|
міністерство освіти і науки україни
національний транспортний університет
Іщенко Олексій Максимович
удк 625.02:625.852.061
Розробка методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг
05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
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, ст. науковий співробітник
Вирожемський Валерій Костянтинович, Державний дорожній науково-дослідний інститут імені М.П.Шульгіна, зам. директора з наукової роботи.
Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг” Міністерства освіти і науки України.
Захист дисертації відбудеться 11.04.2003 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, України, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).
Автореферат розіслано 10.03.2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук О.П. Дзюба
Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи. Асфальтобетонне покриття є найбільш розповсюдженим на штучних спорудах автомобільних доріг. Однак воно часто уражається поперечними тріщинами температурно-усадочного походження. Тріщини стають джерелом подальших руйнувань і призводять до передчасного виходу з ладу як самого покриття, так і елементів споруд. З утворенням тріщин поступово погіршується рівність покриття, знижується безпека і комфортність руху, збільшуються транспортні витрати і витрати на ремонт. Ремонт тріщин є складним, трудомістким і дорогим процесом, супроводжується значними матеріало- і енерговитратами. Причому, виконувані ремонтні заходи не завжди досягають бажаного результату по усуненню тріщин.
В той же час на практиці методи оцінки на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг з урахуванням коливань температури є недосконалими. Нормують лише окремі непрямі показники властивостей асфальтобетону без врахування параметрів температурного режиму, термореологічних властивостей матеріалів і ін. Відзначене вище свідчить про те, що наукова база забезпечення температурної тріщиностійкості при проектуванні, будівництві та експлуатації асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг розроблена недостатньо. Відсутність науково обґрунтованої методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття часто зумовлює передчасне утворення температурних тріщин і, як наслідок, зниження довговічності штучних споруд.
Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю вирішення важливої практичної задачі – підвищення довговічності асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг за рахунок забезпечення його температурної тріщиностійкості.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Розробка основ структурної теорії композитних дорожньо-будівельних матеріалів” (д/б № 8 РК 0100U002990).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення довговічності асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг завдяки розробці методики його розрахунку на температурну тріщиностійкість і на цій основі визначення ефективних заходів підвищення температурної тріщиностійкості покриття.
Для досягнення мети були поставлені такі задачі:
- провести аналіз умов роботи і стану асфальтобетонного покриття на штучних спорудах автомобільних доріг;
- установити аналітичні залежності для визначення температурних напружень та граничного стану асфальтобетонного покриття в зоні між деформаційними швами залізобетонних прогонових будов та на основі цього розробити методику розрахунку покриття на температурну тріщиностійкість;
- визначити на основі експериментальних досліджень і чисельного аналізу характер температурного розтріскування асфальтобетонного покриття на штучних спорудах і установити закономірності його температурної тріщиностійкості;
- на підставі запропонованої методики розробити практичні рекомендації щодо підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.
Об’єкт дослідження – асфальтобетонне покриття дорожнього одягу штучних споруд автомобільних доріг.
Предмет дослідження – температурна тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.
Методи дослідження – загальна методологія дослідження базується на застосуванні експериментально-аналітичного підходу; методи експериментального визначення термомеханічних характеристик асфальтобетону та особливостей температурного розтріскування асфальтобетонного покриття, методи натурних обстежень асфальтобетонного покриття штучних споруд та аналітичний аналіз термонапруженого стану та температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття.
Наукова новизна отриманих результатів:
- вперше одержано аналітичні залежності для визначення температурних напружень в асфальтобетонному покритті на штучних спорудах автомобільних доріг з урахуванням особливостей їх температурного деформування та термореологічних властивостей;
- встановлені нові закономірності температурного розтріскування і забезпечення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.
- удосконалено умову граничного стану асфальтобетонного покриття за температурною тріщиностійкістю з урахуванням агресивної дії антиожеледних реагентів.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг та рекомендації щодо підвищення його температурної тріщиностійкості.
Результати роботи використані: при розробці рекомендацій щодо проектування конструкцій дорожнього одягу проїзної частини мостів та шляхопроводів; при розробці складів асфальтобетону підвищеної температурної тріщиностійкості для покриття мостів та шляхопроводів; при розробці конструкцій дорожнього одягу з асфальтобетонним покриттям підвищеної температурної тріщиностійкості на штучних спорудах автомобільних доріг.
Особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей, 2 з них – одноосібно [1, 7]. У працях [2, 5] визначено заходи з підвищення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття за рахунок застосування синтетичних армуючих матеріалів. У праці [3] автором отримані результати, що дозволили вдосконалити метод визначення модуля пружності асфальтобетону при різних температурах і часу дії навантаження за допомогою маятникового приладу. У праці [4] автором поставлена задача про залежність термонапруженого стану асфальтобетонних шарів від термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону і виконано аналіз отриманих аналітичних залежностей. У праці [6] автором розроблена методика розрахунку термонапруженого стану асфальтобетонного покриття штучних споруд.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету №№ 56-58 в 2000-2002 рр.; ІІІ міжнародній науково-технічній конференції „АВІА-2001”, 24-26 квітня 2001 року, Київ, Україна; на міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві”, 24-26 жовтня 2001 року, Київ, Україна.
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано сім друкованих робіт: 5–у фахових виданнях, 2 – тези доповідей у матеріалах науково-практичних конференцій.
Структура та об’єм дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 167 найменувань. Основний текст викладений на 123 сторінках. Текст ілюструється 32 рисунками, містить 19 таблиць і 5 додатків.
основний Зміст РОботи
У вступі викладено актуальність дисертаційної теми, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів та напрямки впровадження.
У першому розділі наведено аналіз існуючих підходів до оцінки температурної тріщиностійкості та методів розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд, зроблено аналіз існуючих вихідних положень про термореологічні властивості асфальтобетону, що відображають вплив температури на його температурну тріщиностійкість, обґрунтовано шляхи удосконалення існуючих методів оцінки температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд.
Дослідженню тріщиностійкості асфальтобетонного покриття присвячені роботи багатьох учених: І. Айзенмана, А.М.Богуславського, Ю.М.Васильева, В.А. Веренько, В.К. Вирожемського, Д.Б.Гезенцвея, Л.С.Губача, Гшвендта, В.А.Золотарьова, М.М.Іванова, П.Кендла, В.М.Кононова, О.Ю. Мерзлікіна, В.В. Мозгового, К.Моносміта, І.Полячека, Б.С. Радовського, І. Рамадана, А.В.Руденського, В.Я. Савенка, А.О.Саля, Д. Сібільські, Г.К.Сюньї, Л. Френкена, А. Шалбі та ін. Певна частина цих робіт присвячена, також температурній тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на основі з відмінним від покриття коефіцієнтом лінійного розширення. Однак, більшість цих робіт присвячена дослідженню асфальтобетонного покриття безпосередньо автомобільних доріг. Переважна кількість цих досліджень напрямлена на вирішення проблем відображених тріщин.
В багатьох роботах відмічено існування специфічних проблем при експлуатації дорожнього одягу з асфальтобетонним покриттям на штучних спорудах автомобільних доріг. Загальними питаннями вирішення проблеми забезпечення міцності, довговічності мостового полотна з асфальтобетонним покриттям на найбільш розповсюджених залізобетонних штучних спорудах займалися вчені: О.І. Васильєв, Д.Ю. Виноградський, В.К. Жданюк, В.М. Жихарєв, В.Г. Кваша, П.М. Ковальов, М.М. Корнєєв, А.І. Лантух-Лященко, Ч. Лі, Я.Д. Лівшиць, М.П. Лукін, Й.Й. Лучко, В.Б. Назаренко, В.Г. Піскунов, Ю.Д.Руденко, І.Д.Сахарова, Н.Є. Страхова, Г.К. Сюньї, Р.Томпсон, Г.Б. Фукс, В.І. Шестериков, О.А. Шкуратовський та ін. При цьому головним чином питаннями тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на мостах та шляхопроводах займалися в зоні деформаційних швів. Слід відмітити, що дослідженням температурної тріщиностійкості покриття в зоні між деформаційними швами майже не займалися. До останніх років існувало припущення про незначну вірогідність виникнення температурних тріщин в покритті на мостах та шляхопроводах і, як наслідок, не було розроблено жодного нормативного документу, який би давав можливість проектувати покриття з урахуванням температурної тріщиностійкості. Результатом цього, як свідчить літературний аналіз, є тріщиноутворення в покритті, яке призводить до подальших руйнувань і деформацій дорожнього одягу штучних споруд і як наслідок – до передчасного пошкодження елементів споруд. Також за рахунок впливу температурних тріщин та інших деформацій, що поступово виникають в зоні таких тріщин, суттєво знижується рівність покриття, що впливає на погіршення безпеки руху.
