23.06.11 23:37

Матуа В.П., д-р техн.наук, проф. каф. «Автомобильные дороги» РГСУ, директор ф-ла ФГУ «Росдортехнология» в ЮФО Чирва Д.В., м.н.с. ДорТрансНИИ РГСУ

Исследование влияния ползучести связных дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций в дорожных конструкциях

Важнейшей задачей дорожной отрасли является повышение долговечности дорожных конструкций. Одним из основных факторов, способствующих снижению эксплуатационного состояния автомобильной дороги, является развитие неровности покрытия. В процессе эксплуатации автомобильной дороги в результате воздействия природно-климатических факторов и постоянно растущей интенсивности движения, а также скорости и грузоподъемности автотранспортных средств, асфальтобетонные покрытия теряют продольную и поперечную ровность, в них происходит интенсивное накопление пластических деформаций, в результате чего резко усиливается динамическое воздействие от движущихся автомобилей.

С точки зрения механики неровность обусловлена накоплением неравномерно распределенных необратимых деформаций в различных слоях дорожной конструкции. Этот процесс наблюдается в течение достаточно длительного промежутка времени, так как разовые воздействия транспортных средств, как правило, не приводят к образованию зон необратимых деформаций.

Немалая доля остаточных деформаций накапливается непосредственно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий и связных слоях основания, поскольку, они являются наиболее широко применяемыми материалами при устройстве дорожных одежд, изучению их свойств и поведения при воздействии реальных динамических нагрузок и природно-климатических факторов необходимо уделять большое внимание.

Наиболее часто используемые в дорожном строительстве связные дорожно-строительные материалы (ДСМ), как правило, представляют собой

сложную многокомпонентную систему. Эта сложность обусловлена, главным образом, особенностями их структуры, а также большой зависимостью свойств от многообразных факторов. Например, асфальтобетон резко меняет свойства в зависимости от температуры. При положительных температурах асфальтобетон обладает свойствами вязко-пластичного материала, а при отрицательных - упругого. Изменение температуры существенно влияет на деформационные свойства асфальтобетона, которыми в основном и определяется его работоспособность в дорожном покрытии.

Помимо температуры на свойства асфальтобетона и других связных ДСМ большое влияние оказывает и структура самого материала (количество вяжущего, структура минерального остова, плотность материала и т. д.)

Фактически связные ДСМ являются упруго-вязко-пластичными материалами. В зависимости от состояния и условий деформирования в них могут проявляться или преимущественно упругие свойства или главным образом вязко-пластические. Таким образом в большинстве случаев в связных ДСМ одновременно или почти одновременно проявляется совокупность указанных свойств.

В напряженно-деформированном состоянии связные ДСМ проявляют ряд сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накопление деформаций при многократных приложениях нагрузки и т.д. [1]. В зависимости от проявления тех или иных свойств к ним применимы законы, вытекающие из теории упругости или теории пластичности (теории ползучести).

Свойства всякого материала определяются теми условиями, в которых он работает. При весьма кратковременных нагрузках такие материалы в зависимости от величины нагрузок находятся в «почти» упругом или упруго-пластическом состоянии. Если поставить их в условия длительного загружения, что фактически и происходит с автомобильной

дорогой в условиях высокой интенсивности движения, то их деформации растут в течение времени, - материал, как говорят, ползет под нагрузкой.

Опытами установлено, что деформация ползучести различных материалов, как например, бетона и асфальтобетона, зачастую может превосходить упругую в два-три раза. Поэтому существующий метод расчета дорожной одежды по упругому состоянию [2] может представить истинную картину напряжений в ней лишь отчасти.

Законы ползучести изучались для многих материалов, в частности, наиболее широко это вопрос изучен для таких материалов, как бетон [3,4] и металл [5].

В настоящее время экспериментально установлено, что ползучесть бетона и многих других материалов зависит от большого числа факторов, которые, согласно Улицкому И.И. [6], можно разбить на четыре группы и, поскольку, ползучесть относится и к характерным свойствам связных ДСМ, эти группы, за некоторым изменением, можно представить в следующем виде:

1. Факторы, зависящие от свойств и соотношения компонентов материалов.

2. Факторы, зависящие от окружающей среды, в частности от температуры, влажности и т.д.

3. Факторы, зависящие от характера нагрузки, т. е. от ее величины и длительности действия.

4. Факторы, зависящие от возраста материала.

Исходя из вышеизложенного применение к связным ДСМ теории ползучести видится плодотворным, поскольку она, в отличие от теорий упругости и пластичности, оперирует дополнительно независимой переменной - временем.

Образованию вмятин, прогибов, трещин на покрытии предшествует начальная или «истинная» ползучесть, возникающая под влиянием высокой температуры и собственного веса над неровностями или швами в основании.

Образующиеся незаметные деформации являются местами последующего сосредоточения напряжений, которые могут превзойти величину предела текучести асфальтобетона, способствовать развитию деформаций ползучести с постепенным и нарастающим разрушением структуры, образованием остаточных деформаций и температурных трещин [7].

