytą deski a mieszanką mineralno-asfaltową, pozwalając desce łatwiej płynąć nad materiałem. Wibracja powoduje również wypływanie części asfaltu na powierzchnię, co dostarcza dodatkowego „smarowania” i polepsza teksturę powierzchni. Deski wibracyjne z ubijakami Deska zarówno z ubijakami jak i z wibracją jest bardzo wszechstronna. Układy te mogą być stosowane razem lub oddzielnie. Ciężar dwóch układów zwiększa również całkowity ciężar deski, co z kolei powoduje lepsze zagęszczenie wstępne.
Dobór deski i ciągnika
Dobór rozkładarki rozpoczyna się od deski. Musi ona zapewnić wymaganą szerokość rozkładania. Dobór deski zależy również od rodzaju mieszanki mineralno-asfaltowej i grubości warstwy. Dobór ciągnika zależy od typu wybranej deski. Ciągnik musi być wystarczająco mocny, aby mógł ciągnąć i podtrzymywać deskę przy wybranej szerokości. Musi również zapewnić możliwość rozkładania z założoną wydajnością wyrażoną w metrach kwadratowych, czy w tonach podawanej mieszanki na godzinę. W zależności od typu podłoża, szerokości rozkładania i przyszłych zadań dobiera się ciągnik na kołach lub na gąsienicach. Nawet jeżeli niżej leżąca powierzchnia jest trochę nierówna, nowoczesne elektroniczne systemy niwelacji zapewnią automatyczną korektę grubości warstwy tak, aby osiągnąć prawidłowy spadek poprzeczny i podłużny oraz aby zachować poziome rozkładanie. Użycie systemów niwelacji nie zwalnia wykonawcy od obowiązku właściwego przygotowania warstwy niższej: im jest równiejsza, tym łatwiej będzie osiągnąć równość nowo rozkładanej warstwy.
Deski o dużej energii zagęszczania Do specjalnych zastosowań, jak układanie warstw stabilizowanych cementem
Stała lub zmienna szerokość rozkładania
46
i podbudów, opracowano specjalne deski o podwyższonym stopniu zagęszczenia. Deski te są bardzo ciężkie i są wyposażone w dodatkowy ubijak w tylnej części deski.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
1
2
3
Ubijak
Płyta deski
Dodatkowy ubijak
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Operacje rozkładania Jakiekolwiek zatrzymania w rozkładaniu prowadzą do niższej jakości nawierzchni i krótszego okresu jej eksploatacji. Powinna być utrzymywana stała prędkość rozkładarki, skorelowana z dostępną ilością mieszanki, wynikającą z wydajności wytwórni mas bitumicznych i ilości samochodów do transportu. Dla osiągnięcia zamierzonych celów, należy rozważyć szereg punktów. Po pierwsze, powinna być ustawiona wymagana szerokość rozkładania i deska musi być podgrzana, aby zapobiec przyklejaniu się mieszanki do dolnej płyty. Należy ustawić punkty holowania deski odpowiednie dla grubości rozkładanej warstwy. W razie potrzeby, deska powinna być załamana dla uzyskania daszkowego profilu. Wysokość ustawienia przenośnika ślimakowego jest również ważna dla uzyskania dobrej jakości rozkładania. Jeżeli przenośnik zamocowany jest zbyt nisko, to będzie kolidował z przepływem materiału pod deską, co może spowodować otwartą teksturę i poszarpaną powierzchnię warstwy. Jeżeli zamocowany jest zbyt wysoko, to mieszanka może nie docierać do skrajnych części deski. W idealnym ustawieniu, odległość między powierzchnią rozkładanej warstwy i dolną krawędzią piór ślimaka powinna być pięć razy większa od maksymalnego wymiaru ziarna. Jest wiele czynników, które powinny być kontrolowane podczas operacji rozkładania.
Staranne zaplanowanie produkcji i transportu mieszanki ma decydujące znaczenie dla utrzymania ciągłości rozkładania.
Należą do nich: • Wałek mieszanki przed czołem deski • Prędkość rozkładania • Aktualna grubość warstwy • Równość powierzchni • Szerokość rozkładania • Złącza • Temperatura rozkładania • Segregacja mieszanki
Wałek mieszanki Podczas całej operacji rozkładania powinien być utrzymywany stały wałek mieszanki (ilość materiału rozłożonego przed czołem deski). Ma to decydujący wpływ na pionowe położenie deski. Jak wyjaśniono wcześniej, niwelujące działanie deski wynika ze stanu równowagi wszystkich sił na nią działających. Jakakolwiek zmiana wśród tych sił spowoduje, odpowiednie podniesienie się lub obniżenie deski. Jeżeli wałek materiału jest zbyt wysoki,
wzrasta opór ruchu do przodu i, usiłując ten opór pokonać, deska zaczyna się podnosić. Pojawia się uskok w ułożonej warstwie, lub wzrasta jej grubość. Zwiększona ilość materiału powoduje również nadmierne zużycie piór ślimaka. Jeżeli z drugiej strony, wałek materiału jest zbyt niski, deska osiada, ponieważ brakuje materiału dla jej podparcia. Automatyczny system nadzorujący i sterujący przepływem materiału przez rozkładarkę oraz wysokością ustawienia deski, może znacznie zmniejszyć te negatywne zjawiska.
W jaki sposób wałek materiału wpływa na wysokość położenia deski
Wałek materiału zbyt wysoki. Deska podnosi się.
Wałek materiału zbyt niski. Deska opada.
Właściwa wysokość wałka materiału. Całkowita suma sił działających na deskę jest w równowadze i deska jest zdolna do utrzymania się na pożądanej wysokości.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
47
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Prędkość rozkładania Prędkość rozkładarki powinna być utrzymywana jak to tylko możliwe na stałym poziomie. Zmiany prędkości prowadzą do rozkładania nierównej warstwy. Zalecane jest wyposażenie rozkładarki w automatyczny system utrzymywania założonej prędkości w warunkach zmiennego obciążenia. Również postoje są problemem. Mogą one powodować nie tylko pogorszenie wyglądu powierzchni, ale również segregację temperaturową. Za każdym razem, gdy rozkładarka zatrzymuje się, deska ma tendencję do „topienia” się w warstwie. Schładzają się odcinki warstwy przed deską i bezpośrednio za rozkładarką, które nie są dostępne dla walców. Tymczasem mieszanka pod deską pozostaje gorąca. Gdy rozkładarka znowu ruszy, deska nieznacznie podniesie się, aby przejść nad paskiem chłodniejszego materiału z przodu, pozostawiając za sobą uskok w warstwie. Jeżeli rozkładarka jest zmuszona do zatrzymania się, to deskę można unieruchomić za pomocą specjalnego systemu odciążenia deski, który wyłącza hydrauliczne siłowniki podnoszenia. Zapobiega to „topieniu” się deski w warstwie i zmniejsza problemy związane z zatrzymywaniem rozkładarki.
48
Normalne prędkości rozkładania wahają się od 4 do 20 m/min., w zależności od rodzaju mieszanki i parametrów rozkładarki. Po to by deska pływała na rozkładanej warstwie, należy utrzymywać pewną minimalną prędkość. Deska osiądzie, jeżeli prędkość spadnie poniżej wartości minimalnej. Grubość warstwy będzie wtedy zbyt cienka. Gdy stosowane są ciężkie deski zagęszczające dla osiągnięcia bardzo wysokich gęstości, prędkość powinna być utrzymywana w granicach 2-4 m/min. Grubość i równość warstwy Dla osiągnięcia wyspecyfikowanej równości, zwykle wyrażanej jako maksymalne dopuszczalne odchylenie w wysokości na odcinku o pewnej długości, grubość warstwy może się zmieniać, aby skompensować nierówności podłoża. Tam gdzie niezbędne, należy stosować elektroniczne sterowanie wysokości i spadku, które automatycznie dopasowuje grubość warstwy tak, aby utrzymać wymagany poziom powierzchni. Jeżeli rozkładarka sterowana jest ręcznie, obsługa musi unikać zbyt częstych korekt wysokości położenia deski.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Powierzchnia asfaltowa wysokiej jakości
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Boczny zakład (2-3 cm) rozłożony rozkładarką.
kładarki powinna być umieszczona na poprzednio ułożonej warstwie, bezpośrednio przed złączem. Ponieważ siły działające na deskę muszą być w równowadze, rozkładarka zaczynając pracę, może ruszyć do przodu tylko wtedy, gdy dostarczono jest tyle mieszanki, aby przenośnik ślimakowy był przykryty. Aby zapewnić dobre wiązanie wzdłuż spoiny, na istniejącą krawędź boczną, stosuje się warstwę szczepną.
Złącza (spoiny) Metody rozkładania i zagęszczania na podłużnych i poprzecznych złączach są ważne dla ostatecznej jakości i wyglądu warstwy asfaltowej. Przy rozkładaniu mieszanki obok istniejącego pasa, wysokość deski ponad powierzchnię musi być dobrana starannie tak, aby zagęszczanie walcami odbyło się prawidłowo, to jest nie zagęszczona warstwa powinna być o 15-20% grubsza. Bardzo korzystne dla dopasowania złącza jest automatyczne sterowanie wysokością w oparciu istniejący sąsiedni pas. Boczny zakład na złączu powinien wynosić 2-3 cm. Rozkładanie powinno być precyzyjne, aby ograniczyć ręczne grabienie przy złączu. Aby uzyskać gładkie złącze poprzeczne, deska roz-
Rodzaj mieszanki a temperatura rozkładania Sztywne mieszanki wymagają ciężkich desek, podczas gdy mieszanki niestabilne odpowiednio lżejszych. Mieszanki sztywne mają tendencję do podnoszenia deski ponad wymaganą wysokość, podczas gdy wrażliwe mieszanki często nie mają wystarczającej wytrzymałości do odpowiedniego podtrzymania ciężaru deski. Ciężar deski na wrażliwych mieszankach może być zmniejszony za pomocą systemu jej odciążania, który przenosi część ciężaru deski na ciągnik. Pozwala to nie tylko na stosowanie ciężkich desek na wrażliwych mieszankach, ale również polepsza własności trakcyjne ciągnika i pomaga uzyskać równą powierzchnię oraz jednorodne zagęszczenie.
Segregacja mieszanki może występować w poprzek warstwy, wzdłuż krawędzi i w osi. Jest jedną z najczęstszych przyczyn uszkodzenia warstw asfaltowych.
Innym czynnikiem, który wpływa na wynik operacji rozkładania, jest temperatura rozkładanej mieszanki mineralno-asfaltowej. Zmiany temperatury mieszanki powodują zmiany w równości warstwy i wpływają na zagęszczenie za deską. Mieszanka stygnąc, stawia większy opór zagęszczaniu. Ciągnik musi zapewnić większą siłę pociągową, aby pokonać ten opór. Stąd rozkładanie mieszanek na zimno wymaga rozkładarek posiadających dobrą siłę pociągową i wyposażonych w relatywnie ciężkie deski. Ponadto, powierzchnia warstwy może ulegać rozciąganiu ze względu na wzrastający, wraz ze spadkiem temperatury, opór lepkościowy. Segregacja mieszanki Segregacja mieszanki mineralno-asfaltowej w głównej mierze wynika z segregacji kruszywa w mieszance. Jest to najczęstsza przyczyna uszkodzeń nawierzchni asfaltowych. Segregacja może pojawić się wcześnie, na etapie załadunku samochodu na wytwórni, zwłaszcza wtedy, gdy mieszanka ładowana jest zbyt wolno. Zawsze trudno jest uniknąć pewnego gromadzenia się grubego kruszywa wzdłuż boków skrzyni samochodu. Gdy mieszanka uległa już raz segregacji może pozostać rozsegregowania po przejściu przez rozkładarkę lub, co najgorsze, doprowadzić do niejednorodnej powierzchni warstwy. Segregacja wzdłuż krawędzi rozkładanego pasa może być spowodowana segregacją grubego kruszywa wzdłuż boków skrzyni samochodu, a także nieprawidłowym rozłożeniem mieszanki przed deską. Na przykład, jeżeli poziom materiału jest zbyt wysoki, materiał będzie opadał w kierunku zewnętrznych krawędzi, gdzie może segregować się grube kruszywo. Innym ważnym czynnikiem w tym zagadnieniu jest wysokość ustawienia przenośnika ślimakowego. Pojawienie się rozsegregowanego pasma pośrodku rozkładanego pasa jest spowodowane przez mechanizm napędu przenośnika ślimakowego, znajdujący się w środku przenośnika. Przeniesienie napędu na zewnętrzne krawędzie ślimaków może wyeliminować to zjawisko. Poprzeczne strefy segregacji z reguły wynikają z rozdzielania się materiału na przedzie i z tyłu skrzyni samochodu lub są przyczyną nieprawidłowego załadunku.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
49
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Zagęszczanie mieszanek mineralno-asfaltowych Obecnie stosuje się wiele rodzajów walców do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych. Zaliczają się do nich: walce wibracyjne, statyczne i ogumione. Wybór maszyny zależy od rodzaju i wielkości robót, a często także od lokalnych preferencji. Skuteczność zagęszczania przez stalowy walec statyczny zależy przede wszystkim od jego ciężaru, lecz także od średnicy bębna. Skuteczność zagęszczania przez walce ogumione jest związana z ich ciężarem i ciśnieniem w oponach. Walce ogumione są często stosowane w połączeniu z gładkimi walcami statycznymi lub walcami wibracyjnymi do wałowania wygładzającego, dla usunięcia śladów po bębnach oraz dla zamknięcia powierzchni. Korzyści z tych walców odnoszą się bardziej do wałowania wygładzającego niż do zagęszczania. W walcach wibracyjnych ma miejsce połączenie działania statycznego ciężaru bębna z siłami dynamicznymi. Wibracja poważnie obniża tarcie wewnętrzne mieszanki i polepsza skuteczność zagęszczania, nawet wtedy gdy stosowana jest razem ze stosunkowo niskimi naciskami liniowymi.
50
Wibracyjny walec do zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej, zawsze ma większą wydajność (wyrażoną w tonach mieszanki ułożonej w ciągu godziny), niż walec statyczny o tym samym ciężarze. Różnica ta jest jeszcze bardziej widoczna na trudno zagęszczalnych mieszankach.
Statyczne walce trójkołowe p Nowoczesne walce trójkołowe mają trzy duże napędzane bębny oraz przegubowe sterowanie kierunkiem jazdy, w przeciwieństwie do tradycyjnych modeli, które mają dwa stalowe bębny napędowe i mniejszy bęben sterujący. Można zmieniać wielkość energii zagęszczającej przez balastowanie wodą. Zakres ciężaru: 8-15 ton.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Wibracyjne walce tandemowe p Z reguły z wibracją i napędem na oba bębny. Przegubowe lub sztywnoramowe ze skrętnymi bębnami. Zakres ciężaru: 1-18 ton.
Walce kombinowane (Kombi) p
Walce ogumione p Z reguły posiadają 7-11 kół ogumionych. Wielkość energii zagęszczającej można zmieniać przez balastowanie, z reguły wodą lub piaskiem, a także przez zmianę ciśnienia w oponach. Zakres ciężaru: 10-35 ton.
Jeden bęben wibracyjny i jedna oś z trzema lub czterema kołami ogumionymi. Sztywna rama lub przegubowe sterowanie kierunkiem jazdy. Zakres ciężaru: 2-15 ton.
Walce jednobębnowe do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych Jeden wibracyjny bęben i koła z gładkimi oponami na tylnej osi. Przegubowa rama. Ciężar: 10 ton.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
51
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Zasady wałowania Wałowanie mieszanek mineralno-asfaltowych można podzielić na trzy etapy: zawałowanie wstępne, zagęszczanie główne i wygładzanie
Zagęszczalność gorącej mieszanki mineralno-asfaltowej zależy od jej temperatury. Normalna temperatura rozkładania wynosi od 130 do 160 °C. W tym zakresie temperatur mieszanka jest miękka i plastyczna. W miarę spadku temperatury, rośnie lepkość asfaltu i wzrasta opór zagęszczania. Ogólnie, wałowanie zagęszczające powinno się rozpocząć tak szybko, jak tylko możliwe po rozłożeniu. Przy użyciu walca wibracyjnego, zagęszczanie może się rozpocząć z przejściami na wibracji. Na wrażliwych i niestabilnych mieszankach, bardziej odpowiednie może być rozpoczęcie dwoma statycznymi przejściami przy niskiej prędkości wałowania, 1-2 km/godz. Walec powinien się poruszać możliwie najbliżej rozkładarki tak, aby zagęszczanie mogło się odbywać powyżej minimalnej temperatury zagęszczania, zapewniając osiągnięcie wymaganego wskaźnika zagęszczenia. Tym niemniej, jeżeli walec powtarza przejścia po tym samym śladzie w krótkich odstępach czasu, gdy temperatura mieszanki jest wysoka, powierzchnia może pękać i może wystąpić spadek gęstości.
