Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ воздействия факторов окружающей среды вьетнама на качество и долговечность атомобильных дорог
1.1. Нормативные требования к строительству и содержанию современных автомобильных дорог 12
1.2. Анализ погодно-климатических условий Вьетнама, влияющих на эксплуатационное состояние автодорог 14
1.3. Транспортно-эксплуатационная оценка качества существующей сети автомобильных дорог Вьетнама 21
1.4. Теоретическое обоснование причин разрушения дорожных конструкций под воздействием окружающей среды Вьетнама 24
1.5. Цель и задачи исследования 38
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование технологии содержания дорожной конструкции в условиях Вьетнама 39
2.1. Возможные виды деформаций земполотна на слабом основании 39
2.2. Зависимость прочности земляного полотна от физико-механических свойств грунтов 41
2.3. Основные закономерности изменения свойств грунтов земляного полотна при воздействии природных и техногенных факторов
2.4. Влияние водно-теплового режима на эксплуатационное состояние земляного полотна 51
2.5. Анализ влияния водно-теплового баланса грунтового слоя и атмосферы на состояние земляного полотна 56 2.6. Учет вьетнамских климатических условий при моделировании автомобильных дорог 59
2.7. Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Обоснование закономерностей изменения эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий автодорог в условиях Вьетнама 64
3.1. Зависимость эксплуатационных свойств битумов от их структуры и химического состава при воздействии природно-климатических факторов 64
3.2. Влияние соотношения структурных типов в битуме на физико-механические свойства вяжущего 70
3.3. Проявление реологических свойств битумов в процессе температурного воздействия 74
3.4. Процесс старения битумов за счет химических превращений при фотоокислительной деструкции 77
3.5. Исследование старения битумов БНД 60/90 при ультрафиолетовом облучении 80
3.6. Технология повышения эксплуатационных свойств битумов в дорожных покрытиях 86
3.7. Влияние сточных поверхностных вод на коррозию асфальтобетона 89
3.8. Процессы старения асфальтобетона, его долговечность под воздействием инфракрасного излучения 89
3.9. Разработка математической модели для оценки эксплуатационного состояния дороги в реальных условиях эксплуатации на основе симплекс-метода 97
3.10. Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Комплексные технологические мероприятия для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог во Вьетнаме 107
4.1. Основные конструктивные мероприятия по обеспечению прочности и устойчивости земляного полотна 107
4.2. Мероприятия по обеспечению деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий 123
4.3. Санация асфальтобетонных покрытий в целях защиты от ультрафиолетового облучения 129
4.4. Выводы по главе 4 135
Заключение 1356
Список литературы 136
- Транспортно-эксплуатационная оценка качества существующей сети автомобильных дорог Вьетнама
- Основные закономерности изменения свойств грунтов земляного полотна при воздействии природных и техногенных факторов
- Влияние соотношения структурных типов в битуме на физико-механические свойства вяжущего
- Мероприятия по обеспечению деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы.
Социалистическая Республика Вьетнам является быстро развивающимся государством в Юго-Восточной Азии. Экономика страны, разрушенная почти до основания во время длительных войн, сегодня достигла впечатляющих темпов развития. За период с начала 1990-х по 2015 гг. Вьетнам в четыре раза увеличил объм ВВП при ежегодных темпах роста в 5-6 %. В свою очередь социально-экономическое развитие страны, сопровождающееся высокими темпами роста количества промышленных объектов невозможно без высокоразвитой до-рожно-транспортной сети.
Однако решение этой задачи в СРВ затрудняется рядом объективных причин, т.к. реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий во многих случаях составляют не более 4-5 лет из-за деформаций покрытия в виде трещин, появляющихся уже в первый годы эксплуатации дорожного покрытия, выбоин, просадок, проломов, колейности на поверхности покрытия Появление таких характерных дефектов дает право говорить о недостаточной несущей способности грунтов земляного полотна, т.к. работоспособность дорожных одежд и всего сооружения напрямую зависит от устойчивости, прочности и долговечности земляного полотна под действием статической и динамической нагрузок.
