Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование постановки темы, цели и задачи исследований 10
1.1. Основные деформационно-прочностные характеристики покрытий автомобильных дорог 10
1.2. Влияние состава и свойств асфальтобетона на деформационно-прочностные характеристики покрытий 12
1.3. Действующие напряжения в покрытиях автодорог 16
1.3.1. Характер нагрузок и воздействий на покрытии дорог 17
1.3.2. Оценка напряженно — деформированного состояния покрытия автомобильных дорог 21
1.4. Методы оценки прочностных и деформационных свойств покрытий автодорог 29
1.4.1. Оценка деформационно - прочностных свойств асфальтобетона в натурных условиях 29
1.4.2. Оценка деформационно ,— прочностных свойств асфальтобетона в лабораторных условиях 35
1.4.3. Сопоставление определения прочностных и деформационных свойств асфальтобетона в лабораторных и натуральных условиях. 42
2. Обоснование метода вдавливания сферического штампа для оценки прочностных и деформационных свойств асфальтобетона 49
2.1. Напряженно деформируемое состояние среды при вдавливании штампов 49
2.1.1. Плоский жесткий штамп 53
2.1.2 Конический штамп 56
2.1.3 . Напряженно деформируемое состояние упругого полупространства при вдавливании сферического штампа 57
2.2. Обоснование размеров сферического штампа и нагрузки приложения к нему 63
2.3 .Учет упруго-вязко-пластических свойств асфальтобетона при вдавливании сферического штампа 70
2.3.1. Обоснование применения циклического загружения штампа. 70
2.3.2. Определение угла внутреннего трения и сцепления 73
2.3.3. Обоснование необходимых численных значений параметров, определяемых по методу вдавливания сферического штампа 78
2.3.4. Возможность использования сферического штампа для сопоставления показателей в лабораторных и полевых условиях 80
2.4. Выводы по главе 84
3. Экспериментальные исследования деформационно-прочностных свойств 85
3.1. Испытательные установки 8 5
3.2. Методика проведения испытаний методом вдавливания сферического штампа 88
3.2.1. Методика испытаний в лабораторных условиях 8 8
3.2.2. Методика испытаний в натурных условиях 89
3.2.3 Обработка результатов испытания, расчет показателей деформационно-прочностных характеристик асфальтобетона 90
3.3. Исследование деформационно-прочностных свойств асфальтобетона в лабораторных условиях 94
3.3.1. Свойства асфальтобетонных смесей, принятые для исследования 94
3.3.2. Исследование деформационно-прочностных свойств асфальтобетона методом вдавливания сферического штампа 104
3.3.2.1. Влияние содержания битума в асфальтобетонной смеси на деформационно-прочностные характеристики определяемые методом вдавливания сферического штампа 105
3.3.2.2. Влияние степени уплотнения на изменение деформационно-прочностные характеристики по методу вдавливания сферического штампа 115
3.4. Исследование деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов методом вдавливания сферического штампа 125
3.4.1. Использование метода вдавливания сферического штампа для контроля качества строительства покрытий 129
3.5. Выводы по главе 132
4. Экономическая эффективность применения метода определения деформационно-прочностных показателей методом сферического штампа 134
4.1. Выводы по главе 138
Заключение 139
Список используемых источников
- Действующие напряжения в покрытиях автодорог
- Напряженно деформируемое состояние упругого полупространства при вдавливании сферического штампа
- Методика проведения испытаний методом вдавливания сферического штампа
- Исследование деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов методом вдавливания сферического штампа
Введение к работе
В последние годы произошли значительные изменения в объёмах перевозок пассажиров и грузов, производимых различными видами транспорта.
Перераспределение этих объёмов произошло в сторону автомобильного транспорта, который является более мобильным, управляемым, контролируемым и позволяет осуществлять перевозки грузов непосредственно от изготовителя до потребителя. На автомобильных дорогах, особенно на магистральных, значительно повысилась интенсивность движения, увеличилось количество большегрузных автомобилей и автобусов. Возросший поток автомобилей соответственно значительно увеличил силовые воздействия на проезжую часть и в частности на конструкцию дорожной одежды.
