Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 12
1.1 Влияние деформативных свойств асфальтобетона в слоях покрытий оснований дорожных одежд на накопление остаточных деформаций 12
1.2 Особенности накопления деформаций в асфальтобетоне при различных режимах нагружения 15
1.3 Методы испытаний асфальтобетона на сдвигоустойчивость 17
1.4 Экспериментальная оценка устойчивости асфальтобетонов к колее-образованию с помощью лабораторных приборов 25
1.5 Экспериментальная оценка устойчивости асфальтобетонного покрытия к колееобразованию с помощью крупномасштабных стендов 35
1.6 Цель и задачи исследования 40
Выводы по 1-й главе 42
2 Разработка физико-математической модели определения параметров и условий проведения экспериментальных исследований и конструирование прибора динамических испытаний 43
2.1 Теоретическое обоснование условий эксперимента при испытаниях асфальтобетона на накопление остаточных деформаций под воздей ствием динамических нагрузок 43
2.1.1 Обоснование и выбор температурного режима при испытании 44
2.1.2 Обоснование величины нагрузки и расчет частоты ее приложения... 44
2.1.3 Математическая модель оценки количества приложения расчетной нагрузки с учетом климатических и транспортных воздействий 52
2.1.4 Обоснование и расчет геометрических размеров имитационной модели лабораторных образцов
2.2 Проектирование кинематической и электронно-функциональной схемы прибора 64
2.3 Описание измерительных устройств и исполняющих элементов з
2.3.1 Система измерения динамической нагрузки 66
2.3.2 Система регулирования и стабилизации частоты динамического воздействия 66
2.3.3 Автоматическая система нагрева и стабилизации температуры во время испытания 67
2.3.4 Система автоматического контроля и поддержания заданного динамического воздействия 68
2.3.5 Описание и принцип работы регистрационно-формирующего блока.
2.4 Конструирование прибора динамических испытаний 70
2.5 Описание программного обеспечения прибора 74
2.6 Методика проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок 74
2.6.1 Отбор проб, изготовление и подготовка лабораторных образцов к испытанию 75
2.6.2 Проведение испытаний на приборе ПДИ 77
2.6.3 Просмотр и обработка результатов 80
Выводы по 2-й главе 81
3 Экспериментальные исследования асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок 83
3.1 Исследование физико-механических характеристик исходных до-рожно-строительных материалов 83
3.2 Подбор составов горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонов типов А и Б, а также щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15 86
3.3 Подбор составов крупнозернистых асфальтобетонов 97
3.4 Анализ устойчивости подобранных составов мелкозернистых асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздей- 106 ствием динамических нагрузок и температурных факторов 3.5 Исследования устойчивости подобранных составов крупнозернистых асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок и температурных факторов... 112
3.6 Анализ устойчивости подобранных составов мелкозернистых и крупнозернистых асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок при варьировании стабилизирующих и модифицирующих добавок
3.6.1 Лабораторные исследования стандартных физико-механических показателей мелкозернистых асфальтобетонов 117
3.6.2 Экспериментальные исследования устойчивости к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок различных типов асфальтобетонов при варьировании стабилизирующих
и модифицирующих добавок 118
3.7 Экспериментальные исследования, направленные на установление структурной взаимосвязи между физико-механическими показателями различных типов и марок асфальтобетонов, и их устойчивостью к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок 126
Выводы по 3-й главе 132
4 Разработка требований к предельно-допустимым остаточным деформациям асфальтобетонов при испытании под воздействием динамических нагрузок и температурных факторов 135
4.1 Оценка адекватности разработанной методики определения остаточных деформаций покрытий и оснований автомобильных дорог под воздействием динамических нагрузок 135
4.2 Назначение и принцип работы измерительного устройства 137
4.3 Описание закладки измерительного устройства 139
4.4 Создание наблюдательных станций на участках автомобильной до 5
роги М-4 «Дон» 140
Выводы по 4-й главе 145
5 Оценка экономической эффективности асфальтобетонов, устойчивых к колееобразованию (по данным испытаний на приборе ПДИ) 147
Выводы по 5-й главе 154
Общие выводы 155
Библиографический список
- Методы испытаний асфальтобетона на сдвигоустойчивость
- Обоснование и выбор температурного режима при испытании
- Подбор составов горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонов типов А и Б, а также щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15
- Назначение и принцип работы измерительного устройства
Методы испытаний асфальтобетона на сдвигоустойчивость
В напряженно-деформированном состоянии асфальтобетон проявляет ряд сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, значения нагрузки, повторяемости нагрузки и т. д.