В стране продолжается рост грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств. В 2015 по сравнению с 1990 г. суммарное количество транспортных средств увеличилось на 880,9%. Общая численность автомото-парка в настоящее время составляет более 32,4 млн. транспортных средств, большинство из которых имеют высокую степень износа, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду;
Во Вьетнаме постоянно наблюдается повышенная влажность в период муссонных дождей, а также высокие температуры окружающего воздуха в сочетании с интенсивной солнечной радиацией (УФ- и ИК-излучение).
Основным материалом для покрытий автомобильных дорог является асфальтобетон, который обладает гидроизоляционными свойствами, имеет необходимую прочность и технологичность устройства из него слоев дорожной одежды. Однако кроме этих достоинства, асфальтобетонное покрытие не может самостоятельно нести нагрузку, поэтому оно должно передать ее на нижележащие слои конструкции. При воздействии солнечной инсоляции и ультрафиолетового излучения, а также при наличии влаги битумные компоненты асфальтобетона претерпевают химические изменения, в результате чего они теряют свои эластичные и вяжущие свойства. Поэтому вначале появляются отдельные выбоины и микротрещины, которые под воздействием климатических и эксплуатационных факторов разрастаются до необходимости серьезного ремонта дорожного покрытия.
В комплексе эти факторы существенно снижают потребительские и экс
плуатационные характеристики дорожно-транспортной сети Республики
Вьетнам. Формирование динамично развивающейся, устойчиво функционирующей и сбалансированной национальной дорожно-транспортной инфраструктуры является основной проблемой, над которой работают дорожные организации Вьетнама.
Это ставит задачу управления состоянием дорог с учтом закономерностей формирования и изменения их эксплуатационных свойств в ряд первоочередных и остро актуальных.
Степень разработанности темы исследования.
Автомобильные дороги представляет собой комплекс инженерных сооружений для круглогодичного, непрерывного, комфортного и безопасного движения транспорта с расчетной нагрузкой и скоростями в любой погоде.
Анализ результатов исследований ученых и специалистов дорожников свидетельствует о том, что для обеспечения расчетных эксплуатационных параметров автомобильной дороге в процессе ее строительства необходимо обеспечить нормативную прочность и устойчивость земляного полотна, дорожной конструкций, проектные геометрические параметры и ровность покрытия.
Выполнение этих требуемых условий, невозможно без учета климатических, гидрологических и гидрогеологических факторов окружающей среды. Динамика водно-теплового режима земляного полотна приводит к сложным физико-химическим процессам в слабых грунтах, которые негативно влияют на прочность и устойчивость автомобильных дорог и сокращают срок их службы. Чередование температурно-влажностных воздействий и солнечной радиации на асфальтобетонное покрытие вызывают ускоренное старение входящего в его состав битума, что приводит к потере прочности и сдвигоустойчивости дорожного полотна.
Поэтому при разработке методов устойчивости при строительстве автомобильных дорог на слабых основаниях необходимо произвести оценку влияния параметров окружающей среды на прочность и долговечность конструктивных слоев дорожной одежды.
Целью диссертационной работы является разработка методики обеспечения устойчивости и прочности эксплуатационного состояния дорожной конструкции на слабых основаниях в природно-климатических условиях Республики Вьетнам на протяжении их жизненного цикла.
Задачи исследований:
изучить влияние водно-теплового баланса грунтового слоя и атмосферы на состояние земляного полотна с учетом вьетнамских климатических условий при моделировании автомобильных дорог;
установить зависимость эксплуатационных параметров асфальтобетонного покрытия от воздействия на него инфракрасного и ультрафиолетового излучений;
разработать математическую модель для оценки и прогнозирования зависимости физико-механических свойств слабых грунтов от их увлажнения;
разработать инновационные предложения по стабилизации эксплуатационных свойств дорожных конструкций на слабых основаниях;
разработать комплексные технологические мероприятия для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог во Вьетнаме.