52
Głównym zadaniem wałowania wygładzającego (które jest skuteczne do tak niskiej temperatury jak 60 °C) jest usunięcie śladów po walcach i innych wad powierzchniowych. Poprawia ono również teksturę powierzchni. Wałowanie wygładzające może również podnieść gęstość, zwłaszcza, jeżeli warstwa jest nadal gorąca. W wielu krajach stosuje się walce ogumione do zamknięcia powierzchni, mimo, że ruch samochodowy na drogach i ulicach daje również ten efekt. Nie ma to miejsca na nawierzchniach lotniskowych, dlatego w przypadku tych nawierzchni specyfikacje często nakazują użycie walców ogumionych do wałowania wygładzającego. Na cienkich warstwach i w niekorzystnych warunkach, czas przeznaczony na zagęszczanie może być nie dłuższy niż pięć minut. W tych samych warunkach, gruba warstwa będzie utrzymywała swoją temperaturę przez kilka godzin. Zatem konieczność szybkiego, skutecznego zagęszczania jest bardziej istotna na cienkich niż na grubych warstwach.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Grubość
Minuty
Temperatura, °C
Grubość
Godziny
Temperatura, °C Przebieg schładzania mieszanki mineralno-asfaltowej jest funkcją grubości warstwy, temperatury otoczenia, temperatury podłoża i warunków pogodowych. Na przykład wiatr ma bardzo znaczący wpływ na schładzanie powierzchni.
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
3
2
1
Wibracyjny walec tandemowy może zapewnić jednorodne zagęszczenia całej zagęszczanej powierzchni, dzięki poruszaniu się według prostego schematu. Na początku muszą być zagęszczone wszystkie spoiny: najpierw poprzeczne, a następnie podłużne. Schemat wałowania tworzą równoległe pasy, podzielone na strefy wałowania o długości 30-50 m. Faktyczna długość strefy zależy od prędkości rozkładarki i czasu dostępnego dla wałowania, zanim ostygnie mieszanka.
1
2
3
2
1
Wałowanie pierwszego pasa rozpoczyna się od najniższej krawędzi. Przejścia wykonywane są do przodu i do tyłu po tym samym śladzie. Zmiana pasa zawsze musi się odbywać na zagęszczonej powierzchni, dla uniknięcia pozostawiania śladów na warstwie.
2
3
Z założenia, walec powinien poruszać się jak najbliżej rozkładarki. We wszystkich schematach wałowania ważne jest, aby starać się utrzymać stałą długość stref wałowania. Pomocne są tu punkty orientacyjne lub pachołki.
1
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
53
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Wymagana ilość walców Wymagana ilość i rodzaj walców na budowie wynikają z wydajności rozkładania wyrażonej w metrach kwadratowych na godzinę. Aby otrzymać tę wartość, należy uwzględnić szereg elementów. Każda operacja rozkładania może być zmierzona jako tonaż gorącej mieszanki do rozłożenia w ciągu godziny. Na wielkich budowach, wielkość ta jest z reguły określona przez wydajność wytwórni mieszanek bitumicznych. Ilość ton mieszanki, szerokość rozkładania i grubość warstwy wyznaczają prędkość rozkładarki. Prędkość pomnożona przez szerokość rozkładania daje wydajność rozkładania w metrach kwadratowych na godzinę. Ta wartość służy do obliczenia wymaganej ilości walców. W obliczeniach należy uwzględnić chwilowe spiętrzenia w dostawie mieszanki. Odpowiednie prędkości wałowania wahają się od 2 do 6 km/godz. Niskie prędkości stosowane są na grubych warstwach oraz gdy wymagana jest wysoka wartość wskaźnika zagęszczenia. Ilość przejść walca zależy od szeregu
czynników, a zwłaszcza od zagęszczalności mieszanki i wymaganego wskaźnika zagęszczenia. Decydujący wpływ mają również statyczny nacisk liniowy i charakterystyka wibracji. Cienkie warstwy z dużą zawartością kruszywa grubego najlepiej zagęszczać przy kombinacji wysokiej częstotliwości i małej amplitudy, co pozwala zmniejszyć ryzyko kruszenia ziaren. Stabilne mieszanki i grube warstwy najlepiej zagęszczają się przy dużej amplitudzie. Wskazane jest wykonanie odcinka próbnego dla wyznaczenia odpowiedniego schematu wałowania, który zagwarantuje osiągnięcie wymaganego wskaźnika zagęszczenia. Cennym nabytkiem może być izotopowy miernik gęstości, który umożliwia natychmiastowe odczyty. Profesjonalny producent walców powinien być w stanie dostarczyć ścisłych zaleceń, co do wyboru walca, jego ustawień oraz schematu wałowania.
na pasy wałowania. Ilość pasów zależy od szerokości bębna i szerokości rozkładania. Szerokość bębna powinna być powiązana z szerokością rozkładania, np. w taki sposób: aby trzy równoległe pasy wałowania wystarczały do pokrycia tej szerokości. Zmiany między pasami powinny być wykonywane na uprzednio zagęszczonej powierzchni, aby uniknąć zostawiania śladów na warstwie. Dodatkowo, walce nie powinny nigdy stać bezczynnie na gorącej mieszance. Zagęszczenie złączy Skuteczne zagęszczenia złączy jest bardzo ważne dla jakości nawierzchni. Jak pokazano na rysunku, możliwe są dwa sposoby osiągnięcia wymaganego zagęszczenia złączy.
Schemat wałowania Szerokość rozkładania podzielona jest
Zagęszczanie złącza. Zagęszczanie należy rozpocząć wzdłuż złącza zagęszczając ok 10 cm gorącej mieszanki. W kolejnych przejazdach można zagęszczać coraz szerszy pas gorącej mieszanki. W przestrzeni ograniczonej przez ruch pojazdów na złącze można najeżdżać po kątem.
54
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Mieszanki ostre (trudnozagęszczalne) Wzrost obciążeń ruchem wytworzył zapotrzebowanie na bardziej stabilne warstwy asfaltowe. W konsekwencji coraz bardziej powszechne stają się ostre mieszanki mineralno-asfaltowe zawierające asfalt o dużej lepkości i kruszywo łamane o dużej zawartości frakcji grubych. Ich wysoka mechaniczna odporność na zagęszczanie wymaga zastosowania skutecznych metod zagęszczania. Pod tym względem, walce wibracyjne są najlepszym wyborem zapewniającym osiągnięcie wymaganych gęstości. Wrażliwe mieszanki Miękkie, wrażliwe mieszanki są podatne na poziome przemieszczanie się podczas zagęszczania, co może prowadzić do powstania małych powierzchniowych, poprzecznych spękań (o głębokości 3-5 mm). Z reguły spękania te mogą być zamknięte przez odpowiednie wałowanie wygładzające; lub przez późniejsze działanie ruchu. Jeżeli pojawią się spękania podłużne, to z reguły są głębsze i trudniejsze do całkowitego zamknięcia. Wałowanie wrażliwych mieszanek wymaga podjęcia specjal-
nych środków. Często, przed rozpoczęciem wałowania, należy pozwolić im na schłodzenie. Oznacza to, że walec powinien pracować stosunkowo daleko od rozkładarki. W wielu przypadkach najlepiej jest pracować długimi pasami (100 m i więcej). Często najlepiej jest, dla ustabilizowania mieszanki, rozpocząć zagęszczanie od dwóch przejść statycznych lub zastosować walec ogumiony. Przesuwaniu mieszanki oraz pojawianiu się spękań przeciwdziała również duża średnica bębna i powolna jazda. Często na tych mieszankach najlepiej jest wybrać małą amplitudę i wysoką częstotliwość. Walec ogumiony jest odpowiedni do wygładzenia powierzchni. Cienkie warstwy Cienkie warstwy z reguły rozkładane są z dużą prędkością i dużą wydajnością powierzchniową, co może spowodować niewystarczającą wydajność wałowania, o ile nie zostaną podjęte specjalne środki. Jeżeli walec musi zwiększyć prędkość, aby nadążyć za rozkładarką, istnieje ryzyko, że nie zostanie osiągnięta wymagana gęstość. Dla osiągnię-
cia wymaganego zagęszczenia należy zwiększyć ilość walców. Dla uniknięcia miażdżenia kruszywa, powinno się pracować z małą amplitudą i wysoką częstotliwością. Dodatkowo, cienkie warstwy bardzo szybko schładzają się, dlatego walce powinny być zdolne uzyskać wymaganą gęstość szybko i skutecznie. Grube warstwy Można uzyskać wysokie gęstości na warstwach mieszanek mineralno-asfaltowych o grubości do 15 cm. Tym niemniej, wałowanie na powierzchniach o dużych grubościach, może prowadzić do powstawania podłużnych fal. Na grubych warstwach wałowanie powinno się rozpoczynać w pewnej odległości od krawędzi pasa. W następnych przejściach walca należy się stopniowo zbliżać do krawędzi, tak aby uniknąć jej przesunięcia. Odpowiednie do tych zastosowań są: duża średnica bębna i duża amplituda. Duża amplituda gwarantuje osiągnięcie skutecznego zagęszczenia w całej grubości warstwy.
Główną trudnością podczas pracy z mieszankami trudnozagęszczalnymi jest pokonanie ich oporu przed zagęszczaniem, który jest skutkiem wewnętrznego tarcia kruszywa. Dlatego powinna być zastosowana duża energia zagęszczania – z reguły przez użycie walców wibracyjnych.
Mieszanki wrażliwe w stanie gorącym są plastyczne i mogą być wypychane spod bębna podczas wałowania, co prowadzi do powstania spękań włoskowatych i ryzyka późniejszych poziomych przemieszczeń mieszanki. Można osiągnąć odpowiednie zagęszczenie, jeżeli pozwoli się mieszance do pewnego stopnia na schłodzenie.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
55
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Dobór maszyn do zagęszczania mieszanek mineralnoasfaltowych Przy doborze walca lub zespołu walców należy wziąć pod uwagę czy maszyna zdolna jest osiągnąć wymaganą gęstość mieszanki, a także związane z tym aspekty ekonomiczne. Ogólnie można stwierdzić, że wyższe jest prawdopodobieństwo osiągnięcia wymaganego zagęszczenia przez walec wibracyjny, aniżeli przez walec statyczny. Prawdopodobieństwo to rośnie ze wzrostem grubości warstwy, bardziej ostrych wymagań, co do wymaganej gęstości oraz wtedy gdy mieszanka jest trudnozagęszczalna. Na wrażliwych mieszankach oraz gdy wymagane są stosunkowo niskie wskaźniki zagęszczenia, tradycyjny statyczny walec stalowy sam lub w połączeniu z walcem ogumionym, gwarantuje osiągnięcie wymaganego zagęszczenia z tym samym prawdopodobieństwem, co walec wibracyjny. Z drugiej strony, na ostrych mieszankach wymagających wysokiego stopnia zagęszczenia, prawdopodobieństwo sukcesu zdecydowanie faworyzuje walce wibracyjne. Walec wibracyjny może wykonywać zarówno zagęszczanie jak i wałowanie
56
wygładzające. Na etapie zagęszczania powinien osiągnąć wymagane ostateczne zagęszczenie. Na małych robotach może następnie przejść do pracy statycznej i wykonać wałowanie wygładzające. Na większych robotach wałowanie wygładzające wykonuje statyczny walec stalowy lub walec ogumiony. Ponieważ walce wibracyjne są bardziej wydajne od walców statycznych, niezwykle ekonomiczne jest stosowanie ich na dużych budowach. Lekkie walce wibracyjne zajmują obecnie znaczną część rynku małych robót asfaltowych. Producenci walców powinni dysponować odpowiednimi narzędziami, aby pomóc w doborze właściwego walca do danej roboty. Powinni również być w stanie udzielić zaleceń, co do ustawienia parametrów pracy walca i spodziewanej wydajności.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Walec wibracyjny
Walec statyczny
Walec ogumiony
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Specyfikacje i polowe metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych W specyfikacji według rezultatu końcowego, administracja określa minimalny wskaźnik zagęszczenia, który następnie jest sprawdzany w badaniach laboratoryjnych i polowych. Specyfikacje wg rezultatu końcowego są najczęściej stosowane na dużych budowach.
Specyfikacje według metody wykonania wymieniają rodzaj i wielkość walców, które mają być zastosowane, ilość walców i niekiedy sposób ich pracy. Specyfikacje według rezultatu końcowego są bardzo często stosowane w budowie nawierzchni asfaltowych. Z reguły wymagana jest gęstość rzędu 97-100% gęstości Marshalla (50 lub 75 uderzeń na jedną stronę próbki mieszanki mineralno-asfaltowej). Niekiedy w wymaganiach podany jest zakres wolnych przestrzeni. Kontrakty na roboty asfaltowe często zawierają klauzule kar, które przewidują potrącenia finansowe z płatności, jeżeli wykonawca nie osiągnął gęstości podanych w specyfikacji. W normalnej metodzie polowego badania gęstości, próbka jest odwiercana z warstwy za pomocą koronki diamentowej. Gęstość i zawartość wolnych
przestrzeni są później oznaczane w laboratorium na dostarczonych próbkach z odwiertów. Do szybkiego oznaczenia gęstości na budowie mogą być zastosowane mierniki gęstości. Jak wcześniej wspomniano, są one bardzo przydatne na początku budowy, przy określaniu procedury wałowania. Tym niemniej, z reguły ostateczna ocena zagęszczenia przeprowadzana jest w oparciu o wyniki z odwiertów. Specyfikacje funkcjonalne z reguły obejmują cały projekt drogowy, nie tylko warstwy asfaltowe. Tym niemniej z warstwami asfaltowymi związane mogą być specjalne wymagania funkcjonalne, np. maksymalna głębokość koleiny po upływie określonego czasu, wymagania co do równości, etc. Inne metody badania jakości warstw asfaltowych zawierają sprawdzenie równości, głębokość tekstury oraz szorstkość.
Ciągła kontrola zagęszczenia jako metoda podniesienia jakości i wydajności. System ciągłej kontroli zagęszczenia (CCC) wraz z pozycjonowaniem GNSS i pomiarem powierzchniowej temperatury zagęszczanej warstwy pomaga w uzyskaniu większej wydajności procesu wałowania. Jednocześnie wspomaga operatora w osiągnięciu wyższego i bardziej homogenicznego zagęszczenia. Dzięki wizualizacji procesu zabezpiecza przed błędami mogącymi skutkować zbyt niskim zagęszczeniem lub odwrotnie – przegęszczeniem wynikającym z niepotrzebnych przejazdów po zagęszczonej powierzchni.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
57
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Frezowanie na zimno Frezowanie na zimno jest nieodłączną częścią cyklu życia każdej drogi. Frezowanie służy do usuwania zużytej, starej warstwy wiążącej lub też całej konstrukcji asfaltowej. Może również służyć do uszorstniania istniejącej nawierzchni albo do usuwania kolein z warstwy ścieralnej, która nie posiada innych uszkodzeń.
Można przygotować złącza dla nowej nakładki, a zapadnięte studzienki mogą być wycięte i ustawione na nowo na właściwym poziomie. Można wyciąć wąską rynnę do położenia, na przykład, światłowodów. Do różnych zastosowań mogą być użyte różne maszyny w zależności od wymaganej wydajności, wielkości zadania lub żądanej zwrotności. Usunięty materiał w znacznym stopniu jest ponownie używany jako niezwiązana podbudowa. Może być również dodany jako składnik mieszanki mineralno-asfaltowej wytwarzanej w rożnych typach WMA.
Zużyta warstwa jest usuwana za pomocą frezarki, materiał jest transportowany do WMB, gdzie podlega recyklingowi poprzez dodawanie do nowej mieszanki mineralno-asfaltowej. Nowa mieszanka jest rozkładana i zagęszczana, tworząc nową warstwę ścieralną.
58
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Proces frezowania Jak to działa? Obracający się bęben frezujący jest wyposażony w wielką liczbę wymiennych frezów. Bęben frezujący wyrywa i usuwa materiał z górnej części nawierzchni asfaltowej. Bęben jest dociskany do podłoża dzięki obniżaniu ramy frezarki do momentu osiągnięcia zadanej głębokości frezowania. W tym momencie frezarka zaczyna posuwać się do przodu efektywnie usuwając nawierzchnię asfaltową do zadanej głębokości. Konstrukcja bębna sprawia, że frezy poruszają się w kierunku przeciwnym do ruchu frezarki. Taki przeciwbieżny ruch narzędzi tnących zwiększa bezpieczeństwo procesu eliminując możliwość niekontrolowanego ruchu maszyny napędzanej przez bęben tnący. Głębokość frezowania jest kontrolowana przez podnoszenie lub opuszczanie bębna związanego z ramą maszyny. Operacja ta może być sterowana ręcznie lub kontrolowana przez elektroniczny układ automatycznej niwelacji. Siła napędowa bębna jest przekazywana z silnika maszyny bądź za pośrednictwem pasków klinowych (napęd bezpośredni), bądź też poprzez system hydraulicznych pomp, węży, zaworów i silników. Napęd bezpośredni zapewnia najwyższą wydajność, a automatyczny system napinaczy pasków klinowych zabezpiecza silnik maszyny w przypadku natrafienia na przeszkodę. Napęd hydrauliczny jest za to prawie bezobsługowy.
