Оценка и обеспечение сдвигоустойчивости асфальтобетона в дорожных покрытиях с учетом условий их эксплуатации

Автомобильные дороги с асфальтобетонными покрытиями являются важным элементом транспортной сети страны.

К отличительным особенностям данных покрытий можно отнести значительные изменения их характеристик в течение срока службы вследствие влияния климатических факторов, процессов усталости и старения на свойства асфальтобетонов. Ьта особенность асфальтобетонных покрытий требует углубленного анализа их деформированного поведения при различных режимах воздействия эксплуатационных нагрузок, анализа закономерностей изменения их прочностных характеристик во времени.

Многолетние наблюдения за состоянием асфальтобетонных покрытий показывают, что к одним из наиболее распространенных видов дефектов, встречающихся на покрытиях автомобильных дорог, относятся пластические деформации в виде колей, волн, наплывов, которые значительно ухудшают технико-эксплуатационные показатели: снижается скорость сообщений, ухудшаются условия безопасности и т. п.

Среди многих причин такого положения важное место занимает несовершенство способов и критериев оценки и прогнозирования сопротивления асфальтобетона сдвигу как на стадии проектирования составов асфальтобетонных смесей, так и на стадии эксплуатации асфальтобетонных покрытий. Принятый в стандарте показатель сдвиго-устойчивости — прочность при одноосном сжатии, часто не позволяет получить надежную и достоверную информацию о фактической сдвиго-устойчивости в дорожном покрытии.

В связи с этим является актуальной разработка достаточно надежного способа и критерия оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона, a. также разработка требований по обеспечению долговременной сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий.

Научная новизна настоящей работы состоит в исследованиях, направленных на разработку способа определения и оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона в условиях объемного напряженного-цефор-мированного состояния, адекватному состоянию его в дорожном покрытии под колесом автомобиля. Кроме того предложены экспериментальный и экспериментально-теоретический способы определения длительной прочности при сдвиге.

В результате выполненных исследовательских и практических работ отработана методика по определению как кратковременной, так и длительных сдвиговых прочностей. На основании полученных данных разработаны требования по обеспечению сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий в процессе их эксплуатации. Рекомендуемые способы являются достаточно надежными и могут быть использованы в условиях производства.

Внедрение результатов теоретических и лабораторных исследований было осуществлено при строительстве опытных участков в iii и 1У дорожно-климатических зонах.

Основные положения данной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях СибДДИ (г. Омск, 1990;1993 г. г.) — на Всесоюзной научно-технической конференции (г. Владимир, 1991 г.), на совещаниях Ассоциации исследователей асфальтобетона (г. Москва, 199i-1992 г. г.- г. Санкт-Петербург, 1993 г.). но результатам работы опубликовано 3 научные работы и получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований и содержит 131 страниц машинописного текста, 30 рисунков и 20 таблиц.

Результаты исследования представлены на рис. 3.23.

Длительная прочность при одноосном сжатии асфальтобетонов типов Б (1), В (2), Д (3) на битуме БНД 90/130.

Q.S ад.

0,1.

1 1 1. «'.

• tf о*.

Рис. 3.23.

Интенсивность изменения длительной прочности в этом случае в 4−5 раз больше, чем при сдвиге в условиях объемного напряженно-деформированного состояния. Это вполне закономерно, так как при одноосном сжатии и сдвиге предлагаемым способом различна роль внутреннего трения. При одноосном сжатии внутреннее трение играет второстепенную роль и сопротивление асфальтобетона определяется, главным образом, силами битумного сцепления, которое весьма чувствительно к фактору времени.

В случае объемного напряженного состояния резко возрастает роль внутреннего трения, особенно в щебенистых асфальтобетонах, которые значительно снижает реологическую чувствительность асфальтобетона и, как следствие, снижается интенсивность уменьшения длительной прочности.

С целью сокращения времени испытания нами предлагается экс периментально-расчетный способ определения длительной прочности изложенный в главе 2. Результаты испытания представлены на рис. 3.2.4.

Анализ полученных результатов указывает на достаточно высо кую точность предложенного экспериментально-теоретического способа определения длительной прочности асфальтобетона.

Длительная прочность при сдвиге асфальтобетонов типов В (а), Д (б) на битуме БВД 90/130, определенная экспериментальным методом (-) и экспериментально-расчетным (—-) ч).

3.QQ.

2.TS.

2.50 з ч 5 6 ?5И'.

50 4ft 51 fyt, nun.

Рис. 3.2,4.

4. ОЦЕНКА СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА В ДОРОЖНОМ ПОКРЫТИИ.

4.1. Определение требований к величине кратковременной прочности при сдвиге в зависимости от региона, характера движения и грузонапряженности дороги.

В главе 2 рассмотрены теоретические предпосылки оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона в покрытии. Показано, что долговременная сдвигоустойчивость асфальтобетона будет достигнута при соблюдении условия 2.1.

Установим связь между кратковременной и длительной прочностью асфальтобетона. Под кратковременной прочностью в данном случае понимается прочность при сдвиге предлагаемым способом при температуре 50 °C и скоростью деформирования 3 мм/мин.