В дорожной конструкции асфальтобетонные слои работают в самых разнообразных условиях. При их лабораторных испытаниях встречаются следующие основные режимы нагружения: постоянная нагрузка, равномерно возрастающая нагрузка, деформирование с постоянной скоростью и циклический режим загружения [89,95-96].
Деформирование с постоянной скоростью часто применяется при испытаниях битумоминеральных материалов, в частности, при испытаниях на механических прессах (рисунок 1.1). Рост напряжения во времени для случая
Равномерно возрастающая нагрузка также часто применяется при испытаниях битумоминеральных материалов. Характерная картина развития деформаций в битумоминеральном материале под действием равномерно возрастающей нагрузки показана на рисунке 1.2 (линия 0-а) [95-96].
Зависимость деформации от времени Постоянная нагрузка вызывает в битумоминеральном материале развитие деформаций во времени, что описывается уравнением (1.2): где т - напряжение, У - градиент смещения, G-модуль сдвига, Р-нагрузка. Вид кривой Й(/), представленной на рисунке 1.3, является характерным при испытаниях материала на растяжение, сдвиг, изгиб, сжатие. При этом численные значения реологических параметров, определенных при различных типах деформирования, могут быть различными [86].
Зависимость деформации от времени Циклический редким загружения - применяется для имитации воздействия транспортного потока на битумоминеральный материал, работающий в составе дорожной конструкции. Наиболее распространенными вариантами циклического режима загружения являются повторяющиеся нагрузки, меняющиеся по определенному закону. При таком режиме нагрузка возрастает до какой-то величины, а затем падает до нуля, либо до определенного минимального значения. Продолжительность загружения обычно меньше, чем пауза между ними [95-96]. Циклический режим загружения при испытаниях битумоминеральных материалов применяют для изучения процессов накопления пластических (остаточных) деформаций в условиях, имитирующих воздействия потока автотранспорта, а также для изучения процессов усталости.
Из всех вышеперечисленных методов циклический режим загружения является наиболее приближенным к реальным условиям эксплуатации автомобильной дороги.
Оценка свойств асфальтобетона и соответствующие требования к показателям качества должны быть максимально приближены к фактическим условиям работы дорожного покрытия. На актуальность затронутой темы указывает большой объем публикаций, посвященных разработке новых методов испытаний.
Несмотря на большое число разработок по экспериментальному исследованию прочностных и деформационных свойств асфальтобетона, до настоящего времени не существует единого метода, аппаратуры и нормативного показателя для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона, который в полной мере характеризует его работу в дорожной конструкции.
В нормативном документе ГОСТ 12801-84 [21] показателем сдвигоустойчивости асфальтобетона было принято считать предел прочности при сжатии образца при температуре 50 С и скорости деформирования 3 мм/мин (R50C5K).
Другой подобный метод предусматривает испытание цилиндрического образца в виде диска диаметром d и высотой h на сжатие по образующим. Причиной разрушения образца являются напряжения растяжения, действующие в вертикальной диаметральной плоскости. Предел прочности при растяжении условно оценивается как отношение разрушающей нагрузки Р к половине площади боковой поверхности образца: Rp = 2P/(7tdh).
Применять показатель прочности в качестве характеристики деформационных свойств материала, не совсем корректно, так как, испытание образца на одноосное сжатие до начала разрушения совершенно не отражает реальных условий работы асфальтобетона в дорожном покрытии, как с точки зрения напряженно-деформированного состояния, так и с точки зрения характера приложения нагрузок.
Известен метод оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона по показателю пластичности [37]. к = 1ё()/1дф (1.3) где: #іи /?2— пределы прочности при сжатии при температуре 50С и сильно различающихся скоростях деформирования vi и V2. При значениях к 0,10, к 0,15...0,24 и к 0,25 асфальтобетон считают соответственно непластичным, нормальной пластичности и пластичным.
Однако перечисленные методы не учитывают реальных условий деформирования покрытия и пригодны только для сравнительного анализа, причем не сдвигоустойчивости, а твердости в сочетании с пластичностью материала.
Более предпочтительными по сравнению с одноосным сжатием образца, являются испытания на сдвиг.
Установлено, что процесс сдвига асфальтобетонного покрытия состоит из трех фаз: первая связана с упругими деформациями, вторая с появлением в отдельных точках деформаций пластического сдвига, третья - соответствует прогрессирующему развитию деформаций. Предельное состояние связано с переходом от второй фазы к третьей [3].