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Dlaczego frezujemy? Rozkładanie nowej warstwy asfaltowej na starą i zmęczoną nawierzchnię jest rozwiązaniem tymczasowym. Pęknięcia będą migrować poprzez nową warstwę powodując jej zniszczenie w krótkim czasie. Bez usunięcia starej warstwy szczepność międzywarstwowa może być niewystarczająca. Kolejnym problemem jest wysokość krawężników. Rozkładanie kolejnych warstw spowoduje ich całkowite zniknięcie. W przypadków mostów i wiaduktów ograniczeniem jest ciężar nawierzchni. Rozłożenie nowej warstwy ścieralnej oznacza, że około 100-150 kg/m3 mieszanki mineralno-asfaltowej zostanie dodana do istniejącego obciążenia konstrukcji. Może to zagrozić stabilności mostu. Rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie frezarki do usunięcia istniejącej warstwy i zastąpienie jej nową. Proces rozkładania wymaga równego podłoża dla zapewnienia stałej grubości wbudowywanej warstwy. Stare nawierzchnie mogą być skoleinowane i posiadać niewłaściwą geometrię. Błędy te mogą być skorygowane za pomocą frezarki. Frezarki kompaktowe mogą być również użyte do przygotowania podłoża przed rozkładaniem, usuwanie materiału wzdłuż krawężników, studzienek, rynsztoków itp. Bęben/uchwyt/frezy Powierzchnia bębna jest obszarem roboczym frezarki. Jego szerokość
i konfiguracja frezów określa zakres zastosowań konkretnej maszyny. Typowy odstęp pomiędzy frezami wynosi 15 mm i jest właściwy dla zgrubnego usuwania materiału. Szerokości bębnów mieszczą się w zakresie od 350 mm do 2200 mm. Do frezowania dokładnego w celu uszorstnienia nawierzchni lub usunięcia oznakowania poziomego stosuje się bębny z mniejszym rozstawem frezów, wynoszącym połowę rozstawu standardowego. Bębny z odstępem frezów wynoszącym 3-4 mm nazywane są bębnami do mikrofrezowania. Głębokość frezowania dla takich bębnów jest ograniczona ze względu na konieczność rozdzielenia mocy napędu bębna na większą liczbę frezów. Bębny do frezowania dokładnego lub mikrofrezowania są również dostępne z dwoma lub więcej frezami w jednej linii. Pozwala to na zwiększenie prędkości frezowania bez zmniejszenia jakości procesu. Ostatnio coraz popularniejsze stają się bębny typu eko. W tych konstrukcjach odstęp pomiędzy frezami mieści się w zakresie 1525 mm, co oznacza zmniejszenie liczby frezów. Skutkuje to obniżeniem kosztów frezowania kosztem ograniczenia zakresu zastosowań do miękkich mieszanek mineralno-asfaltowych. Równocześnie powierzchnia po frezowaniu jest bardzo szorstka. Frezy podczas pracy ulegają znacznemu zużyciu. Ich czas eksploatacji wynosi od niecałej godziny do kilku dni w zależności od zastosowania, wydajności itp. Frez składa się z końcówki
z węglika spiekanego, stalowego korpusu, obrotowej podkładki i uchwytu umożliwiającego szybką wymianę. Frezy do frezarek na zimno posiadają standardowy uchwyt o średnicy 20 mm, co umożliwia zastosowanie frezów różnych producentów. Dostępne są również frezy miniaturowe o innych średnicach uchwytów. Łatwe w wymianie frezy i, w niektórych wypadkach, ich uchwyty są niezwykle istotne dla zachowania wysokiej wydajności frezowania ze względuna możliwość ich uszkodzenia podczas operacji frezowania. Największe niebezpieczeństwo niosą ze sobą żeliwne pokrywy studzienek, granitowe krawężniki, szyny tramwajowe itp. znajdujące się na frezowanej powierzchni, szczególnie, jeśli wcześniej zostały przykryte asfaltem. Uchwyty frezów dzielą się na dwie grupy: uchwyty spawane do powierzchni bębna, najczęściej stosowane we frezarkach kompaktowych i w bębnach do frezowania dokładnego lub mikrofrezowania; oraz uchwyty dostosowane do szybkiej wymiany z przyspawaną podstawą i wymiennym uchwytem. Systemy te są stosowane głównie w dużych frezarkach. Spiralny układ uchwytów i frezów pozwala na kierowanie sfrezowanego materiału do wlotu podajnika za pomocą łopatek wyrzucających.
Łopatka wyrzucająca
Frez krawędziowy
Elementy bębna frezującego. Frez tnący
Uchwyt freza
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
59
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Wysoka wydajność/duże budowy
Zastosowania Wysoka wydajność Duże zadania wymagają maszyn o dużej wydajności, zawsze wyposażonych w układ automatycznej niwelacji. Zadania te zazwyczaj wymagają szerokości frezowania w zakresie 1,0 - 2,2 m przy głębokości 0-320 mm. Za frezarką posuwa się zamiatarka, a czasem myjka wysokociśnieniowa usuwająca resztki pyłu z sfrezowanej powierzchni. Dzięki temu warstwa szczepna i nowa warstwa mineralno-asfaltowa są rozkładane na czystej powierzchni. Oznacza to, że proces musi przebiegać nieprzerwanie, bez poprawek. Taki sposób wymiany nawierzchni jest nazywany „mill and fill” (usuń i odtwórz) i jest najczęściej stosowany podczas nocnych prac na zazwyczaj ruchliwych drogach i ulicach. Właściwa kontrola równości i głębokości frezowania oraz logistyka na budowie są krytycznymi elementami zadania. Usunięcie 1 cm nawierzchni za dużo na odcinku 10 km powoduje konieczność wbudowania dodatkowych 490 ton mieszanki mineralno-asfaltowej dla osiągnięcia właściwej niwelety powierzchni. Koszty takiego błędu są więc bardzo wysokie.
60
Prace remontowe/miejskie Zadania tego typu są równie wymagające jak frezowanie z wysoką wydajnością. Wysoka zwrotność, równowaga i masa są parametrami wpływającymi na szybkie wykonanie robót i ograniczenie zakłóceń ruchu pojazdów. Maszyny stosowane do tych zadań często używane są w ograniczonych przestrzeniach, gdzie istotne są zwrotność i łatwość obsługi. Studzienki i otwory kanalizacyjne tworzą szczególnie wymagające środowisko pracy. Dobre oświetlenie miejsca pracy, niski poziom hałasu i dobra widoczność są niezwykle ważnymi parametrami zważywszy, że większość tego typu robót jest prowadzona w nocy. Typowe szerokości frezowania mieszczą się w zakresie od 350 mm do 1m, a głębokości frezowania wynoszą 5-8 cm. Najlepsze maszyny spełniające te wymagania mogą być jednakże używane z powodzeniem do frezowania na większe głębokości. Złącza/wykończenie Przygotowanie do wykonania nowej nakładki ścieralnej na istniejącej warstwie wiążącej wymaga przygotowania złącz zarówno na początku, jak i na końcu obszaru rozkładania. Również skrzyżowania muszą być przygotowane poprzez wykonanie
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
odpowiednich „wcinek” dla zapewnienia mocnych połączeń dla nowo rozkładanej nawierzchni. Konieczne jest wykończenie po frezowaniu wysokowydajnym łącznie z frezowaniem wokół studzienek, wlotów kanalizacyjnym itp. Zadania te wykonywane są głównie przez maszyny o szerokości frezowania od 350 mm do 500 mm, lecz również 1000 mm maszyny z podajnikiem do tyłu nadają się do takich robót dzięki ich dużej zwrotności. Maszyny takie tworzą grupę zwaną frezarkami kompaktowymi. Zastosowania specjalne Usuwanie nawierzchni za pomocą bębnów z małym odstępem frezów nazywane jest frezowaniem dokładnym. Zabieg ten stosuje się do usuwania płytkich kolein w nawierzchniach asfaltowych i betonowych, korygowanie spadków poprzecznych dla poprawy odwodnienia, usuwanie oznakowania poziomego lub uszorstnienie nawierzchni pozbawionych uszkodzeń strukturalnych. Ponieważ na sfrezowanej powierzchni nie będzie rozkładana nowa nawierzchnia, istotne jest osiągnięcie wysokiej równości, wystarczającej do przywrócenia ruchu pojazdów bezpośrednio po wykonaniu powyższych prac. Standardowy bęben frezujący z odstępem frezów wynoszącym 15 mm nie jest w stanie zapewnić
Rozkładanie, zagęszczanie i frezowanie mieszanek mineralno-asfaltowych
wymaganej jakości powierzchni. Tego typu prace wykonuje się bębnem do frezowania dokładnego o mniejszym rozstawie frezów, na ogół wynoszącym połowę lub mniej rozstawu standardowego. Dla wykonania zadania nie jest wymagana szczególnie wysoka wydajność, natomiast dokładna niwelacja i precyzyjna kontrola spadków poprzecznych i głębokości frezowania są niezwykle istotne.
Zastosowania specjalne
Systemy niwelacji W typowych zastosowaniach i odpowiadających im wymaganiach, regulacja parametrów frezowania w frezarkach kompaktowych następuje zazwyczaj ręcznie. Oznacza to, że operator maszyny opuszcza lub podnosi maszynę na tylnych kolumnach za pomocą siłowników hydraulicznych uruchamianych ręcznie. Kontrola głębokości frezowania odbywa się poprzez odczytywanie wartości na skali umieszczonej w maszynie przekazując odpowiedzialność za osiągnięcie właściwych wyników frezowania na operatora maszyny. W przypadku wyższych wymagań lub też dla ułatwienia pracy frezarka kompaktowa może być wyposażona w elektroniczny system automatycznej niwelacji. System ten kontroluje aktualną głębokość frezowania lub spadek poprzeczny w stosunku do wstępnie zaprogramowanych wartości. W niektórych przypadkach stosuje się czujnik ultradźwiękowy do współpracy z krawężnikiem lub linką, jako linię odniesienia. Duże frezarki najczęściej wyposażone są w zaawansowane systemy automatycznej niwelacji dla zapewnienia wysokiej jakości wykonywanych robót. Dwa czujniki grubości po obu stronach maszyny stanowią minimalne wyposażenie. Dodatkowo stosuje się czujnik spadku poprzecznego, jeśli możliwe jest użycie linii referencyjnej tylko po jednej stronie maszyny. Dla lepszego uśrednienia odczytów z linii referencyjnej stosuje się kilka czujników grubości z każdej strony. Taki system zapewnia uzyskanie wystarczającej dokładności dla frezowania dokładnego. W wyjątkowych, wymagających najwyższej dokładności przypadkach, jak prowadzenie operacji frezowania torów wyścigowych, pasów startowych na lotniskach lub dużych parkingów, stosuje się laserowe systemy niwelacji lub pozycjonowanie GNSS z milimetrową dokładnością.
Prace remontowe/miejskie
Złącza/wykończenie
Systemy niwelacji
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
61
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralnoasfaltowych
Trudno jest ocenić skuteczność sprzętu zagęszczającego i rozkładającego bez badań polowych. Najlepiej, aby były one przeprowadzone na różnych materiałach i w różnych warunkach. W tym rozdziale określono i omówiono parametry i dane, które mogą być zastosowane do oceny i porównania sprzętu na podstawie jego specyfikacji. Norma ISO 8811 określa zasady, jakie dane techniczne i parametry są odpowiednie do specyfikowania sprzętu zagęszczającego i rozkładającego. Dzięki temu specyfikacje walców wibracyjnych mogą być porównywane, jeśli tylko odpowiadają tej normie.
62
atlas | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie atlascopco copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
walca wibracyjnego
Walce wibracyjne powstały w wyniku rozwoju walców statycznych, które powodowały zagęszczenie jedynie w wyniku działania ciężaru statycznego. Porównanie dwóch walców wibracyjnych jest trudnym zadaniem; w rzeczywistości jest to niemożliwe do wykonania tylko na podstawie formularza specyfikacji. Na skuteczność walca mają wpływ różne parametry, zatem istotne jest dokładne zrozumienie ich znaczenia.
Parametry zagęszczania ISTOTNE DANE: • Statyczny nacisk liniowy • Częstotliwość • Amplituda (stała lub zmienna)
Parametry zagęszczania są czynnikiem różnicującym walce. Pod tym względem energia zagęszczania odgrywa największą rolę: im wyższa energia, tym większa głębokość zagęszczania i mniejsza ilość wymaganych przejść. Na wielkość energii zagęszczania wpływa: • statyczny nacisk liniowy, • amplituda, • częstotliwość, • stosunek mas: statyczna/wibrująca, • średnica bębna. Wśród innych czynników znajduje się prędkość wałowania oraz ilość bębnów z wibracją. Siła odśrodkowa nie jest decydującym czynnikiem w procesie zagęszczania. Statyczny nacisk liniowy Dla gładkiego walca wibracyjnego, statyczny nacisk liniowy jest to ciężar modułu bębna podzielony przez szerokość wałowania bębna, wyrażony w kg/cm lub kN/m. Ciężar statyczny jest ciężarem zespołu bębna z dodaniem części ramy przenoszonych przez bęben (ciężar modułu bębna). Według ISO8811 statyczny roboczy ciężar zawiera wagę operatora oraz ciężar napełnionego w pełni zbiornika paliwa
i w połowie zbiornika wody. Znaczny wzrost statycznego nacisku liniowego prowadzi do zwiększenia skuteczności zagęszczania i zmniejszenia wymaganej ilości przejść. Całkowity ciężar samojezdnego, jednobębnowego walca wibracyjnego nie jest bezpośrednim miernikiem skuteczności zagęszczania walca. Dlatego też mylące mogą być porównania według całkowitego ciężaru. Prawdziwy obraz pojawia się jedynie wtedy, gdy porównujemy statyczne naciski liniowe modułu wibracyjnego bębna. Częstotliwość i amplituda Częstotliwość jest ilością uderzeń bębna w jednostce czasu, mierzoną w Hz (wibracje na sekundę) lub drgań/min (drgań na minutę). Amplituda to maksymalna zmiana położenia bębna w stosunku do jego osi; zwykle wyrażana jest w mm. Oznacza to, że całkowity ruch bębna równy jest podwojonej nominalnej amplitudzie. Wpływ częstotliwości i amplitudy na skuteczność zagęszczania jest przedmiotem dyskusji od wielu lat. Badania laboratoryjne i polowe wskazują, że skuteczność zagęszczania gruntów jest najwyższa przy częstotliwościach między 25 a 40 Hz (1,500 i 2,400 drgań/min). Zmiana częstotliwości wewnątrz tego zakresu, nie będzie miała większego wpływu na skuteczność zagęszczania. Natomiast zmiana amplitudy ma duży wpływ na skuteczność i głębokość zagęszczania. Duże amplitudy są zwłaszcza
ważne na materiałach wymagających dużej energii zagęszczania, takich jak: rumosz skalny i suche grunty gliniaste. Walce wibracyjne przeznaczone do zagęszczania dużych objętości gruntu i rumoszu skalnego w grubych warstwach powinny mieć amplitudę w zakresie 1,5-2,1 mm.
Ciężar statyczny jest ciężarem zespołu bębna z dodaniem części ramy przenoszonej przez bęben (ciężar modułu bębna).
Częstotliwość jest ilością uderzeń bębna w jednostce czasu, mierzoną w Hz lub ilością drgań na minutę. Amplituda to maksymalna zmiana położenia bębna w stosunku do jego osi, zwykle wyrażana w mm.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
63
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Stopień zagęszczenia Niska amplituda
Wysoka amplituda
Głębokość Normalna zależność między efektem zagęszczania gruntów, częstotliwością i amplitudą. Amplituda ma znaczny wpływ na skuteczność zagęszczania, podczas gdy częstotliwość może się zmieniać w pewnym optymalnym zakresie.
W przypadku mieszanek mineralno-asfaltowych, stwierdzono, że najlepsze rezultaty otrzymuje się dla częstotliwości pomiędzy 50 a 70 Hz (3,000 i 4,200 drgań/ min). Amplitudy odpowiednie dla mieszanek mineralno-asfaltowych nie powinny przekraczać jednego milimetra. W wyniku wysokich częstotliwości małe są odstępy między uderzeniami (odległość między każdym uderzeniem bębna), co zapobiega drobnemu falowaniu powierzchni. Wielkość odstępów między uderzeniami jest funkcją częstotliwości oraz prędkości: niska częstotliwość przy dużej prędkości doprowadzi do szerokich odstępów uderzeń; wysoka częstotliwość przy niskiej prędkości prowadzi do wąskich odstępów uderzeń.
Ustawienia amplitudy Często bardzo duże korzyści można osiągnąć, gdy możliwa jest zmiana wielkości siły wibrującej walca. Najlepszym sposobem prowadzącym do tego, jest zmiana amplitudy. Z regulowanymi ustawieniami amplitudy skuteczność zagęszczania może być dopasowana do różnych rodzajów materiałów i różnych grubości warstw. Niektóre walce mogą automatycznie zmieniać wielkość amplitudy podczas zagęszczania, dostosowując ją do wymagań niżej leżącej powierzchni. Możliwość zmiany amplitudy jest bardzo ważna przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych. Podczas pracy na wrażliwej mieszance lub cienkiej warstwie, najlepsze efekty osiągane są przy ustawieniu małej amplitudy. Zmniejsza to również ryzyko miażdżenia słabych ziaren. Przeciwnie, mieszanki trudnozagęszczalne i grube warstwy, wymagają stosunkowo wysokich amplitud. Zmienne ustawienia amplitudy powodują zmianę skuteczności zagęszczania. Przy zagęszczaniu gruntów, operator może zmienić amplitudę, dopasowując ją do różnej grubości warstwy. Przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych, zmienna amplituda może być wykorzystana do przystosowania walca do różnych wymagań stawianych przez ostre lub wrażliwe mieszanki, a także wynikających ze zmian grubości warstwy. Przy zagęszczaniu grubych warstw do wysokiej gęstości, najlepiej rozpocząć od dużej amplitudy. W miarę jak zwiększa się gęstość materiału, bęben często zaczyna odbijać się. W takim przypadku, nawet jeżeli zwiększymy ilość przejść, nie wzrasta gęstość materiału, a co gorsze
Wibracyjny walec tandemowy może mieć jeden lub dwa bębny wibracyjne. Ogólnie, dwa bębny wibracyjne zwiększają wydajność o około 80% na gruntach i 50% na warstwach asfaltowych, gdyż walec nie musi wykonać aż tylu przejść.
64
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
- materiał może być miażdżony, a maszyna może ulec uszkodzeniu. Można zapobiec odbijaniu się bębna jeżeli powrócimy do małej amplitudy. Gęstość materiału będzie mogła nadal wzrastać. Automatyczne sterowanie wibracją Nowoczesne walce do mieszanek mineralno-asfaltowych powinny być wyposażone w automatyczny system sterowania wibracją, który wyłącza wibrację poniżej pewnej minimalnej prędkości. Zapobiega to działaniu wibracji na powierzchnię, gdy walec jest unieruchomiony lub gdy zwalnia, aby zmienić kierunek jazdy. Prędkość wałowania Prędkość wałowania ma wyraźny wpływ na skuteczność zagęszczania. Do pewnego stopnia duża prędkość wałowania może być zrekompensowana zwiększoną ilością przejść walca. Tym niemniej, optymalna prędkość przy zagęszczaniu gruntów kształtuje się w zakresie 3-6 km/godz. Zagęszczanie grubych warstw gruntu i rumoszu skalnego do wysokich wartości wskaźnika zagęszczenia wymaga niższych prędkości z tego zakresu. Optymalne prędkości dla mieszanek mineralno-asfaltowych są nieco wyższe niż dla gruntów. Utrzymanie stałej prędkości jest ważne dla uzyskania jednorodnego zagęszczenia i z tego samego powodu przydatny jest miernik prędkości zamontowany na walcu. Kontrola prędkości jest szczególnie ważna przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych. Ilość bębnów wibracyjnych Dwa wibracyjne bębny zmniejszają ilość niezbędnych przejść, a tym samym prowadzą do wzrostu wydajności walca. Przy jednym bębnie wibracyjnym walec będzie wymagał o około 80% więcej przejść w porównaniu z tandemowym walcem wibracyjnym o tej samej wielkości. Oczywiście wielkości te zmieniają się w zależności od rodzaju zagęszczanego materiału. Masa statyczna/wibracyjna Stosunek między masą statyczną a masą wibracyjną powinien być tak zrównoważony, aby rama była wystarczająco ciężka dla zmniejszenia ryzyka odbijania bębna. Jednak zbyt ciężka rama może tłumić wibracje i zmniejszać skuteczność zagęszczania. W przybliżeniu ciężar bębna powinien być równy 1/3 do 1/2 ciężaru ramy.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
3
2
1
Walec o szerokości bębna 1500 mm pokrywa szerokość rozkładania 3,5 do 4,2 m w trzech równoległych pasach. Walec o szerokości 1700 mm jest w tej sytuacji nieekonomiczny, gdyż nadal potrzebuje trzech przejść, a zakłady są niepotrzebnie duże. Wielkość walca musi być dobrana tak, aby spełnić zarówno wymagania dotyczące zagęszczenia, jak i przewidywanej szerokości rozkładania, dla zapewnienia jakości zagęszczenia i efektywności procesu.
Siła odśrodkowa i całkowita zastosowana siła Nie jest prawidłowe założenie, że zwiększona siła odśrodkowa oznacza zwiększoną skuteczność zagęszczania. Wzrost siły odśrodkowej do potęgi drugiej w funkcji wzrostu częstotliwości stoi w sprzeczności z wykresem wskazującym na ograniczony wpływ zmian częstotliwości na efekt zagęszczania. Całkowita stosowana siła (Total Applied Force-TAF) była uważana za dobry wskaźnik do pomiaru energii zagęszczania w początkowym okresie stosowania zagęszczania wibracyjnego. Jest to suma statycznego ciężaru oraz siły odśrodkowej i, jak w przypadku siły odśrodkowej, łatwo jest wyciągnąć na podstawie tej wielkości złe wnioski.
Konstrukcja bębna ISTOTNE DANE: • Szerokość bębna • Średnica bębna • Grubość poszycia bębna
Szerokość bębna Przy zagęszczaniu gruntów szerokość bębna z reguły wyznacza powierzchniową wydajność zagęszczania. Przy szerszym bębnie otrzymujemy w jednym przejściu większą pokrytą powierzchnię. Jednakże to samo nie ma zastosowania przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych, gdzie należy również uwzględnić szerokość rozkładarki. W asfaltowych robotach nawierzchnio-
wych szerokość bębna musi być skorelowana z szerokością rozkładania. Istnieje optymalna szerokość bębna, zapewniająca pokrycie szerokości rozkładarki minimalną ilością równoległych pasów wałowania. Średnica bębna Duża średnica zmniejsza opory zagęszczania. Może być to szczególnie ważne przy zapobieganiu przemieszczania się warstwy asfaltowej i minimalizowaniu spękań powierzchniowych, podczas wałowania wrażliwych, niestabilnych mieszanek mineralno-asfaltowych. Zawsze bardziej wskazana jest duża średnica bębna. Grubość poszycia bębna Bęben walca ulega zużyciu. Zagęszczanie materiałów drobnoziarnistych powoduje mniejsze zużycie niż zagęszczanie gruboziarnistego rumoszu skalnego. Twarde i ostre skały mogą spowodować wyjątkowo wysokie zużycie. Grubość poszycia bębna i jakość stali decyduje zatem o żywotności oraz zdolności bębna do odporności na deformacje. Równie ważne jest wykończenie powierzchni bębna. Współczesne techniki wyginania bębnów gwarantują otrzymanie wystarczająco okrągłych i równych bębnów do zagęszczania gruntów. W przypadku walców do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych, wymagania są większe. Dlatego ich bębny są z reguły obrabiane maszynowo. W efekcie powstaje bęben, który zapewnia otrzymanie gładkich i równych powierzchni asfaltowych.
Bębny dzielone Konstrukcja dzielona bębna pozwala na pracę dwóch połówek bębna z różnymi prędkościami. Zmniejsza to zdzieranie powierzchni warstwy asfaltowej podczas pracy na ostrych łukach. Jeżeli walec nie posiada dzielonych bębnów, operator powinien przestrzegać standardowych reguł wałowania na łukach, aby osiągnąć prawidłowe wykonanie pracy. Należy uważać, aby nie stosować walca z dzielonymi bębnami do pracy na gruntach. Wałowanie na sztywnych gruntach powoduje efekt kowadła działającego na poszycie bębna. Może to doprowadzić do rozszerzenia materiału i scalenia szczeliny między dwoma połówkami bębna, niszcząc w ten sposób zamierzony cel i korzyści ze stosowania bębna dzielonego.
Ostre skręty wzdłuż łuku mogą spowodować zrywanie powierzchni podczas zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych. Można tego uniknąć przez wałowanie w dwóch lub więcej kierunkach.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
65
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Własności trakcyjne ISTOTNE DANE: Walce do gruntów • Ciężar roboczy • Ciężar modułu napędowego • Ciężar modułu bębna • Rozmiar opon • Pokonywanie wzniesień Walce do mieszanek mineralno-asfaltowych • Ciężar roboczy • Ciężar modułu przedniego bębna • Ciężar modułu tylnego bębna • Pokonywanie wzniesień
Wiele czynników wpływa na własności trakcyjne. Niżej wymienione są szczególnie istotne dla walców do zagęszczania gruntów: Napęd bębna Napęd bębna poprawia własności trakcyjne, ponieważ pozwala na wykorzystanie całego ciężaru walca do rozwinięcia siły pociągowej. Jest to szczególnie przydatne przy pracy na grubych warstwach i trudnych materiałach, np. równoziarniste suche piaski (zagęszczanie na sucho). Może to również polepszyć zdolność pokonywania wzniesień, to jest zdolność walca do pracy na pochyleniach. Dodanie hydraulicznego rozdzielacza przepływu dla napędu kół i bębna również poprawia cechy trakcyjne. Systemy kontroli trakcji i automatyczne systemy antypoślizgowe zdecydowanie polepszają własności trakcyjne poprzez ograniczenie lub całkowite wy-
Zdolność walca do poruszania się po pochyleniach nazywana jest zdolnością pokonywania wzniesień. Wartości dotyczące wzniesień pokonywanych przez różne maszyny powinny być odniesione do porównywalnych procedur i warunków. W publikacjach technicznych, zgodnie z normą ISO8811 podaje się teoretyczną zdolność pokonywania wzniesień.
eliminowanie ryzyka poślizgu bębna lub kół, pochłaniającego całą energię hydraulicznego układu napędowego.
z napędzanym bębnem (standardowa cecha wielu walców do zagęszczania gruntów z ciężkim bębnem).
Średnica bębna i statyczny nacisk liniowy Duża średnica bębna i mały nacisk liniowy, powodują niski kąt podejścia do zagęszczanego materiału - im większa średnica bębna i niższy nacisk liniowy, tym mniejszy jest kąt podejścia. W konsekwencji, mniejszy jest opór wałowania.
Wielkość i bieżnik opon W walcach z napędem na koła ogumione decydujący wpływ na wielkość kontaktu wywieranego przez opony na niżej leżącą powierzchnię mają następujące parametry opony: szerokość przekroju, głębokość przekroju oraz średnica felgi. Opony z bieżnikiem „diamentowym” zapewniają wystarczające własności trakcyjne dla większości zastosowań. W przypadku większych wymagań możliwe jest zastosowanie opon z bieżnikiem „traktorowym”.
Rozkład ciężarów między modułem napędowym i modułem bębna Bez napędu na bęben równy podział po połowie między ciężarami przedniego i tylnego modułu pozwala na osiągnięcie dobrych cech trakcyjnych. Im cięższy jest moduł napędowy w stosunku do ciężaru modułu bębna, tym lepsze własności trakcyjne. Siłę pociągową można polepszyć przez balastowanie opon lub przez wybór modelu
Kąt podejścia wpływa na opór wałowania. Jeżeli bęben jest mały i ciężki, będzie wywierał poziomą siłę, która z kolei powoduje większe opory wałowania, co może zwiększyć zapotrzebowanie na moc silnika.
66
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Przeniesienie napędu Moc i moment obrotowy silnika hydraulicznego, wybór przełożenia skrzyni biegów oraz charakterystyka osi (napęd planetarny, przeciwpoślizgowy mechanizm różnicowy) związane są ze zdolnością pokonywania wzniesień przez walec. Systemy antypoślizgowe poprawiają własności trakcyjne poprzez monitorowanie i zapobieganie uślizgowi kół lub bębna. Moc jest przekazywana do bębna lub kół bez strat, zapewniając optymalną siłę pociągową.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Zdolność manewrowa ISTOTNE DANE: • Wewnętrzny promień skrętu • Zewnętrzny promień skrętu • Rozstaw kół • Boczny minimalny nawis • Prześwit • Zakres prędkości
Przy małym promieniu skrętu stosunkowo łatwo jest pracować maszyną w ograniczonej przestrzeni. Minimalny nawis polepsza zdolność walca do pracy w ciasnych narożach. Duży prześwit umożliwia swobodną pracę nad przeszkodami. Zakres prędkości 0-10 km/godz. wystarcza w normalnych warunkach pracy. Wysoka prędkość transportowa może być korzystna, gdy walec musi się przemieszczać między budowami. Niska prędkość na biegu wstecznym nie ma znaczenia przy transporcie, ale może wpływać na wydajność zagęszczania, gdyż normalnie przejścia wykonywane są do przodu i do tyłu. Dobra widoczność we wszystkich kierunkach jest ważną cechą manewrową, gdyż walce poruszają się zarówno do przodu jak i do tyłu. Ważne jest, aby operator miał dobry widok krawędzi bębna, nawet w jego maksymalnym bocznym przesunięciu. Niektóre walce tandemowe mogą osiągać wartość poprzecznego przesunięcia bębnów sięgającą nawet do 1200 mm, aby ułatwić wałowanie wzdłuż krawężnika i na łukach. Daje to możliwość przesunięcia środka ciężkości w celu umożliwienia pracy na słabych poboczach. Zwiększa to również wydajność powierzchniową wałowania wygładzającego.
przesunięciem bębnów, jest jedną z zalet tej koncepcji konstrukcyjnej. Sztywna rama ze skrętnymi bębnami
W walcu sztywnoramowym zarówno przedni, jak i tylny bęben mogą być skręcane indywidualnie. Możliwa jest również praca ze sprzężonym skrętem obu bębnów, naśladującym ruch walca przegubowego. Koncepcja walca sztywnoramowego pozwala na osiąganie dużego poprzecznego przesunięcia bębnów, jednak odbywa się to kosztem widoczności ich krawędzi. Walec sztywnoramowy jest krótszy niż walec przegubowy, dzięki czemu jest on zwrotniejszy i łatwiejszy w transporcie.
Układ zraszania
Walec do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych musi mieć dobry układ zraszania wodą, zapobiegający przykleja-
niu się mieszanki do bębnów. Nowoczesne walce mają układ napędzany pompą, w przeciwieństwie do grawitacyjnego systemu zasilania niezwykle podatnego na złą pracę na spadkach. Wykonanie zbiorników i przewodów z tworzywa sztucznego zapobiega korozji układu. Bardzo ważne jest wyposażenie układu w dobry system filtrów, gdyż na niektórych budowach trudno jest znaleźć czystą wodę do spryskiwania. System powinien składać się z co najmniej dwóch (a lepiej trzech) filtrów: filtr na wlocie do zbiornika, liniowy filtr pompy i filtr przy każdej dyszy zraszającej. Dobrze jest mieć system awaryjny, umożliwiający spryskiwanie obu bębnów z dowolnego z dwóch zbiorników. Zbiorniki powinny mieć pojemność wystarczającą na ośmiogodzinny dzień pracy. Czasowe sterowniki zraszania umożliwiają optymalizację ilości wody spryskiwanej na bębny.
Koncepcje konstrukcyjne Walce tandemowe są najczęściej produkowane zgodnie z dwoma koncepcjami konstrukcji ramy: Skrętny przegub z lub bez możliwości poprzecznego przesunięcia bębnów
Walec ze sterowaniem przegubowym zapewnia możliwość poruszania się obu bębnów w jednym śladzie również podczas jazdy po łuku. Przy zastosowaniu tylnego bębna skrętnego można w prosty sposób uzyskać ich poprzeczne przesunięcie. Dobra widoczność krawędzi bębna, nawet przy pracy z poprzecznym
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
67
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Dobrze zorganizowane, wygodne stanowisko pracy operatora, czyniąc pracę operatora łatwiejszą, przyczynia się do lepszego przebiegu wałowania.
Silnik ISTOTNE DANE: • Standard emisji • Producent • Moc znamionowa przy ...... • Pojemność zbiornika paliwa
Oczywiste jest, że silnik powinien mieć moc wystarczającą do zapewnienia prawidłowej pracy walca. Dodatkowo, powinien mieć odpowiednią nadwyżkę mocy: w przewidywaniu spadku mocy wraz ze zużyciem silnika oraz jako rezerwę przy pracy na dużych wysokościach. Pojemność zbiornika paliwa powinna wystarczyć co najmniej na pracę podczas jednej zmiany. Poziom hałasu powinien być niski, zapewniając operatorowi i pracującym w pobliżu przyjazne środowisko pracy. Silniki o niskiej emisji spalin mają mniej szkodliwy wpływ na środowisko. Dodatkowe systemy kontroli prędkości obrotowej silnika w zależności od zapotrzebowania na moc, automatycznie redukujące obroty silnika do poziomu obrotów na biegu jałowym podczas postoju mają bardzo duży wpływ na redukcję zużycia paliwa. Silnik musi oczywiście spełniać normy emisji obowiązujące w kraju, w którym maszyna jest eksploatowana. Systemy oczyszczania spalin stosowane w instalacjach silników spełniających najwyższe wymagania dotyczące emisji (EU/EPA) wymagają paliwa o ultra-niskiej zawartości siarki (poniżej 15 ppm) co oczywiście ogranicza obszar ich zastosowania.