Актуальность проблемы. В настоящее время значительно повышаются требования к транспортно-эксплуатационному состоянию автомобильных дорог и, в большей мере, к деформационно-прочностным характеристикам покрытий дорожных одежд. Для Российской Федерации, исходя из погодно-климатических условий, наиболее распространенными являются конструкции дорожных одежд нежесткого типа. Сложившаяся, к настоящему времени, научно-теоретическая база позволяет учесть при проектировании конструкций нежестких дорожных одежд возникшие изменения в нагрузках и воздействиях на автомобильную дорогу, т.е. при конструировании и расчете можно создавать конструкции дорожных одежд, обеспечивающие достаточные прочностные характеристики и долговечность в период расчетного срока службы.
Решающая роль в обеспечении прочности и долговечности конструкции принадлежит верхним асфальтобетонным слоям которые, с одной стороны, должны иметь необходимые деформационно-прочностные свойства для восприятия нагрузок от транспорта в условиях изменяющихся погодно-климатических воздействий, а с другой стороны, должны снижать и перераспределять эти воздействия на нижележащие слои дорожной одежды. Поэтому на стадии конструирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа особо
5 важным вопросом является знание реальных прочностных и деформационных
показателей конструктивных слоев и, в частности, асфальтобетонных слоев.
Формирование определенных деформационных и прочностных свойств асфальтобетона происходит на двух стадиях: первоначально при подборе и приготовлении асфальтобетонных смесей, а затем при укладке и уплотнении их в покрытии. При этом свойства асфальтобетона, уложенного в покрытие, с одной стороны, должны отвечать свойствам асфальтобетонных образцов, полученных при подборе состава смесей, а с другой стороны, должны соответствовать расчетным характеристикам, заложенным на стадии конструирования и расчета дорожной одежды. Необеспечение того или иного условия не дает надежной гарантии в обеспечении достаточной прочности и долговечности конструкции дорожной одежды в целом.
В существующей нормативной базе по определению требований к асфальтобетону (ГОСТ 9128-97), методике оценки основных показателей его свойств (ГОСТ 12801-98), по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд (ОДН 46-01, ранее ВСН 46-83) сложились определенные несоответствия между показателями свойств, характеризующих асфальтобетон как дорожностроительный материал, и теми необходимыми характеристиками, которые отражают его свойства и используются при расчете нежестких дорожных одежд. Эти несоответствия обуславливаются тем, что в одном случае асфальтобетон рассматривается как дорожно-строительный материал, классифицируется и нормируется по температуре приготовления и укладке, крупности зернового состава, плотности, водонасыщению, набуханию и прочностным показателям, полученным при доведении образцов до разрушения при свободном сжатии при температурах 0, 20, и 50С. При этом определение деформативных характеристик (таких как модуль упругость, предел прочности при изгибе и др.) не предусматривается. При расчете конструкций дорожных одежд основными расчетными характеристиками являются — модуль упругости при статическом и динамическом нагружении при различных температурах, прочность при изгибе, внутреннее трение и сцепление между частицами. Данные показатели опреде-
ляются дополнительными методами, предусмотренными в ВСН 46-83, а в качестве расчетных используются усредненные значения, полученные на основе статистической обработки результатов испытаний образцов из различных составов асфальтобетонных смесей. При этом используемые статические или динамические схемы испытания образцов существенно отличаются от реальной работы асфальтобетона в покрытии.
При оценке качества укладки асфальтобетона в покрытии используются стандартные показатели свойств образцов, полученных путем переформовки вырубок или кернов, Эти показатели сравниваются с первоначальными значениями, полученными при контроле качества приготовления асфальтобетонных смесей. Соответствие деформативных свойств асфальтобетона расчетным характеристикам не предусматривается и не производится. Оценка деформативных свойств производится только для конструкции в целом по показателям эквивалентного модуля упругости покрытия при динамическом или статическом испытании дорожной одежды.