Объект исследования: земляное полотно, асфальтобетонное покрытие Научная новизна исследований:
- разработана математическая модель для оценки и прогнозирования влия
ния водно-теплового режима на эксплуатационное состояние земляного полот
на с учетом влияния антропогенных и природно-климатических вьетнамских
факторов. В математическую модель с использованием классического уравне
ния водного баланса введена система ограничений, которая свидетельствует о
том, что поступление влаги из различных источников всегда превышает или
равно ее оттоку. В объеме уплотненного земляного полотна под влиянием
транспортной нагрузки формируется равновесное состояние грунтов, в которых
влажность, плотность и температура подчиняются закону синусоиды от макси
мальных значений в сухой период и практически до полной потери несущей
способности в муссонный период;
- установлена закономерность процесса фотоокислительной деструкции,
протекающей в органическом вяжущем при воздействии ультрафиолетового
излучения в атмосферных условиях методом ИК-спектроскопии. Под действи
ем ультрафиолетового излучения и кислорода воздуха происходит окисление
битумов с образованием нейтральных и кислых продуктов, т.е. продуктов окис
лительной полимеризации. В результате этого физико-химические свойства би
тума ухудшаются, т.к. он становится более хрупким. В этом состоянии под дей
ствием нагрузок транспортных средств битум легко разрушается;
исследована фотоокислительная стабильность битума, содержащего в качестве минерального наполнителя известняк и сталеплавильный шлак, используемые в производстве асфальтобетонных смесей для сравнения скорости старения чистого битума БНД 60/90 в условиях ультрафиолетового излучения. В битумных композитах, содержащих известняковый минеральный порошок, и сталеплавильный шлак, минеральный наполнитель поглощает ультрафиолетовое излучение, снижая интенсивность цепных реакций окисления и защищая битум от старения;
разработана комплексная система с применением гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами, которые размещаются в нижней части земляного полотна и перекрывается геотекстильной прослойкой для регулирования состояния водно-теплового режима и повышения устойчивости и несущей способности земляного полотна при строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах;
разработаны рекомендации по повышению физико-механических показателей асфальтобетонного покрытия при постоянном воздействии природно-климатических факторов в условиях Вьетнама включающая: армирование геосетками конструкции дорожной одежды и укладку плотного асфальтобетона в
нижней части покрытий, их санацию путем устройства защитного слоя «Дор-сан» использования технологии силкоутинга или изоляционного материала SteelGuard.
Достоверность результатов научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена применением современных приборов и оборудования при изучении процессов, соблюдением правил физического и математического моделирования, адекватностью теоретических предположений и результатов экспериментальных исследований, а также удовлетворительной сходимостью с результатами исследований других авторов.
Теоретическая значимость заключается:
в установлении закономерностей формирования и динамики изменения эксплуатационных свойств автомобильных дорог в природно-климатических условиях Вьетнама;
в обосновании необходимости укладки плотного асфальтобетона в нижнем слое покрытия и возможности обеспечения несущей способности земпо-лотна на слабых основаниях путем укладки гибких трубчатых элементов, заполоненных некондиционным грунтом;
в разработке рекомендаций по сохранению эксплуатационных параметров асфальтобетонного покрытия при солнечном облучении в условиях переувлажнения грунтов.
Практическая значимость работы заключается в:
- результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что
при одновременном действии ультрафиолетового излучения и кислорода воз
духа в битуме протекают окислительные процессы. Окисление усиливается
воздействием свободных радикалов, образовавшихся при действии УФ излуче
ния, которые также принимают участие в других химических превращениях
лгких фракций битума в более тяжлые. Эти процессы в конечном итоге при
водят к старению битума в результате фотоокислительной деструкции при уль
трафиолетовом облучении;
- проведнные экспериментальные исследования устойчивости асфальто
вого вяжущего с известняковым минеральным порошком и сталеплавильным
шлаком подтверждают возможность сохранения эксплуатационных свойств по
крытия при УФ воздействии;
- использовании результатов исследований в учебном процессе на дорож-
но-транспортном факультете Воронежского ГАСУ. Экспериментальные иссле
дования были проведены с помощью научно-технической базы центра коллек
тивного пользования Воронежского государственного университета.
Положения, выносимые на защиту:
результаты лабораторных исследований по воздействию на свойства битума ультрафиолетового облучения;
результаты лабораторных исследований воздействия ультрафиолетового облучения на асфальтовое вяжущее вещество;
уточненная математическая модель, позволяющая прогнозировать состояние параметров автодорог в течение жизненного цикла сооружения;
рекомендации технологических мероприятий для обеспечения устойчивости земляного полотна автомобильных дорог с применением гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами;
рекомендации по обеспечению устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием защитного слоя «Дорсан» или защитно-изоляционного материала SteelGuard.
Методология и методы исследования.