68
Transport ISTOTNE DANE: • Ciężar transportowy • Całkowita szerokość • Całkowita długość • Całkowita wysokość
Całkowita długość, szerokość i wysokość oraz ciężar transportowy mają bezpośredni wpływ na transport. Ponadto należy uwzględnić lokalne ograniczenia wynikające z przepisów ruchu drogowego. Całkowita wysokość maszyny poniżej trzech metrów zdecydowanie obniża koszty eksploatacji pozwalając na znacznie szerszy wybór środków transportu.
Inne ważne czynniki
Niżej podane informacje są rzadko zamieszczane w katalogach sprzętu i wymagają szczegółowego omówienia z przedstawicielem producenta.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Komfort pracy operatora Im bardziej komfortowe warunki, tym lepsza praca operatora. Stanowisko operatora musi sprzyjać komfortowi. Pomost musi być dobrze izolowany od wibracji i wstrząsów, co zapobiega nadmiernemu zmęczeniu. Poziom otaczającego hałasu nie powinien przeszkadzać dobremu samopoczuciu i koncentracji operatora. Dobra widoczność we wszystkich kierunkach jest istotna dla bezpieczeństwa pracy. Dodatkowo, wszystkie przyrządy kierowania powinny być łatwo dostępne we wszystkich pozycjach siedzenia. Wskaźniki na tablicy powinny być umieszczone w logicznym porządku, łatwo zauważalne oraz czytelne. Ruchome obrotowe siedzenie zintegrowane z większością istotnych przyrządów sterowania polepsza komfort pracy operatora, gdyż pozwala mu na umieszczenie siedzenia w pozycji dającej najlepszy przegląd wałowanej powierzchni.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Bezpieczeństwo Bezpieczeństwo jest istotne nie tylko dla operatora, ale i dla osób pracujących w pobliżu. W walcach tandemowych system hamowania musi być sprawny na obu bębnach, a na walcu jednobębnowym – na bębnie i na kołach napędowych. Powinien być uzupełniony systemem awaryjnym, uruchamianym ręcznie lub automatycznie przy spadku ciśnienia hydraulicznego. Ważny jest również niezawodny hamulec podczas parkowania. Najwięcej wypadków ma miejsce, gdy operator wsiada lub schodzi z walca. Oznacza to, że trzeba zwrócić uwagę na bezpoślizgowe pomosty, bezpieczne poręcze wkoło stanowiska pracy operatora i zapewnienie bezpiecznych stopni wiodących do pomostu. Dla polepszenia bezpieczeństwa operatora, na liście wyposażenia musi znajdować się kabłąk antykapotażowy (ROPS) lub bezpieczna kabina. Niezawodność W przypadku dużych robót ziemnych czy asfaltowych postoje są bardzo kosztowne. Kapitalne znaczenie ma więc niezawodność maszyny. Ekonomiczną inwestycją jest tylko
walec pracujący z niewielką ilością postojów spowodowanych awariami. Cena nabycia nie ma decydującego znaczenia w całkowitych kosztach maszyny, o czym należy pamiętać podczas zakupu walca. Utrzymanie Wysoka niezawodność maszyny jest decydującym czynnikiem przy określaniu rentowności walca. Nie jest to tylko kwestia jakości rozwiązań technicznych. Rentowność zależy również od dobrego serwisu, który jest funkcją łatwej dostępności do wszystkich istotnych zespołów oraz skutecznej dostawy części zamiennych. Wszystko, co powoduje, że maszyna nie ma przestojów i pracuje tak często jak tylko możliwe. Instrukcje obsługi i utrzymania, podręcznik operatora i podręczniki warsztatowe powinny być dostępne w głównych językach. Łatwość codziennej obsługi jest ważna dla każdej maszyny. Natychmiastowy dostęp do punktów smarowania, filtrów itp., ułatwi życie operatora i da gwarancję, że obsługa będzie wykonana. Jest bardzo korzystne, jeśli walec ma jak najmniejszą liczbę punktów smarowania.
Kabłąk antykapotażowy (ROPS) wraz z pasem bezpieczeństwa zabezpiecza operatora przed wpadnięciem pod walec. W połączeniu z systemem zabezpieczenia przed spadającymi obiektami (FOPS), chroni również operatora przed spadającymi obiektami podczas pracy w wykopach. Dźwiękowy sygnał jazdy do tyłu zwiększa bezpieczeństwo podczas cofania.
Przystosowanie sprzętu Szczególnie korzystne jest, jeśli walec potrafi pracować w szerokim zakresie warunków polowych, np. na różnych rodzajach gruntów, terenu i na dużych wysokościach. Możliwość takiej pracy walca jest bezcenna dla użytkownika. Łatwość adaptacji sprzętu może mieć również decydujące znaczenie podczas jego zakupu. Na przykład, atrakcyjne są tandemowe walce wibracyjne, ponieważ nadają się do zagęszczania zarówno warstw asfaltowych, jak i podbudów. Cenione są również samojezdne walce wibracyjne, w których można wymienić gładki bęben na bęben okołkowany. Dysponując wymiennymi bębnami, można wszystkie roboty zagęszczania wykonać jednym walcem. Obniża to koszty zakupu i pomaga obniżyć wydatki na obsługę i części zamienne. Nakładki okołkowane, zastosowane na gładkich bębnach, powodują zmniejszenie amplitudy wibracji, ale mogą być także akceptowalnym kompromisem dla uzyskania możliwości zamiany w krótkim czasie walca z gładkim bębnem na walce okołkowany.
Z zasady łatwy dostęp oznacza łatwe utrzymanie, co z kolei oznacza krótsze postoje.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
69
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
walca statycznego z gładkim bębnem Statyczne walce z gładkim bębnem były pierwszym rodzajem sprzętu mechanicznego stosowanego do zagęszczania gruntów i warstw asfaltowych. Dzisiaj są one często stosowane razem z walcami ogumionymi i/lub z walcami wibracyjnymi.
Występują dwa główne typy walców statycznych z gładkim bębnem, wersja trójkołowa i wersja dwukołowego tandemu. Konwencjonalny trójkołowy model ma dwa duże napędzane tylne bębny i mniejszy przedni bęben, który steruje walcem. Nowoczesne walce trójkołowe mają trzy duże napędzane bębny o równej średnicy i przegubowe sterowanie. W niniejszym rozdziale definiuje się dane stosowane do porównania statycznych walców z gładkimi bębnami. Również może być traktowany jako podstawowy przewodnik pomocny przy dokonywaniu wyboru tego typu walca.
Zdolność zagęszczania
Wynik zagęszczania zależy również od średnicy bębna, co omówiono w dalszej części tego rozdziału. Statyczny nacisk liniowy W konwencjonalnych statycznych walcach trójkołowych o ciężarze 10-15 ton, statyczny nacisk liniowy tylnych bębnów zmienia się od 50 do 80 kg/cm. Przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych, statyczny nacisk liniowy powinien być większy od 50 kg/cm. Statyczny nacisk liniowy przedniego bębna jest niższy o około 30% od nacisku bębnów tylnych. Dlatego, aby osiągnąć jednorodne zagęszczenie, tylne bębny musza pokryć swoimi przejściami całą zagęszczaną powierzchnię. W nowoczesnych typach statycznych walców trójkołowych (jednakowa średnica bębnów i przegubowe sterowanie), trzy bębny mają jednakowy nacisk liniowy – pod warunkiem, że walec jest prawidłowo zabalastowany. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie jednorodnego zagęszczenia na całej szerokości walca, a schematy wałowania są prostsze. Przy szerokości wałowania 2,1 m, walec może przykryć szerokość do 4 m (z zastosowaniem zakładu) w dwóch równoległych przejściach. Trzy duże napędzane bębny zapewniają gładkie i skuteczne wałowanie. W konwencjonalnych statycznych wal-
cach tandemowych, średnica bębna waha się między 1,2 a 1,5 m, podczas gdy zakres szerokości wynosi od 1,1 do 1,4 m. Ich statyczne naciski liniowe są nieco niższe od nacisków walców trójkołowych o tym samym ciężarze całkowitym.
Przegubowy walec stalowy z jednakowym naciskiem liniowym wszystkich bębnów. Zapewnia to jednorodne zagęszczenie na całej szerokości wałowania.
Walec trójkołowy o stalowej sztywnej ramie.
Walec tandemowy o stalowej sztywnej ramie.
ISTOTNE DANE: • Statyczny nacisk liniowy • Średnica bębna
Skuteczność zagęszczania walca statycznego z gładkim bębnem jest przede wszystkim funkcją statycznego nacisku liniowego (tj. ciężaru modułu bębna podzielonego przez szerokość bębna).
70
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Bębny o równej średnicy zapewniają jednorodne zagęszczenie na całej szerokości maszyny, co nie ma miejsca w konwencjonalnych walcach trójkołowych.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Balast 10-12-tonowy walec statyczny wymaga z reguły dwóch do trzech ton balastu. Najbardziej wygodnym i w konsekwencji najczęściej stosowanym rodzajem balastu jest woda. Główny balast z reguły umieszczany jest w bębnach i poprawia położenie środka ciężkości walca. Zakład bębna Zakład powinien wynosić co najmniej 50 mm. Bębny powinny również zachodzić podczas skrętu.
Przegubowe sterowanie z centralną osią obrotu, zapewnia właściwy zakład bębnów i jednakowe siły na całej szerokości wałowania, nawet podczas skrętów czy zmianie pasów.
Średnica bębna Im większa średnica bębna, tym mniejsze opory wałowania i kąt podejścia do zagęszczanego materiału. Ogólnie, gdy statyczny nacisk liniowy przekracza 50 kg/cm, pożądane jest, aby średnica bębna wynosiła 1500 mm i więcej. Łuk bębna i ciśnienie Łuk bębna to powierzchnia będąca w kontakcie z bębnem przy danej głębokości penetracji. Czynnik ten musi być uwzględniony przy określaniu wyniku zagęszczania i przydatności walca, na przykład na wrażliwych (niestabilnych) mieszankach. Mieszanki te podatne są na nadmierne przesuwanie się i pękanie podczas wałowania. Mała powierzchnia kontaktu, powoduje, że ciśnienie kontaktu jest duże. Tym niemniej, jeżeli walec o małej średnicy bębna powoduje tworzenie się fali i powstawanie spękań, to walec o większej średnicy bębnów będzie się lepiej zachowywał i otrzymamy lepsze wyniki zagęszczania. Ogólnie, im większa średnica bębna i powierzchnia kontaktu, tym bardziej jest on przydatny do pracy na niestabilnych mieszankach. Konwencjonalny walec statyczny może powodować powstanie koleiny w warstwie asfaltowej.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
71
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
MPa
0,5 0,45 0,40 0,35 Ciśnienie kontaktowe przy 18 kg/cm
0,30 0,25 0,20
Średnica 1040 mm
0,15 0,10 Średnica 1750 mm
0,05
3
6
9
12
15
18
Podwójny układ sterowania umożliwia operatorowi wybór najbardziej wygodnej pozycji pod względem dobrej widoczności we wszystkich kierunkach.
Głębokość penetracji, mm
Krzywe na rysunku wskazują, że ciśnienie kontaktowe jest niższe przy głębszej penetracji i wzrasta gdy bęben słabiej penetruje materiał podczas wzrostu zagęszczenia. Przy tej samej penetracji, bębny o większych średnicach mają niższe ciśnienie kontaktowe od bębnów o małych średnicach. Tym niemniej, mimo tego mogą osiągać lepsze zagęszczenie niż walce o małej średnicy bębna (patrz poprzednie wyjaśnienie w tym rozdziale).
Prędkość Z zasady statyczne walce gładkie osiągają najlepsze zagęszczenie przy prędkościach rzędu 3 do 6 km/godz. Dwu-biegowa przekładnia lub hydrauliczny silnik o podwójnej wydajności, zapewniają większą prędkość podczas poruszania się po budowie. Konstrukcja bębna Krawędzie bębna powinny być sfazowane, aby zmniejszyć ryzyko pozostawiania śladów przez bęben na warstwie asfaltowej. Bębny muszą być wyposażone w skrobaki, umożliwiające również pracę walca na różnych materiałach.
Sfazowane krawędzie bębna ograniczają ślady bębna na warstwie asfaltowej.
72
Niektórzy producenci statycznych trójkołowych walców ze sterowaniem przegubowym, oferują takie rozwiązania jak elastyczne przednie bębny i dzielone tylne bębny. Elastyczne przednie bębny mogą przechylać się o 1-2 stopnie od pozycji pionowej, co może być korzystne przy zagęszczaniu daszkowego spadku poprzecznego. Bębny dzielone stosowane są, aby wyeliminować przepychanie materiału przy skrętach na ostrych łukach. Tym niemniej, operator może zmodyfikować swój sposób wałowania, eliminując w ten sposób potrzebę takich rozwiązań. Układ zraszania Walec musi być wyposażony w skuteczny system zraszania, który zapobiega podrywaniu mieszanki mineralno-asfaltowej podczas zagęszczania. Nowoczesne walce wyposażone są w ciśnieniowe systemy zraszania napędzane pompą. Skuteczny system filtrów (napełnianie, pompa i dysze) zapobiega postojom wynikającym z zatkania się dysz. Układ napędu Hydrostatyczny napęd umożliwia operatorowi pełne i łatwe sterowanie prędkością, zatrzymaniem i zmianą kierunku. Walec z hydrostatycznym napędem na wszystkie bębny posiada dobre cechy trakcyjne. Czyni to walec bardziej uniwersalnym i pozwala na stosowanie go na niestabilnych mieszankach; eliminuje również tendencję do przepychania i bocznych przemieszczeń mieszanki.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Układ hamulcowy Hamulce muszą być wystarczająco mocne, aby zapewnić bezpieczną pracę nawet przy pełnym zabalastowaniu walca. Dodatkowy układ na wypadek uszkodzenia, wspomagany układem awaryjnym są bardzo ważne dla operatora i dla zapewnienia bezpiecznej pracy.
Cechy ogólne Wygoda operatora Konstrukcja maszyny powinna zapewniać operatorowi maksymalne bezpieczeństwo, wygodę i widoczność. Podwójny układ sterowania lub ruchome siedzenie pozwalają operatorowi na wybór najbardziej wygodnej pozycji pod względem bezpieczeństwa, widoczności, a w konsekwencji wydajności. Utrzymanie Ważne jest, aby walec miał zapewnioną godną zaufania obsługę serwisową. Przed zastosowaniem walca najlepiej jest sprawdzić, czy jest dostępna pełna obsługa serwisowa. Zapewni to minimalne postoje w sytuacji okresowej obsługi lub gdy wystąpi potrzeba serwisu lub naprawy. Należy regularne sprawdzać stan zużywających się części i materiałów (tj.: wody, oleju, itp.). Obsługa musi być prosta w wykonaniu. Ważny jest łatwy dostęp do punktów obsługi oraz długi okres międzyserwisowy.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
73
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
walca ogumionego Holowane walce ogumione stosowane były od wielu lat. Początkowo walce o ciężarze do 200 ton stosowano nie tylko do zagęszczania, ale także do wykrywania słabych miejsc (wałowanie sprawdzające). Maszyny holowane nieomal zanikły wraz z wprowadzeniem walców wibracyjnych do zagęszczania gruntów. Dlatego w niniejszym rozdziale omawia się jedynie samojezdne walce ogumione. Nie jest tu zawarta cała niezbędna wiedza, na przykład technologia opon; raczej omówiono podstawy technologii zagęszczania z zastosowaniem walców ogumionych i zasadnicze elementy, które należy rozważyć dokonując wyboru takiego walca.
Zdolność zagęszczania ISTOTNE DANE: • Obciążenie na koło • Ciśnienie kontaktowe na styku opony z podłożem • Powierzchnia kontaktu opony
Skuteczność zagęszczania walca ogumionego zależna jest przede wszystkim od dwóch parametrów: obciążenia na koło oraz ciśnienia kontaktowego na styku opony z podłożem, które jest skorelowane z ciśnieniem w oponie, co pokazano w tabeli na następnej stronie.
74
Na grubych warstwach, duże opony z dużą powierzchnią kontaktu są bardziej skuteczne od mniejszych opon o tym samym ciśnieniu kontaktowym na podłoże. Jest to szczególnie ważne przy zagęszczaniu gruntów. Obciążenie na koło Ilość kół bezpośrednio wpływa na wielkość obciążenia na koło. Walce ogumione w klasie średnio-ciężkiej z reguły mają od siedmiu do dziewięciu kół i maksymalne obciążenie na koło ponad 3000 kg, które jest wystarczające w większości operacji zagęszczania. Często administracja określa ilość kół
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
i minimalne obciążenie na koło. Obciążenie na koło może być obliczone przy pomocy prostego wzoru: Ciężar maszyny + balast Ilość kół
=
Obciążenie na koło
Balast Z reguły dla osiągnięcia pożądanego ciężaru roboczego potrzebna jest duża ilość balastu. Istnieje wiele różnych sposobów balastowania walca ogumionego, na przykład stosując żelazne sztaby, piasek i wodę. Niekiedy do balastowania stosuje się złom żelazny. Jego załadowanie oraz usunięcie jest jednakże bardzo czasochłonne. Niekiedy pod spodem walca mocowane są sztaby żelazne, lecz podraża to koszty. Współczesne walce ogumione mają modułowe układy balastowe, w których łatwo można dodać dodatkowe obciążenie. Upraszcza to procedurę balastowania i ułatwia śledzenie ciężaru aktualnego balastu. Z reguły potrzeba od 5 do 8 m3 piasku, ale tak jak w przypadku sztab żelaznych, załadunek i rozładunek mogą być czasochłonne. Z drugiej strony prościej jest usunąć piasek, gdy maszyna ma być transportowana bez balastu. Piasek ma tendencję do wysychania, tak więc trzeba okresowo sprawdzać czy nadal jest wilgotny.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
1
2
3
Ogólny schemat ciśnienia kontaktowego na podłoże 1. Standardowa opona diagonalna Ziarna mogą przemieszczać się poziomo. Zakres ciśnienia 0,3-0,9 MPa. 2. Opona radialna Ciśnienie kontaktowe rozłożone bardziej równomiernie, z możliwością zmiany ciśnienia. 3. Opona o szerokiej podstawie Opony o szerokiej podstawie z reguły powodują mniejsze przemieszczenia ziaren niż opony standardowe. Ciśnienie 0,4 MPa.
