На правах рукописи

ДРОВАЛЕВА ОЛЬГА ВАЛЕРИЕВНА

УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ

ТРАНСПОРТНЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Углова Евгения Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Калгин Юрий Иванович кандидат технических наук, профессор Юндин Александр Николаевич

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал ОАО «ГипродорНИИ»

«СевкавгипродорНИИ»

Защита состоится « 8 » декабря 2009 г. в 10 ч 15 мин в ауд. 232 на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая,162, т/ф 8(863)263-53-10, E-mail: [email protected]., www.rgsu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Автореферат разослан « 30 » октября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Любовь Васильевна д - р техн. наук. Моргун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. На протяжении последних десяти лет прирост интенсивности движения на российских автомобильных дорогах резко увеличился. Значительно возросла грузоподъемность транспортных средств. В составе грузового транспортного потока увеличилась доля многоосных автопоездов. В условиях воздействия интенсивного транспортного потока происходит увеличение количества приложений транспортных нагрузок в единицу времени, что является предпосылкой к ускоренному развитию усталостных процессов в асфальтобетонном покрытии. Современное состояние перегруженности большинства российских автомобильных дорог обусловливает необходимость повышения качества асфальтобетонных материалов и совершенствования их методов испытаний.

В соответствии с существующей нормативной базой асфальтобетоны испытывают на однократное приложение статических нагрузок, что не позволяет оценить их устойчивость к многократным циклическим нагрузкам, действующим в течение длительного времени.

Известные методики испытания асфальтобетонов на многократное нагружение разрабатывались в 60 – 80 - е годы, когда характеристики транспортного потока существенно отличались от настоящих. Таким образом, подбор составов асфальтобетонных смесей, принятие решений об эффективности мероприятий, направленных на повышение качества асфальтобетона, базируются на результатах, полученных при условиях лабораторных испытаний, не соответствующих реальным режимам нагружения асфальтобетона в процессе эксплуатации.

При сложившихся условиях разработка методов оценки усталостной долговечности асфальтобетонов на растяжение при изгибе, учитывающих особенности воздействия современного транспортного потока является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка и обоснование метода оценки усталостной долговечности асфальтобетонов с учетом воздействия интенсивных транспортных нагрузок для выбора мероприятий по продлению сроков его службы в дорожном покрытии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов оценки усталостной долговечности асфальтобетонов на растяжение при изгибе и их адекватность реальным режимам нагружения в процессе эксплуатации;

- разработать метод испытания асфальтобетона на усталостную долговечность от растяжения при изгибе с учетом характеристик нагружения интенсивного транспортного потока, установленных в результате экспериментальных исследований на участках автомобильных дорог;

- выполнить обоснование схемы нагружения и подбор параметров режимов нагружения асфальтобетонного образца в лабораторных условиях, адекватных нагружению асфальтобетона в покрытии при эксплуатации на основе разработанной математической модели напряженно-деформированного состояния образца при нагружении в лабораторной установке;

- провести в лабораторных условиях экспериментальные исследования усталостной долговечности асфальтобетонов различного типа при условиях испытания, соответствующих эксплуатационным режимам нагружения;

- провести экспериментальные исследования эффективности влияния модифицирующих добавок на усталостную долговечность асфальтобетонов;

- провести апробирование и внедрение метода при проектировании дорожных асфальтобетонных покрытий повышенной усталостной долговечности.

Объект исследования – асфальтобетон в условиях воздействия циклических динамических нагрузок.

Методы исследования. Фактический материал для диссертации получен методами документального изучения, математического и физического моделирования, натурного исследования.

';

Научная новизна работы:

- разработан метод испытания асфальтобетона на усталостную долговечность от растягивающих напряжений при изгибе, позволяющий в лабораторных условиях экспериментально моделировать режимы нагружения, адекватные эксплуатационным условиям;

- научно обоснованы и экспериментально подтверждены параметры лабораторных режимов нагружения асфальтобетона в зависимости от факторов, влияющих на его работу в дорожном покрытии: скоростных режимов движения транспортных средств и толщины асфальтобетонного покрытия;

- даны рекомендации по использованию модифицированных асфальтобетонов с учетом особенностей влияния модифицирующих добавок на процесс усталостного разрушения асфальтобетона при нагружении с различными частотами.

Достоверность результатов, содержащихся в диссертации, и рекомендаций обеспечена совокупностью лабораторно-экспериментальных исследований, выполненных на современном оборудовании и сходимостью полученных данных.

Практическое значение диссертационной работы:

- разработан и обоснован метод оценки усталостной долговечности асфальтобетона при режимах нагружения, соответствующих реальным условиям эксплуатации;

- предложены рекомендации по повышению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий дорожных конструкций на стадии проектирования и строительства с учетом эксплуатационных условий работы;

- разработан и сконструирован образец лабораторной установки для проведения испытаний на усталостную долговечность в диапазоне частот нагружения от 1 до 65 Гц (пат. на изобретение № 2299417).