Следует также добавить, что исследования в области совершенствования методов конструирования нежестких дорожных одежд не должны ограничиваются лишь модернизацией расчетной базы, они должны развиваться в направлении конструирования дорожных одежд. Такой подход подразумевает выработку окончательного решения с учетом материаловедческих факторов.

Изучение вязко-упруго-пластических свойств материалов позволит получить необходимые сведения о границах работоспособности материалов, типичных для них релаксационных переходах и о роли каждого из компонентов в релаксационных процессах, происходящих в системе под воздействием погодно-климатических и динамических факторов.

Проведение исследований ползучести связных ДСМ может стать одним из путей решения проблемы адекватного описания их работы в составе дорожной конструкции. 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 адекватного описания работы этих материалов необходимо иметь данные не только по полным деформациям, но и по накоплению остаточных (необратимых) деформаций в связных слоях дорожных конструкций. Подобного рода данные можно получить путем проведения испытаний с попеременным загружением - разгружением 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, т.е. происходит постепенное восстановление геометрической формы образца.

В теоретическом плане такие испытания наиболее, хотя и не в полной мере, приближены к реальным условиям эксплуатации автомобильной дороги, 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.

Исходя из этого, зная отношение остаточных деформаций к полным и, в дальнейшем, проводя исследования ползучести можно с достоверной точностью говорить о численном значении пластической составляющей в полной деформации различных связных ДСМ.

В целях исследования влияния ползучести связных дорожно-строительных материалов на величину накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд разработано и изготовлено специальное приборное обеспечение.

На рис.1 представлена конструкция прибора для определения ползучести связных ДСМ (на конструкцию прибора получен патент №59250).

Рис.1. Прибор для определения ползучести связных ДСМ   Рис. 2. Температурная камера

Для поддержания постоянной температуры в образцах была сконструирована специальная камера (рис.2), оборудованная двумя рядами ламп накаливания (по 6 штук в каждом ряду), температурными датчиками, регулирующими величину накала ламп, ртутными термометрами (блок измерения и блок преобразования), обеспечивающими внешний контроль температуры воздуха в камере и вентиляторами, обеспечивающими конвекцию воздуха в камере.

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 образец в лабораторных условиях необходимо оказывать аналогичное боковое давление.

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 (рис.3).

Рис. 3 1 - асфальтобетонный образец; 2 - стальной кожух (состоит из двух полуколец); 3 - стальной хомут; 4 - вакуумная резина; 5 - медное кольцо.

В дальнейшем была разработана методика по которой деформация резины, а, следовательно, и создаваемое давление измеряется непосредственно в ходе проведения эксперимента по определению деформаций ползучести образцов.

Для измерения поперечной деформации резины нами используется емкостной датчик, специально разработанный для этой цели. В качестве одной обкладки конденсатора используется стальная обойма (в дальнейшем -корпус). Второй обкладкой конденсатора служит медная полоска толщиной 0,05 мм шириной 10 мм и длиной около 300 мм, проложенная по диаметру образца в середине его высоты. Между обкладками конденсатора находится вакуумная резина, которая является диэлектриком и одновременно осуществляет боковое обжатие испытуемого образца.

Полученные результаты затем обрабатывались. Значения напряжения переводились в значения электрической емкости, а те, в свою очередь сначала в относительные, а затем в абсолютные величины деформации.

Ползучесть 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 образцов (20, 35 и 500С). Деформация ползучести фиксировалась индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Через определенные интервалы времени At снималась нагрузка и замерялись приращения необратимых деформаций Л£ост.

Затем вновь прикладывалась нагрузка и т.д. Данные заносились в таблицу и определялись полные невосстановимые (остаточные) деформации и скорости их нарастания. По каждому варианту испытывалось по три образца.

Испытания проводились на образцах горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типов А и Б изготовленными в соответствии с ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний», а также щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15, изготовленного в соответствии с ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические

условия». Также проводились испытания минеральных материалов, обработанных неорганическими вяжущими прочностью М10, М20, М40, М60, М75 и М100 и каменных материалов (щебеночно-песчаной смеси, гравийно-песчаной смеси, смесей каменных материалов с содержанием асфальтового гранулята), укрепленных комплексными вяжущими (цемент в пределах от 2 до 9% и битума или битумной эмульсии в пределах от 2 до 4%).

В качестве примера на рис. 4 - 8 приведены основные осредненные результаты испытания асфальтобетона типа Б I марки при 20°С. Аналогичные зависимости получены по другим вариантам эксперимента.