Для повышения качества проектирования дорожных одежд и качества технологии строительства асфальтобетонных слоев необходима разработка таких методов оценки свойств асфальтобетона, которые имели бы одинаковую схему загружения в лабораторных и натурных условиях, позволяли получать адекватные показатели свойств, могли бы являться расчетными при проектировании конструкции дорожных одежд и контролируемыми при строительстве слоев покрытий.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода оценки деформационно-прочностных свойств асфальтобетонных слоев покрытий, позволяющего получать адекватные показатели, как в натурных, так и в лабораторных условиях, использовать данные показатели при проектировании и расчёте дорожных одежд, а также при контроле качества строительства.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
- определить основные параметры асфальтобетонных слоев, характеризующие
их работоспособность, исходя из современных теоретических представлений работы дорожных конструкций в условиях действия расчётных нагрузок и воздействий;
теоретически обосновать использование метода вдавливания сферического штампа для оценки деформационно-прочностных свойств асфальтобетонных слоев в лабораторных и натурных условиях;
теоретически обосновать размеры сферического штампа, диапазон испытательных нагрузок для использования метода в лабораторных и натурных условиях;
сконструировать и изготовить установки по определению деформационно-прочностных свойств асфальтобетонов в лабораторных и натурных условиях;
проверить теоретические решения в экспериментальных исследованиях деформационно-прочностных свойств асфальтобетонов в лабораторных и полевых условиях;
установить на основе экспериментально-теоретических исследований возможность использования метода вдавливания сферического штампа для оценки качества устройства асфальтобетонных слоев;
разработать методику по применению метода вдавливания сферического штампа для определения деформационно-прочностных характеристик асфальтобетонных слоев и контроля качества их устройства.
Научная новизна работы состоит в следующих положениях:
на основе анализа теоретических исследований работы асфальтобетонных слоев под нагрузкой установлены определяющие характеристики, необходимые при проектировании дорожных одежд и которые должны контролироваться в процессе строительства и эксплуатации, обосновано, что для определения этих характеристик следует использовать испытания слоев штампами;
применительно к дорожным покрытиям осуществлены аналитические решения по вдавливанию штампов различной формы в упругое полупространство,
8 при этом установлено, что наиболее полную информацию о среде можно получить при использовании метода вдавливания сферического штампа;
теоретически обосновано циклическое приложение нагрузок при исследовании асфальтобетонов, установлены размеры сферического штампа и диапазон прикладываемых нагрузок;
установлены аналитические зависимости по определению прочности ненарушенной структуры, статического и расчетного модулей упругости, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения и сцепления, позволяющие получать адекватные показатели в лабораторных и полевых условиях.
Личный творческий вклад автора в получении результатов научных исследований, изложенных в диссертации. На основе теоретических исследований проведена математическая обработка численного эксперимента по определению размеров штампа и прикладываемой нагрузки. Разработаны программы для ПЭВМ по определению прочности ненарушенной структуры, статического и расчетного модулей упругости, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения и сцепления. Запроектированы и изготовлены испытательные установки для определения деформационно-прочностных характеристик в лабораторных и полевых условиях. Исследования по изучению деформационно-прочностных характеристик асфальтобетонных покрытий проводились автором, на опытно-экспериментальном участке автомобильной дороги II технической категории Липецк-Хлевное на обходе села Борино в Липецкой области.
Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по проведению контроля качества строительства и эксплуатации автомобильных дорог нежесткого типа, в создании испытательных установок для определения деформационно-прочностных свойств асфальтобетона и асфальтобетонных покрытий.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались при проведении контроля качества строительства участка автомобильной дороги на обходе села Борино в Липецкой области, при реконструкции участка автомагистрали «Каспий» в Тамбовской области.
9 Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и
одобрены на: научно-технических конференциях ВГАСУ (1999-2003г); Международном научно-практическом симпозиуме «Дорожная экология XXI века» (г. Воронеж, 2000г); Международной научно-практической конференции «Строи-тельство-2002» (Ростов-на-Дону, 2002г); 5-ой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2002г) Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства» (Вологда, 2002г); Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - региона» (Вологда, 2003 г)
Публикации. Результаты исследований опубликованы в семи работах.