На защиту выносятся:

- разработанный метод испытания асфальтобетона на усталостную долговечность от растягивающих напряжений при изгибе, позволяющий для различных вариаций эксплуатационных условий производить выбор параметров адекватного лабораторного нагружения материала;

- параметры режимов нагружения асфальтобетона в лабораторных условиях, установленные на основании экспериментальных исследований характеристик деформирования дорожных асфальтобетонных покрытий в зависимости от скоростных режимов движения транспортных средств и толщины асфальтобетонного покрытия;

- математическая модель напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного образца при нагружении в лабораторной установке для обоснования схемы проведения усталостных испытаний;

- рекомендации по использованию модифицированных асфальтобетонов на основании результатов экспериментальных исследований их усталостной долговечности.

Реализация результатов работы Результаты исследований использовались при проведении работ по темам НИОКР Росавтодора в 2005 – 2008 г.; при разработке проектов «Исследование усталостных свойств асфальтобетона при вибрационном воздействии в широком частотном диапазоне с разработкой опытного образца прибора», «Проведение комплекса экспериментальных исследований усталостной прочности асфальтобетонов для прогнозирования срока службы покрытий методом математического моделирования с разработкой приборного комплекса». Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация результатов исследования Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.), на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2005 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (г. Харьков, 2006).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 научных работ, в том числе: 2 работы в периодических изданиях, включенных в перечень ВАК; 1 учебное пособие, получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 201 стр., 85 рисунков, 41 таблица, библиографический список из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи диссертационного исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведён анализ существующих представлений о явлении усталости асфальтобетонных материалов, методик испытаний асфальтобетонов на усталостную долговечность, а также анализ факторов, влияющих на усталостную долговечность материала в покрытиях нежестких дорожных одежд. Отмечено определяющее влияние скоростных режимов транспортных средств на интенсивность усталостных разрушений в асфальтобетонном покрытии.

Анализ работ ведущих российских и зарубежных ученых (Н.Н.Иванов, М.Б. Корсунский, Б.С. Радовский, А.М. Кривисский, Д.З. Ермакович, А.Г.

Малофеев, А.В. Руденский, Г.С. Бахрах, В.А. Золотарев, А.В. Смирнов, Б.И.

Ладыгин, А.О. Салль, В.А. Лейвак, А. С. Супрун, P.S.Pell, O.J. Porter, L.W.Nijboer, Vander Poel, F.N. Hveem), посвященных исследованию долговечности асфальтобетона дорожных покрытий при воздействии циклических нагрузок от транспортных средств, позволил сделать следующие выводы:

Частотный диапазон приложения нагрузок при испытании асфальтобетона ограничен частотами 10 – 20 Гц, что связано с тем, что основная часть испытаний проводилась в 60 – 80 - е годы, когда характеристики транспортного потока и имитирующие их лабораторные параметры нагружения существенно отличались от настоящих. Уже тогда отмечалась необходимость проведения испытаний в более широком частотном диапазоне, который наблюдается при эксплуатации асфальтобетона в покрытии.

В существующих методиках испытания на усталость в большинстве случаев выбор амплитуды и частоты прикладываемой нагрузки не зависит от области применения асфальтобетона.

Изменяющиеся условия движения на российских дорогах приводят к необходимости исследования усталостной долговечности асфальтобетона в покрытиях нежестких дорожных одежд при современных условиях интенсивного скоростного транспортного потока. Таким образом, очевидна актуальность проведения экспериментальных исследований работы асфальтобетона в дорожных покрытиях с учетом интенсивных скоростных режимов движения транспортных средств, что позволит разработать мероприятия по повышению срока службы асфальтобетона в процессе эксплуатации в дорожном покрытии.

Во второй главе выполнено научное обоснование особенностей разрушения асфальтобетона как композитной системы при длительных испытаниях на усталостную долговечность. Приводятся разработанная методика экспериментальных исследований усталостной долговечности асфальтобетона, обоснование методики, порядок проведения эксперимента и критерии оценки усталостной долговечности. Представлены применяемые материалы и специально разработанное лабораторное оборудование для проведения экспериментальных исследований.

Существующие методики проведения испытаний асфальтобетона на усталостную долговечность заключаются в испытании асфальтобетона циклическими изгибающими нагрузками (одного или разных знаков), по форме имеющими вид синусоиды. При этом выбор параметров режимов нагружения не зависит от области применения материала, что не позволяет учесть особенности деформирования асфальтобетона в конкретных условиях нагружения в дорожном покрытии. Частотный диапазон приложения нагрузок ограничен частотами 10 – 20 Гц.

