Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ результатов обоснования сроков службы поверхностных обработок асфальтобетонных покрытий 5
1.1 Введение 5
1.2 Оценка работоспособности поверхностной обработки 7
1.2.1 Выбор критерия для назначения текстуры 7
1.2.2 Оценка сцепных качеств шероховатых покрытий. Анализ взаимосвязи между сцепными свойствами и параметрами шероховатости покрытий автомобильных дорог 9
1.3 Расчет размера фракции щебня 15
1.4 Цель и задачи исследований 21
ГЛАВА 2. Учет влияния погодно-клнматнческих факторов на работоспособность поверхностной обработки 2 3
2.1 Анализ существующей оценки степени воздействия погодио-климатических факторов на асфальтобетонные покрытия 23
2.2 Основные теплофнзические свойства дорожного асфальтобетонного покрытия 23
2.3 Воздействие на дорожное покрытие солнечной радиации 2 5
2.4 Определение основных теплофизических характеристик системы «атмосфера - шероховатый слой поверхностной обработки асфальтобетонного покрытия» 2 7
2.4.1 Альбедо поверхности шероховатого слоя 2 7
2.4.2 Коэффициент теплоотдачи 2 7
2.5 Температура и скорость ветра в приграничном слое воздуха 2 9
2.6 Получение формулы расчетной температуры верхнего слоя покрытия из уравнений теплового баланса рассматриваемой системы 3 2
2.7 Количественный учет влияния микроклимата на расчетную температуру покрытия 35
2.7.1 Определение понятия «микроклимат» 3 5
2.7.2 Микроклимат растительного покрова применительно к автомобильной дороге, проходящей по лесу 3 6
2.8 Методика расчета максимальной и круглосуточной температур поверхностных обработок асфальтобетонных покрытий 40
2.9 Расчет приведенного интервала среднегодового времени, в течение которого покрытие дорог Московской области имеет максимальную расчетную летнюю температуру 42
ГЛАВА 3. Расчет размера фракции щебня для устройства поверхностной обработки с применением белого щебня и битумной катионнон эмульсии
3.1 Основные положения работоспособности шероховатых слоев 46
3.2 Количественная оценка влияния погодно-клнматических и эксплутационных факторов на срок службы шероховатых слоев 50
3.2.1 Определение температуры, при которой происходит погружение щебня в асфальтобетон и времени ее действия до окончания втапливания. Коэффициенты приведения интервала времени, в течение которого температура покрытия равна данному диапазону температур, к расчетному 50
3.2.2 Определение времени воздействия колесной нагрузки 55
3.2.3 Оценка и классификация типов дорожных покрытий, построенных с применением органических вяжущих по твердости 56
3.3 Определение требуемого размера щебня для устройства поверхностной обработки на основании данных лабораторных и полевых испытаний 68
3.3.1 Определение толщины слоя вяжущего при устройстве поверхностной обработки 69
3.3.2 Учет износа поверхностной обработки от шлифующего воздействия транспортной нагрузки 71
3.3.3 Методика расчета размера фракции щебня для устройства поверхностной обработки с применением белого щебня и битумной катионнон эмульсии 74
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования 81
4.1 Выбор и характеристика экспериментальных участков 81
4.2 Оборудование и общая методика исследований. Оценка точности результатов 86
4.3 Определение характеристик транспортного потока на опытных участках 95
4.4 Нахождение зависимостей по определению расчетных максимальной и круглосуточной температур шероховатых слоев 99
4.5 Определение расчетного интервала времени, в течение, которого температура дорожного покрытия экспериментальных участков равна расчетной по условиям втапливания щебня поверхностной обработки в асфальтобетон 111
4.6 Экспериментальные исследования параметров текстуры и коэффициента продольного сцепления одиночной и двойной поверхностных обработок фракций 5-8,8-11 и 11-16 мм 114
4.6.1 Оценка изменения коэффициента сцепления и параметров
текстуры шероховатых покрытий в период эксплуатации 114
4.6.2 Коэффициент продольного сцепления и параметры шероховатости поверхностных обработок 132
4.6.3 Анализ взаимосвязи между параметрами шероховатости поверхностных обработок 143
4.6.4 Анализ корреляции между оценкой качества поверхностных обработок с помощью рамки и коэффициентом продольного сцепления, а также глубиной впадин шероховатости методом «песчаное пятно». 149
4.7 Сравнительные испытания по определению глубины впадин шероховатости (Нср) методом «песчаного пятна», и жидкостным измерителем на фоне данных фотограмметрического сканирования поверхности дороги 154
4.8 Определение оптимального объема и фракции используемого песка, уточнение методики проведения испытаний по нахождению (Нср) методом «песчаного пятна» 158
4.9 Методические рекомендации для устройства поверхностной
обработки с применением битумной катионной эмульсии. 159
ГЛАВА 5. Общие выводы 168
Список использованной литературы
- Оценка сцепных качеств шероховатых покрытий. Анализ взаимосвязи между сцепными свойствами и параметрами шероховатости покрытий автомобильных дорог
- Воздействие на дорожное покрытие солнечной радиации
- Количественная оценка влияния погодно-клнматических и эксплутационных факторов на срок службы шероховатых слоев
- Определение расчетного интервала времени, в течение, которого температура дорожного покрытия экспериментальных участков равна расчетной по условиям втапливания щебня поверхностной обработки в асфальтобетон
Введение к работе
Общей тенденцией развития дорожной отрасли в мире можно назвать уделение максимального внимания сохранению существующей сети дорог; при этом концепцией является своевременное выявление мест и причин возможных деформаций и разрушений покрытий и дорожных одежд и устранение их на ранней стадии развития, предотвращая тем самым необходимость крупных или больших по площади и объемам ремонтных работ.