Рис. 4. График ползучести асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20X и удельной нагрузке 0,6МПа

Рис. 5. График ползучести асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20^ и удельной нагрузке 0,5МПа

Рис. 6. График ползучести асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20^ и удельной нагрузке 0,25МПа

Рис. 7. График ползучести асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20^ и удельных нагрузках 0,6, 0,5 и 0,25МПа

Рис. 8. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20^ и удельных нагрузках 0,6, 0,5 и 0,25МПа


Проведенные экспериментальные исследования преследовали цель установления структурных зависимостей величины и скорости накопления остаточных деформаций в различных связных материалах, применяемых в конструктивных слоях дорожных одежд для дальнейшего их использования в механико-математической модели по прогнозированию накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций.

В результате проведенных исследований установлено:

1. Если величина полной и остаточной деформации рассматриваемых связных дорожно-строительных материалов в равной степени зависит от структуры материала, действующей нагрузки и температуры, то доля остаточных деформаций (отношение остаточной деформации к полной) находится в прямой зависимости от структуры материала и практически не зависит от величины действующей нагрузки и температуры. Это позволит использовать полученные результаты экспериментальных исследований при прогнозировании накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций не только применительно к климатическим условиям ЮФО, но и других регионов РФ.

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.

3. Также следует обратить внимание на характер кривых. На всех графиках для асфальтобетона типа Б (рис. 4-8) наблюдается резкий скачок деформаций 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, 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.

4. Противоположная картина наблюдается на графиках для каменных материалов, укрепленных минеральным вяжущим (в нашем случае цементом М500), где становится более очевидной зависимость величины остаточных деформаций от значения действующей нагрузки. Для марок по прочности М10, М20 и М40 при действующей нагрузке 0,2МПа доля остаточных деформаций составляет 39, 35 и 29% соответственно. При увеличении же давления до 0,4 и, особенно, до 0,6МПа происходит резкое увеличение доли остаточных деформаций (41% для М40 и 71% для М10). Это объясняется тем, что при небольших значениях нагрузок материал работает практически как упругое тело, а при увеличении интенсивности действующей нагрузки в структуре материала происходит образование микротрещин, вследствие чего материал частично теряет упругие свойства. Для более прочных смесей, таких как М60 и, особенно, М75 и М100, в связи с тем, что прикладываемая нагрузка не способна внести существенные изменения в структуру материала, доля остаточных деформаций не превышает 25% для М60 и 15%

для М100.

5. На графиках для материалов, укрепленных комплексными вяжущими заметна зависимость отношения £0ст./8по-т. не только от действующей нагрузки и температуры, но также от содержания компонентов вяжущего и их соотношения. Так, при содержании в смеси 2% битумной эмульсии класса ЭБК-3 и 2% портландцемента М500 доля остаточных деформаций при давлении 0,6МПа достигает 81% уже на 17-е сутки проведения испытаний, а при увеличении каждого из компонентов вяжущего на 2% доля остаточных деформаций не достигает 70% к 27-м суткам и при этом накопление деформаций проходит с меньшей скоростью. Следует также отметить, что

при действующем давлении 0,2 и 0,4МПа доля остаточных деформаций колеблется в пределах 50-60% для всех видов смесей и только при увеличении давления до 0,6МПа £0ст./£по.т. резко возрастает. При проведении испытаний при температуре 50°С уже в начальный момент после приложения нагрузки наблюдается резкий скачок как общей деформации, так и доли остаточной деформации, что говорит о существенном влиянии органического вяжущего на вязко-упруго-пластичные свойства материала, в связи с чем требуется тщательный подбор количества этого компонента в составе смеси.

Таким образом, проведенные широкомасштабные

экспериментальные исследования ползучести различных типов асфальтобетонов (в том числе щебеночно-мастичных), а также наиболее часто применяемых в дорожном строительстве материалов, укрепленных минеральными и комплексными вяжущими и установленные зависимости скорости накопления в них остаточных деформаций от структуры материала, действующих нагрузок и температурных факторов, позволят с высокой степенью точности прогнозировать, по ранее разработанной в ДорТрансНИИ РГСУ под руководством проф. Матуа В.П. [8] механико-математической модели, поведение связных дорожно-строительных материалов в составе конструктивных слоев дорожных одежд на стадии проектирования и, тем самым, принимать обоснованные решения при конструировании новых и расчете усиления эксплуатируемых дорожных конструкций.

Список литературы.

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

2. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. -М.:, "Транспорт", 2001.-93с.

3. Арутюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести. -М.:,Гостехтеориздат, 1952.-324с.

4. Галустов К.З. Развитие нелинейной теории ползучести бетона и расчет железобетонных конструкций. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2006.-248 с.

5. Гарофало Ф. Законы ползучести длительной прочности металлов и сплавов. Перев. с англ. Изд-во "Металлургия", 1968, 304 с.

6. Улицкий И.И. Потери предварительного напряжения от ползучести и усадки бетона в железобетонных конструкциях. Киев. Госстройиздат УССР, 1962.-207с.

7. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны.- М.:, "Высшая школа", 1969.399 с.

8. Матуа В.П., Панасюк Л.Н. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях. - Ростов-на-

Дону: РГСУ. 2001. - 372 с.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить