Библиотечный каталог авторефератов Украины

міністерство освіти і науки україни

національний транспортний університет

Ладиженський Ігор Сергійович

удк 625.02:625.852.061

Підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок використання синтетичних сіток

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник:                        доктор технічних наук, професор

Мозговий Володимир Васильович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою дорожньо-будівельних матеріалів і хімії.

Офіційні опоненти:                        доктор технічних наук, професор

Савенко В’ячеслав Якович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою будівництва та експлуатації доріг.

кандидат технічних наук, професор

Прусенко Євген Дмитрович, начальник Управління науково-технічної політики Державної служби автомобільних доріг України.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка”, кафедра „Автомобільні шляхи” Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться ”11” березня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова 1, ауд. 333а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розіслано 3 лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук                                                        І.А. Рутковська

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Незважаючи на широке застосування асфальтобетонних шарів у дорожньому будівництві і великий досвід підвищення їх якості, руйнування у вигляді поперечних тріщин при зниженні температури залишаються одними із найбільш поширених. Поява температурних тріщин є джерелом подальшого руйнування як самих асфальтобетонних шарів так і всього дорожнього одягу.

Забезпечення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів є важливою задачею при будівництві вулиць, доріг і аеродромів. Особливу актуальність це питання набуває у зв’язку із збільшеною потребою в реконструкції або ремонті існуючого старого покриття, що вже має поперечні температурні тріщини. В такому випадку швидко з’являються копіюючі температурні тріщини в асфальтобетонних шарах над існуючими тріщинами в основі.

Використання традиційних рішень з покращення якості асфальтобетонних сумішей за рахунок вдосконалення підбору складу, введення в них різних модифікуючих домішок, удосконалення технології приготування не вирішує в повній мірі підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів для забезпечення їх необхідної довговічності.

Виконані наукові дослідження та практичний досвід останніх років показали, що підвищення довговічності асфальтобетону може бути досягнуто шляхом його макроармування із застосуванням синтетичних сіток. Це забезпечує підвищення його міцності на розтяг і покращує здатність сприймати розтягуючі температурні напруження. Завдяки цьому збільшується опір асфальтобетонних шарів розтягуючим напруженням, що сприяє підвищенню їх температурної тріщиностійкості. Механізм роботи армуючих сіток в асфальтобетонних шарах пояснюють наступною схемою – з появою розтягуючих напружень в асфальтобетоні їх починає сприймати, включаючись у роботу, армуюча сітка. Армуюча сітка в асфальтобетонних шарах підвищує опір розтягуючим зусиллям при зміні температури і сприяє підвищенню довговічності.

Однак до цього часу відсутній науково обґрунтований метод розрахунку на температурну тріщиностійкість армованих асфальтобетонних шарів, що не дозволяє цілеспрямовано та ефективно регулювати температурну тріщиностійкість асфальтобетонних шарів.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю вирішення важливої задачі – підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок їх макроармування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Теоретичні основи забезпечення довговічності дорожнього полімерасфальтобетонного покриття транспортних споруд” (д/б № 23 РК 0103U003173); з тематичним планом науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України „Розробити технічні умови на щебенево-мастиковий асфальтобетон на полімербітумному в’яжучому” (д/б № 47 РК 0102U003893).

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розробка методу розрахунку армованих асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість для підвищення довговічності нежорсткого дорожнього одягу.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

• провести аналіз умов роботи асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів;
• розробити аналітичні залежності для оцінки температурної тріщиностійкості армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу;
• визначити розрахункові термореологічні характеристики армованих асфальтобетонних шарів для оцінки їх температурної тріщиностійкості;
• розробити метод розрахунку армованих асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість;

• розробити практичні рекомендації для підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок їх армування.

Об’єкт дослідження – армовані асфальтобетонні шари нежорсткого дорожнього одягу.

Предмет дослідження – температурна тріщиностійкість армованих асфальтобетонних шарів.

Методи дослідження – для досягнення мети застосовувалися загальнонаукові методи дослідження: методи прикладної математики, системний аналіз, математичне моделювання, методи теорії пружності та в’язкопружності, методи оцінки економічної ефективності. Експериментальними методами визначалися необхідні властивості матеріалів та перевірялася достовірність теоретичних рішень.