Учет реально существующих на дороге эксплутационных факторов путем направленного воздействия на размер щебня и норму расхода материалов, а также установление, на основе анализа большого объема выполненной в Московской области поверхностной обработки, соответствующего ей как техническому решению места, в системе шероховатых слоев износа (рис. 1.1) и как следствие, повышение ее работоспособности, - является наиболее важной из задач данного исследования.
В области расчета размера щебня и оценки работоспособности поверхностной обработки необходимо отметить исследования: В.А. Астрова, А.П. Васильева, М.С. Замахаева, Б.М. Косарева, Ю.В. Кузнецова, Н. Кульмурадова, Б.И. Ладыгина, М.В. Немчинова, Э.Г. Подлиха, B.C. Порожнякова, И.Н. Христолюбова, А.А. Шевякова, В.М. Юмашева. Р.Ю. Юсифова и др.
Работоспособность поверхностной обработки - технико-экономический показатель, характеризующий полезную работу покрытия дороги за время ее службы. Определяется массой брутто (масса грузов и транспортных средств) пропущенной через данное сечение автомобильной дороги, в результате чего сцепные свойства покрытия приходят в состояние, при котором необходим ремонт покрытия или повторная поверхностная обработка.
Действующие методические рекомендации и существующие в научных трудах предложения, касающиеся совершенствования самой поверхностной обработки сводятся в основном к трем направлениям: применение новых вяжущих; улучшение вяжущих добавками или применение композиционных материалов (эмульсии), а также применение новой техники, максимальная автоматизация распределения и дозирования материалов. Появление машин по распределению материалов как синхронному, так и раздельному потребовало нового технологического регламента по устройству поверхностной обработки с применением битумной катионной эмульсии и более узких (5-8, 8-11, 11-16 мм) фракций необработанного щебня, почти автоматизированного потока машин и механизмов. Выпущенные соответственно в 2000 и 2001 годах Саратовским «Росдортехом» и Дорожным департаментом Ханты-Мансийского автономного округа технологические регламенты [19, 20] являются, по сути, инструкциями по работе с новыми машинами. Основное внимание авторы уделили наладке узлов и агрегатов, контролю работы этих механизмов. Безусловно, эти факторы важны для обеспечения качества поверхностной обработки, но не относятся к технологии ее устройства [21].
В настоящее время отсутствует комплексный подход по расчету размера фракции щебня поверхностных обработок, который бы количественно учитывал влияние следующих основных факторов, влияющие на его изменение:
- твердость перекрываемого асфальтобетонного покрытия;
- погодно-климатические факторы, влияющие на втапливание щебня поверхностных обработок в асфальтобетонное покрытие;
- интенсивность и состав движения;
- размер фракции используемого щебня, что затрудняет обоснование своевременного назначения ремонта и разработку эффективных мероприятий по повышению безопасности движения на автомобильных дорогах.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы.
Апробация работы. Основные положения и выводы работы были доложены и обсуждены на 63-й научно-исследовательской конференции МАДИ (Москва 2005г.).
Объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, общих выводов и содержит 178 страниц машинописного текста, 69 таблиц, 114 рисунков, списка использованной
литературы из 111 наименований, 2го тома приложений на 128 страницах и Приложения ЗВ на CD-диске.
