24.06.11 00:34

УДК 625.85.002.237

Исследование ползучести асфальтобетонов с целью прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях покрытий дорожных одежд в реальных условиях их эксплуатации

Аннотация. В статье приводятся данные по исследованию ползучести асфальтобетонов и обоснование их использования при прогнозировании накопления остаточных деформаций в слоях покрытий дорожных одежд в реальных условиях их эксплуатации применительно к разработанной механико-математической модели. Annotation. In clause data on research of creep asphalt concrete and a substantiation of their use are cited at prediction accumulation of residual deformation in layers of coverings surfacing in real conditions of their operation with reference to the developed mechanic-mathematical model.


Асфальтобетон, являясь упруго-вязко-пластичным телом, подвергается в эксплуатационных условиях дорожных покрытий воздействию различных факторов - транспортных нагрузок, нагреву, охлаждению, увлажнению и т. п. Между тем расчет асфальтобетонных покрытий выполняется только в упруго-вязкой постановке в отношении прочности от воздействия транспортных нагрузок. Возможность образования на поверхности покрытий сдвиговых деформаций в жаркое время или температурных трещин при охлаждении зимой при расчете практически не учитывается или учитывается только косвенно. В то же время влияние температурного воздействия на асфальтобетон не менее важно, чем динамическое воздействие от автомобильного транспорта.

Асфальтобетон при различных видах воздействий ведет себя как упругое, упруго-вязкое или пластическое тело. Наиболее полно описывает поведение асфальтобетона в напряженно-деформированном состоянии реология - наука о течении материалов.

Разными авторами (Максвелл, Кельвин, Шведов, Бингам и др.) предлагались различные механические модели и их описания. Как показали расчеты, математические уравнения этих моделей недостаточно полно описывают напряженно-деформированное состояние асфальтобетона. Ряд ученых пошли по пути объединения простейших механических моделей в одну более сложную с математическим описанием их работы.

Следует отметить прежде всего значительный вклад в решение данного вопроса профессоров А.М. Богуславского, А.П. Васильева, Л.Б. Гезенцвея, И.В. Горелышева И.В., В.Д. Казарновского, М.С. Коганзона, А.В. Руденского, А.В. Смирнова, [1,2,3,4,5,6,7] и др. Однако до настоящего времени не получены решения на должном теоретическом уровне и не установлены закономерности процессов развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций с учетом их реального пространственного нагружения и воздействия погодно-климатических факторов.

В связи с изложенным, возникла необходимость разработки механико-математической модели, адекватно описывающей реальное строение и пространственный характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции и позволяющей учитывать:

  • инерционность подвижного состава и дорожной конструкции;
  • переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части;
  • влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов;
  • эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования.

Подобная механико-математическая модель, позволяющая учитывать все перечисленные факторы была разработана в Ростовском Государственном Строительном Университете под руководством профессора В.П. Матуа [8]. В работе использован наиболее популярный при решении плоских и пространственных задач теории упругости и пластичности метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений, позволяющий рассматривать области со сложной топологией при различных граничных условиях.

Алгоритмом программного комплекса предусмотрено использование базы данных, в которой хранятся сведения о реологических характеристиках дорожно-строительных материалов, в том числе асфальтобетонов различных типов. Также для адекватной работы программного комплекса и реализации разработанной механико-математической модели необходимы данные о накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Одним из путей получения таких данных является проведение экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок.

Теория ползучести максимально приближает расчет конструкций к действительным условиям их работы, устанавливающим зависимость между деформациями и напряжениями с учетом фактора времени. Введение координаты времени в расчеты сооружений само по себе не является новым, поскольку время всегда участвовало в задачах динамики сооружений, где учитывались силы инерции, пропорциональные ускорениям масс, и часто силы внутреннего трения, зависящие от скоростей деформации. В дальнейшем оказалось, что общие методы, разработанные в теории ползучести, без особого труда могут быть распространены и на «быстрые» процессы, и таким образом динамика сооружений оказывается в известном смысле частным случаем общей теории ползучести, поскольку она оперирует дифференциальными соотношениями между деформациями и усилиями, внешне совершенно аналогичными дифференциальным соотношениям теории ползучести. Стоит добавить к тому же, что теория упругости и теория пластичности также могут считаться частными и предельными случаями теории ползучести, в которых время может быть исключено из уравнений решаемых задач.