Анализ результатов определения значений длительной прочности различных видов асфальтобетонов, проведенных как в условиях прямой ползучести, так и в условиях равномерного нагружения (рис. 3.20, 3.32, 3.24), показали, что все они являются прямыми линиями в логарифмических координатах, следовательно, длительная прочность^э может быть описана степенным уравнением вида:

4.1) где К — экспериментальные константы.

Используем уравнение 4.1 для установления требований к кратковременной прочности на сдвиг (R сод.) через требуемое значение длительной прочности (<5*), она будет иметь вид.

4.2) где tcp," t^ - время нагружения соответственно покрытия и образца при его испытания в лаборатории;

ГП — коэффициент пластичности;

Кп. — коэффициент повторности, определяемый в соответствии с 2.8, 2.9- t — сдвигающее напряжение в покрытии, определяемое в соответствии с 2.6, 2.7.

Как следует из 4.2 требуемая кратковременная прочность зависит от особенности воздействия транспортных нагрузок на покрытие, характера движения и климатических факторов.

При этом следует отметить, что процесс пластического деформирования асфальтобетона в покрытии развивается во времени под действием повторных нагрузок, а деформационная устойчивость асфальтобетона, как термопластичного материала, в значительной степени изменяется с изменением его температуры. Отсюда возникает неовходимость установления температурного режима работы покрытия за сдвигоопасный период.

Для установления температурного режима работы асфальтобетонных покрытий за теплый период года была использована известная зависимость / 85 / между температурой воздуха () и температурой покрытия (-tn): tn «Ifc * I (4.3) l-A^cp г-*—* (4.4).

CK ц где^синтенсивность солнечного облучения покрытия при средней облачности неба за определенный час, ккал/.

I ?

СХцобщий коэффициент теплоотдачи, ккал/м *чг"град.

На основании ранее проведенных натурных наблюдений за фактической температурой покрытия и воздуха установлено среднее значение d-ц, которое может быть принято равным 20,8 ккал/м^чтрад. При этом значения солнечной радиации (З’ср) необходимо принимать раньше расчетного времени за 2,5 часа, так как имеет место эффект запаздывания нагрева дорожного покрытия от действия солнечной радиации / 82 /.

Используя зависимости 4.1 и 4.2, по данным многолетних наблюдений метеостанций за средней месячной температурой воздуха по срокам и с учетом ее среднего квадратического отклонения и с^ршарной солнечной радиации при средних условиях облачности / 66 / были вычислены продолжительности работы асфальтобетонных покрытий в определенном диапазоне температур в течение теплого периода года. При этом следует отметить, что по данным В. Н. Страгиса начало развития пластических деформаций на асфальтобетонном покрытии, как правило, наблюдается при его температуре не менее 30 °C, так как именно в этотпериод интенсивно происходит фазовые превращения в структуре битума, приводящие к его «старению» и увеличению вязкости / 20 /.

В связи с тем, что механические свойства асфальтобетона, как термопластичного материала изменяются с изменением температуры для упрощения дальнейших расчетов необходимо произвести приведение периодов работы покрытия в различных узких температурных интервалах к одному общему периоду с единой расчетной температурой. За такую температуру целесообразно взять общепринятую в нормативных документах на асфальтобетон температуру равную 50 °C вне зависимости от значений максимальной температуры покрытия в различных регионах. В этом случае условия работы покрытий в различных регионах будут отличаться только продолжительностью этого периода, который был назван нами сдвигоопасным периодом, определяемый по формуле:

50 ^ ^ ^.

Тар — Гл «К пр, (4.5) где I n — период работы покрытия в году при конкретной темпе ратуре il — начиная от 30 °C и выше;

П к — количество расчетных лет;

К пр — коэффициент приведения.

Коэффициент приведения реологических свойств асфальтобетона (К vp) определяется на основании / 36 /:

Кпр «h ' (4.6) где значения динамической вязкости асфальтобетона соответственно при 50 °C и при других значениях его температуры i.*L .

Значения динамической вязкости различных составов асфальтобетона в диапазоне температур от 30 до 80 °C были получены пу тем непосредственных испытаний на сдвиг при постоянных нагрузках по методике изложенной в параграфе 3.3. Значения коэффициентов приведения (К*р) представлены в табл.4.1.

Используя 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, данные табл.4.1 и многолетние данные по климату, рассчитаны сдвигоопасные периоды для различных регионов страны, приведенные к температуре 50 °C. Результаты расчетов представлены на рис. 4.1. Используя данную зависимость, и располагая среднелетней температурок воздуха теплого периода года (май, июнь, июль, август, сентябрь), которая принимается на основании / 94 /, достаточно просто определяется сдвигоопасный период.

Что касается временных факторов «top иfc л, то в первом случае фактическое время нагружения определяется исходя из интенсивности движения и расчетного сдвигоопасного периода, а 11 определяется непосредственно лабораторным путем.

Коэффициент пластичности (ГЕ) можно определить одним из описанных в параграфах 3.2, ЗЛО или в главе 2. спосоййЬ.

Зависимость приведенного периода работы асфальто б етонных покрыти" при температуре 50 °C (TJ°) от среднелетней температуры воздуха.

V5.

Тпр ,.

W/год, 8Ш№.

7Ш№.

29П.