1.2 Оценка работоспособности поверхностной обработки 1.2.1 Выбор критерия для назначения текстуры
Основными функциями поверхностной обработки являются:
1. обеспечение сцепных качеств покрытия, которые следует считать удовлетворительными при соблюдении двух параметров:
a) Коэффициента сцепления (ф);
b) Средней глубины впадин (Нср);
2. отвод воды из зоны контакта шины с покрытием, для дорог 1 категории, а также для 3-х полосных дорог расположенных в Европейской части страны (при соблюдении Rz);
3. защита поверхности покрытия от воздействия внешних факторов. Анализ системы "шина-покрытие дороги" и функций поверхностной обработки [1] показал, что текстура поверхности покрытия может назначаться в зависимости от различных критериев: по сцепным качествам, по уровню вибрации автомобиля, по уровню транспортного шума, по сопротивлению качению и расходу топлива автомобилями.
Шероховатые поверхностные обработки должны обеспечивать в течение срока службы: высокое сопротивление скольжению автомобильных шин и наименьшее его изменение при увлажнении покрытия, возможно меньший уровень транспортного шума, наименьший ослепляющий эффект, минимальную вибрацию и сопротивление качению автомобиля, облегчение удаления льда и снега с поверхности покрытия и способность удержания на проезжей части реагентов, используемых для борьбы с гололедом. Некоторые из перечисленных требований противоречат друг другу. Например, повышение способности к отводу воды из зоны контакта автомобильной шины и покрытия дорог требует увеличения макрошероховатости поверхности покрытий, но при этом повышаются; вибрация, сопротивление качению автомобиля и уровень транспортного шума. Кроме того, влияние шероховатости неоднозначно на сухих и мокрых покрытиях, при низких и высоких скоростях движения. Следовательно, при расчете размера щебня для устройства шероховатых поверхностных обработок необходимо искать оптимальное (а зачастую компромиссное, между экономической целесообразностью и надежностью) решение, которое в наибольшей мере удовлетворяет всем перечисленным требованиям.
Из названных критериев в качестве базового будем рассматривать, согласно [1,10] - сцепные качества покрытия, определяющие безопасность движения автомобилей, остальные критерии учитываются введением соответствующих ограничений.
1.2.2 Оценка сцепных качеств шероховатых покрытий. Анализ взаимосвязи между сцепными свойствами и параметрами шероховатости покрытий автомобильных дорог.
Существующее в настоящее время в мире большое разнообразие методов и даже направлений в оценке скользкости дорожных покрытий породило разные нормы на величины различных коэффициентов сцепления. Однако и в рамках каждого из методов стандартизированные значения минимально допустимых коэффициентов сцепления колеблются в широких пределах из-за разнообразия используемой аппаратуры, различия в конструкции применяемых на динамометрических приборах шин и условий проведения измерений, неадекватности показателей удельной аварийности, и.т.д. [11].
Анализ данных сравнительных испытаний средств измерений показателей сцепных качеств покрытий произведенный Д.А. Павлюком [4] показал, что отклонение результатов измерения коэффициента сцепления от показателей принятого в нашей стране за базовый прибор «ПКРС-2У» могут достигать от -40 до +50%, а для самих приборов типа ПКРС от -10 до +34%. Вышеизложенное можно объяснить тем, что согласно [10] на величину коэффициента сцепления влияет 51 фактор, основные из которых представлены на рис. 1.2.
Таким образом, отсутствие единого мнения специалистов в мире не случайно; помимо огромного количества факторов влияющих (в том числе взаимосвязанных друг с другом) на величину коэффициента сцепления, имеются различия в нормативных значениях величины коэффициента сцепления, методах и приборах для его измерения, вызванные причинами начиная от истории развития дорожной отрасли конкретной страны и заканчивая различными климатическими условиями и менталитетом людей.
Коэффициент сцепления, безусловно, первичен с эксплуатационной и потребительской точек зрения, но его интегральность (в плане количества факторов влияющих на его величину) не позволяет однозначно сопоставлять (в смысле необходимости и достаточности) качество шероховатых слоев с его непосредственным значением. Согласно исследованиям И.Н. Христолюбова [10] наибольшее влияние на изменение коэффициента сцепления, а следовательно и на аварийность, по значимости из рассмотренных факторов оказывают: макрошероховатость, тип покрытия и состояние шины (коэффициенты корреляции между данными факторами и ф (гху) приведены в таблице 1.1).
Основные факторы влияющие на сцепные свойства через аварийность по данным [10]: Таким образом, И.Н. Христолюбовым установлено влияние шероховатости на сцепные свойства через аварийность, однако, эта «косвенная связь» является фактически наиважнейшей, выводя нас на потребительские свойства дороги.