На защиту выносятся:
- математическая модель вдавливания сферического штампа в деформируе
мую среду;
-обоснование применения метода вдавливания сферического штампа для определения основных прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона на стадии проектирования, строительства и эксплуатации автомобильной дороги;
- методика проведения контроля качества строительства асфальтобетонных покрытий путем вдавливания сферического штампа, испытательные установки;
- результаты исследования деформационно-прочностных характеристик ас
фальтобетона в лаборатории и асфальтобетонных покрытий.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, математического и регрессионного анализа, результатами внедрения и использованием поверенных приборов.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений. Содержит 195 страницы, в том, числе 142 страницы машинописного текста, 16 таблиц, 38 иллюстраций, списка использованных источников из 149 наименований, 5 приложений.
Действующие напряжения в покрытиях автодорог
В процессе эксплуатации автомобильная дорога находится под влиянием значительного количества нагрузок и воздействий, которые необходимо учитывать при проектировании, строительстве, организации работ по ремонту и содержанию.
Проблемой оценки влияния различных нагрузок на автомобильную дорогу занимались учёные: Н.Н.Иванов [30,31,32,48]; М.Б.Корсунский[50,51,52]; Б.С.Радовский [86,87]; Н.К. Бируля [8,9]; С.К. Илиополов [33,34,35]; А.А. Иноземцев [38,39];А.В. Руденский [98]; В.В. Сильянов [107]; А.В. Смирнов [110,111,112,113,114,115,116,117] и многие другие.
В работах А.К. Бируля и СМ. Маховича [9] данные воздействия объединяются в основные две группы: -характер движения по дороге: состав и нагрузка на колесо, скорость и интенсивность движения, характер распределения потока по ширине проезжей части; -климатические факторы: температурные перепады и изменения влажности земляного полотна и слоев дорожной одежды.
Каждый из отмеченных факторов по особому проявляется в различных до-рожно-климатических зонах. Принято считать, что первоначальными обычно являются погодно-климатические условия, на фоне которых проявляются все остальные факторы. Туман, гололед, снежные заносы, паводки могут резко ухудшить транспортно-эксплуатационные качества автомобильной дороги.
Переувлажнение низа дорожной одежды и земляного полотна приводит к быстрому разрушению дороги и нарушению нормального транспортного про 18 цесса. Данное условие ослабляет сопротивление материалов покрытия и этим увеличивают разрушительный эффект механического воздействия колес ав- то мобилей.
Основное влияние на напряженно деформируемое состояние дороги и непосредственно на верхние слои дорожной одежды оказывает нагрузки при движении, остановке и стоянке автомобилей. При этом возникают статические и динамические воздействия.
Движение автотранспорта вызывает в покрытии дороги вертикальные и горизонтальные силы, а также касательные усилия — наиболее значительные при разгоне и торможении автомобиля в зоне контакта шины колеса с покрытием, определяющие относительное смещение верхних слоев покрытия. В зоне контакта шины двигающегося колеса автомобиля с дорожным покрытием возникают динамические - вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа автомобиля и шины колеса, а также величины нагрузки.
Вертикальное давление неравномерно распределяется по площадке следа колеса в зависимости от типа автомобиля и характера протектора шины. Особенность автомобильного колеса является его эластичность. Под действием вертикальной силы колесо деформируется, в месте контакта радиус колеса меньше чем в других частях колеса, не соприкасающихся с покрытием. При движении вертикальная нагрузка на покрытии составляет [107]: где: Р - вертикальная сила на колесо; фАТ - коэффициент сопротивления качению или коэффициент трения.
Результирующая нагрузка от шин колес распределяется по опорной поверхности обычно в виде эллипса [107]. В центре эллипса удельная нагрузка (контактное давление) максимальна, а по периметру - равна нулю. Для упрощения процедуры расчёта напряженно-деформированного состояния слоев дорожных одежд, нагрузку от колеса, распределенную неравномерно по эллипти 19 ческому отпечатку на опорной поверхности заменяют удельной нагрузкой, равномерно распределенной по кругу [75]: 400 0 = л\_асч_ (12) к- р
В соответствии с нормами р — удельное давление [75], для основных нагрузок от автомобилей группы Al, А2, A3, двухосного автомобиля со статической нагрузкой на заднюю ось соответственно 100,110 и 130 кН и удельным давлением равным 0,6 Мпа.
Характер воздействия транспорта различен на транзитных участках дороги, в пределах которых автомобиль движется сравнительно беспрепятственно и на тормозных участках — у перекрёстков и светофоров. На транзитных участках на покрытие передаётся мгновенное усилие от колеса, задерживающегося в каждой точке на сотые и тысячные доли секунды в зависимости от скорости движения автомобиля. Период «отдыха» покрытия в данной точке определяется плотностью движения машин в продольном профиле. Период «отдыха» является все же небольшим и асфальтовый бетон не успевает полностью освободиться от возникших в нем напряжений. С повышением плотности движения вероятность совпадения следа колеса возрастает, период «отдыха» сокращается, накопление остаточных напряжений ускоряется. За определенные периоды времени могут накапливаться весьма существенные суммарные напряжения в материале и развиваться либо заметные деформации, либо хрупкий разрыв [9,45,74].
На тормозных участках продолжительность действия колеса больше, чем на транзитных участках. Она равна обычно от долей секунды до 1-1,5 сек. На этих участках возникают значительные касательные усилия, которые во взаимодействии с нормальными напряжениями повышают суммарную величину внутренних напряжений в покрытии, способствуют появлению и развитию сдвиговых деформаций или разрывов слоя асфальтобетона. Касательные силы — тяговые и тормозные направленные либо в сторону движения транспорта, либо под углом (боковое усилие при скользкости).
Напряженно деформируемое состояние упругого полупространства при вдавливании сферического штампа
Из уравнений (2.62) и (2.63) можно определить конкретные значения модулей упругости Е при вдавливании штампа радиусом R в покрытие автодороги. При известных значениях 5 и Q Е = 0,75 (2.64) 6(1 -vz) 8 Рассмотренное аналитическое решение напряженно-деформированного состояния полупространства можно использовать при расчете слоя дорожной одежды на статическое воздействие нагрузки.
Распределение напряжений под сферическим штампом приближается к распределению напряжений от действия автомобиля, что показано в первой главе. Поэтому для оценки деформационно-прочностных свойств целесообразно использовать сферический штамп.
Рассмотренные теоретические решения о вдавливании плоского, сферического и конусного штампов подтверждают возможность их применения в определении деформационно-прочностных характеристик асфальтобетона. При этом данные теоретические решения приемлемы только в упругой стадии работы материала.
Однако характер деформирования и распределения напряжений в среде для данных разновидностей штампов совершенно различен.
В случае круглого плоского штампа, как показывает формула (2.26) давление р, равное половине среднего давления в центре штампа, возрастает довольно существенно при приближении к контуру области загружения, являющемуся угловой линией штампа. Соответственно максимальные напряжения в среде будут концентрироваться под круговой границей штампа, что не соответствует реальному распределению напряжений под колесом автомобиля. В случае использования конического штампа, исходя из формулы (2.36) в центре площадки соприкосания под острием штампа давление оказывается бесконечным, с резким падением к границе штампа, что аналогично будет происходит и с напряжениями возникающими в среде. Асфальтобетон является конгломератом, состоящий из крупнозернистой части щебня, растворной части - песка и вяжущего — минеральный порошок с битумом. По структуре в отдельных местах и точках обладает неоднородностью, поэтому использование конического штампа нецелесообразно т.к. невозможно определить реальные показатели деформационно-прочностных характеристик: модуля упругости, прочности и др. Данное условие не позволяет дать адекватных показателей прочности асфальтобетона.