Разработанная методика экспериментальных исследований усталостной долговечности асфальтобетона позволяет производить испытания на усталостное разрушение асфальтобетонов при обоснованном выборе параметров режимов нагружения, соответствующих конкретным условиям эксплуатации в дорожном покрытии, и определить наиболее эффективные области применения различных составов асфальтобетонных смесей.

Сущность испытаний асфальтобетона по данной методике заключается в испытании асфальтобетона циклическими изгибающими нагрузками разных знаков, по форме имеющими вид синусоиды в частотном спектре приложения нагрузок до 65 Гц. Амплитуда прикладываемой нагрузки и частота ее действия выбираются в зависимости от области применения асфальтобетона в дорожном покрытии: толщины асфальтобетонного покрытия и скоростных режимов движения транспортных средств по покрытию. В соответствии с разработанной методикой образец принято испытывать до отказа, когда измеряемая амплитуда деформации превысит первоначальную в 2 раза. Выбор параметров отказа асфальтобетонного образца связан с тем, что при достижении указанных условий происходит лавинообразный рост трещины в образце с разделением его на части.

Проведение адекватных испытаний асфальтобетона на усталостную долговечность в лабораторных условиях возможно при соответствии условий испытания, создаваемых комплексом оборудования, реальным режимам нагружения асфальтобетона в дорожном покрытии. Как правило, используемые лабораторные установки имеют ограниченный набор частот от 1 до 20 Гц, на которых возможно проведение испытаний. Учитывая более широкие реальные частотные спектры деформирования асфальтобетона, нами разработана и реализована лабораторная установка усталостного нагружения, которая обеспечивает создание условий, моделирующих эксплуатационные режимы нагружения:

- частотный диапазон приложения нагрузок – от 1 Гц до 65 Гц;

- приложение к образцу изгибных перемещений разных знаков, изменяющихся по синусоиде;

- независимое регулирование амплитуды и частоты прикладываемой к образцу нагрузки;

- возможность проведения испытания в двух режимах – в режиме поддержания действия на образец постоянной нагрузки или постоянной деформации;

- контроль и регистрацию задаваемых и выходных параметров в процессе испытания;

- запись, обработку и хранение результатов испытаний.

Предложенная на основе полезного изобретения установка (пат. на изобретение № 2299417) для испытаний на усталостную долговечность ИУ- относится к классу механических испытательных установок и выполнена так, что испытуемый образец с шарнирно-закрепленными концами нагружается переменной силой, прикладываемой к середине образца (рис.1). При этом производится измерение величины прикладываемой нагрузки и максимального прогиба образца в средней части.

Рисунок 1 – Установка для испытаний асфальтобетона на усталостную долговечность ИУ-01: 1 – асфальтобетонный образец; 2 – зажимные рамки; 3 – шарниры; 4 – стол для размещения образца; 5 – основание установки; 6 – двигатель;

Все измеряемые при испытании параметры вводятся в персональный компьютер с помощью аналогово - цифрового преобразователя и устройства сопряжения. С помощью прикладной программы по соответствующим алгоритмам производится обработка полученных данных.

Основные лабораторные испытания проводили на образцах из асфальтобетонной мелкозернистой плотной смеси типов «А», «Б», «В», «Г», щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), а также на образцах из мелкозернистой плотной смеси, содержащих модифицирующие добавки Kraton D 1101, РТЭП, Кадэм-Вт (табл.1). Полимер Kraton D 1101 производства Нидерландской фирмы Kraton с содержанием полистирола 31% применяется для модифицирования дорожных битумов в порошкообразном виде. Резиновый модификатор РТЭП используется в виде гранул темного цвета неправильной сферовидной формы, диаметром около 4 - 5 мм. В его состав входит битумное вяжущее в сочетании с полимерным материалом, резиновой крошкой, а также антиоксидантами и поверхностно-активными веществами. Катионная адгезионная добавка – эмульгатор высокотемпературный Кадэм-Вт представляет собой пастообразную массу коричневого цвета и состоит из смеси химических соединений алкиламидополиаминов и алкилимидазолинполиаминов, получаемых из жирных кислот природного происхождения, и полиэтиленполиаминов.

Таблица 1 – Общие составы смесей смеси Тип А Тип Б Тип В Тип Г ЩМА Kraton РТЭП КадэмВт Отсев дробления фр. 0- Дробленый Минеральный порошок Содержание битума, % по массе, сверх 100% В третьей главе обосновываются параметры режимов лабораторного нагружения асфальтобетонных образцов на основании экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик деформирования асфальтобетона в дорожном покрытии и на основании математического моделирования напряженно-деформированного состояния образца асфальтобетона при нагружении в установке.