Теоретически сцепление может быть оценено по параметрам макро- и микрошероховатости поверхности. Однако для этого требуется высокоточная количественная оценка параметров характеризующих шероховатость.
Согласно проведенным фотограмметрическим исследованиям [22], наивысшую корреляцию с ср имеют Rmax (0,64) и г (0,62) однако для поверхностных обработок на эмульсиях фракций 5-8, 8-11 и 11-16 мм таких данных нет.
По мнению М.В. Немчинова, основанному на исследованиях Ф.П. Боудена, Д. Тейлора, Б. Сабей углы при вершине (и соответствующие им радиусы) неровностей более 100° оказывают незначительное влияние на силу трения. В связи с этим главным из двух основных параметров характеризующих текстуру покрытия в течение всего срока службы является высотный параметр шероховатости [1] принятый также в качестве основного при оценке текстуры и в [6].
Согласно проводящимся за рубежом исследованиям, посвященным поиску корреляционной связи между показателями сцепных свойств покрытий и параметрами текстуры, в [56, 57] предложена следующая зависимость:
SN40=0,88(BRN) + 5,16(MTD)-17,8 (1.1) Где SN40 - коэффициент сцепления измеренный на скорости 40 миль/ч; BRN - (British pendulum number) показатель скользкости, определяемый прибором М.Леру;
MTD - средняя высота выступов макрошероховаости, полученная методом "песчаного пятна".
Коэффициент корреляции для данной зависимости 0,86. Фостером предложено следующее равенство [58]:
SN40=\S,6 ттг Щ +12 6 (1.2)
28,5 + (145 -та/ ул v v /та -3,97
где Sm - расстояние между выступами шероховатости;
та - глубина макрошероховатой поверхности, полученная при обработке профилограмм.
Коэффициент корреляции составил 0,86. Другие зависимости предложены Дорожным Департаментом Греции [59]: SN40 = (9,4mi - 38)/(4,25Sm°V0 ,4/mfl0-72)) (1.3) SN40 =-12,3 + \,365ті + 12,7та (1.4) где mi - глубина микрошероховатости в микронах, получаемая в результате обработки профилограмм; Sm - расстояние между выступами макрошероховатости. Коэффициенты корреляции равны соответственно 0,89 и 0,88. При высоких коэффициентах корреляции можно отметить, что ни одна из зависимостей не учитывает углы при вершине и форму выступов неровностей макрошероховатых поверхностей, а также нет ни одной формулы для связи сцепных свойств и одного из параметров текстуры. В зарубежной практике устройства шероховатых слоев износа (табл. 1.4) имеют место следующие рекомендации по назначению глубины шероховатости [1,11,26,96,97,98]:
Отсутствие четкой классификации текстур привязанной к определенным типам и фракциям поверхностных обработок и измерительной базы для оценки параметров шероховатости не дают полного представления о показателе сцепных качеств шероховатых покрытий и предопределяют исследования этих вопросов.
Оценка сцепных качеств шероховатых покрытий. Анализ взаимосвязи между сцепными свойствами и параметрами шероховатости покрытий автомобильных дорог
Основными функциями поверхностной обработки являются: 1. обеспечение сцепных качеств покрытия, которые следует считать удовлетворительными при соблюдении двух параметров: a) Коэффициента сцепления (ф); b) Средней глубины впадин (Нср);
2. отвод воды из зоны контакта шины с покрытием, для дорог 1 категории, а также для 3-х полосных дорог расположенных в Европейской части страны (при соблюдении Rz);
3. защита поверхности покрытия от воздействия внешних факторов. Анализ системы "шина-покрытие дороги" и функций поверхностной обработки [1] показал, что текстура поверхности покрытия может назначаться в зависимости от различных критериев: по сцепным качествам, по уровню вибрации автомобиля, по уровню транспортного шума, по сопротивлению качению и расходу топлива автомобилями.
Шероховатые поверхностные обработки должны обеспечивать в течение срока службы: высокое сопротивление скольжению автомобильных шин и наименьшее его изменение при увлажнении покрытия, возможно меньший уровень транспортного шума, наименьший ослепляющий эффект, минимальную вибрацию и сопротивление качению автомобиля, облегчение удаления льда и снега с поверхности покрытия и способность удержания на проезжей части реагентов, используемых для борьбы с гололедом. Некоторые из перечисленных требований противоречат друг другу. Например, повышение способности к отводу воды из зоны контакта автомобильной шины и покрытия дорог требует увеличения макрошероховатости поверхности покрытий, но при этом повышаются; вибрация, сопротивление качению автомобиля и уровень транспортного шума. Кроме того, влияние шероховатости неоднозначно на сухих и мокрых покрытиях, при низких и высоких скоростях движения. Следовательно, при расчете размера щебня для устройства шероховатых поверхностных обработок необходимо искать оптимальное (а зачастую компромиссное, между экономической целесообразностью и надежностью) решение, которое в наибольшей мере удовлетворяет всем перечисленным требованиям.
Из названных критериев в качестве базового будем рассматривать, согласно [1,10] - сцепные качества покрытия, определяющие безопасность движения автомобилей, остальные критерии учитываются введением соответствующих ограничений.
Существующее в настоящее время в мире большое разнообразие методов и даже направлений в оценке скользкости дорожных покрытий породило разные нормы на величины различных коэффициентов сцепления. Однако и в рамках каждого из методов стандартизированные значения минимально допустимых коэффициентов сцепления колеблются в широких пределах из-за разнообразия используемой аппаратуры, различия в конструкции применяемых на динамометрических приборах шин и условий проведения измерений, неадекватности показателей удельной аварийности, и.т.д. [11].
Анализ данных сравнительных испытаний средств измерений показателей сцепных качеств покрытий произведенный Д.А. Павлюком [4] показал, что отклонение результатов измерения коэффициента сцепления от показателей принятого в нашей стране за базовый прибор «ПКРС-2У» могут достигать от -40 до +50%, а для самих приборов типа ПКРС от -10 до +34%. Вышеизложенное можно объяснить тем, что согласно [10] на величину коэффициента сцепления влияет 51 фактор, основные из которых представлены на рис. 1.2.
Таким образом, отсутствие единого мнения специалистов в мире не случайно; помимо огромного количества факторов влияющих (в том числе взаимосвязанных друг с другом) на величину коэффициента сцепления, имеются различия в нормативных значениях величины коэффициента сцепления, методах и приборах для его измерения, вызванные причинами начиная от истории развития дорожной отрасли конкретной страны и заканчивая различными климатическими условиями и менталитетом людей.
Воздействие на дорожное покрытие солнечной радиации
Асфальтобетон представляет собой один из наиболее сложных строительных материалов. Эта сложность обусловлена особенностями формирования его структуры и сильной зависимостью свойств от разнообразных факторов. Асфальтобетон, в отличие от большинства других строительных материалов резко меняет свои свойства в зависимости от температуры; при положительных температурах он обладает свойствами вязкопластичного материала, а при отрицательных - упругого. Степень этого изменения ярко иллюстрирует зависимость сопротивления сжатию лабораторных асфальтобетонных образцов от их температуры представленная в табл. 2.1 [53]:
Таким образом, в течение года прочность асфальтобетона меняется в 20 раз.
Изменения температуры также резко влияют на деформационные свойства асфальтобетона, которыми в основном и определяется его работоспособность в дорожном покрытии, в общем, и сопротивление втапливанию зерен поверхностной обработки в частности.
Теория теплопередачи различает три способа переноса тепла [101]:
теплопроводность (кондукцию), когда процесс распространения тепла происходит вследствие только теплового движения структурных частиц вещества (молекул, атомов, и.т.д.), что имеет место в твердых телах;
конвекцию, при котором распространение тепла происходит путем непосредственного перемещения молекулярных частей из одной области пространства в другую, что характерно для жидкостей и газов;
излучение, когда теплопередача от одного тела к другому происходит путем электромагнитных колебаний через промежуточную для теплового излучения среду, что имеет место при воздействии солнечной радиации, в результате которой и происходит нагрев асфальтобетонных покрытий. При первых двух видах теплопередачи имеет место соприкосновение носителей тепла, при третьем же способе часть энергии излучающего тела превращается в лучистую энергию, передающуюся через электромагнитное поле, и затем при падении на облучаемое тело трансформируется в энергию теплового потока. Поскольку воздействие нижележащих слоев дорожной одежды на интересующий нас верхний слой асфальтобетонных покрытий для определения максимальных летних температур ничтожно мало по сравнению с воздействием солнечной радиации и конвекции приграничного слоя воздуха, в дальнейших расчетах будет рассматриваться комплекс из второго и третьего способов теплопередачи.
Важной особенностью дорожных покрытий, как сооружений для инженерных расчетов, также является их относительные - небольшая толщина и, наоборот большая площадь, что позволяет не учитывать экзотермию, которая по мнению Горецкого Л.И. [41] в данном случае практически не влияет на изменение температурного режима покрытий.