Таким чином, аналіз літературних джерел свідчить про те, що вивченню температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на штучних спорудах між деформаційними швами майже не приділялося уваги. Відсутня методика розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних залізобетонних споруд з урахуванням особливостей їх конструкцій, терміну його експлуатації, врахування процесів повзучості та усадки в прогонових будовах, а також з урахуванням термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону. Все це свідчить про необхідність розробки методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття з більш повним врахуванням особливостей його роботи на штучних спорудах автомобільних доріг.
Другий розділ присвячений вибору, обґрунтуванню і встановленню вихідних теоретичних положень для розробки методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття дорожнього одягу штучних споруд автомобільних доріг.
Для прогнозування температурних напружень розглядали розрахункову схему, що відображує особливості роботи асфальтобетонного покриття штучних споруд.
В розроблених розрахункових схемах розглянуті основні можливості невільного температурного скорочення довжини асфальтобетонного покриття на штучних спорудах в залежності від характеру зв’язку між ними. Враховуючи, що на практиці можуть зустрічатись різні випадки зв’язку між асфальтобетонним покриттям і прогоновою будовою, розглядаються найбільш вірогідні такі варіанти.
Варіант 1: асфальтобетонне покриття за рахунок надійної адгезії жорстко зчеплене з залізобетонною прогоновою будовою (рис. 1) і при зміні температури вони температурно деформуються спільно.
Рис. 1. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке зчеплене з основою із залізобетону:
l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) =l2(T1));
l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) =l2(T2));
l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні
Варіант 2: асфальтобетонне покриття при недостатній адгезії (неякісно виконані будівельні роботи, розшарування із-за “температурного відскоку” чи дії води та інше) зчеплене із залізобетонною прогоновою будовою і при зміні температури асфальтобетонне покриття за рахунок тертя частково спільно температурно деформується із залізобетонною прогоновою будовою (рис. 2).
Рис. 2. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке не повністю зчеплене з основою із залізобетону:
l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) = l2(T1));
l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) ≠ l2(T2));
l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні
Варіант 3: асфальтобетонне покриття при повній адгезії зв’язане з прогоновою будовою через податливий еластичний прошарок певної товщини (бітумно-полімерна ізоляція) і при зміні температури за рахунок податливості прошарку частково спільно температурно деформується із залізобетонною прогоновою будовою (рис. 3).
Рис. 3. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке не повністю зчеплене з основою із залізобетону:
l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) = l2(T1));
l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) ≠ l2(T2));
l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні
Для розглянутих розрахункових схем з метою прогнозу температурного режиму з урахуванням річних та добових коливань з круговими частотами щр, щд, була використана бігармонічна залежність наступного виду
 , (1)
де Тс – середня температура покриття;  - середня амплітуда коливань температури покриття в річному циклі;  - середня амплітуда коливань температури покриття в добовому циклі.
На основі (1) встановлені швидкості охолодження при річних kр та добових kд коливаннях температури.
В зв’язку з тим, що асфальтобетон є лінійним термореологічно простим матеріалом то температурні напруження в асфальтобетонному покритті встановлювали на основі теорії термо-в’язко-пружності.
Задача розв’язувалась в одновимірній постановці для температурних напружень уТх, що виникають у поздовжньому напрямку.
Для випадку, коли в’язкопружні властивості матеріалу покриття не змінюються при зміні температури (окремий випадок термо-в’язко-пружності), використовували інтегральне рівняння лінійної в’язко-пружності спадкоємного типу Больцмана-Вольтера виду
 , (2)
де  - функція релаксації асфальтобетону; t – час спостереження;  - час, який передує моменту спостереження.
Функція релаксації представлена аналітичними виразами виду:
 , (3)  , (4)
де В, с, b, m, r, Н, В – деякі сталі параметри, що встановлюються експериментально.
При зміні температури зі сталою швидкістю охолодження для визначення температурних напружень  з урахуванням (3) отримана залежність
 , (5)
де л=1 (для першої розрахункової схеми); л= – коефіцієнт, що враховує тертя між асфальтобетонним покриттям та прогоновою будовою; λ= – коефіцієнт, що враховує наявність деформаційного прошарку на основі органічних в’яжучих; Е∞, Е0 – відповідно довготривалий та миттєвий модулі пружності покриття; b – експериментальна стала; б1, б2 – відповідно коефіцієнт лінійного розширення асфальтобетону та цементобетону; k – швидкість охолодження покриття і основи.