Приводятся результаты экспериментальных исследований напряженно – деформированного состояния асфальтобетона в дорожных покрытиях в условиях действия интенсивных скоростных транспортных нагрузок с использованием современных приборов и оборудования, позволяющих отслеживать динамические характеристики деформирования асфальтобетона в покрытии.

Исследование эксплуатационных характеристик деформирования асфальтобетона в дорожном покрытии производилось на стационарных пунктах, устроенных на участках автомобильных дорог I, II и IV технических категорий, оборудованных специальной измерительной аппаратурой. В ходе экспериментов были произведены экспериментальные замеры характеристик деформирования покрытий дорожных конструкций при проезде грузового двухосного тарированного автомобиля с нагрузкой на заднюю ось 10 тонн с различными скоростями движения 40 км/ч и 80 км/ч. Результаты замеров на стационарных пунктах позволили выявить качественные особенности деформирования покрытий при различных условиях проезда. Прослеживается тенденция увеличения амплитуд колебаний при снижении капитальности дорожных одежд и толщины покрытия, а также снижения частот, соответствующих максимальным амплитудам колебаний, при уменьшении скорости проезда автомобиля (рис. 2). С повышением скоростей проезда расширяется частотный диапазон колебаний генерируемых в покрытии от 10 – 20 при скорости 40 км/ч (рис. 2 а, в) до 25 – 30 Гц при скорости 80 км/ч (рис. 2 б, г), что характерно для замеров, проведенных на всех участках наблюдения.

Исследования, выполненные на эксплуатируемых дорогах, показали, что частотный спектр деформирования связан как со скоростью движения, так и с характеристиками автомобиля. Наиболее выраженный динамический характер деформирования покрытия происходит при проезде многоосных грузовых транспортных средств. Так, при проезде грузового пятиосного автопоезда со скоростью 80 км/ч (рис. 2 д) взаимное влияние осей приводит к сложному напряженному состоянию, что выражается и в увеличении амплитуд колебаний точек покрытия, и в расширении «рабочих» частот покрытия (частот, на которых покрытие деформируется со значительными амплитудами) до 65 Гц.

Амплитудные характеристики деформирования асфальтобетонных дорожных покрытий при действии транспортной нагрузки были рассчитаны с использованием математических моделей напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций. Полученные результаты сведены в диапазоны амплитуд растягивающих напряжений, возникающих в асфальтобетоне при эксплуатации для различных типов дорожных конструкций.

Учитывая зависимость характеристик деформирования асфальтобетона от толщины покрытия дорожной одежды, все конструкции, традиционно устраиваемые на дорогах различных категорий, были условно разделены на группы: «усиленной» прочности (толщина покрытия 18 – 25 см); «средней»

прочности (толщина покрытия 12 – 18 см); «слабой» прочности (толщина покрытия 6 – 12 см), которым соответствуют частотные и амплитудные характеристики деформирования асфальтобетона, представленные в таблице 2, при установленных скоростных режимах движения транспортных средств.

ускорения, м/с Амплитуда ускорения, м/с Амплитуда Рисунок 2 –Амплитудно-частотные характеристики деформирования асфальтобетонного покрытия дорожных конструкций от транспортной нагрузки на дорогах: I категории (а, б,) и IV категории (в, г, д) Таблица 2 – Характеристики деформирования асфальтобетона дорожных покрытий Проезд пятиосного автопоезда (сложные условия движения) Обоснование схемы нагружения асфальтобетонного образца в лабораторных условиях, а также подбор амплитуды нагрузки и условий закрепления, необходимых для создания требуемого напряженнодеформированного состояния асфальтобетона, осуществлялись методами математического моделирования с использованием конечно-элементной модели образца при нагружении в установке.

В качестве исходной модели, описывающей напряженнодеформированное состояние образца, принята модель изгибных колебаний балки постоянного поперечного сечения. Модель разработана для двух схем нагружения образца: трехточечного и консольного. По результатам численного эксперимента была выбрана трехточечная схема нагружения образца, которая моделирует реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии.

По задаваемым параметрам - частоте действия нагрузки и амплитуде растягивающих напряжений, при помощи модели производится расчет амплитуды нагрузки, требуемой для поддержания заданного напряжения при конкретных условиях закрепления образца в установке (рис. 3).

Рисунок 3 – Зависимость напряжения от амплитуды нагрузки при В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований усталостной долговечности асфальтобетонных смесей различных составов с использованием разработанного оборудования. Получены зависимости усталостной долговечности асфальтобетона от амплитуды прикладываемой нагрузки, частоты нагружения, температуры. Приведены результаты исследований поверхности разрушения образцов при нагружении с различными частотами. Выявлены различия в проявлении механизма усталостного разрушения в рассматриваемом частотном диапазоне действия нагрузки.