Проведение исследований ползучести асфальтобетона может стать одним из путей решения проблемы адекватного описания работы асфальтобетона в дорожном покрытии. Сама по себе ползучесть может дать только данные о накоплении полных деформаций, т.е. сумму из двух деформаций - обратимых (упругих) и необратимых (пластических). Фактически же для адекватной работы программного комплекса необходимо

иметь данные не только по полным деформациям, но и по накоплению остаточных (необратимых) деформаций в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Подобного рода данные можно получить путем проведения испытаний с попеременным загружением - разгружением асфальтобетонных образцов. В результате проведения таких испытаний может быть получена характерная кривая циклической деформации образцов, когда деформация нарастает после приложения нагрузки и спадает после снятия напряжения.

В теоретическом плане такие испытания наиболее, хотя и не в полной мере, приближены к реальным условиям эксплуатации асфальтобетона, однако большая трудоемкость таких экспериментов помешала их широкому распространению. Путем решения данного вопроса видится установление для каждого типа асфальтобетона зависимости скорости накопления остаточных деформаций по отношению к скорости накопления полных деформаций, основываясь на теоретическом предположении о том, что общая величина остаточной деформации в заданном интервале времени не зависит от суммарного количества приложения нагрузки.

В целях исследования влияния ползучести асфальтобетона на величину накопления остаточных деформаций в слоях покрытий дорожных одежд разработано и изготовлено приборное обеспечение, позволяющее исследовать ползучесть асфальтобетонов различных типов.

На рис. 1 представлена конструкции прибора для определения ползучести асфальтобетонов (на конструкцию прибора получен патент №59250).

Рис. 1. Прибор для определения ползучести асфальтобетона

С целью изучения возможных вариантов обоснованного назначения геометрических параметров исследуемых лабораторных образцов был выполнен ряд численных экспериментов по анализу НДС не только в области «активного» действия расчетной нагрузки, но и за ее пределами.

При анализе НДС асфальтобетонных образцов нагрузка прикладывалась через штамп диаметром 101м при расчетной нагрузке (р=0,6МПа). В ходе эксперимента установлено, что наиболее характерными и опасными являются

тангенциальные (Тху) напряжения, возникающие в плоскости действия прилагаемой нагрузки, фактические значения которых на границе исследуемой области при диаметре 101 мм достигают недопустимых, по своим абсолютным значениям величин (Тху=0,16МПа).

Исходя из вышеизложенного, был сделан вывод о необходимости учета сил бокового обжатия. С целью решения данной задачи в качестве обжимающего материала было принято решение использовать специальную вакуумную резину с известными физико-механическими и реологическими показателями (модуль упругости, показатель твердости по Шору А и т.д.). Вокруг асфальтобетонного образца резина фиксировалась специальными стальными полукольцами, стянутыми стальными хомутами.

В реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги на ограниченный участок асфальтобетонного покрытия, при наезде на него автомобильного транспорта, действует боковое давление равное 0,25-0,35МПа. Следовательно, на асфальтобетонный образец в обойме необходимо оказывать аналогичное давление. Создавалось такое давление с помощью стягивания хомутов, фиксирующих стальную обойму вокруг образца, тем самым, вакуумная резина, (для которой ранее определялась зависимость изменения толщины и создаваемого давления при помощи разработанного емкостного датчика) сжималась и обеспечивала равномерно распределенное боковое давление по всей поверхности образца.

Величина остаточных деформаций асфальтобетонных образцов определялась при различной статической нагрузке, передаваемой на образец через металлический штамп, в широком диапазоне варьирования удельной нагрузки (0,25, 0,5 и 0,6 МПа).

Варьировалась также температура асфальтобетонных образцов (20, 35 и 500С).

Испытания проводились на образцах горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типов А, Б, В, а также щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА).