В случае применения сферического штампа давление имеет максимальное значение в центре площадки соприкасания и равно 1,5рср; на окружности контакта с поверхностью давление обращается в нуль. Эпюра распределения давления представляет поверхность полусферы, опирающейся на эту окружность.
По всей плоскости, ограничивающей полупространство, вне области за гружения отсутствуют нормальное напряжение Gz и касательное напряжение TpZ, а напряжения ор и аф равны по величине и противоположны по знаку. В центре загруженной области (р=0)
Впервые метод вдавливания сферического штампа для определения деформационно-прочностных свойств, асфальтобетона в реальных условиях предложено A.M. Буденым. При этом использовался шаровый штамп диаметром D=30 см.
С помощью гидравлического домкрата, упирающегося в грузовой автомобиль; на штамп передается нагрузка Р=2000 Н. В результате испытания определяются: полная деформация - об, остаточная - ос. и упругая уп=об-ос z - толщина напряженного слоя, z = 4 - 5 dmn. В прелагаемом методе A.M. Буденного вводится много допущений, кото рые не имеют достаточных обоснований.
При определении напряжений на поверхности покрытия az=0 принимается среднее значение напряжений возникающее на плоской поверхности ограниченной do. Без обоснования принимается положение, что напряжение на глубине 2 см будет находится в пределах (0,3-0,4) oVo.
Активная зона под сферическим штампом D=30 см выходит за пределы укладываемых асфальтобетонных слоев.
Для обоснования оптимальных размеров штампа и величины силы Q был поведен численный эксперимент. При этом рассматривалась задача теории упругости о вдавливании шарового штампа в упругое полупространства. Рассмотрим напряженное состояние упругого полупространства при симметричном действии нагрузки согласно (2.42).
Методика проведения испытаний методом вдавливания сферического штампа
Основываясь на теоретических решениях по определению деформационно-прочностных свойств методом вдавливания сферического штампа были запроектированы и изготовлены специальные испытательные установки.
Для испытания образцов в лабораторных условиях используется рычажный пресс. Рычажный пресс представляет собой пространственную рамную конструкцию, выполненную из уголков, к верхней части которой крепится рычаг с соотношением плеч 1:10. В средней части имеется столик, на который устанавливается цилиндрические образцы асфальтобетона. К рычагу крепится шток, через который нагрузка передается на сферический штамп в виде шарового сегмента с радиусом 63,5 мм. На сферическом штампе закреплены металлические пластины, в которые упираются ножки индикаторов часового типа, с ценой деления равной 0,01 мм. Индикаторы крепятся к стойкам рамы при помощи струбцин.
Для имитирования реальной работы асфальтобетона в покрытии образец помещается в металлическую обойму. Образец устанавливается таким образом, чтобы нагрузка от штампа прикладывалась точно по центру образца. При помощи резьбового соединения штока и противовеса производится уравновешивание рычага и выравнивание его в горизонтальной плоскости. Затем крепятся индикаторы, ножки которых упираются в пластины сферического штампа на равном расстоянии от центра приложения нагрузки. Общий вид установки представлен на рис. 3.1.
Для испытания асфальтобетонных покрытий в полевых условиях был разработан гидравлически - рычажный пресс представленный на рисунке 3.2.
Гидравлически — рычажный пресс представляет собой рычаг длиной 50 мм с соотношением плеч 1:1. Данный рычаг струбциной крепится к раме или бамперу автомобиля. По концам рычага через подшипники качения крепятся два штока, один из которых упирается в пяту гидравлического домкрата, а дру гой через резьбовое соединение в сферический штамп диаметром 63,5 мм, аналогичный штампу для лабораторных испытаний.
В качестве силоизмерителя используется манометр, по которому производится определение усилий передаваемых на сферический штамп. Штамп оснащен удлинителями в которые упираются ножки индикаторов часового типа с точностью измерения деформаций — 0,01 мм. Индикаторы крепятся на специальных стойках, устанавливаемых непосредственно на покрытии. Учитывая, что испытания проводятся при максимальной глубине погружения штампа в 2-3 мм., стойки индикатора могут устанавливаться в непосредственной близости от штампа (на расстоянии 10-15 см), так как при принятом диапазоне нагрузок на данном расстоянии на покрытии в соответствии с теоретическими решениями деформации и напряжения равны нулю.