Для разработки мероприятий по повышению усталостной долговечности асфальтобетона проведены экспериментальные исследования по установлению влияния амплитуды прикладываемой нагрузки и температуры на усталостную долговечность асфальтобетона. При испытании в диапазоне прикладываемых нагрузок от 0,35 МПа до 2,0 МПа усталостная долговечность асфальтобетона снижалась с повышением амплитуды нагрузки; зависимость усталостной долговечности асфальтобетона от амплитуды нагрузки имеет вид логарифмической кривой (рис. 4), что согласуется с данными исследований, ранее выполненными в этой области.

Растягивающие напряжения r, Рисунок 4 – Влияние амплитуды прикладываемой нагрузки на усталостную При исследовании усталостного разрушения в диапазоне температур от - 10 С до + 25 С усталостная долговечность асфальтобетонных образцов снижалась с повышением температуры (рис. 5). Температурный эффект менее заметен при увеличении амплитуды нагрузки и, наоборот, усиливается при малых амплитудах растягивающих напряжений. Тангенс угла наклона графиков к оси абсцисс, иначе называемый коэффициентом усталости (Куст), уменьшается при снижении температуры испытания, что связывают с проявлением релаксационных свойств асфальтобетонов.

Растягивающие напряжения, МПа Исследования усталостной долговечности асфальтобетонных смесей типов «А», «Б», «В, «Г» и ЩМА проводили следующим образом: производили оценку стандартных физико-механических показателей асфальтобетонов (табл. 3) и далее оценку усталостной долговечности.

Различие в физико-механических свойствах асфальтобетонов различных типов дает возможность предполагать различное их поведение при испытании на усталостную долговечность.

Таблица 3 – Физико-механические показатели асфальтобетонов Для асфальтобетона типа «А» характерна низкая по сравнению с другими составами усталостная долговечность (рис. 6), что объясняется наибольшей остаточной пористостью среди остальных типов асфальтобетонов (за исключением ЩМА). Каркасная структура типа «А», а также высокий коэффициент внутреннего трения более характерны для сдвигоустойчивого асфальтобетона, нежели для трещиностойкого.

Асфальтобетон типа «Б» показывает высокую усталостную долговечность, выраженную количеством циклов до отказа (в среднем на 75 % больше, по сравнению с типом «А») вследствие наиболее плотной упаковки минеральных частиц среди щебенистых асфальтобетонов и структурированного вяжущего, своевременно релаксирующего напряжения, возникающие от внешних воздействий.

Усталостная долговечность асфальтобетона типа «В» с незначительным содержанием щебня (до 40%) определяется свойствами вяжущего, его когезией и эластичностью. При удовлетворительном качестве вяжущего среди плотных смесей асфальтобетон типа «В» показывает самые высокие результаты по усталостной долговечности (в среднем на 25 % выше, чем для типа «Б»), и с понижением амплитуды прикладываемой нагрузки рост показателя усталостной долговечности по отношению к другим типам усиливается.

Растягивающие напряжения, МПа Рисунок 6 –Усталостная долговечность асфальтобетонов типов С учетом того, что остаточная пористость песчаного асфальтобетона типа «Г» меньше щебенистых асфальтобетонов, смесь более однородная и образец из такой смеси содержит меньше дефектов, этот асфальтобетон имеет показатели усталостной долговечности выше, чем у асфальтобетона типа «А», в среднем на 10 %.

С повышением частоты нагружения рост усталостной долговечности асфальтобетона состава «В» по отношению к «Б» увеличивается за счет большей его релаксационной способности; усталостная долговечность типа «А» по отношению к типу «Б» снижается.

Сравнивая результаты оценки усталостной долговечности многощебенистых смесей щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) и типа «А» (рис. 7), можно отметить рост усталостной долговечности ЩМА по отношению к асфальтобетону типа «А» в среднем в 2,5 раза при частоте нагружения 10 Гц и в 4,5 раза при частоте 50 Гц, что объясняется большей его релаксационной способностью вследствие наличия более структурированного вяжущего.

Растягивающие напряжения, МПа Рисунок 7 – Усталостная долговечность асфальтобетонов типов «А» и ЩМА По результатам испытаний получены характеристики усталостных свойств асфальтобетонов из мелкозернистых плотных смесей типов «А», «Б», «В, «Г» и ЩМА: коэффициенты усталости и усталостная долговечность, выраженная в количестве циклов до отказа (табл. 4), которые рекомендуются для использования в дальнейших исследованиях и расчете усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий.