Tabela ciśnienia kontaktowego przekazywanego na podłoże (CP2100/2700) kPa
Główne części opony
Ciśnienie w oponie (kPa) 240 350 480 620 720 830
Obciążenie na koło (kg) 1125 1375 1825 2250 2750 3000
200 240 270 300 330 340 220 260 300 330 350 380 240 280 340 380 400 430 250 310 360 410 440 480 260 330 390 440 480 520 270 330 410 460 490 540
Ciśnienie kontaktowe na podłoże (kPa)
Drutówka Szkielet
psi
Ciśnienie w oponie (psi) 35 50 70 90 105 120
Obciążenie na koło (lbs) 2,500 3,000 4,000 5,000 6,000 6,500
29 35 39 44 47 31 38 44 48 51 35 41 49 55 58 37 45 52 60 64 38 47 57 64 70 39 48 59 66 71
Ciśnienie kontaktowe na podłoże (psi)
Woda Woda, chociaż łatwiejsza w posługiwaniu się, ma tą wadę, że jej ciężar objętościowy jest niski. Dodatkowo, zbiorniki balastowe muszą być szczelne. Czasami, walec ogumiony wyposażony w pompę i dysze, może być stosowany do rozpryskiwania wody. Pompa napędzana przez silnik elektryczny zapewnia napełnianie i opróżnianie zbiorników.
Opony
W rozdziale omówiono niektóre cechy geometryczne opon oraz ich charakterystyki pod względem zdolności do zagęszczania. Rozróżnia się trzy główne rodzaje opon: opony
49 55 62 69 75 78
diagonalne, opony radialne i nisko profilowe opony w pełni „pływające” (w tym także opony o szerokiej podstawie). Wszyscy więksi producenci opon przemysłowych wytwarzają opony diagonalne i radialne, lecz tylko kilku oferuje wersje opon z szeroką podstawą. Opony diagonalne i radialne są bardziej uniwersalne i można je stosować przy ciśnieniach od 0,3 do 0,9 MPa – w zależności od ilości warstw kordu. Są one odpowiednie do zagęszczania zarówno gruntów jak i mieszanek mineralno-asfaltowych. Tym niemniej, dla opony radialnej rozkład ciśnienia jest bardziej równomierny niż dla opony diagonalnej.
Bieżnik
Kord (liczba warstw)
Zmniejsza to ryzyko pozostawiania śladów opon na powierzchni warstwy asfaltowej. Opony z szeroką podstawą stosowane są przy stałym ciśnieniu 0,4 MPa. Są odpowiednie do zamykania powierzchni i wałowania wygładzającego warstw asfaltowych. Są one również stosowane na gruntach stabilizowanych, ale są mniej przydatne gdyż głębokość ich oddziaływania jest mniejsza niż dla opon diagonalnych i radialnych. Schemat kontaktu i rozkład ciśnienia dla omówionych typów opon podano powyżej. Ponieważ ciśnienie w oponach diagonalnych i radialnych może być zmieniane, schemat kontaktu również będzie się zmieniał.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
75
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Zakład śladów kół w walcu ogumionym pozwala na zawałowanie kołami tylnymi materiału nie zagęszczonego pomiędzy kołami przednimi. W wyniku, po przejściu walca otrzymuje się równomiernie zagęszczony obszar.
Cechy ogólne
Powierzchnia kontaktu opony z podłożem oraz ciśnienie kontaktowe Podczas zagęszczania powierzchnia kontaktu opony z podłożem zmienia się w sposób ciągły wraz ze wzrostem zagęszczenia materiału i w efekcie z każdym przejściem zmniejsza się penetracja (zagłębienie opony). Tak więc wartości powierzchni kontaktu z podłożem są porównywalne tylko wtedy, gdy mierzymy je na płaskiej, twardej powierzchni – takiej jak stalowa płyta. Obecnie nie są dostępne mierniki wielkości ciśnienia kontaktu z podłożem i ocenę ciśnienia pozostawia się operatorowi. Jeżeli widzi on, że opona zagłębia się w materiale, może skorzystać z systemu sterowania ciśnieniem w oponach (bardziej powszechnie znany jako „powietrze podczas jazdy”), aby zmniejszyć ciśnienie w oponach. Wzrost ciśnienia w oponach spowoduje także wzrost ciśnienia kontaktu z podłożem. Korzyść z centralnego układu sterowania ciśnieniem powietrza jest taka, że
76
umożliwia operatorowi utrzymanie wybranego stałego ciśnienia we wszystkich oponach we wszystkich fazach wałowania. Praktycznie, operator nie ma możliwości ciągłego dopasowywania ciśnienia w oponach do wzrastającej powierzchniowej stabilności mieszanki. Powyższy schemat podaje powierzchnię kontaktu opony oraz kontaktowe ciśnienie na podłoże dla różnych obciążeń na koło i różnych wartości ciśnienia w oponach. Zakład Przy normalnych ciśnieniach, przednie i tylne opony powinny być przesunięte względem siebie o 30-50 mm. Dla uzyskania jednorodnego efektu zagęszczania oraz dla uniknięcia śladów opon na warstwie asfaltowej, ważna jest wielkość zakładu między obszarami kontaktu ciśnienia. Zakład ten można sprawdzić podczas przejazdu walca po piasku, porównując zagłębianie się przednich i tylnych opon.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Podrywanie mieszanki mineralnoasfaltowej Na początku wałowania wszystkie walce ogumione będą podrywały mieszankę, chyba, że zostaną podjęte specjalne środki zapobiegające. Powszechne i łatwo dostępne są specjalne środki jak biodegradowalne emulsje olejowe, zapobiegające przyklejaniu się mieszanki. Powszechnie stosowanym sposobem zapobiegania podrywaniu mieszanki jest wstępne podgrzanie opon przez przejazdy walca ogumionego na powierzchni już zagęszczonej przez walce stalowe, lecz jeszcze gorącej. Podrywanie jest niewielkie, lub żadne, jeżeli różnica temperatury między warstwą asfaltową a oponą nie przekracza 20-50 °C. Podczas dalszej pracy woda z układu zraszania wystarczająco zapobiega jakiemukolwiek podrywaniu. Tym niemniej ilość wody musi być zredukowana do niezbędnego minimum, gdyż schładza ona opony. Osłony i skrobaki również ograniczają podrywanie podczas wstępnego okresu rozgrzewania opon. Jednym ze sposobów utrzymania gorących opon jest ich osłonięcie opończami. Opończe są szczególnie skuteczne podczas wietrznej pogody.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Koła oscylacyjne lub przegubowe Walce ogumione powinny posiadać koła oscylacyjne lub przegubowe przynajmniej na jednej osi. Koła oscylacyjne dają lepsze efekty przy zagęszczaniu gruntów, lecz koła przegubowe wystarczają przy zagęszczaniu mieszanek mineralno-asfaltowych. Z reguły wyłącznie przednia oś jest oscylacyjna lub przegubowa. Układ napędu Operowanie mechaniczną przekładnią jest żmudne. Nowoczesne układy przeniesienia napędu, takie jak: przekładnia mocy, napęd hydrostatyczny i zmiennik momentu, umożliwiają szybkie zatrzymanie się i ruszanie oraz łatwą pracę. Układ różnicowy na tylnych kołach, zapobiega przepychaniu materiału podczas zwrotów. Przednie koła, które nie są napędzane, mają automatyczne działanie różnicowe.
Hamulce Ciężar netto walca ogumionego wynosi około jednej trzeciej jego maksymalnego ciężaru z balastem. Ponieważ walec porusza się ze stosunkowo dużymi prędkościami między budowami i podczas tankowania, hamulce muszą gwa-
Stanowisko operatora
rantować możliwość natychmiastowego zatrzymania się nawet wtedy, gdy walec jest całkowicie zabalastowany.
Wydajność zagęszczania Jednym z parametrów określających efektywność walce jest jego wydajność. W celu jej określenia należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: • Szerokość bębna • Prędkość walca • Grubość warstwy (po zagęszczeniu) • Liczbę przejazdów
Współczynnik efektywności c (tj. wydajność praktyczna podzielona przez wydajność teoretyczną) zależy od wymaganego zakładu, efektywnego czasu pracy itp. W praktyce wartość c można przyjąć na poziomie 0,5-0,6 dla robót asfaltowych i 0,75 w przypadku zagęszczania gruntu.
Do określenia wydajności powierzchniowej (A) podczas zagęszczania gruntu i mieszanki mineralno-asfaltowej stosuje się następujący wzór: A=
c x W x v x 1000 n
m2/h
Wydajność objętościowa przy zagęszczaniu gruntu wynosi: QS =
c x W x v x H x 1000 n
m³/h
gdzie ρ określa gęstość mieszanki mineralno-asfaltowej (przeciętna wartość ρ wynosi 2,3 t/m3). Ponieważ szerokość bębna jest wartością niezmienną dla danego walca, na wydajność wpływ mają: liczba przejść walca, jego prędkość i grubość warstwy. Wydajność jest określona przez szerokość bębna (W), prędkość walca (v), grubość zagęszczonej warstwy (H) i liczbę przejść walca (n).
Objętość zagęszczonej mieszanki mineralno-asfaltowej podaje się w tonach na godzinę i oblicza według wzoru: QA =
c x W x v x H x 1000 x ρ n
t/h
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
77
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
sprzętu do frezowania na zimno
Z a d a n i a f re zowa n i a n a z i m no mogą być różnej wielkości, począwszy od niewielkich robót przygotowawczych na ulicach miasta do frezowania całej warstwy na wielu kilometrach autostrady. Niezależnie od wielkości budowy najważniejsze jest aby wybrana maszyna pracowała bezbłędnie i wykonała zadanie jak najekonomiczniej.
Istotne znaczenie ma ergonomika stanowiska operatora, tak jak i łatwy dostęp do miejsc wymagających codziennej obsługi. Niskie zużycie paliwa oraz cicha praca, to kolejne parametry, które należy wziąć pod uwagę przed podjęciem decyzji o zakupie frezarki.
78
Frezarki kompaktowe Frezarki kompaktowe (z rozładunkiem do tyłu) Zaprojektowane jako jednostki albo 3- lub 4-kołowe pozwalają na szybki transport i najwyższą zwrotność. Tylny podajnik we frezarce kompaktowej jest łatwo demontowalny do pracy w ograniczonych przestrzeniach, w poprzek drogi lub do frezowania wokół włazów studzienek kanalizacyjnych. Tego typu maszyny są zazwyczaj obsługiwane tylko przez jednego operatora. Na ogół praca dla takiej maszyny, składająca się kilku mniejszych zadań, może być wykonana w ciągu jednego dnia. Sfrezowany destrukt asfaltowy jest ładowany albo przez krótki podajnik do np. łyżki ładowarki kołowej lub też za pośrednictwem standardowego długiego podajnika, do wywrotki. W praktyce przez większość czasu ze względu na rodzaj pracy (remonty) lub dostępna powierzchnia – frezarki kompaktowe używane są bez podajnika. Aby pozostawiały jak najmniej niesfrezowanego materiału, bęben jest umieszczony z tyłu ramy frezarki, po prawej stronie. Dodatkowo prawa tylna
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
noga może być składana w celu zapewnienia płaskiego cięcia obok krawężników lub ścian. Koparko-ładowarki z bębnem frezującym, czasem wykorzystywane do niewielkich robót, nie mają tej samej wydajności i dokładności jak kołowe frezarki kompaktowe. Budowa bębna Rozkład uchwytów frezów i odstęp między nimi określa zakres zastosowań dla danego bębna. Ponieważ wymiana frezów jest często wykonywaną operacją, ważne jest, żeby mogła być wykonana relatywnie szybko i łatwo.
Bęben frezarki kompaktowej z frezami i łopatkami wyrzucającymi.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Frezarka kompaktowa
Zwrotność Ponieważ frezarki kompaktowe są używane do usuwania mieszanki mineralno-asfaltowej wokół włazów studzienek, muszą posiadać możliwie najwyższą zwrotność. Powinny, dosłownie, posiadać możliwość skrętu w miejscu, dla wykonania zadań, do których są przeznaczone. Stanowisko operatora Wszystkie często używane dźwignie i przełączniki muszą być umieszczone w sposób logiczny i zasięgu ręki operatora. Platforma operatora musi zapewniać bezpieczeństwo, być wyposażona w odpowiednie poręcze itp. Dobra widoczność we wszystkich kierunkach i niski poziom hałasu są ważne dla zapewnienia bezpiecznego i wydajnego środowiska pracy. Platforma z izolacją antywibracyjną zwiększa wygodę operatora, a daszekchroni zarówno od słońca jak i deszczu.
System trakcji i napęd Układ napędowy porusza maszynę i, w połączeniu z systemem napędowym bębna, ma duży wpływ na wydajność. Wydajny układ hydrauliczny i system antypoślizgowy zapewnią właściwą pracę maszyny. Transport Zwarte wymiary i daszek, który może być łatwo składany, pomagają utrzymać nakłady i koszty transportu na minimalnym poziomie. Punkty mocowania powinny być wyraźnie oznakowane i łatwe w użyciu. Podajnik Wydajny, łatwy w utrzymaniu system transportowy o wystarczającej wydajności ładuje sfrezowany materiał na ciężarówkę. Przenośnik może być odchylany na obie strony umożliwiając ruch ciężarówki po równoległym torze. System zraszania Woda jest niezbędna do pracy frezarki; wystarczająco duży zbiornik wody pomaga maszynie pracować wydajne, bez konieczności zatrzymywania się na jej tankowanie. Woda jest potrzebna do chłodzenia i smarowania frezów, a także zmniejszenia zapylenia powstającego w procesie frezowania. Optymalizacja zużycia wody pomaga w uzyskaniu efektywności operacyjnej. Ryzyko uszkodzenia układu spowodowane mrozem może być ograniczone, jeśli układ (zraszacze i zbiorniki) daje się łatwo opróżnić.
Bezpieczne i dobrze zorganizowane środowisko operatora zapewnia wydajną pracę i wysoką jakość.
Silnik spalinowy Silnik musi dostarczyć wystarczającą moc do bębna frezującego oraz zapewnić napęd frezarki. Niskie zużycie paliwa jest kluczowym czynnikiem ekonomicznym operacji frezowania. Utrzymanie niskiego poziomu hałasu jest istotnym parametrem środowiska pracy. Ważne jest również, aby zmniejszyć uciążliwość pracy dla otoczenia, ponieważ frezowanie często odbywa się w nocy. Krajowe i międzynarodowe przepisy określają wymagany poziom emisji.
Dobra trakcja jest kluczowym parametrem frezarek kompaktowych.
Woda jest konieczna do chłodzenia i czyszczenia frezów podczas operacji frezowania. Duży zbiornik wody zapewnia wydajną pracę i rzadkie postoje na tankowanie.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
79
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Duże frezarki Duże frezarki (z rozładunkiem do przodu) Maszyny o wysokiej wydajności są wyposażone w podajnik z wyładunkiem do przodu, jako część dwustopniowego systemu transportowego materiału, zapewniającego wydajny i szybki załadunek ciężarówek. Poruszają się na gąsienicach, aby zredukować nacisk na podłoże i zapewnić jak najlepszą siłę pociągową. Pierwszy podajnik odbiera materiał z bębna frezującego i przenosi do przodu maszyny, gdzie destrukt zostanie odebrany przez podajnik wyładowczy. Przenośnik wyładowczy przesuwa się w obu kierunkach pozwalając na rozładunek do ciężarówki poruszającej się przed frezarką, również po łuku, lub też wyładunek materiału na podłoże. Sprawna organizacja transportu jest istotnym elementem operacji frezowania. Należy pamiętać, że wydajność tej operacji jest bardzo wysoka. Dobrze przygotowana logistyka ze zharmonizowaną prędkością frezowania, wystarczająca liczba środków transportu, odpowiedni zapas wody i paliwa mają ogromne znaczenie dla pomyślnej pracy frezarki. Czasami wskazane jest „spowolnienie” w celu umożliwienia stałego procesu frezowania twardej nawierzchni asfaltowej w dwóch warstwach. Często część lub cały uzyskany materiał jest poddawany recyklingowi w warstwie podbudowy dla mniej wymagających zastosowań drogowych.