Наукова новизна отриманих результатів:

• вперше розроблено нові розрахункові схеми роботи армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу для яких вперше встановлено аналітичні залежності, що дозволяють визначити температурні напруження в армованих асфальтобетонних шарах з урахуванням коливання температури на протязі річного та добового циклів.
• удосконалено умову граничного стану армованих асфальтобетонних шарів за температурною тріщиностійкістю з урахуванням кінетики тріщиноутворення по товщині асфальтобетонних шарів та одержані нові закономірності температурного розтріскування армованих асфальтобетонних шарів, розроблено метод їх розрахунку на температурну тріщиностійкість .

Практичне значення одержаних результатів. Використовуючи теоретичні та експериментальні дослідження розроблені прикладні програми для здійснення інженерних розрахунків армованих асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість при проектуванні капітального ремонту, реконструкції чи будівництва автомобільних доріг.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень впроваджені при проектуванні та улаштуванні армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу автомобільних доріг, а також при розробці вимог до матеріалів та армуючих сіток при проектуванні та будівництві автомобільних доріг.

Особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статі, 1 з них – одноосібно [3]. У праці [1] автором обґрунтовано вибір умови граничного стану для оцінки тріщиностійкості асфальтобетонних шарів. У праці [2] визначено температурні напруження в асфальтобетонному покритті та експериментально перевірено достовірність теоретичних рішень. У праці [4] уточнено розрахункові температури при проектуванні нежорсткого дорожнього одягу в містах, на основі чисельного аналізу побудована номограма для визначення поправок до температур.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені: на науковій конференції професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету № 60 в 2004 р.; на міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України”, 30 вересня - 1 жовтня 2004 року, Київ, Україна.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано чотири друковані роботи, всі у фахових виданнях.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 185 найменувань. Основний текст викладений на 109 сторінках. Текст ілюструється 34 рисунками, містить 18 таблиць та 3 додатки.

основний Зміст РОботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень, відмічено основні наукові результати і розглянуто їх практичне значення, цінність та практичне впровадження.

У першому розділі приведено: аналіз особливостей роботи асфальтобетонних шарів в конструкції дорожнього одягу при зниженні температури, огляд і критичний аналіз результатів досліджень методів розрахунку асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість, огляд армуючих матеріалів із синтетичних сіток, що на даний час застосовуються в дорожньому будівництві.

Відомо, що температурні тріщини є одним з основних найпоширеніших видів руйнування дорожнього покриття, утворення таких тріщин сприяє передчасному виходу з ладу  асфальтобетонних шарів та дорожнього одягу в цілому. Для підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів на сьогоднішній день застосовують матеріалознавчі та технологічні заходи. Для дорожнього покриття автомобільних доріг з метою підвищення його температурної тріщиностійкості, головним чином, використовують дорожні бітуми оптимальної в’язкості, раціональні зернові склади, а також асфальтобетон на модифікованому бітумі. Крім того застосовують і спеціальні види асфальтобетону: литий асфальтобетон, щебенево-мастиковий, дренуючий, а також дисперсно-армований асфальтобетон, що знайшли більш широке застосування в зарубіжних країнах. Практика останніх років свідчить, що суттєве підвищення тріщиностійкості асфальтобетону досягається шляхом його макроармування синтетичними сітками.

На Україні досвід застосування макроармування асфальтобетону поки що не значний. Широке застосування армуючих матеріалів на автомобільних дорогах країн зарубіжжя налічується вже більше 30-ти років. Літературні дані свідчать, що тільки в штаті Нью-Йорк (США) використання армуючих матеріалів в дорожніх конструкціях щорічно економить близько 4 млн. доларів. Бельгійські дослідження (Rido J. M.) також показали, що введення між асфальтобетонними шарами армуючого матеріалу значно зменшує виникаючі напруження в асфальтобетоні і дозволяє попередити розповсюдження тріщин із нижніх шарів у верхні шари покриття. В італійських дослідженнях встановлено доцільність полімерного армування асфальтобетонного покриття при наявності тріщин в основі. В Данії запропоновано створювати при ремонті асфальтобетонного покриття автомобільних доріг шар зносу з армованого асфальтобетону. Фірмою “Toe спан бонді” (Японія) розроблено армуючий матеріал, призначений для укладання під асфальтобетонне покриття на розтріскану основу, що зменшує деформацію асфальтобетону. У Ясах (Румунія) проведені дослідження по створенню асфальтобетону, армованого поліамідною сіткою, для підвищення його міцності на розтяг.