Тепловая энергия, находящаяся в состоянии постоянного теплового движения и определяющая так называемое теплосодержание тела, характеризуется показателем температуры. Температура показывает интенсивность теплового движения и определяется условными градусами. Критерием отсутствия теплообмена между двумя телами является равенство температур соприкасающихся тел.
Таким образом, основной теплофизический показатель, характеризующий износ шероховатого слоя с точки зрения втапливания зерен поверхностной обработки в перекрываемое дорожное покрытие это - температура верхнего слоя шероховатого покрытия «асфальтобетон + поверхностная обработка».
Солнечная радиация, прежде чем достигнуть поверхности земли, проходит через атмосферу, при этом около 43% энергии возвращается обратно в мировое пространство вследствие отражения и рассеивания, из оставшихся 57% солнечной энергии 14% поглощается атмосферой непосредственно и только 43% доходит до поверхности земли в виде прямой солнечной (27%)) и рассеянной (16% ) радиации [41].
Прямой солнечной радиацией называется лучистая энергия, поступающая непосредственно на земную поверхность в виде параллельных лучей, наибольшая интенсивность которых наблюдается в полдень. Рассеянная поступает на поверхность вследствие рассеивания лучей от молекул воздуха, пылинок, капелек влаги и.т.д. Тепловой эффект от прямой радиации значительно больше чем от рассеянной.
Величина интенсивности полного солнечного облучения зависит от географической широты местности, ориентации поверхности (влияние рельефа) и состояния неба (облачности). Облачность в зависимости от мощности, формы облаков и высоты стояния солнца имеет различные значения альбедо. Однако по мнению Л.Т. Матвеева пределы его изменения относительно невелики и для приближенных расчетов альбедо облаков может приниматься 50-55%). Автором работы предлагается, принимая в расчет полученные пиранометром Янишевского значения суммарной солнечной радиации в различных метеоусловиях (ясно, пасмурно, облачно и.т.д.) при определении альбедо шероховатых дорожных покрытий (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 4), учитывать ослабление интенсивности солнечной радиации из-за частичного ее отражения облаками, коэффициентом состояния неба: КС!-1 - солнечно; Ксн=0,б -переменная облачность, пасмурно.
Количественная оценка влияния погодно-клнматических и эксплутационных факторов на срок службы шероховатых слоев
Определение температуры, при которой происходит погружение щебня в асфальтобетон и времени ее действия до окончания втапливания. Коэффициенты приведения интервала времени, в течение которого температура покрытия равна данному диапазону температур, к расчетному. Изменение твердости верхнего слоя дорожных покрытий, построенных с применением органических вяжущих, под действием температуры - процесс непрерывный и зависящий от множества факторов создаваемых особенностями каждой конкретной дороги, поэтому изучение влияния температуры и продолжительности ее действия на величину втапливания щебня в асфальтобетонные покрытия производилось, как на опытных участках (где возможно было учесть только комплексное воздействие погодно-климатических и эксплутационных факторов на износ шероховатых слоев), так и в лабораторных условиях, позволивших выделить влияние температуры покрытий на глубину погружения в них щебня.
Методика лабораторных исследований включала в себя:
1. приготовление образцов покрытий диаметром 101 мм из асфальтобетона типов; Б, В, Д согласно ГОСТ 9128-84 [27];
2. устройство на них слоя поверхностной обработки с использованием битумной катионной эмульсии ЭБК-2 с 69% концентрацией битума и кубовидного, мытого, необработанного щебня марки на механическую прочность 1200, размером 8-11 мм;
3. определение степени втапливания щебня при определенных температурах от статической нагрузки создаваемой рычажным прессом показанном на рис.3.2.1 При устройстве поверхностной обработки асфальтобетонные образцы подвергались в течение 2х часов нагреванию до +30С (средняя температура при производстве работ, получена опытным путем в течение 2-х лет наблюдений за процессом устройства поверхностной обработки).
- После термостатирования на основание образцов была нанесена битумная катионная эмульсия (1,5 кг/м") с температурой 60±5С, на распределенное по поверхности образца вяжущее в течение 20-30 секунд выкладывались плотным слоем щебенки. Процесс уплотнения производился следующим образом: образец с поверхностной обработкой, помещенный в металлический стакан с нижним вкладышем, устанавливался на нижнюю плиту электромеханического пресса. Затем на поверхность шероховатого слоя укладывалась резиновая прокладка, на которую устанавливался верхний вкладыш. Затем верхняя плита доводилась до соприкосновения с верхним вкладышем и включался основной электромотор пресса. Нагрузка необходимая для втапливания щебня при формировании коврика поверхностной обработки зависит от крупности используемого щебня, типа и возраста асфальтобетонного покрытия, - поэтому для унифицирования готовности образцов, окончание процесса уплотнения определялось величиной поднятия нижней плиты пресса на 1-1,5 мм. После устройства поверхностной обработки образцы выдерживались при комнатной температуре в течение 2 суток. Затем помещались на 2 часа в шкаф для термостатирования, после чего помещались в металлический стакан и вместе со стаканом устанавливались на испытательный столик рычажного пресса. После центровки стакана на испытательном столике, поднятия столика на требуемую высоту и уравновешивания рычагов, в центр образца устанавливался штамп диаметром 25 мм (исходя из условия обеспечения соотношения 1:4 между диаметрами штампа и образца с поверхностной обработкой).
Нагрузка от подвижного штока рычажного пресса к штампу передавалась через шарик. Масса груза навешиваемого на крюк пресса при исследовании процесса втапливания щебня поверхностной обработки в образец дорожного покрытия и определяемая с учетом удельного давления колеса расчетного автомобиля 0,6 Мпа и динамического коэффициента равного 1,3 согласно ПРИЛОЖЕНИЮ 1 «Расчетные нагрузки» [23], а также площади штампа и соотношения плеч рычажного пресса получилась равной 38,3 кг. После навешивания груза производилось растормаживаиие подвижного штока посредством откручивания винта и определение величины погружения щебня в асфальтобетонный образец по двум индикаторам.
Первый отчет снимался с интервалом в 30 мин, остальные 60 мин. Исследование процесса втапливания щебня поверхностной обработки в образцы дорожного асфальтобетонного покрытия начинали с расчетной максимальной температуры дорожных покрытий, полученной во второй главе (согласно уравнениям (2.16) и (4.5)) настоящих исследований равной для Московской области + 50С; затем + 40С, + 30С, + 20С, + 10С и + 5С. Всего было изготовлено и испытано 18 образцов (состав и физико-механические свойства образцов см. табл. 3.3). Изменение глубины погружения щебня фракции 8-11 мм в асфальтобетонный образец 3-й группы (из асфальтобетонной смеси типа ДИ, выбранный по причине количественной яркости представления данных о величине погружения щебенок в асфальтобетон) в зависимости от времени действия статической нагрузки представлено в табл. 3.1 и на рис. 3.3.
Анализ результатов исследований, приведенных на рис. 3.3 показывает, что нижним пределом температуры, при котором начинается втапливание щебня, является температура покрытия +5С. При этой температуре в течение первого часа наблюдается быстрое втапливание щебня, затем процесс стабилизируется. Такие же «пики стабильности» отмечены спустя 2 часа при 10 и 20 градусах, и соответственно 4 часа для 30 и 40 градусных температур. При температуре более 40 градусов в первый час действия нагрузки очевидно резкое нарастание, по сравнению с меньшими температурами, интенсивности втапливания щебенок. В целом также очевидно, что характер зависимости глубины погружения щебня поверхностной обработки в образцы дорожного асфальтобетонного покрытия различен как минимум для трех диапазонов температур, различна также и продолжительность их действия до наступления «пика стабилизации» втапливания щебня.
Определение расчетного интервала времени, в течение, которого температура дорожного покрытия экспериментальных участков равна расчетной по условиям втапливания щебня поверхностной обработки в асфальтобетон
Согласно принятым в нормативной документации (п. 1.2) положениям сцепные качества покрытий обеспечены при одновременном соблюдении значений двух параметров - коэффициента продольного сцепления (ф) и средней глубины впадин макрошероховатости (Нср). Одной из основных задач настоящих исследований является выявление корреляционных связей между параметрами текстуры и коэффициентом продольного сцепления, а также установление адекватности утверждения о возможности замены каким(и)-либо параметром(ами) макрошероховатости с достаточно высокой достоверностью аппроксимации интегральной (а потому очень неопределенной) величины коэффициента продольного сцепления. Большой разброс величины ф по протяженности автомобильной дороги, даже имеющей один и тот же тип покрытия, кроме воздействия большого количества внешних условий (представленных на схеме рис. 1.2) объясняется тем, что контактирующая поверхность покрытия имеет