В качестве примера на рис. 2-7 представлены графики отношения остаточных деформаций к полным деформациям ползучести для асфальтобетона Типа Б I марки и щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15.

Рис. 2. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям асфальтобетонных образцов типа Б I марки при 1=20°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа

Рис. 3. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям асфальтобетонных образцов типа Б I марки при 1=35°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа


Рис. 4. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям асфальтобетонных образцов типа Б I марки при 1=50°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа

Рис. 5. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона при 1=20°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа

Рис. 6. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона при 1=35°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа

Рис. 7. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона при 1=50°С и удельных нагрузках 0,63, 0,5 и 0,25МПа

Анализируя полученные зависимости можно сделать следующие выводы:

1. Доля остаточных деформаций в составе полных деформаций в асфальтобетоне зависит только от его типа и не зависит от температуры и величины прикладываемой нагрузки, в то время как величина полных деформаций находится в прямой зависимости от действующей нагрузки и температуры.

2. Для асфальтобетонов типа Б остаточные деформации составляют 7080% от полных, а для щебеночно-мастичного асфальтобетона от 45 до 60% не зависимо от температуры и величины нагрузки. Данный результат объясняется наличием у таких типов асфальтобетона как ЩМА каркасной структуры, препятствующей накоплению остаточных деформаций и обладающей более упругими свойствами.

Также следует обратить внимание на характер кривых. На всех приведенных графиках для асфальтобетона типа Б (рис. 2-4) наблюдается резкий скачок остаточных деформаций уже в начальный промежуток времени от момента приложения нагрузки, в то время как у щебеночно-мастичного асфальтобетона кривая имеет более плавный характер, что также объясняется наличием у него щебеночного каркаса. В каркасной структуре при приложении нагрузки происходит равномерное

перераспределение отдельных щебенок, что приводит к увеличению количества контактов, снижению удельной нагрузки на каждый контакт и кривая деформации постепенно переходит в стадию установившейся ползучести. В тоже время, в асфальтобетонах типа Б нагрузку воспринимает на себя, в большей степени, не каркас, а асфальтовое вяжущее, в полной мере не способное ей сопротивляться, что и приводит к резкому скачку деформаций. Подобная картина наблюдается и в реальных условиях эксплуатации автомобильных дорог, когда на покрытиях с асфальтобетоном типа Б происходит ускоренное колееобразование уже в начальный этап их эксплуатации.

3. Полученные зависимости скорости и доли накопления остаточной деформации в составе полных деформаций позволят значительно повысить точность прогнозирования колееобразования на автомобильных дорогах с использованием разработанной механико-математической модели, что в свою очередь будет способствовать повышению надежности и долговечности вновь проектируемых и ремонтируемых автомобильных дорог.

Библиографический список:

1. Богуславский А.М., Богуславский Л.А. Основы реологии асфальтобетона. М.:, «Высшая школа», 1972. - 200 с.;

2. Васильев А.П., Коганзон М.С., Яковлев Ю.М. Развитие методов расчета дорожных одежд нежесткого типа//Проблемы строительства и эксплуатации, автомобильных дорог. Сборник научных трудов МАДИ-ТУ,

1998. С. 16-19;

3. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В. Дорожный асафльтобетон. - М.:, Транспорт, 1985. - 350 с.;

4. Казарновский В. Д. Проблема колеобразования на дорогах с асфальтобетонным покрытием//Наука и техника в дорожной отрасли. -М.:, Изд-во "Дороги", 2000, № 2. С. 3-4;

5. Коганзон М.С., Лугов С.В. Расчет и конструирование дорожных одежд по критерию допустимой остаточной деформации//Наука и техника в дорожной отрасли, 2004, №3. С. 17-19;

6. Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. - М.:, "Транспорт", 1992.-253 с.;

7. Смирнов А.В. , Малышев А.А., Агалаков Ю.А. Механика устойчивости и разрушений дорожных конструкций. Омск, СИБАДИ. 1997.-91с.;

8. Матуа В.П., Панасюк Л.Н. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях. - Ростов-на-Дону: РГСУ. 2001. - 372 с.