Обоснование и выбор температурного режима при испытании
Отбор проб при приготовлении асфальтобетонных и органоминеральных смесей производят в соответствии с ГОСТ 12801-98 и ГОСТ 30491-97 [22,24]. Отбор проб при приготовлении щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС) производят в соответствии с ГОСТ 31015-2002 [25]. Оценку устойчивости асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок определяют на образцах, полученных уплотнением смесей в стальных формах на прессе или компакторах, а также полученных из слоя покрытия автомобильной дороги.
Формы для изготовления цилиндрических образцов представляют собой стальные цилиндры, которые могут изготовляться в виде кассеты с тремя взаимосвязанными цилиндрическими формами диаметром 200 мм (рисунок 2.34).
Форма для изготовления образцов Допускается проводить испытания образцов призм квадратного сечения с размерами до 250x250 мм и образцов вырубок из покрытия при условии соответствия их геометрических параметров требованиям настоящей методики.
Формы изготавливают из стали с механическими характеристиками не ниже соответствующих конструкционной стали Ст. 35 по ГОСТ 1050-88 [14].
На рабочих поверхностях форм, соприкасающихся со смесью, при изготовлении образцов не допускаются трещины, вмятины, риски и т.п. Шероховатость рабочих поверхностей должна быть не более 3,2 мкм.
Отклонение от плоскостности торцевых поверхностей вкладышей должно быть не более 0,05 мм. Отклонение от перпендикулярности образующей цилиндрической поверхности вкладышей относительно поверхности их оснований должно быть не более 0,06 мм [22].
Образцы из горячих мелкозернистых и крупнозернистых (высокоплотных, плотных и пористых), а также холодных асфальтобетонных смесей изготавливают в соответствии с ГОСТ 12801-98 [22].
Образцы из щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей изготавливают в соответствии с ГОСТ 31015-2002.
Подготовку образцов к испытанию следует начинать с их внешнего осмотра и определения линейных размеров, допускаемые отклонения которых от номинальных размеров должны удовлетворять требованиям соответствующих нормативных документов.
Приготовленный испытательный образец помещают в стальную форму бокового обжатия (рисунок 2.35), промежуток между стенками формы и образца заполняют гипсовым раствором.
Гипсовый раствор должен быть такой консистенции, чтобы заполнить без пустот все пространство между образцом и обоймой, после застывания гипса форму с образцом помещают в сушильный шкаф или температурную камеру прибора, в котором он термостатируется в течение 2,5-3 часов.
С помощью дюбеля или пробойника на верхней поверхности образца делается технологическое отверстие, для помещения в него термопары. Диаметр отверстия 4-5 мм, глубина 10-15 мм.
Подготовленный к испытанию и термостатированный до заданной температуры образец в форме для бокового обжатия помещается в центр испытательного стола прибора, в предварительно разогретую до необходимой температуры, температурную камеру. В технологическое отверстие в образце помещается термопара. В температурной камере образец выдерживается до достижения установленной температуры.
По центру образца располагают штамп, для компенсации перекосов по центру штампа предусмотрено углубление для металлического шарика, используемого в роли шарнира. Подъемный стол с установленным образцом поднимается до соприкосновения верха шарнира с толкателем.
Для проведения испытаний используется разработанное программное обеспечение. Для создания нового испытания необходимо создать группу испытаний, выбрав во вкладке эксперименты пункт «создать группу» (рисунок Открыть группу Ctrl+O «5 Создать испытание Ctrl+N [ffj1 Открыть испытание Ctrl+O Выход Рисунок 2.36 - Вкладка меню эксперименты Далее необходимо в созданной группе создать новое испытание, выбрав во вкладке эксперименты, пункт «создать испытание» (рисунок 2.36) либо щелкнув по пиктограмме и ввести необходимое название эксперимента. Находясь в главном окне программы поставить галочки напротив датчиков силы 1 и 2, а также на датчиках перемещений. Эта функция служит для включения или отключения отображения графиков в реальном времени соответствующих датчиков.
Затем установить в графе «время эксперимента» (рисунок 2.37) необходимую величину. При частоте приложения нагрузки 15 Гц для достижения 750 000 приложений требуется около 800 минут.
Подбор составов горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонов типов А и Б, а также щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15
С целью установления наиболее устойчивого к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок и температурных факторов состава крупнозернистого плотного и пористого асфальтобетона из подобранных составов была проведена серия лабораторных экспериментов на приборе динамических испытаний ПДИ согласно разработанной методике.