Дослідженню тріщиностійкості асфальтобетонного покриття присвячені роботи багатьох учених: Г.С.Бахраха, А.М.Богуславського, Ю.М.Васильєва, Л.Б.Гезенцвея, Л.М.Гоглідзе, М.В.Горєлишева, Л.С.Губача, В.А.Захарова, В.О.Золотарьова, М.М.Іванова, П.Кендла, В.М.Кононова, В.В. Мозгового, К.Монісміта, А.А.Надьожко, М.Найрелдіна, Л.В.Ніжбоєра, Ю.Е.Нікольського, Б.Г.Печеного, М.М.Распопова, Б.С. Радовського, Л.Редера, А.В.Руденського, А.О.Салля, Г.К.Сюньї, Б.Г.Таращанского, Д.Хілса, В.А.Чернігова, М.Шаніна, І.П.Щульгінського, Ж.Юдрона, І.К.Яцевича та ін.

Завдяки дослідженням цих учених встановлено, що температурні тріщини виникають від діючих в матеріалі розтягуючих напружень, обумовлених зміною температури. Ці напруження сприяють розриву зв'язків в асфальтобетоні аж до утворення макротріщин.

Аналіз робіт, присвячених дослідженню тріщиностійкості дорожнього покриття, свідчить, що на утворення тріщин в покритті при коливаннях температури суттєвіший вплив надають такі фактори: розтягування матеріалу покриття над швами або тріщинами тріщинувато-блочної основи; неоднакова температурна зміна розмірів складових компонентів асфальтобетону через відмінність їх термомеханічних властивостей.

На теперішній час розроблено ряд пропозицій з підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу. Ці пропозиції можна розділити на дві основні групи: заходи, пов'язані з регулюванням властивостей матеріалу шару, і заходи, направлені на раціональне конструювання дорожнього одягу з метою поліпшення умов роботи шару при зміні температури. Проте, багато з методів, що пропонувалися для підвищення температурної тріщиностійкості не дозволили отримати позитивні очікувані результати. Одним із основних недоліків вважають відсутність науково обґрунтованого методу розрахунку саме армованих матеріалів. До цього часу також не розроблено і методів конструювання з точки зору забезпечення температурної тріщиностійкості. Тобто незважаючи на широке використання армуючих сіток в дорожньому будівництві та проведені дослідження, до цього часу не розроблено методу з розрахунку армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу на температурну тріщиностійкість. Це свідчить про необхідність розробки такого методу з метою забезпечення температурної тріщиностійкості асфальтобетонних шарів і на основі цього підвищення довговічності всієї конструкції дорожнього одягу.

У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень щодо розробки методу розрахунку армованих асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість для підвищення довговічності нежорсткого дорожнього одягу.

При проведенні теоретичних досліджень були розроблені розрахункові схеми роботи армованих асфальтобетонних шарів автомобільних доріг. При виборі розрахункової схеми роботи армованих асфальтобетонних шарів виходили з найбільш несприятливих для них умов – появи горизонтальних нормальних розтягуючих температурних напружень при зміні температури. Приймали до уваги дані багатьох дослідників про те, що основною причиною утворення температурних тріщин в асфальтобетонних шарах є температурні розтягуючі напруження. Вони виникають в результаті невільного скорочення розмірів шарів при їх охолодженні та внаслідок деформування тріщинувато-блочної основи. Розрахункові схеми являють собою необмежену по довжині багатошарову плиту, що опирається на напівпростір (з тертям або без тертя), причому верхні шари плити є суцільними, а нижній шар має розриви суцільності (шви або тріщини). У даному випадку в покритті будуть виникати власні температурні напруження від неможливості його вільного деформування при зміні температури. Вони доповнюються напруженнями, що обумовлені температурними деформаціями плит тріщинувато-блочної основи.

При визначенні температурних напружень при зниженні температури в асфальтобетонних шарах на тріщинувато-блочній основі розглянуто 3 випадки (рис. 1):

• коли шари з основою міцно зчеплені і відсутнє тертя на підстилаючому матеріалі основи (1варіант - рис. 1.а);
• коли є сила тертя між тріщинувато-блочною основою і підстилаючим матеріалом основи, покриття і основа міцно зчеплені між собою (2варіант  - рис. 1.б);
• коли є сила тертя між тріщинувато-блочною основою і підстилаючим матеріалом основи та асфальтобетонними шарами і тріщинувато-блочною основою (3 варіант  рис. 1.в).