Duża frezarka
Budowa bębna Bęben o dużej wydajności jest kluczowym elementem właściwego działania dużej frezarki za sprawą właściwej interakcji z nawierzchnią asfaltową podczas procesu frezowania. Zużycie frezów, a czasem również uchwytów, może być wysokie. Szybka i łatwa wymiana frezów jest istotna dla zapewnienia odpowiedniej wydajności dużych frezarek. Bęben musi być przystosowany do łatwej wymiany i konserwacji. Stanowisko operatora Duża frezarka jest maszyną o sporych rozmiarach. Dla poprawy widoczności procesu technologicznego używane są systemy telewizji przemysłowej. Logicznie rozmieszczone elementy sterujące i wysoki stopień automatyzacji funkcji stanowią istotne elementy poprawy zarówno jakości i wydajności. Bezpieczny
dostęp do stanowiska operatora zabezpieczonego poręczami, stanowi ważny wkład w tworzenie bezpiecznego środowiska pracy operatorów. System trakcji i napęd Napęd gąsienicowy musi być trwały i powinien wymagać tylko podstawowego utrzymania. Właściwy rozkład masy w maszynie pomaga zapewnić dobrą przyczepność gąsienic. Dla uzyskania najlepszych efektów pracy hydrauliczny system napędowy powinien posiadać proporcjonalną regulację prędkości i system antypoślizgowy.
(Na ogół 1,2-1,5
Uchwyty z systemem szybkiej wymiany są ważne dla skrócenia czasu wymiany frezów.
80
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Dobrze zaprojektowany panel sterowania powinien zapewniać bezpieczny i ergonomiczny dostęp do wszystkich funkcji, zapewniając komfortową i efektywną pracę operatora.
5)
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Podajniki taśmowe Podajnik z rozładunkiem do przodu, który może być podnoszony i opuszczany oraz przesuwany na boki, umożliwia operatorowi pełną elastyczność współpracy z ciężarówką. Pozwala na pracę z ciężarówką poruszającą się w osi jazdy frezarki, jak i poruszającą się na torze równoległym. Sterowanie joystickiem zapewnia bezpieczne i precyzyjne kierowanie podajnikiem. System zraszania Właściwe chłodzenie frezów i redukcja zapylenia wymaga dużej ilości wody. Wysokociśnieniowy system zraszania wykorzystuje minimalną ilość wody, jednocześnie chłodząc i czyszcząc frezy. Możliwość tankowania wody podczas ruchu maszyny, podobnie
Podajnik przesuwany na boki zwiększa łatwość załadunku wywrotki i poprawia wydajność frezowania.
jak duża objętość zbiorników wody, w znacznym stopniu wpływa na wydajność frezowania. Silnik spalinowy Silnik jest sercem frezarki. Bęben napędzany jest bezpośrednio poprzez paski klinowe, a zespół pomp hydraulicznych zapewnia zasilanie układu napędowego, niwelacji i innych funkcji. Ważne jest niskie zużycie paliwa i niski poziom hałasu. Silnik musi spełniać wszelkie krajowe i międzynarodowe normy emisji. Dostępność do punktów serwisowych powinien być łatwy i bezpieczny.
Obliczenia wydajności Osiągnięcie 100% wydajności jest praktycznie niemożliwe bez względu na rodzaj sprzętu budowlanego. Dotyczy to również frezarek na zimno. Wynika to z liczby zaplanowanych i nieregularnych przerw (uzupełniania wody / paliwa, wymiany frezów, oczekiwania na ciężarówki, ruchu itp). Z tego powodu wydajność teoretyczna musi być pomnożona przez współczynnik sprawności fe. Zazwyczaj współczynnik fe osiąga 80% przy dużych zadaniach autostradowych i jest ograniczony do 40% przy pracach miejskich. fe =
Wydajność rzeczywista Wydajność teoretyczna
(Na ogół 0,4-0,8)
Powierzchnia:
Qs = W x v x 60 x fe (m2/h)
Objętość wbudowana:
Qbv = W x v x 60 x fe x D (m3/h)
Objętość luźna:
Qlv = W x v x 60 x fe x D x fs (m3/h)
Masa:
Qw = W x v x 60 x fe D x j (ton/h)
Gdzie:
Należy ponadto zauważyć, że objętość luźnego, sfrezowanego materiału jest większa niż objętość materiału wbudowanego, przed frezowaniem. Określa to współczynnik zwiększenia objętości fs. fs =
Podane poniżej wzory są przydatne przy obliczaniu wydajności i oceny dziennej lub godzinowej produktywności, z uwzględnieniem rzeczywistych parametrów efektywności i zwiększenia objętości.
Objętość luźna
W − szerokość robocza (m)
v −
D − głębokość frezowania (m)
prędkość robocza (m/min)
fe − współczynnik wydajności
fs − współczynnik zmiany objętości
(zazwyczaj pomiędzy 0,4 i 0,8) (zazwyczaj pomiędzy 1,2 i 1,5)
Objętość wbudowana
Objętość przed frezowaniem ma gęstość bliską gęstości nawierzchni (j). Dla mieszanki mineralno-asfaltowej, j wynosi średnio około 2350 kg/m³. Jako prędkość pracy przyjmuje się średnią prędkość godzinową, ale wyrażoną w m/min (v x fe). Oznacza to, że wysoka produktywność definiowana jest przez wysoką i stałą prędkość pracy, przerywaną rzadko krótkimi przystankami, poprawiającymi współczynnik efektywności.
j − gęstość wbudowana (zazwyczaj 2,35 t/m3)
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
81
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Istotne cechy
sprzętu do rozkładania mieszanek mineralno-asfaltowych
Wybór właściwej rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych jest podstawą pomyślnego przebiegu operacji rozkładania. Wybór oparty jest przede wszystkim o takie parametry jak: szerokość robocza, stan powierzchni, wymagana zwrotność, rodzaj rozkładanego materiału itp. Jakość rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych i jej osiągi są równie ważne. Konstrukcja i skuteczność głównych podzespołów i układów, np. deski rozkładającej, dystrybucji materiału i układu napędowego, powinny być starannie ocenione, gdyż ostatecznie to one zadecydują o możliwościach i wydajności rozkładarki. Niniejszy rozdział dostarcza podstawowych informacji na temat istotnych cech, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze sprzętu do rozkładania.
82
Ciągnik
Podwozie
Napęd
Rozkładarki na gąsienicach Rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych powinny mieć oddzielny napęd każdej gąsienicy dla zapewnienia dobrej zwrotności oraz elektroniczny układ synchronizujący te napędy, dla umożliwienia maszynie ruchu po prostej. (Potrzeba ta zależna jest od długości gąsienicy).
ISTOTNE DANE: Rozkładarki na gąsienicach • Ciężar roboczy • Ciężar ciągnika • Ciężar deski • Wymiar gąsienic (długość x szerokość) Rozkładarki na gąsienicach • Ciężar roboczy • Ciężar ciągnika • Ciężar deski • Wymiar gąsienic (długość x szerokość)
Rozkładarka mieszanek mineralnoasfaltowych musi być w stanie poradzić sobie z warunkami, jakie mogą prawdopodobnie wystąpić na budowie. Cecha ta w dużym stopniu zależy od tego, czy ciągnik posiada gąsienice, czy też jest na ogumionych kołach. Wybór między tymi dwoma rozwiązaniami uzależniony jest od szeregu warunków:
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
Rozkładarki na kołach Dwie przednie osie na wspólnym łożysku zwiększają zdolność ciągnika do samopoziomowania. Dobra siła pociągowa zależy od prawidłowego rozłożenia ciężaru i ciśnienia kontaktowego z podłożem. Dodatkowy napęd przednich kół może zwiększyć siłę pociągową nawet do 25%. Układ antypoślizgowy (Anti-Spin Control) może być sterowany hydraulicznie lub elektronicznie za pomocą czujników obciążenia. System ten pozwala uniknąć utraty przyczepności na wszystkich powierzchniach i w warunkach zmieniającego się obciążenia.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Powierzchnia Jeżeli rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych pracują na niezwiązanych materiałach, lepsze są gąsienice od kół, gdyż zapewniają większą siłę pociągową. Rozkładarki na kołach są szybsze i łatwiejsze w transporcie od rozkładarek na gąsienicach i często są preferowane do pracy na twardych powierzchniach.
Rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych na gąsienicach stosowane są do dużych szerokości, wynoszących bez mała 10 m dla desek teleskopowych i 14 m dla desek stałych.
Szerokość robocza Przy pracy z dużymi szerokościami roboczymi ważna jest siła pociągowa z uwagi na znaczne siły działające na deskę. Ogólnie, gąsienice zapewniają większą siłę pociągową niż koła. Zakładając, że rozkładarka mieszanek mineralno-asfaltowych pracuje w normalnych warunkach, maszyny z dwoma napędzanymi kołami mogą być stosowane do szerokości 6-7 m, maszyny z napędem na cztery koła do szerokości 8 m (w zależności od ciężaru deski), a maszyny na gąsienicach do szerokości 10 m i więcej. Rozkładany materiał Rodzaj rozkładanego materiału ma również wpływ na wymaganą wielkość siły pociągowej. Podczas gdy mieszanki mineralno-asfaltowe w temperaturach powyżej 150 °C cechuje stosunkowo duża zdolność przepływu, to zimne mieszanki mineralno-asfaltowe i stabilizowane (czy niezwiązane) mieszanki podbudów z kruszyw wykazują większe wewnętrzne opory i tym samym wymagają większej siły pociągowej.
Dla rozkładarek na kołach szerokość rozkładania jest ograniczona. Rozkładarki z napędem na jedną oś mogą pracować szerokością do ok. 6,6 m, podczas gdy w modelach z napędem na cztery lub sześć kół, szerokość wzrasta do, odpowiednio, 7,5 lub 9 m.
Rodzaj deski Ze względu na to, że wszystkie ciężkie deski wymagają większej siły pociągowej od lekkich desek, to rodzaj deski (teleskopowa, stała, ubijaki, wibracja, itp.) powinien być określony przed wyborem ciągnika.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
83
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Rozkładarka na kołach łatwo przemieszcza się z budowy na budowę po drogach publicznych.
Transport ISTOTNE DANE: • Ciężar transportowy • Całkowita szerokość • Całkowita długość • Całkowita wysokość • Prędkość przejazdowa
Do przewozu rozkładarek gąsienicowych między budowami potrzebne są naczepy niskopodwoziowe, podczas gdy rozkładarki na kołach mogą przemieszczać się samodzielnie, pod warunkiem, że następna budowa znajduje się w rozsądnej odległości i że cechuje je stosunkowo duża prędkość transportowa. Przejazd na własnych kołach obniża koszt transportu. Rozkładarki na kołach osiągają prędkości do 20 km/godz., podczas gdy większość maszyn na gąsienicach przemieszcza się znacznie wolniej (do ok. 4 km/h). Oznacza to, że rozkładarki na kołach są szybsze na budowie i mogą szybko przemieścić się z jednego końca odcinka na drugi, aby znowu rozpocząć rozkładanie.
84
Silnik ISTOTNE DANE: • Producent i model • Moc znamionowa przy ...... • Pojemność zbiornika paliwa • Układ chłodzenia • Standard emisji
Jak w przypadku każdej maszyny budowlanej, silnik rozkładarki powinien zapewnić moc w sposób ekonomiczny. Powinien być uznanej marki, aby części zapasowe były łatwo dostępne. Na dużych robotach wymagany jest silnik wystarczająco duży, który wytrzyma natężenie ciągłej pracy przez wiele godzin. Silniki chłodzone wodą są mniej hałaśliwe z uwagi na posiadany płaszcz wodny. Ponadto, lepiej spełniają wymagania środowiskowe co do poziomu emisji spalin. Bardzo ważnym parametrem jest niskie zużycie paliwa. Przydatne są systemy hydrauliczne zapewniające maszynie pełną funkcjonalność nawet w sytuacji, kiedy silnik nie pracuje na pełnych obrotach. Takie systemy mogą w pełni automatycznie ustawiać prędkość obrotową silnika zgodnie z rze-
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
czywistym zapotrzebowaniem maszyny na moc. Mogą również być sterowane ręcznie pozostawiając operatorowi możliwość wyboru właściwych obrotów silnika dla zapewnienia wystarczającej mocy wyjściowej.
System dystrybucji materiału
ISTOTNE DANE: • Pojemność kosza • Ilość przenośników • Średnica ślimaka • Wydajność przepływu
Przepływ materiału Płynny, nieprzerwany przepływ materiału przez rozkładarkę mieszanek mineralno-asfaltowych jest warunkiem wstępnym skutecznego rozkładania. Układ dostarczania materiału musi zapewniać stałą dostawę od samochodu do deski. Należy rozważyć trzy główne podzespoły: kosz, układ przenośnika i układ ślimaka. Kosz Ważna jest wielkość kosza. Duże kosze mogą przyjąć większe ilości mieszanki,
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Materiał jest transportowany za pomocą przenośnika z kosza na ślimak z tyłu maszyny. Ślimak powinien utrzymywać stały poziom materiału przed deską. Kierunek obrotów każdej połówki ślimaka jest niezależny pozwalając na przemieszczanie materiału w różnych kierunkach.
co wydłuża czas schładzania mieszanki. Ponadto duży kosz umożliwia ciągłą pracę rozkładarki podczas wymiany samochodów dostarczających mieszankę. Kosz powinien być starannie zaprojektowany, aby umożliwiał płynny przepływ mieszanki w dół, na przenośniki. Muszą być wyeliminowane „zimne narożniki”, gdyż bryły mieszanki mogą zniszczyć warstwę asfaltową, gdy opuszczą kosz i trafią do układu przenośników. Skrzydła powinny zamykać się i otwierać, ułatwiając wymianę mieszanki w koszu. Niezależnie sterownie skrzydeł umożliwia pracę w ograniczonych przestrzeniach, np. wzdłuż ścian itp. Przenośniki Zadaniem przenośników zgrzebłowych jest przemieszczenie mieszanki z kosza do tyłu maszyny, przed deskę rozkładającą. Rozkładarka mieszanek mineralno-asfaltowych posiada jeden lub dwa przenośniki, w zależności od wielkości rozkładarki. Duże rozkładarki pracujące z wysoką wydajnością rozkładania wymagają dwóch przenośników. Prędkość i wielkość przenośników, a także przekrój poprzeczny tunelu decydują o wydajności rozkładarki. Wydajność
przepływu zdefiniowana jest jako maksymalna ilość materiału przemieszczonego z kosza do tyłu rozkładarki w określonym czasie. Zwyczajową jednostką miary tej wielkości jest wydajność rozkładania wyrażona w tonach na godzinę. W nowoczesnych układach podawania materiału, oba przenośniki pracują niezależnie od siebie. Pracują one również niezależnie od układu przenośnika ślimakowego. Dlatego też, każdy przenośnik ma oddzielny układ napędowy. Ponieważ prędkość przenośników jest nadzorowana i sterowana automatycznie układem proporcjonalnym, nie są konieczne zasuwy wyładunku (zasuwy przepływu). Układ ślimaka Układ ślimaka (przenośnik ślimakowy) rozdziela mieszankę przed czołem deski, równo i w sposób ciągły. Zasadniczo występują dwa typy układów ślimakowych: tradycyjny typ napędzany centralną jednostką przekładni oraz typ posiadający dwie jednostki napędowe na zewnętrznych krańcach ślimaków. Oba rozwiązania mają różne zalety. Ślimak napędzany centralnie jest prostszy w utrzymaniu. W ślimakach z napędem na krańcach nie występują żadne
przeszkody, utrudniające swobodny przepływ materiału. Oba rozwiązania dają dobre wyniki pod warunkiem, że centralna przekładnia napędowa jest bardzo wąska. Prędkość ślimaka powinna być sterowana proporcjonalnie i automatycznie dopasowywana przez wyłączniki krańcowe, lub bezdotykowe czujniki ultradźwiękowe, coraz częściej stosowane do sterowania prędkością ślimaka. Wydajność ślimaka zależy od jego średnicy, rozstępu piór oraz maksymalnej prędkości obrotów na minutę. Układ przenośnika ślimakowego powinien dać się łatwo podnosić i obniżać pozwalając na optymalny przepływ materiału dla różnych grubości warstw. Prawidłowa wysokość jest warunkiem wstępnym stałej i stabilnej pozycji deski, co wpływa na równość i wysokość rozkładania. Najniższy punkt ślimaka powinien znajdować się powyżej płyty deski, w odległości równej pięciokrotnemu wymiarowi maksymalnego ziarna kruszywa. Regulacja powinna być szybka i prosta. Równie przydatne są mechanizmy zapadkowe, czy sterowanie hydrauliczne.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
85
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Wydajność Wydajność jest przede wszystkim zależna od dostawy mieszanki do rozkładarki. Ciągła dostawa materiału oznacza możliwość rozkładania dużych ilości materiału. Wydajność rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych określona jest przez szerokość rozkładania, grubość warstwy oraz średnią prędkość rozkładarki.