Нагрузка от гидравлического домкрата через рычаг передается на сферический штамп ступенями, величина которых соответствует лабораторным испытаниям.
Установка для испытания асфальтобетона в натурных условиях может использоваться и для испытаний образцов в лаборатории при наличии жесткого основания и отрезка жестко закрепленной балки, к которой при помощи струбцин может крепиться рычаг.
Для определения деформационно-прочностных показателей асфальтобетона в лабораторных условиях изготавливают в соответствии с ГОСТ 12801-98 образцы цилиндрического типа, для песчаного и мелкозернистого d=h=71,4 мм, для крупнозернистого d=h=101 мм.
Испытание образцов в лабораторных условиях на рычажном прессе производится в следующей последовательности:
1. Изготавливается серия образцов асфальтобетона в количестве не менее двух для каждой температуры испытания - 0С, 20С и 50С, из учета, что каждый образец может испытываться с двух сторон.
2. Перед испытанием образцы совместно с обоймой выдерживаются в термошкафу, в водяной бане или морозильной камере при заданной температуре не менее одного часа.
3. Предварительно перед каждой серией испытаний осуществляется настройка прибора с установлением собственных деформаций установки. Для этого производится уравновешивание рычага и проводят полный цикл определения деформаций металлического образца (вкладыша формы). На каждой ступени определяется средняя величина деформации установки.
4. Выбор и количество ступеней загружения принято с учетом теоретического обоснования применения сферического штампа. Количество ступеней загружения - 5. Ступень загружения — 40 кГс. Суммарная величина нагрузки на образец - 200 кГс.
5. Образец вместе с обоймой, выдержанный при заданной температуре, устанавливается на столик. В центре образца устанавливается сферический штамп, к металлическим пластинам которого подводятся ножки индикаторов. Плотное прилегание штампа к образцу и его центровка достигается при помощи штока имеющего резьбовое соединение.
6. Загружение производится ступенями Pj. При каждой ступени загружения фиксируются отчеты по индикаторам Cj. Снятие отчета производится после прекращения движения стрелки индикатора. Фиксируются также отчеты при отсутствии нагрузки на образец C0j- до нагружения и C0j+r после разгрузки.
7. При назначенных ступенях загружения, осуществляется несколько циклов испытания без переустановки штампа, фиксируются отсчеты при каждой ступени загружения Су. Полный цикл испытания считается законченным, когда остаточные деформации после предельной нагрузки (Pi+n) будет меньше 5% упругой составляющей деформации. Iо,- = C0J - C0j+h0 0,05 8j = 0,05(С„, - C0j - C0J+h0) (3.1) oy = C0J -C0/ri 0,05 8j = 0,05« „y. -COJ -Coy+1) (3.2) где: 0i -величина остаточной деформации после j циклов загружения, мм.;
8:- величина упругой деформации после] циклов загружения, мм; CQJ и CQJ+I — нулевые отсчеты по индикатору при j и j+І цикле загружения; Cnj — отсчет по индикатору при п — ступени (максимальной) загружения и при j цикле загружения.
Исследование деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов методом вдавливания сферического штампа
Как уже отмечалось, структура асфальтобетона является одним из решающих факторов определяющих его качество, и в частности прочность и долговечность. Поэтому должна правильно решаться задача направленного струк-турообразования асфальтобетона, т.е. создание структуры, отвечающей требованиям достаточно высокого его качества. Эта задача определяет выбор типа асфальтобетона, методику проектирования.
Качество во многом определяется условиями технологии производства работ: приготовления, транспортирования, укладки и уплотнения асфальтобетонной массы.
Одним из последних этапом формирования асфальтобетона является уплотнение, что оказывает большое влияние на плотность асфальтобетона. От степени уплотнения во многом зависят деформационно-прочностные свойства, а также долговечность покрытия.