В даних розрахункових схемах розглянуто і-ті шари з довільною їх кількістю і взаємним розташуванням та довільними властивостями. Один або декілька з цих шарів можуть бути армовані.

Для запропонованих розрахункових схем роботи армованих асфальтобетонних шарів, з метою визначення температурних напружень, визначали режим зміни температури всіх шарів покриття та основи. При встановленні температурного режиму в і-му асфальтобетонному шарі враховувалася бігармонічна зміна температури при добових і річних коливаннях

,         (1)

де Т0 – середньорічна температура покриття; АС, щС – відповідно амплітуда і кругова частота добових коливань температури поверхні покриття; АГ, щГ – те ж річних коливань температури поверхні покриття; hi – товщина і-го асфальтобетонного шару; аі – коефіцієнт температуропроводності матеріалу і-го асфальтобетонного шару; t – час.

При визначенні температурних напружень в армованих асфальтобетонних шарах використовувалися методи теорії пружності та термов’язкопружності. Вихідні співвідношення зв'язку між напруженням, деформацією, часом і температурою застосовувалися, у першому випадку рівняння закону Гука.

На основі цього закону були визначенні температурні напруження в армованих асфальтобетонних шарах для розроблених розрахункових схем (рис. 1).

а)

б)

в)

Рис. 1. Розрахункові схеми роботи армованих асфальтобетонних шарів:

а – 1 варіант; б – 2 варіант; в – 3 варіант; lп - довжина блоку основи; д – довжина зазору між блоками основи; Р- температурне зусилля в асфальтобетонних шарах від скорочення блоків основи; F – сила тертя між блочною основою і підстилаючим матеріалом основи; Fп – сила тертя між блочною основою асфальтобетонними шарами; N – температурні зусилля в блочній основі при зміні температури; hi – товщина довільного шару з характерними властивостями асфальтобетон армованого чи неармованого синтетичною сіткою.

Наприклад, для першої розрахункової схеми, коли матеріал шарів має пружні властивості залежність для визначення температурних напружень має вигляд

.(2)

де - коефіцієнт лінійного розширення асфальтобетону і-го шару; , Таі,0 – початкова температура асфальтобетону і-го шару; - модуль пружності асфальтобетону і-го шару; - коефіцієнт лінійного розширення блочної основи; , Тб,0 – початкова температура блочної основи; - модуль пружності блочної основи; hi – товщина і-го шару асфальтобетону; hб – товщина основи; - коефіцієнт лінійного розширення асфальтобетону к-го шару, що зруйнувався від дії температурних напружень; , Тк,0 – початкова температура асфальтобетону к-го шару, що зруйнувався; - модуль пружності асфальтобетону к-го шару, що зруйнувався; hк – товщина к-го шару асфальтобетону, що зруйнувався.

При визначенні температурних напружень безпосередньо також розглядали випадок, коли матеріал шарів має термов’язкопружні властивості, які враховують час дії навантаження та вплив температури. Для цього скористалися інтегральними рівняннями лінійної в’язко-пружності спадкоємного типу Больцмана-Вольтера із застосуванням відповідних термов’язкопружних характеристик, таких як функція релаксації і функція температурно-часового зміщення. Так, як асфальтобетон є термов’язкопружним простим матеріалом, до нього можна застосувати температурно-часову аналогію.

Використовуючи такий підхід були визначенні температурні напруження в армованих асфальтобетонних шарах для таких самих найбільш поширених випадків:

- для першої розрахункової схеми коли матеріал шарів має в’язкопружні властивості

.                 (3)

Тут позначено

, а ,

де Н і В – довготривалий і миттєвий модулі пружності і-го шару асфальтобетону відповідно; рі, mі і rі – постійні і-го шару асфальтобетону; - час; - час, який передує моменту спостереження; Кі - швидкість охолодження і-го шару асфальтобетону; Тs,і – температура приведення і-го шару асфальтобетону; індексне позначення відповідає формулі (2).

Для оцінки температурної тріщиностійкості базувались на відомій умові граничного стану використовуючи критерій Бейлі.

