08.04.12 01:09

Д-р техн. наук, проф. Матуа В.П., к.т.н. Чирва Д.В. асп. Мирончук С.А.

НОВОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЮ

В последние годы одной из главных проблем для российских дорожников  стала проблема ускоренного колееобразования на автомобильных дорогах. Даже на правильно запроектированных и построенных с соблюдением всех технологических требований дорогах уже спустя 2-3 года, а иногда и раньше, появляется колея, глубина которой превышает допустимые значения [1].

Помимо несовершенства методики расчета и конструирования нежестких дорожных одежд, решению которой посвящено значительное количество научных исследований [2-7], причиной преждевременного колееобразования на покрытиях автомобильных дорог является, в том числе, несоответствие существующих методов испытаний дорожно-строительных материалов реальным условиям  их работы в дорожной конструкции. В частности попытки оценить устойчивость асфальтобетона к колееобразованию в лабораторных условиях, применяя различные стандартные методики испытаний на сжатие, срез, кручение, трехосное сжатие и с помощью других методик не дали должного результата и  имеют условный или сравнительный характер.

В настоящее время за рубежом большое развитие получили методы прогнозирования, полевых наблюдений и лабораторных исследований колееобразования на асфальтобетонных покрытиях. В зарубежной практике научных исследований для оценки качества асфальтобетона все шире применяются новые методы определения устойчивости асфальтобетонов к колееобразованию. Наибольшее распространение получили методы моделирующие колесную нагрузку: метод испытаний при помощи установки ускоренного нагружения (FHWA Accelerated Loading Facility - ALF); метод с использованием французского прибора для испытания покрытий на колееобразование (French Pavement Rutting Tester – FPRT); метод с помощью испытательной установки нагружения колесом штата Джорджия (Georgia Loaded – Wheel Tester - GLWT); метод с помощью Гамбургского устройства колееобразования (HWTD) и т. д [8].

В последние годы и в нашей стране были предприняты попытки разработки нормативных документов и лабораторного оборудования, позволяющего проводить испытания асфальтобетона на устойчивость к колееобразованию. В частности по заказу Росавтодора ООО «Инновационный технический центр» был разработан ОДМ 218.3.017-2011 «Методические рекомендации по определению колееобразования асфальтобетонных покрытий прокатыванием нагруженного колеса», а также приборное обеспечение, позволяющее проводить соответствующие испытания, которое по своей сути ничем не отличается от зарубежных аналогов. Причем если схемы и приемы лабораторных исследований иногда и разнятся, то суть остается одна - цилиндрический или прямоугольный образец асфальтобетона, соответствующий  всем стандартным требованиям предъявляемым нормативными документами, подвергается воздействию колесной нагрузки, имитирующей  колесо автомобиля. Температура испытаний при этом составляет порядка 60ºС, а критерием оценки устойчивости асфальтобетона к коллеобразованию служит либо количество циклов, при котором появляется колея с заданной нормативной глубиной 10, 15 или 20 мм, либо глубина колеи, соответствующая 5000, 10000 или 20000 циклов нагружения.

Однако, насколько бы ни были эти методы приближены к эксплуатационным условиям работы асфальтобетона, в сущности, они не в состоянии  отразить реальное напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции.

В качестве основных недостатков (помимо высокой стоимости оборудования) можно отметить следующее:

1. Нерасчетное количество приложений расчетной нагрузки (как минимум в 35 раз меньше)

2. Маленький отпечаток колеса по отношению к максимальному размеру фракции щебня

3. Время приложения нагрузки не соответствующее времени приложения нагрузки в реальных условиях эксплуатации (в десятки раз меньше).

Помимо перечисленных  недостатков такое оборудование имеет еще один существенный  минус- оно разработано и предназначено для исследования устойчивости к колееобразованию исключительно асфальтобетонов верхних слоев покрытий, в то время,  как опыт последних лет и многочисленные исследования на эту тему показывает, что на величину колеи оказывает влияние не только, а иногда и не столько, асфальтобетон верхнего слоя покрытия, а еще и несвязные слои основания и грунты земляного полотна.

Исходя из выше изложенного, возникла необходимость разработки принципиально нового лабораторного оборудования, способного устранить недостатки уже существующего.

Такое оборудование было разработано сотрудниками кафедры Автомобильные дороги Ростовского государственного строительного университета в рамках выполнения договора с ГК «Автодор» на научно-исследовательскую работу № ПР-141-2010 от 3.12.2010г.(на разработанное оборудование получен патент Российской Федерации, права на которой принадлежит ГК «Автодор»). Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 1.


Рисунок 1. Общий вид лабораторной установки для оценки устойчивости дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок

1. Инфракрасные нагреватели; 2. Образец испытываемого материала в обойме для обеспечения бокового обжатия; 3. Датчик силы; 4. Оптико-электронные растровые преобразователи линейных перемещений;        5. Температурный регулятор; 6. Частотный регулятор.

Принцип работы разработанного лабораторного оборудования основан на превращении вращательного действия главного привода в поступательные движения толкателя и кратковременного воздействия нагрузки на испытываемый образец через равные промежутки времени.

Частота приложений нагрузки может варьироваться в широких диапазонах от 1 до 23 Гц. Число оборотов двигателя и соответственно частота приложений нагрузки регулируется с высокой точностью (до 1 оборота) при помощи частотного преобразователя.

Конструкция обеспечивает испытание лабораторных образцов диаметром до 250мм и высотой до 150мм, либо образцов-призм с основанием 150-250мм и высотой до 150мм. Для испытания образцов предусмотрена форма для бокового обжатия, в которую помещается образец при испытании.

Для испытания материалов при различных температурных режимах сконструирована специальная температурная камера, позволяющая поддерживать заданную температуру (до 60°С) и равномерный нагрев образца в течении эксперимента. Часть камеры сделана из прозрачного пластика, для визуальной оценки состояния образца во время испытания.

В конструкции прибора осуществляется автоматическое регулирование интенсивности действующей нагрузки.

Для обеспечения полной автоматизации процесса проведения лабораторных испытаний с использованием нового лабораторного оборудования была разработана управляющая электроника, а также специальное программное обеспечение для полной автоматизации процесса испытания. На рис. 2 представлено главное окно программы при проведении эксперимента.


Рисунок 2. Главное окно программы при выполнении эксперимента

В ходе лабораторных исследований устойчивости дорожно-строительных материалов к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок, величина которых зависит от в каком конструктивном слое используется конкретный материал, проводились испытания следующих дорожно-строительных материалов, предназначенных для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, а также грунта земляного полотна:

-  горячие плотные мелкозернистые асфальтобетоны типов А и Б I марки, а также щебеночномастичные асфальтобетоны (ЩМА-15) с различным содержанием щебня в составе смеси;

-  горячие пористые крупнозернистые смеси с добавлением РТЭП и без него;

-  щебеночно-песчаные смеси, укрепленные минеральным и комплексным вяжущим;

-  материалы, предназначенные для устройства несвязных слоев основания, такие как щебеночно-песчаные смеси, щебеночно-гравийно-песчаные смеси, щебень, уложенные по способу заклинки, щебень фракции 20-40;

-  глинистые грунты (супеси и суглинки) с различным числом пластичности.

В связи с тем, что на накопление остаточных деформаций в асфальтобетоне в значительной степени влияет тип структуры и гранулометрический состав смеси, и, поскольку, согласно таблице 3 ГОСТ 9128-2009 у фракций 5-10 и 10-15 достаточно широкая область допустимых значений между верхним и нижним пределом (особенно крупных фракций), при подборе составов, в том числе, варьировалось содержание в смеси этих фракций.

В результате проведенных исследований с использованием разработанного нового лабораторного оборудования были получены данные о накоплении остаточных деформаций в образцах дорожно-строительных материалов, в том числе несвязных, и грунте земляного полотна, результаты которых представлены на рис. 3-8.


Рисунок 3



Рисунок 4



Рисунок 5



Рисунок 6



Рисунок 7



Рисунок 8


Анализ результатов, полученных при испытаниях дорожно-строительных материалов на устойчивость к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетной динамической нагрузки показал:

1. На устойчивость асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций, наряду с другими факторами, существенное влияние оказывает и тип его структуры. Так, например, изменение процентного содержания щебня фр. 10-15мм в составе многощебенистых каркасных смесей (тип А или ЩМА) с 40% до 60% (в пределах оптимального грансостава) приводит к снижению остаточных деформаций в исследуемых образцах в 1,5-2 раза. Наименьшее влияние на накопление остаточных деформаций оказывает изменение содержания щебня фр. 10-15мм для асфальтобетонов типа Б, поскольку структура асфальтобетона типа Б не является каркасной и изменение процентного содержания крупной фракции не вносит существенных изменений в результаты испытаний.

2. При испытаниях на динамическое воздействие образцов из крупнозернистого пористого асфальтобетона так же заметно существенное влияние полимерно-армирующей добавки РТЭП на скорость накопления остаточных деформаций. Так для образцов с добавкой РТЭП величина пластических деформаций (за 700000 приложений расчетной нагрузки) находится в пределах 1,3мм, в то время как у образцов без полимерной добавки значение деформаций увеличивается до 2,0мм, т.е. в 1,67 раза или на 65%.

3. В образцах щебеночно-песчаных смесей, укрепленных минеральным вяжущим, после 700000 приложений расчетной нагрузки наблюдается незначительное накопление остаточных деформаций (в пределах от 0,2 до 0,4мм), что обусловлено жесткой кристаллической структурой, не подверженной пластическому деформированию. В тоже время при введении в состав смеси органического вяжущего совместно с минеральным структура материала становится более пластичной и происходит более интенсивное накопление остаточных деформаций.

4. В образцах несвязных дорожно-строительных материалов наибольшая величина деформаций накапливается в гравийно-песчаной смеси, что обусловлено ее составом, в котором в значительной степени преобладают окатанные частицы гравия и природного песка. Введение в гравийно-песчаную смесь фракционированного щебня в количестве 30% от общей массы смеси способствует значительному снижению величины деформации (в среднем на 43%). Наименьшей величиной деформации характеризуется щебеночно-песчаная смесь, имеющая величину остаточных деформаций на 52 и 72% меньше, чем у аналогичных образцов из ЩГПС и ГПС соответственно. Добавление расклинивающей фракции щебня из расчета 15м3 на 1000м2, предусматриваемое в проектах, не обеспечило существенного уменьшения остаточных деформаций, что говорит о необходимости увеличения расхода расклинивающей фракции до 25м3 на 1000м2, как это предусмотрено СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги».

5. Анализ результатов лабораторных исследований связных грунтов показывает, что величина  накопления остаточных деформаций в образцах грунта существенно зависит от его плотности. Так, если величина остаточных деформаций в образцах суглинистого грунта с коэффициентом уплотнения Купл=0,98 после 700000 приложений циклической динамической расчетной нагрузки P=0,1МПа составляет 1,3 мм, то данный показатель для этого же грунта с коэффициентом уплотнения Купл=1,0 составляет 1 мм (т.е. на 23% меньше). Увеличение коэффициента уплотнения грунта до Купл=1,02 снижает накопление остаточных деформаций в образцах исследуемого грунта до 0,75мм или на 42%. Схожая картина наблюдается и при испытаниях супесчаного грунта: после 700000 приложений циклической динамической нагрузки P=0,1МПа к образцу грунта с коэффициентом уплотнения Купл=0,98 деформация составляет 1,0мм, а при увеличении коэффициента уплотнения до Купл=1,0 остаточные деформации снижаются до 0,75мм, т.е. на 25%. Таким образом, проведенные исследования наглядно свидетельствуют о существенной степени влияния коэффициента уплотнения (плотности) грунта на накопление в нем необратимых остаточных деформаций под воздействием реальных динамических нагрузок.

Основываясь на вышеизложенном можно сказать, что испытания дорожно-строительных материалов, проведенные на разработанном новом лабораторном оборудовании, с точки зрения сходимости показали хорошие результаты, что позволяет говорить о необходимости проведения дальнейших исследований дорожно-строительных материалов с целью выработки критерия оценки устойчивости дорожно-строительных материалов к воздействию реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Следующим этапом научных исследований должны стать работы по сертификации лабораторного оборудования, проведение крупномасштабных экспериментальных исследований различных дорожно-строительных материалов и грунтов земляного полотна, установление четкой зависимости скорости накопления остаточных деформаций от количества приложений расчетной нагрузки, содержания тех или иных компонентов в составе дорожно-строительных материалов, влияния различных внешних факторов, таких как температура, влажность и т. д., создание наблюдательных станций на автомобильных дорогах с целью подтверждения адекватности предлагаемой схемы экспериментальных исследований реальным условиям эксплуатации дорожных конструкций, а также разработка методики проведения лабораторных испытаний и внесение соответствующих изменений в действующие нормативные документы и документы технического регулирования.


Список литературы


  1. «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах», утвержденных распоряжением Росавтодора № ОС-556-р от 24.06.2002г.
  2. Васильев, А.  П. Причины образования колей и пути их устранения   / А. П. Васильев // Наука и техника в дорожной отрасли. - М.: Изд-во "Дороги", 1999, №2. с. 6-9.
  3. Илиополов, С.К., Уточненный метод расчета напряженно-деформированного состояния системы "дорожная одежда-грунт" /  С. К. Илиополов, М. Г. Селезнев - Ростов-на-Дону: МП "Новая книга", 1997. - 142 с.
  4. Казарновский, В. Д. Проблема колеобразования на дорогах с асфальтобетонным покрытием / В. Д. Казарновский  // Наука и техника в дорожной отрасли. - М.:  Изд-во "Дороги", 2000, № 2. с. 3-4.
  5. Коганзон, М. С. Расчет и конструирование дорожных одежд по критерию допустимой остаточной деформации / М. С. Коганзон, С. В. Лугов // Наука и техника в дорожной отрасли, 2004, №3. С. 17-19.
  6. Матуа, В. П. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях / В. П. Матуа, Л. Н. Панасюк -  Ростов-на-Дону, 2001. - 372 с.
  7. Матуа, В. П. Исследование влияния ползучести связных дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций в дорожных конструкциях  / В.П. Матуа, Д.В. Чирва // Автомобильные дороги – М. : Транспорт, 2009. – с. 39-45.
  8. Обзорная информация о отечественных и зарубежных методах предотвращения колееобразования на асфальтобетонных покрытиях в условиях современных транспортных нагрузок. Росавтодор. Москва 2005 129 с.