Для сопоставления изменения прочностных и деформационных показателей асфальтобетона от степени уплотнения методом вдавливания сферического штампа были проведены испытания образцов с разной степенью уплотнения ЗОМПа, 35МПа и 40МПа. Испытания проводились в соответствии с предложенной методикой при 0С, 20С и 50С. Для проведения этих исследований был использован метод планирования эксперимента.
Таблицы результатов испытаний представлены в приложении, итоговые средние показатели по каждому типу смеси представлены в таблице 3.10. В таблице приводятся для сравнения результаты стандартных испытаний образцов (выделенные).
Зависимость изменения фактических и теоретических характеристик асфальтобетона от степени уплотнения представлены на рис. 3.18,. 3.19, 3.20, 3.21,3.22.
Достоверность показателей, подтверждается возможностью использования метода планирования эксперимента в проведение испытаний при различной уплотняющей нагрузки и при различной температуре от 0ПС до 50 С. Полученные уравнения регрессии позволяют определять прочностные характеристики при различной уплотняющей нагрузке и при различной температуре в выбранных диапазонах варьирования.
Анализируя результаты исследования физико-механических и деформационно-прочностных свойств, определеные по методу вдавливания сферического штампа можно получить значительно большую информацию о структуре и свойстве асфальтобетона, чем при сжатии образцов до разрушения (только прочность при сжатии). Прочностные характеристики по методу вдавливания сферического штампа, характеризующиеся установившимися напряжениями (Оу), коррелируются с прочностью при сжатии. Сопоставление R и ту от степени уплотнения представлены в виде кривых на рис. 3.23.
Прочностные свойства ау асфальтобетона характеризуют напряжения ненарушенной структуры материала, поэтому ay R. Как уже было отмечено структурные свойства материала характеризуются углом внутреннего трения и сцепления между частицами. Эти показатели при различном содержании битума для одного и того же зернового состава изменяются в пределах точности измерения (расхождение от среднего значения не больше ±5%) при изменении уплотняющей нагрузки четко прослеживается закономерность повышения угла внутреннего терния при повышение нагрузки от 30 до 40 МПа, сцепление остается стабильным, что соответствует теории асфальтобетона. В то же время сцепление значительно повышается при снижении температуры. Так показатели сцепления для всех видов уплотняющей нагрузки при снижении температуры от 50С до 0С повысились почти в 6 раз, что также соответствует теории асфальтобетона.
Деформационные свойства характеризуются коэффициентом Пуассона, при этом значение этого коэффициента близко к рекомендуемым значениям большого круга строительных материалов, для асфальтобетона рекомендуется принимать 0,3. При вдавливание сферического штампа впервые получены реальные значения коэффициента Пуассона.
В лабораторных условиях на образцах методом вдавливания сферического штампа получены значения статического модуля упругости, которые могут без введения коэффициента и пересчета использоваться при расчете дорожных одежд на статическое воздействие нагрузки Ест при t=+50C.
Полученные показатели при вдавливании сферического штампа имеют значительно меньшее расхождение между отдельными испытаниями, чем при испытании на свободное сжатие, при меньшем количестве образцов (2 против 3). Оценка разброса в показателях приведена в таблице 3.11. При данных значениях расчетное значение критерия Стьюдента составляет 0,05, что соответствует табличному значению при достоверности 0,95.
Сама методика проведения испытаний по методу вдавливания штампа с математической обработкой результатов по специально разработанной программе не дает возможности вносить искусственные коррективы в полученные результаты (в частности при определение R (прочности) увеличение скорости хода поршня дает значительный прирост прочности).
Оценивая влияние степени уплотнения на деформативную способность асфальтобетона, была предложена методика определения коэффициента уплотнения покрытия. В этом случае рассматривается полная, остаточная и упругая деформация при различной температуре проведения испытания методом вдавливания сферического штампа. Основные показатели сведены в таблице 3.12. Графическое изменение деформации представлены графиками на рис. 3.24, 3.25.