Исследование влияния частоты нагружения на усталостную долговечность асфальтобетона в диапазоне частот 1 – 65 Гц позволило сделать вывод об увеличении количества циклов, выдержанных образцом до отказа (рис. 8) с повышением частоты прикладываемой нагрузки, что связано с проявлением упруговязких свойств асфальтобетона - увеличением вязкости и динамического модуля упругости образца с уменьшением времени воздействия на него.

Растягивающие напряжения, МПа При повышении частоты приложения нагрузки меняется соотношение между скоростями нарастания внутренних напряжений и скоростью релаксации, а, следовательно, и механизм процесса разрушения. Исследования влияния частоты нагружения на механизм процесса усталостного трещинообразования асфальтобетона на основании анализа поверхности разрушения асфальтобетонных образцов показали: при частоте нагружения до 10 – 20 Гц проявляется когезионный механизм разрушения асфальтобетона; с повышением частоты нагружения все больше проявляется смешанный и адгезионный механизмы разрушения.

Поверхности разрушения образцов фотографировали при помощи цифрового фотоаппарата с увеличением до 10 раз. В соответствии с полученными результатами экспериментальных исследований при нагружении с частотами 10 – 20 Гц и ниже наблюдается тип разрушения, при котором трещина проходит по вяжущему веществу – когезионный тип, о чем свидетельствует анализ поверхности разрушения образцов, где в большинстве (85 %) случаев 80 % поверхности разрушения проходит по вяжущему материалу. При колебательном процессе с такой частотой время воздействия на материал таково, что микродеформации успевают перераспределяться в асфальтовом вяжущем, за счет чего происходит релаксация напряжений и накопление остаточных деформаций в вяжущем веществе. Постепенно накапливаясь, они образуют магистральную трещину, которая проходит по битумной составляющей асфальтобетона. Основной вклад в сопротивление материала усталостному разрушению, развивающемуся по такому механизму, принадлежит силам когезии в вяжущем веществе.

С повышением частоты приложения нагрузки до 50 – 65 Гц молекулы свободного битума теряют подвижность из-за недостатка времени для перераспределения деформации. При увеличении количества циклов приложения нагрузки ориентированный слой битума начинает подвергаться взаимному влиянию растягивающих напряжений со стороны упрочненных связей свободного битума и со стороны адгезионных связей с минеральным материалом. В таких условиях происходит постепенное смещение максимальных растягивающих напряжений в зону контакта вяжущего и минерального материала, что характерно для смешанного и адгезионного механизмов разрушения, когда образующаяся трещина проходит по ориентированному слою битума и границе раздела минеральной и битумной фаз. Развиваясь, трещина нередко рассекает минеральные зерна асфальтобетона, так анализ результатов испытаний показывает, что при нагружении с частотой 50 Гц практически 70 % поверхности разрушения (в % случаев) проходит по границе раздела фаз и по каменному материалу.

Повышение сопротивляемости материала такому механизму усталостного разрушения в первую очередь возможно за счет улучшения сцепления между минеральной частью асфальтобетона и битумом, а также за счет повышения релаксационной способности битумного вяжущего.

Одной из задач исследований являлась оценка влияния модифицирующих добавок на усталостную долговечность асфальтобетона. Следует отметить, что в настоящее время эффективность модифицирующих добавок оценивают на основании результатов статических испытаний асфальтобетона. Полученные при этом показатели не отражают существенного улучшения свойств модифицированного материала в отличие от усталостной долговечности. В процессе экспериментальных исследований установлено влияние модифицирующих добавок Kraton D 1101, РТЭП, Кадэм-Вт на усталостную долговечность при нагружении в частотном диапазоне 1 – 65 Гц (рис. 9).

Циклы до отказа х Рисунок 9 – Сравнительные диаграммы усталостной долговечности модифицированных асфальтобетонов при частотах нагружения 10 и 50 Гц На основании анализа сравнительной эффективности модификаторов при нагружении асфальтобетона в рассматриваемом частотном диапазоне предложены рекомендации по использованию модифицированных асфальтобетонов с учетом их усталостной долговечности: для асфальтобетона с резиновым модификатором РТЭП наилучшие показатели усталостной долговечности (по сравнению с составом без добавок) проявились при частотах нагружения 10 – 20 Гц, характерных для асфальтобетонных покрытий дорог III – IV категорий с низкими скоростными режимами движения, либо для нижних слоев покрытий более высоких категорий; усталостная долговечность асфальтобетонов с адгезионной добавкой характеризуется наибольшим количеством циклов до отказа при нагружении с частотами 50 – 65 Гц (по сравнению с составом без добавок), наблюдаемыми в верхних слоях дорожных покрытий при проезде транспортных средств на дорогах I – II категорий с высокими скоростными режимами движения; асфальтобетоны, содержащие полимер типа СБС Kraton D 1101, проявляющие достаточно высокую эластичность и усталостную долговечность при нагружении во всем частотном диапазоне, могут быть рекомендованы как в верхние, так и в нижние слои дорожных асфальтобетонных покрытий.