При визначенні температурних напружень в покритті для термочутливих складів асфальтобетону як термореологічно простих матеріалів використовували температурно-часову суперпозицію, на підставі якої отримані аналітичні залежності для прогнозу температурних напружень в асфальтобетонному покритті для двох випадків коли температури в покритті і залізобетонній прогоновій будові змінюються майже однаково і неоднаково.
У загальному випадку роботи асфальтобетонного покриття на попередньо-напруженій залізобетонній прогоновій будові з урахуванням повзучості і усадки бетону під час його експлуатації та невільного горизонтального переміщення прогонових будов за рахунок тертя на опорах для визначення температурних напружень отримано залежність у вигляді
 , (6)
де  ;  ;
 ;  ;  ; 
Еб0 – миттєвий модуль пружності залізобетону; уб0 – початкове напруження в стиснутій зоні залізобетону, де проходять процеси повзучості; b0 –експериментально встановлене співвідношення між миттєвим і довготривалим модулями пружності залізобетону; г, р, А, В, А1, В1 – експериментальні сталі; еутах – максимальна деформація від усадки; кт – коефіцієнт, що враховує тертя прогонових будов на опорах; k1 – швидкість охолодження покриття; Т1- початкова температура охолодження покриття; Q – температура приведення.
Отримані залежності (5, 6) дають можливість прогнозувати температурні напруження в асфальтобетонному покритті штучних споруд автомобільних доріг в будь який час t з урахуванням термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону.
Для оцінки граничного стану асфальтобетонного покриття по температурній тріщиностійкості, було зроблено обґрунтування вибору умови граничного стану
 , (7)
де МТ – міра небезпеки температурного розтріскування покриття; Стр – граничне значення показника температурної тріщиностійкості асфальтобетону; kож, – коефіцієнт, що відображає вплив агресивної дії антиожеледних реагентів встановлюється експериментально; гd – коефіцієнт умови роботи; гп – коефіцієнт надійності (залежить від класу відповідальності штучних споруд).
Для загального випадку роботи асфальтобетонного покриття з урахуванням встановленої закономірності зміни напружень уТ(t) згідно (6) для визначення показника МТ запропоновано залежність
 , (8)
де Bф, bф - сталі, що у різній степені залежні від температури.
Для окремого випадку (5) залежність (8) набирає вигляду
 (9)
Отримані залежності дозволяють виконувати розрахунки асфальтобетонного покриття штучних споруд на температурну тріщиностійкість з урахуванням термореологічних властивостей, параметрів температурного режиму та конструктивних особливостей.
Результати теоретичних досліджень дозволили запропонувати методику розрахунку асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг на температурну тріщиностійкість (рис. 4).
Третій розділ містить експериментальні дослідження та чисельний аналіз температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття у залежності від складу асфальтобетону та конструкції покриття на залізобетонних штучних спорудах. Наведено методики і результати натурних та лабораторних досліджень впливу температури на тріщиностійкість асфальтобетонного покриття.
Методологія натурних досліджень полягала у візуальному огляді асфальтобетонного покриття на штучних спорудах автомобільних доріг, у зборі, узагальненні та аналізі даних про утворення тріщин та стан покриття залізобетонних штучних споруд з асфальтобетонним покриттям на основі вивчення результатів їх огляду і обстеження відповідними спеціалізованими організаціями при ознайомленні із паспортами споруд, журналами оглядів, звітами обстежень та інших документів.
При візуальному огляді виявляли поперечні тріщини температурного походження, визначали їх геометричні розміри та відстані між ними, а також вивчали види деформацій і руйнувань та види ремонтів в районі температурних тріщини. Крім того, під час візуального огляду визначався характер просочення води крізь покриття та прогонову будову в зоні тріщин.
В характерних місцях відбиралися керни асфальтобетонного покриття та прогонової будови для проведення подальших лабораторних досліджень.
Проведені дослідження температурного розтріскування асфальтобетонного покриття штучних залізобетонних споруд дозволили систематизувати негативний вплив тріщин в асфальтобетонному покритті на стан елементів штучних споруд. Крім того, отримані дані натурних досліджень дозволили виявити кінетику температурного тріщиноутворення в асфальтобетонному покритті та встановити характерні особливості розвитку руйнувань в асфальтобетонному покритті на штучних спорудах (рис. 5, 6).
| 