Как известно, нижние слои покрытия также, как и верхние, играют важную роль в распределении напряжений дорожной конструкции, так как они непосредственно воспринимают основную часть динамического воздействия от транспортных средств, поэтому значение расчетной динамической нагрузки при испытании крупнозернистых плотных асфальтобетонов, наряду с асфальтобетонами для верхних слоев, должно составлять 0,6 МПа.
Расчетная нагрузка при испытании крупнозернистого пористого асфальтобетона была принята - 0,5 МПа. На рисунке 3.26 представлены результаты испытаний крупнозернистых асфальтобетонов.
В образцах крупнозернистого плотного и пористого асфальтобетона, без введения полимерно-армирующих добавок, за 750000 приложений нагрузки значение деформаций достигает величины 3.8 мм и 4,8 мм соответственно. В данные составы для дальнейших исследований, в целях снижения накопления остаточных деформаций, добавлялась полимерно-армирующая добавка РТЭП.
На рисунках 3.27-3.32 представлены результаты испытаний крупнозернистых асфальтобетонов подобранных составов с добавкой РТЭП на устойчивость к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок
Анализ проведенных исследований показал, что при данной расчетной нагрузке минимум деформаций в пористых и плотных крупнозернистых асфальтобетонах типа Б с полимерно-армирующей добавкой РТЭП накапливается в образцах с наименьшим содержанием битума. Крупнозернистые пористые асфальтобетоны, применяемые для устройства верхнего слоя основания и улучшенные полимерно-армирующей добавкой, накапливают остаточных деформаций за 750000 приложений нагрузки в среднем на 35-40 % меньше чем мелкозернистые плотные асфальтобетоны. Данное снижение деформаций происходит в большей степени за счет уменьшения расчетной нагрузки при испы 116 тании на ПДИ до 0,5 Мпа, а также уменьшения количества содержания битума в смеси и применения полимерных добавок.
Анализ устойчивости подобранных составов мелкозернистых и крупнозернистых асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок при варьировании стабилизирующих и модифицирующих добавок
В последние годы в условиях высокой интенсивности и грузонапряжённости обеспечение высоких деформативных характеристик асфальтобетона невозможно без применения в его составе модифицирующих добавок или полимерно-битумных вяжущих. В связи с этим весьма эффективным является введение дополнительных требований к исходным дорожно-строительным материалам и асфальтобетонным смесям, применяемым при строительстве, реконструкции и ремонте федеральных автомобильных дорог, а также дорог, находящихся в ведомстве государственной компании «Автодор», где установлены жёсткие требования к асфальтобетонам для верхних и нижних слоев покрытия [101-102].
В условиях повышенных температур хорошо зарекомендовали себя полимерные добавки, а также полимерно-битумные вяжущие, содержащие в своем составе полиэтилен, который способен уменьшить пластичность смеси при повышенных температурах.
Проведя анализ существующих добавок, было принято решение выделить наиболее часто применяемые. Используемые в исследованиях добавки представлены на рисунке 3.33. Добавки в асфальтобетон СтабилизиВОЛОКНІ рующие істьіе Полимерные1 ПБВ 1- Унирем - Viatop -Forta - ТНК-Альфабит -ДЦГ -РТЭП 60 -СД-1 - Sasobit- Vialux - Полигум 60 Рисунок 3. 33 - Применяемые добавки В рамках исследований проводились лабораторные испытания асфальтобетонов типа А и ЩМА со следующими добавками.
Лабораторные исследования стандартных физико-механических показателей мелкозернистых асфальтобетонов
Для оценки степени улучшения нормативных показателей при введении различных добавок был проведен комплекс лабораторных испытаний. В таблицах 3.33-3.34 для примера представлены результаты определения стандартных физико-механических характеристик асфальтобетона типа А и ЩМА с добавкой Viatop. Результаты испытаний остальных асфальтобетонов представлены в приложении 2.
Назначение и принцип работы измерительного устройства
За точку отсчета принят щебеночно-мастичный асфальтобетон со стабилизирующей добавкой Viatop, где при варьировании максимальных фракций щебня (5-10, 10-15 мм), входящих в состав смеси, получен результат с минимальным значением остаточных деформаций.
По сравнению с асфальтобетоном типа А и ЩМА-15 до оптимизации и ЩМА 15+ Viatop (после оптимизации гранулометрического состава) стоимость приготовления остается неизменной, однако значения остаточных деформаций снижаются на 30-37%.