различные сочетания видов и параметров шероховатости от которых в свою очередь зависит степень внедрения неровностей в протектор шины и соответственно степень деформации. В настоящее время в исследованиях по изучению взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием превалирует мнение о том, что главенствующее влияние на сцепные качества оказывает микрошероховатость покрытия, микронеровности которой внедряются в резину протектора, вызывая в ней упругие деформации. Роль же макрошероховатости в обеспечении сцепления покрытий заключается в отводе воды из зоны контакта шины с покрытием и характеризует его дренирующую способность. Однако автор данной работы ограничил задачу исследованием параметров макрошероховатости. Согласно действующей нормативной документации оценка любой дорожной поверхности сводится к определению фактически только одного параметра шероховатости - средней глубины впадин макрошероховатости (Нср). На рис. 4.20 и 4.21 показаны экспериментальные данные, отражающие зависимость между коэффициентом продольного сцепления и средней глубиной впадин макрошероховатости, полученной методом «песчаного пятна» и измеренной на правой полосе наката (4.11) и среднее арифметическое значение по полосе движения соответственно (4.12) P=0.435 .(я;;-"агат)а23 (4.11) cp = 0,423 .(я;;""" ")0-33 (4.12) Рис. 4.22 иллюстрирует зависимость ф от Нсрвол" на правой полосе наката (4.13), полученную с помощью жидкостного измерителя макрошероховатости покрытий, предложенного автором настоящих исследований. = 0,09# и)"+0,28 (4.13)
Необходимо отметить, что полученные зависимости коэффициента продольного сцепления от глубины впадин измеренные методом «песчаного пятна» по правой полосе наката и всему сечению дороги на 50-ти метрах (Нср50 или Нсрср ар,(1,м), с применением жидкостного измерителя и фотограмметрическим методом (4.15) имеют значения коэффициентов корреляции от 0,45 до 0,57 и изменяются по законам близким к линейному, несколько выше (0,6) достоверность аппроксимации полинома 2го порядка для средней высоты выступов - Rz (4.16), Rmax, также лучше описываемая квадратным полиномом, имеет наивысшую корреляцию 0,82 (4.14). -0,012(Ятах)2 +0,155 +0,122 (4.14) (Р = -0,3(11 фп"""рсР )2 + 0,62Нф""""тсР + 0,19 (4.15) ? =-0,015(Дг)2+0,5Д2+0,08 (4.16)
Таким образом, результаты Зх лет измерений на 21-ом участке дорог с поверхностной обработкой различных видов и фракций, тремя разновидностями метода "песчаного пятна" позволяют сделать вывод о том, что методом "песчаного пятна" можно производить только качественную оценку текстур покрытий и давать приближенные количественные значения о высотных параметрах макрошероховатости. Более точную и достоверную оценку текстуры покрытия дает обработка профилограмм, в частности Rmax характеризующая поверхность с точки зрения процессов сближения двух контактирующих поверхностей - шины и покрытия (рис.4.23).
Низкий коэффициент корреляции, отражающий сходимость результатов, объясняется тем, что на коэффициент сцепления помимо высотных, влияют и другие геометрические параметры макрошероховатости, характеризующие, например, форму внедряющегося выступа каменной частицы. Влияющая на процесс разрушения водной пленки форма выступов, как сложная геометрическая фигура может характеризоваться радиусом и углом при вершине выступов. Получаемая при фотограмметрической обработке цифровая модель с высокой точностью интерполирует исследуемую поверхность и дает возможность реализовать два алгоритма расчета параметров шероховатости.
Первый алгоритм позволяет получать профилограмму поверхности исследуемой текстуры покрытия, т.е. построить ее поперечный профиль. Текстура оценивается в результате построения восьми профилограмм, построенных в продольном и поперечном направлении по которым высчитываются средние значения геометрических параметров. Этими параметрами являются: Rmax; г; а ; и SUI.
Второй алгоритм предназначен для обработки цифровой модели текстуры покрытия в целях определения объема пустот и выступов. Значение этих величин позволяет использовать для оценки шероховатости покрытия метод "двух объемов" [89], основанный на определении следующих параметров: Rcp; Пер, Avz, 1ЧШ.
Эта методика подробно изложена в [22]. Общая протяженность исследуемых методом дистанционного зондирования участков составила 45,2 км, измерения были произведены на 108 участках.
В результате фотограмметрической обработки снимков в цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD SP получены цифровые модели для каждой точки замера, являющиеся основой для расчета геометрических параметров текстуры дорожного покрытия.
Каждый из этих параметров характеризует физические процессы, которые протекают в зоне контакта шины с поверхностью покрытия: максимальная высота выступов неровностей характеризует поверхность с точки зрения процессов сближения двух контактирующих поверхностей шины и покрытия, высота выступов и расстояние между выступами определяют дренирующие свойства покрытия, радиус и угол при вершине выступов характеризует форму каменного материала, которая влияет на процесс разрушения водной пленки.