.                                (4)

де - міра пошкодженості асфальтобетонного шару; tp – час до руйнування (розтріскування) асфальтобетонного шару; – функція довговічності асфальтобетону; уТ(t) – напруження в асфальтобетоні; Т(t) – температура асфальтобетону; ; СТ – граничне значення показника температурної тріщиностійкості асфальтобетону.

Оскільки характеристики міцності асфальтобетону залежать як від температури так і від часу дії навантаження, проявляючи кінетичний характер руйнувань, то визначали показник сумарної міри тріщиноутворення МТ за час t зміни напруження і температури, що відповідають певному рівню температурних напружень з урахуванням термов’язкопружніх властивостей для відповідного варіанту розрахункових схем

.        (5)

Тут позначено:

• для першого варіанту розрахункової схеми ;
• для другого варіанту розрахункової схеми ;
• для третього варіанту розрахункової схеми ;

ф, - параметри функції довговічності асфальтобетону.

На основі отриманих виразів є можливість з урахуванням заданої довговічності tр, термореологічних властивостей матеріалів і кліматичних умов здійснювати оцінку температурної тріщиностійкості армованих асфальтобетонних шарів.

На основі отриманих результатів теоретичних досліджень розроблено метод розрахунку армованих синтетичними сітками асфальтобетонних шарів на температурну тріщиностійкість. Алгоритм розрахунку показано на (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм розрахунку на температурну тріщиностійкість

армованих асфальтобетонних шарів

У третьому розділі наведені експериментальні дані про температурну тріщиностійкості армованих асфальтобетонних шарів та перевірена достовірність теоретичних рішень.

Для оцінки температурної тріщиностійкості армованих асфальтобетонних шарів необхідно мати дані про термореологічний паспорт, як армованих асфальтобетонних шарів, так і матеріалу основи, тобто знати їх термомеханічні властивості, які застосовані в теоретичних залежностях. До таких властивостей відносяться: коефіцієнти лінійного температурного деформування та теплопровідності, що відображають термодеформативні і термофізичні властивості асфальтобетону, функція релаксації, що характеризує в’язкопружні властивості асфальтобетону; функція температурно-часового зсуву, що відображає вплив температури і часу навантаження на функцію релаксації; функція довговічності, що відображає характер кінетичного руйнування асфальтобетону.

При проведенні експериментальних досліджень визначали та застосовували найбільш розповсюджені склади асфальтобетону нежорстких конструкцій дорожнього одягу – дрібнозернисті, асфальтобетонні суміші типів Б і В непереривчастої гранулометрії марки І на бітумі марок БНД 60/90 і БНД 90/130. Крім того в дослідженнях застосовували мало апробовані в Україні матеріали: полімерасфальтобетон, щебенево-мастиковий та дренуючий асфальтобетон на бітумі модифікованому полімером.

Для проведення досліджень в лабораторних умовах готували необхідні асфальтобетонні суміші, з яких виготовлялися асфальтобетонні зразки. Зразки виготовляли спеціальної конструкції у вигляді паралелепіпедів розміром 4х4х16 см. (рис. 3).

Рис. 3. Схема конструкції армованого асфальтобетонного зразка:

h1:h2 =1,5-2 – при випробуванні зразків на розтяг при згині;

h1:h2 =1 – при випробуванні зразків на одноосьовий розтяг

При виготовленні зразків встановлювали оптимальні параметри застосування армуючих сіток, при яких отримували найкращі показники механічних властивостей армованого асфальтобетону. При цьому варіювали температуру асфальтобетонної суміші, температуру основи та витрати підгрунтовки. При проведенні лабораторних досліджень визначали стандартні фізико-механічні властивості асфальтобетону та показники властивостей армованого асфальтобетону. Для лабораторних випробувань використовували як найбільш поширені синтетичні сітки на основі поліестеру.

Для порівняльного впливу синтетичних армуючих сіток на міцнісні характеристики випробовували одночасно армовані і неармовані зразки при постійній швидкості наростання навантаження та при постійному навантаженні у дослідах на довготривалу міцність. Одночасно на основі отриманих експериментальних результатів розраховували параметри термомеханічних властивостей армованого та неармованого асфальтобетону. В таблиці  показані отримані результати для прикладів армованого та неармованого традиційного асфальтобетону на бітумі марки БНД 90/130, а також для армованого та неармованого полімерасфальтобетону.

Таблиця

Міцнісні показники та термомеханічні характеристики армованого та неармованого  асфальтобетону