Анализ полученных результатов показывает, что улучшение и модификация смесей стабилизирующими и модифицирующими добавками, а также применение полимерно-битумных вяжущих увеличивает стоимость асфальтобетонной смеси на 7,08 и 13,2%, соответственно, однако значения накапливаемых остаточных деформаций в таких смесях намного ниже.
Так, при использовании в смеси полимерных и стабилизирующих добавок снижение величины остаточных деформаций составляет 35%, а в смесях, приготовленных с применением полимерно-битумных вяжущих - 28%.
Для оценки фактической эффективности от применения рассмотренных асфальтобетонных смесей был введен такой показатель, как коэффициент эффективности, характеризующийся отношением величины снижения остаточной деформации к увеличению стоимости материала. Наибольшая эффективность получена у смесей с полимерными добавками в комплексе со стабилизирующими - 4,9, а затем у смесей с полимер-битумными вяжущими - 2,1.
Определена экономическая эффективность применения разработанной методики при подборе состава асфальтобетона с учетом срока его службы в дорожном покрытии.
Для получения сопоставительных результатов введен коэффициент эффективности, объективно показывающий соотношение между увеличением стоимости и снижением накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне. Наибольшая эффективность получена у смесей с полимерными добавками в комплексе со стабилизирующими - 4,9, а затем у смесей с полимер-битумными вяжущими -2,1. Так, при использовании в смеси полимерных и стабилизирующих добавок снижение величины остаточных деформаций составляет 35%, а в смесях, приготовленных с применением полимерно-битумных вяжущих - 28%.
На основании проведенного анализа существующих методов и при боров для испытаний асфальтобетона на устойчивость к колееобразованию, сделан вывод о том, что существующие методы, хотя и являются приближенными к реальным условиям эксплуатации асфальтобетона в дорожной конструкции, в сущности, не в состоянии в полной мере их отразить.
Разработана физико-математическая модель определения параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур.
Разработан прибор динамических испытаний (ПДИ) для испытания дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок. На разработанный прибор получен патент № 111293 МІЖ GO IN 3/36 «Установка для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов, а также свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13.
Разработана методика проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок с обоснованием необходимого количества приложений нагрузки, геометрических параметров образца, бокового обжатия материала и температуры испытания.
Проведены экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов на устойчивость к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок при варьировании процентного содержания в смеси: крупных фракций щебня, стабилизирующих и модифицирующих добавок, а также полимерно-битумных вяжущих.
Определены значения остаточных деформаций у асфальтобетонов различных типов. Выявлены закономерности накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне от процентного содержания щебня, а также оценка зависимостей накопления остаточных деформаций от введения добавок в асфальтобетонных
Проведен анализ взаимосвязи структурных свойств и физико-механических характеристик, предусмотренных нормативными документами, с деформацией материала от расчетной динамической нагрузки. Выявлена сходимость по отдельным показателям. Сходимость во многом обусловлена введением полимерных добавок. Сцепление и угол внутреннего трения, при варьировании того или иного фактора, изменяются в малой степени, что не дает возможности объективно оценивать материал по критерию устойчивости к накоплению необратимых деформаций.
Мониторинг остаточных деформаций на участках федеральных автомобильных дорог ЮФО по данным измерительных зондов показал, что максимум деформаций накапливается в грунте земляного полотна (30-40% от общей деформации) и в верхнем слое асфальтобетонного покрытия (20-30% от общей деформации), а на слой из крупнозернистого пористого асфальтобетона приходится от 10 до 20% от общей деформации. Полученные данные о распределении деформаций по слоям дорожной конструкции позволили при испытании асфальтобетонных образцов на приборе ПДИ определить требования к предельно-допустимым значениям накопления остаточных деформаций: - в плотных асфальтобетонах, предназначенных для устройства верхнего или нижнего слоя покрытия (при расчетной нагрузке р=0,6 МПа и температуре 1=60 С) - 4 мм; - в пористых асфальтобетонах, предназначенных для устройства верхнє-го слоя основания или нижнего слоя покрытия (при расчетной нагрузке р=0,5 МПа и температуре t=50 С) - 3 мм.
8. Определена экономическая эффективность применения разрабо танной методики при подборе состава асфальтобетона с учетом срока его служ бы в дорожном покрытии. Для получения сопоставительных результатов вве ден коэффициент эффективности, объективно показывающий соотношение между увеличением стоимости и снижением накопления остаточных деформа ций в асфальтобетоне