Deski rozkładające ISTOTNE DANE: • Typ deski: – Ubijaki – Wibracja – Ubijaki i wibracja • Stała/ teleskopowa • Ciężar deski • Układ grzania
Deska jest najważniejszą częścią rozkładarki, a właściwie jest głównym jej narzędziem. Części zużywające się Wszystkie części, które mają styczność z mieszanką podczas rozkładania ulegają
zużyciu, dlatego powinny być wykonane z materiałów wysokiej jakości. Dolne płyty, zespół ubijaków, łańcuchy i zgrzebła przenośnika, a także pióra ślimaka zużywają się szybko, ponieważ ciągle stykają się z mieszanką. Prędkość, z jaką ulegają zużyciu zależy od jakości stali i oczywiście, rodzaju i ilości materiału przechodzącego przez rozkładarkę. Układ grzania Stosowane są trzy podstawowe rozwiązania grzania deski: palniki na olej napędowy, palniki gazowe i grzejniki elektryczne. Podgrzewanie gazowe jest czystsze niż olejowe i wymaga mniej skomplikowanych technologii. Układy gazowe powinny zawierać awaryjne urządzenie zabezpieczające, chroniące pracowników przed ryzykiem wybuchu. Układ grzania elektrycznego wymaga dodatkowej prądnicy, co pociąga za sobą dodatkowe koszty. Niemniej grzanie elektryczne jest dogodne i prawie tak szybkie, jak inne systemy. Układ grzania na gaz rozgrzewa deskę w ciągu 20-30 minut, układy elektryczne potrzebują 30-45 minut, aby rozgrzać deskę do temperatury roboczej. Kontrola temperatury jest równie prosta w obu
Sztywność deski w wysuniętej pozycji ma zasadnicze znaczenie dla jakości rozkładania. Bez mocnego układu teleskopowego, deska ma tendencje do zwisania, zwłaszcza na końcach.
86
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
systemach. Wybór układu może przede wszystkim zależeć od rodzaju dostępnego paliwa. Gaz nie zawsze jest łatwo dostępny, podczas gdy zapewnione być muszą nieprzerwane dostawy oleju napędowego do poruszania rozkładarki. Można ustawiać dowolną wartość temperatury. Tym niemniej, dla uniknięcia ryzyka przegrzania, temperatura grzejnika deski powinna być sterowana termostatycznie w granicach określonego przedziału. Deska o stałej szerokości Jak wskazuje nazwa, deski o stałej szerokości nie mogą być hydraulicznie poszerzane; wymagają montowanych mechanicznie modułów poszerzających dla umożliwienia pracy z szerokością większą niż podstawowa. Mocowanie i regulacja poszerzeń zajmuje czas; chociaż, z reguły, deska o stałej szerokości ustawiana jest na jedną szerokość roboczą, przy której wykonuje pracę. Jeżeli należałoby pracować z różnymi szerokościami, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie deski teleskopowej. Teleskopowe deski rozkładające Teleskopowa deska rozkładająca pozwala operatorowi na zmianę szerokości rozkładania jednym dotknięciem przełącznika podczas pracy, dzięki czemu unika się czasochłonnego dobudowywania segmentów poszerzających. Obecnie większość rozkładarek mieszanek mineralno-asfaltowych wyposażona jest w deskę teleskopową. Deski w wysuniętej pozycji muszą być wystarczająco sztywne, aby zapewnić właściwą grubość warstwy na całej szerokości rozkładania. Rozkładanie dużymi szerokościami (do 9,7 m) wymaga skutecznego układu prowadzenia i podtrzymania hydraulicznie sterowanych poszerzeń. Regulacja położenia teleskopowych poszerzeń względem deski głównej powinna być szybka i prosta, nie powinna wymagać specjalnych narzędzi oraz możliwa do wykonania podczas rozkładania.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
1
2
3
Ubijak
Płyta dolna
Dodatkowy element zagęszczający
Na jakość rozkładania główny wpływ ma sztywność deski i stan elementów zużywających, jak np. ubijak (1), płyta dolna (2) czy też dodatkowy element zagęszczający (3). Ten ostatni znajduje się wyłącznie w deskach podwyższonego zagęszczenia.
Zdolność rozkładania ISTOTNE DANE: a) Deska z ubijakami • Ciężar deski • Powierzchnia kontaktu ubijaków • Amplituda (skok ubijaka) • Częstotliwość b) Deska wibracyjna • Ciężar deski •P owierzchnia kontaktu dolnej płyty • Amplituda • Częstotliwość
Deski mogą być wyposażone w układ ubijaków, układ wibracji, lub połączenie obu tych układów. Zdolność rozkładania deski zależy przede wszystkim od: • Ciężaru deski i powierzchni kontaktu ubijaków i dolnej płyty • Prędkości rozkładania • Częstotliwości i amplitudy ubijaków i/ lub elementów wibracyjnych, • Stanu ubijaków (obrys ubijaka i wymiary), • Stanu płyty deski.
Ciężar deski i powierzchnia kontaktu Dla uzyskania pożądanego zagęszczenia wstępnego oraz jednorodnej, równej powierzchni, ostre mieszanki mineralno-asfaltowe, a także mieszanki stabilizowane oraz podbudowy z niezwiązanych kruszyw, wymagają stosunkowo ciężkich desek. I przeciwnie, stosunkowo lekkie deski powinny być stosowane na niestabilnych, wrażliwych mieszankach mineralnoasfaltowych, na których występuje ryzyko zagłębiania się deski w warstwie. Prędkość rozkładania Prędkość rozkładania ma wpływ na wielkość zagęszczenia wstępnego. Im wyższa prędkość, tym niższa uzyskana gęstość. Wąska powierzchnia kontaktu ubijaków uniemożliwia rozkładanie z dużymi prędkościami. W miarę wzrostu prędkości rozkładarki, maleje ilość uderzeń ubijaków na jednostkę powierzchni i w konsekwencji maleje zdolność ubijaków do „podawania” mieszanki. Zbyt duża prędkość w porównaniu z pracą ubijaków - może powodować powstawanie nierównej powierzchni o złej teksturze. Limit prędkości w konkretnym przypadku, zależy
od szerokości ubijaków i częstotliwości ich pracy. Deski wibracyjne z dużą powierzchnią kontaktu pozwalają na rozkładanie z większymi prędkościami. Deski podwyższonego zagęszczenia wymagają prędkości w zakresie 2-4 m/min dla osiągnięcia właściwego efektu zagęszczenia wstępnego. Częstotliwość i amplituda Ubijaki pracują z pionowym skokiem (równym podwójnej amplitudzie) 4-6 mm i roboczą częstotliwością w zakresie 500-1500 drgań/min (8-25 Hz). Wibracje deski pracują z niższą amplitudą oraz wyższą częstotliwością (do 3000 drgań/min/50 Hz). Stan ubijaków i elementów wibracyjnych Nowe ubijaki czy elementy wibracyjne, w połączeniu z nowymi płytami deski, w sposób oczywisty gwarantują uzyskanie najlepszego zagęszczenia wstępnego i równości powierzchni. Na przykład jeżeli zużyte są ubijaki, to ilość dostarczanego materiału będzie się zmieniała wzdłuż szerokości deski i w efekcie mogą powstawać ślady „ciągnięcia” oraz otwarta tekstura.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
87
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Układ dociążenia deski Niekiedy przydatny może być układ dociążania deski. Układ przekazuje część ciężaru ciągnika na deskę za pośrednictwem siłowników podnoszących deskę. Powoduje to dodatkowe obciążenie deski, co umożliwia uzyskanie pożądanego poziomu po długiej przerwie w rozkładaniu. W przeciwnym razie deska byłaby podniesiona przez schłodzoną mieszankę, o zmniejszonej podatności na zagęszczanie. W rezultacie, na układanej warstwie powstałaby nierówność.
Układy poziomowania deski Sterowanie poziomem Ramiona holujące deski przymocowane są do hydraulicznych siłowników niwelacji, które sterują poziomem deski. Cylindry mogą być wysunięte lub wciągnięte za naciśnięciem przełącznika. Położenie punktu holowania wpływa na grubość warstwy. Układ zatrzymania deski Zawsze powinna istnieć możliwość zablokowania położenia deski, aby zapobiec jej zagłębianiu się w warstwie podczas zatrzymania się rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych. Nowoczesne rozkładarki mają hydrauliczny układ zatrzymania deski. Blokuje on automatycznie siłowniki podnoszące deskę w momencie zatrzymania się rozkładarki podczas operacji rozkładania. Gdy rozkładarka wznawia pracę, siłowniki są odblokowane. Układ odciążenia deski Rozkładarka powinna być wyposażona w układ odciążenia deski, który zapobiega zagłębianiu się deski podczas rozkładania bardzo podatnych materiałów. Układ przenosi część ciężaru deski na ciągnik, za pośrednictwem siłowników podnoszących deskę. Siłowniki przekazują desce dodatkowe podparcie, co pomaga utrzymać pożądany poziom rozkładania. Układ odciążenia deski służy również do poprawy trakcji maszyny kołowej przenosząc część ciężaru deski na tylne koła napędowe.
88
Zintegrowany układ nanoszenia warstwy szczepnej Rozkładarka mieszanek mineralno-asfaltowych ze zintegrowanym zbiornikiem lepiszcza asfaltowego, może wykonywać jednocześnie warstwę szczepną i rozkładać mieszankę mineralno-asfaltową. Rozkładarki tego rodzaju przydatne są w drogowych robotach utrzymaniowych, gdzie wykonuje się cienkie warstwy ścieralne (grubość warstwy = 1,5 maksymalnego wymiaru ziarna). Układy automatycznego poziomowania Precyzyjne rozkładanie wymaga nowoczesnych układów elektronicznych, które automatycznie sterują grubością warstwy. Występują dwa główne układy: czujnik grubości, który pomaga utrzymać grubość rozkładania (tym samym równość powierzchni) oraz czujnik pochylenia, który sprawdza spadek poprzeczny warstwy. W sytuacji braku powierzchni odniesienia dla układu niwelacji, dla zapewnienia właściwej równości podłużnej rozkładanej warstwy, stosuje się linkę do współpracy z czujnikami grubości. Elektroniczny czujnik grubości Czujnik grubości, pracujący w nawiązaniu do powierzchni odniesienia, automatycznie utrzymuje wysokość deski i grubość warstwy materiału. Dla uzyskania najlepszych rezultatów, powierzchnia odniesienia powinna być bardzo równa. Najczęściej stosowane są bezdotykowe czujniki ultradźwiękowe, skanujące powierzchnię odniesienia. Gdy
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
dostępna jest powierzchnia odniesienia, taka jak krawężnik, do określania zmian wysokości może być zastosowana krótka łyżwa kontrolna (około 30 cm). Krótkie łyżwy stosowane są również przy rozkładaniu nowego pasa, równolegle do pasa istniejącego. Długie łyżwy kontrolne (między 3 a 9 m) stosuje się, gdy istniejąca powierzchnia nie jest zupełnie równa. Przejeżdżając nad wybrzuszeniami i zagłębieniami, uśredniają podłużne błędy w rozkładanej warstwie. Dlatego też znane są pod nazwą łyżew uśredniających. Ultradźwiękowa listwa uśredniająca (Big Ski) może mieć długość do 13 m. Czujnik grubości może również pracować w nawiązaniu do linek. Są one montowane, gdy nie jest dostępna dokładna powierzchnia odniesienia, np. podczas budowy nowych dróg. Układy laserowe mogą być stosowane na otwartych przestrzeniach, takich jak: parkingi, place zabaw, pasy startowe. Elektroniczny czujnik pochylenia Czujnik pochylenia utrzymuje żądany prawy i lewy spadek poprzeczny warstwy podczas operacji rozkładania. Wykrywa odchylenia deski od założonego spadku poprzecznego i generuje konieczne sygnały, aby odtworzyć pierwotne ustawienia. Czujnik pochylenia pracuje w odniesieniu do deski i zamocowany jest przy pomocy mechanicznego układu łączącego do lewej i prawej krawędzi deski. Układy komputerowego poziomowania Skomputeryzowane układy poziomowania znane są pod różnymi nazwami firmowymi. Stosowanie ich wymaga wykwalifikowanego personelu wśród zespołu rozkładającego oraz dobrej współpracy kierownictwa robót z zespołem geodetów. Układy skomputeryzowane wykorzystują powierzchnię podłoża jako powierzchnię odniesienia dla czujników grubości. Grubość warstwy jest obliczana na podstawie określonej wysokości punktów odniesienia znajdujących się na podłożu i projektowanej wysokości warstwy ścieralnej. Przed rozpoczęciem robót należy ustalić gdzie będą wyznaczone punkty wysokościowe względem osi drogi.
Istotne cechy sprzętu do zagęszczania, rozkładania i frezowania mieszanek mineralno-asfaltowych
Systemy 3D Systemy 3D pracujące w oparciu o cyfrowe dane projektowe mogą być stosowane do sterowania procesem rozkładania wszędzie tam, gdzie wymagania dotyczące jakości są najwyższe. Pozycjonowanie maszyny odbywa się za pomocą systemów nawigacji satelitarnej (GNSS) i laserów. Do pozycjonowania używa się również zautomatyzowanych tachimetrów (total station).
Cechy ogólne Bezpieczeństwo Wszystkie otwarte powierzchnie powinny być wyposażone w poręcze, zapobiegające wypadnięciu operatora. Osłony zabezpieczające powinny być zamontowane nad ślimakami, aby nic nie mogło wpaść do układu. Pokrywy deski i pomostu powinny mieć dobre zabezpieczenie przed poślizgiem. Zabezpieczone przed awarią systemy grzewcze zapobiegają ryzyku wybuchu i możliwości wypadku z udziałem obsługi. Rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych na kołach muszą posiadać, oprócz głównego hydrostatycznego układu hamulcowego, hamulec ręczny oraz awaryjny hamulec nożny. Komfort operatora Rozkładanie może być żmudną pracą. Im bardziej operator czuje się wygodnie i jest odprężony, tym lepiej wykona swoją pracę.
Zespół przyrządów do sterowania musi być łatwo dostępny. Konsola sterowania powinna się łatwo przesuwać w poprzek pomostu, zapewniając operatorowi widoczność we wszystkich kierunkach. Dla skutecznego rozkładania, ważny jest wyraźny widok ciężarówki dostarczającej materiał, ślimaków i deski. Automatyczne sterowanie podawaniem materiału odciąża operatora i pozwala mu skoncentrować się na kierowaniu rozkładarką i popychaniu samochodu. Zapewnia również płynne zmiany samochodów. Tym niemniej – w razie potrzeby, musi istnieć możliwość przełączenia na sterowanie ręczne. Siedzenia powinny być wygodne i łatwo dopasowujące się do wysokości i budowy ciała operatora. Dostępność Dostępność rozkładarki mieszanek mineralno-asfaltowych jest funkcją całkowitej jakości maszyny. Wysoka jakość wynika z odporności na zużycie deski rozkładającej, ślimaka i łańcuchów przenośników, możliwości silnika i hydrauliki do wytrzymania obciążeń wynikających z dużej ilości rozłożonej mieszanki, jak również bliskości serwisu gwarantującego dobre wsparcie oraz części zapasowe. Dostępność podnosi się, gdy producent stosuje dobrze znane elementy w całej rozkładarce. Proste dojście do części zamiennych podnosi dostępność maszyny.
Nowoczesne zespoły kierowania z ciekłokrystalicznymi ekranami oraz sterowaniem PLC, zapewniają sterowanie w czasie rzeczywistym, zabezpieczenie na wypadek awarii oraz mniejszą ilość postojów.
Uniwersalność Uniwersalność zależy od rodzaju stosowanej deski oraz zdolność rozkładarki do pracy z różnymi materiałami. Na przykład, deska teleskopowa jest o wiele bardziej uniwersalna od deski stałej, gdyż może rozkładać mieszankę wokół przeszkód. Zawsze będzie bardziej przydatna maszyna, która jednego dnia rozkłada podbudowę, a następnego równą warstwę ścieralną, a także może pracować szerokością 4 m na jednej budowie oraz 7 m na drugiej. Utrzymanie i obsługa Codzienne utrzymanie jest ważne dla utrzymania sprawności rozkładarki. Smarowanie, sprawdzenie poziomu płynu hydraulicznego oraz oleju, a także spryskiwanie środkiem czyszczącym musi być jak najłatwiejsze, co zachęca do wykonywania tych czynności. Z tego względu bardzo pomocne są: centralny układ smarowania, łatwo usuwalne boczne płyty i pokrywy pomostów, łatwy dostęp do spustów oleju oraz łatwo czytelne wskaźniki poziomu płynów.
Składane pokrywy i usuwalne boczne płyty oznaczają proste utrzymanie oraz krótsze postoje.
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
89
Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
90
atlas copco | Zagęszczanie, rozkładanie i frezowanie
atlas copco | ZagÄ&#x2122;szczanie, rozkĹ&#x201A;adanie i frezowanie
91
PMI 3492 0270 14
92
atlas copco | ZagÄ&#x2122;szczanie, rozkĹ&#x201A;adanie i frezowanie