Различие во влиянии модифицирующих добавок на усталостную долговечность объясняется особенностями взаимодействия добавок с компонентами асфальтобетона. При применении Kraton D 1101 молекулы полимера типа СБС, растворяясь в битуме, образуют пространственную эластичную решетку, способную совершать значительные деформации без разрушений при нагружении с частотами до 10 – 20 Гц, а также сохраняющую релаксационную способность при нагружении в частотном диапазоне до 50 – Гц. При объединении с битумом РТЭП частично растворяется в составляющих его легких фракциях, а не расплавившаяся часть добавки (резиновая составляющая) РТЭП остается в битуме в виде волокнистых, резиносодержащих фрагментов дисперсных частиц (содержание примерно 15 – 20 %). В этих условиях не полностью расплавившаяся составляющая добавки образует дисперсную фазу, обладающую армирующими свойствами. Наличие такого армирующего наполнителя объясняет повышение вязкости модифицированного РТЭП вяжущего, повышение модуля упругости асфальтобетона на его основе, а также его усталостной долговечности при нагружении с частотами до 10 – 20 Гц за счет наличия упрочненных когезионных связей в асфальтовом вяжущем. По мере увеличения частоты нагружения молекулы свободного битума теряют подвижность из-за недостатка времени для пластической деформации, релаксационные процессы замедляются. В таких условиях упругохрупкого характера разрушения асфальтобетон с добавкой Kraton D 1101, обладая большей релаксационной способностью вследствие наличия эластичной пространственной решетки, будет показывать более высокую усталостную долговечность, нежели асфальтобетон с резиновым модификатором РТЭП.

При нагружении с частотами 50 – 65 Гц растягивающие напряжения в зоне контакта минеральных частиц и битума достигают таких значений, что прочность адгезионных связей уменьшается. Трещина проходит по поверхности контакта минеральных зерен и битумной составляющей, как по энергетически выгодному пути разрушения. При таких условиях образования микротрещин для повышения усталостной долговечности эффективно использовать добавки, повышающие адгезионное сцепление.

В пятой главе представлена комплексная методика оценки усталостной долговечности асфальтобетона при параметрах нагружения адекватных эксплуатационным, на первом этапе которой производится выбор режимов нагружения асфальтобетона в зависимости от области его применения (толщины дорожного покрытия и скоростных режимов движения); второй этап включает проведение испытаний асфальтобетона на установке усталостного разрушения с определением усталостной долговечности асфальтобетона, выраженной критерием – количеством циклов до отказа образца при установленных на первом этапе режимах нагружения (рис. 10).

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Рисунок 10 – Блок - схема методики оценки усталостной долговечности Выбор параметров предлагается осуществлять исходя из расчетных характеристик деформирования асфальтобетона, либо на основании детального анализа, включающего выбор частотного диапазона на основании скоростных режимов движения, расчет растягивающих напряжений, возникающих в асфальтобетоне при проезде транспортных средств методами математического моделирования, подбор амплитуды нагрузки для создания требуемого напряженного состояния по математической модели напряженнодеформированного состояния образца при нагружении в установке.

В главе показана практическая применимость разработанной методики при оценке усталостной долговечности составов асфальтобетонов, содержащих модифицирующие добавки.

С учетом полученных результатов экспериментальных исследований предложены пути повышения усталостной долговечности асфальтобетона в покрытии. На стадии проектирования нежестких дорожных одежд – это конструирование дорожных одежд с учетом особенностей деформирования покрытий при воздействии движущихся циклических нагрузок. Одним из конструктивных решений является использование полимерных добавок в асфальтобетонном покрытии в зонах возникновения максимальных растягивающих напряжений – нижних слоях покрытий. На стадии подбора состава асфальтобетонных смесей предлагается выполнять проектирование составов, обладающих повышенной усталостной долговечностью на основании проведения испытаний асфальтобетона на усталостную долговечность, при соответствии параметров режимов лабораторных испытаний эксплуатационным условиям нагружения асфальтобетона в покрытии.

В пятой главе приведен расчет экономического эффекта, выраженного в увеличении срока службы покрытия, при использовании предложенных мероприятий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

асфальтобетона, который позволяет производить испытания на усталость асфальтобетонов при обоснованном выборе параметров режимов нагружения, соответствующих конкретным условиям эксплуатации в дорожном покрытии.

2. Определены частотные (от 1 до 65 Гц) и амплитудные (от 0,3 до 1,3 МПа) параметры режимов нагружения асфальтобетона в лабораторных условиях, установленные на основании экспериментальных исследований характеристик деформирования дорожных асфальтобетонных покрытий, работающих в условиях воздействия интенсивного транспортного потока, в зависимости от скоростных режимов движения транспортных средств и толщины асфальтобетонного покрытия 3. Разработана методика выбора амплитуды нагрузки и схемы закрепления асфальтобетонного образца при проведении лабораторных испытаний на основе математической модели его напряженнодеформированного состояния при нагружении в установке, имитирующей реальные условия нагружения асфальтобетона в процессе эксплуатации.

4. Разработана и реализована лабораторная установка для испытаний на усталостную долговечность ИУ-01, обеспечивающая нагружение циклической изгибающей, синусоидально прилагаемой нагрузкой в частотном диапазоне от 1 до 65 Гц.

5. Установлено существенное влияние эксплуатационных режимов нагружения, характерных для интенсивного транспортного потока, на снижение усталостной долговечности асфальтобетона.

6. Установлены особенности влияния модифицирующих добавок на процесс усталостного разрушения асфальтобетона в рассматриваемом диапазоне частот приложения нагрузки на основании исследования поверхностей разрушения асфальтобетонных образцов в процессе испытания.

Экспериментально подтверждено влияние частоты нагружения на механизм процесса разрушения: при частотах нагружения до 10 – 20 Гц установлен когезионный механизм разрушения образца; с повышением частоты нагружения все больше проявляется смешанный и адгезионный механизмы разрушения.

модифицированных асфальтобетонов с учетом их усталостной долговечности:

асфальтобетон с резиновым модификатором РТЭП эффективнее использовать в нижних слоях дорожных асфальтобетонных прокрытий, работающих на изгиб с частотами нагружения 10 - 20 Гц; асфальтобетоны с адгезионными добавками, наиболее сильно проявляют свои свойства в верхних слоях дорожных покрытий, нагружаемых при проезде транспортных средств с частотами до 50 – 65 Гц; асфальтобетоны, содержащие полимер типа СБС Kraton D 1101, проявляющие достаточно высокую эластичность и усталостную договечность при нагружении во всем частотном диапазоне испытаний, могут быть рекомендованы как в верхние, так и в нижние слои дорожных асфальтобетонных покрытий.

8. Обоснована экономическая эффективность мероприятий по повышению усталостной долговечности асфальтобетона: на стадии конструирования нежестких дорожных одежд за счет оптимального выбора вида асфальтобетона; на стадии строительства за счет подбора состава асфальтобетонов повышенной усталостной долговечности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 1. Дровалева О. В. Сопоставление лабораторных режимов испытаний асфальтобетона и эксплуатационных условий работы материала в покрытии при исследовании усталостных процессов // Известия ОрёлГТУ. Серия Строительство. Транспорт. – 2008. - № 2/18.

2. Дровалева О. В. Лабораторные режимы усталостных испытаний асфальтобетона с учетом эксплуатационных условий работы материала в покрытии // Вестник ТГАСУ. – 2009. - №1.

3. Углова Е. В., Дровалева О.В. Исследование усталостного сопротивления асфальтобетона методом вынужденных колебаний // Строительство, 2005: материалы Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2005.

4. Дровалева О. В. Прогнозирование долговечности асфальтобетонных покрытий с учетом усталостных процессов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды: материалы 3-й Всерос. науч.-техн. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. – Пермь: ПГТУ, 2005.

5. Дровалева О. В. Вибрационное воздействие на покрытия // Изв.

Рост. гос. строит. ун-та – 2006. - № 10.

6. Углова Е. В., Дровалева О. В. Расчет кривых усталости при реальных режимах нагружения // Строительство, 2006: материалы Междунар.

науч.-практ. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2006.

7. Дровалева О. В., Пляка П.С. Оценка усталостной прочности асфальтобетона для прогнозирования долговечности асфальтобетонных покрытий // Тр. междунар. науч.-практ. конф. – Харьков, 2006.

8. Углова, Е. В., Дровалева О.В. Cравнительные испытания усталостной долговечности асфальтобетона при различных частотах нагружения // Строительство, 2007: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2007.

9. Усталостное разрушение асфальтобетона в широком частотном диапазоне / С. К. Илиополов, Е. В. Углова, О. В. Дровалева // Дороги и мосты:

Сб. ст. / ФГУП Росдорнии. – М., 2007. – Вып. 17/1. – С.245 - 251.

10. Дровалева О. В. Влияние режимов нагружения на усталостную долговечность асфальтобетона // Строительство – 2009: материалы Междунар.

науч.-практ. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2009.

Пат. № 2299417. РФ, МПК (51). Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях / С.К. Илиополов, О.В. Дровалева [и др.].

Подписано в печать 14.10.09.

Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф.

Уч-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно - издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая 162.