В работе выполнялся комплекс теоретических и экспериментальных исследований. В теоретической части применялась математическая модель с использованием классического уравнения водного баланса, в экспериментальной части осуществлялось исследование процессов фотоокислительной деструкции, протекающей в битуме БНД 60/90 при воздействии ультрафиолетового излучения в атмосферных условиях.
Апробация результатов исследований:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции «Град ВГАСУ» (г. Воронеж, 2014).
Публикации:
По материалам исследований опубликовано 8 научных работ объемом 53 страницы. Личный вклад автора составляет 9 страницы. Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского государственного строительного университета», «Наука и техника в дорожной отрасли».
Объем и структура работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащего 140 наименование. Материалы диссертации изложены на 151 страницах. Диссертация содержит 27 таблиц и 53 рисунка.
Транспортно-эксплуатационная оценка качества существующей сети автомобильных дорог Вьетнама
Строительство и эксплуатация автомобильных дорог во Вьетнаме осуществляется с постоянным преодолением трудностей, в связи с разнообразием рельефных, климатических, гидрологических и гидрогеологических условий. Эти условия обусловлены его географическим расположением. Республика Вьетнам расположена на полуострове Индокитай, в Юго-Восточной Азии, территория которого представляет собой узкую полосу, вытянутую с севера на юг, рис. 1.2.
Климат Вьетнама определяется взаимодействием солнечной радиации, циркуляции пассатов, фактора муссонов, характера рельефа и по температурным параметрам относится к субтропическому и тропическому. Погода Вьетнама зависит от двух муссонов. Сухой и влажный сезоны определяются направлением пассатов и влажностью переносимых ими воздушных масс. На всех широтах Вьетнам принимает большое количество солнечной радиации – 130 ккал/см2 в год. Из-за большой протяжнности страны с севера в южном направлении, ввиду разнообразия рельефа и смены направления ветров в течение года во Вьетнаме выделяют три климатических района: Южный, Центральный и Северный.
Южный район Вьетнама, расположенный к западу от 108 в.д. и к югу от 13 ю.ш., отличается мягким тропическим климатом. В течение года четко различаются сухой и влажный сезоны. Сезон дождей длится с мая по ноябрь. Наиболее дождливыми месяцами являются июль и август, количество осадков от 400 до 700 мм. Дожди чаще всего идут днем в виде кратковременных ливней [122, 124, 126, 128]. Сухой сезон длится с февраля по апрель. Температурный режим стабилен в течение всего года. В дельте реки Меконг средние температуры 26-27 С.
Климат центрального Вьетнама, расположенного между 16 и 20 северной широты, муссонный субтропический. Сезон дождей начинается в июле августе, заканчивается в ноябре – декабре. Самыми влажными месяцами являются сентябрь и октябрь, когда выпадает 400-500 мм осадков. Во влажный сезон нередки вторжения мощных тайфунов, которые за сезон приносят до 3000-3500 мм осадков. Наименьшее количество осадков приходится на февраль-март (около 40 мм). Климат Северного Вьетнама простирающегося от 18-й параллели на север, субтропический, муссонный. Дождливый сезон в этом регионе длится с апреля по ноябрь. Максимальное выпадение осадков приходится на летние месяцы и варьируется в зависимости от места от 270 до 450 мм в месяц, а в период с июля по сентябрь выпадает до 80% годовой суммы осадков, составляющей 1400-1700 мм. В горных районах количество осадков за год достигает 3000 мм. С сентября по ноябрь возможны ураганы, тайфуны и сильные ливневые дожди . В самые жаркие месяцы средняя максимальная температура воздуха 31-32С, зарегистрированный абсолютный максимум 42,8 С. На равнинах средние температуры трех зимних месяцев составляют 17-20 С.
В таблицах 1.1.-1.3. представлены усредненные данные многолетних наблюдений на метеостанциях, расположенных в Северном, Центральном и Южном районах, по количеству осадков, температуре и влажности.
Мониторинг осуществляемый с помощью метеорологических и гидрологических станций, расположенных в характерных точках рельефа (равнина, горы) Вьетнама показывает, что на протяжение года внутри регионов наблюдаются значительные различия в количестве выпадения осадков, колебаниях температуры, дозах солнечной радиации.
Солнечные часы - показатель, отображающий усредненное количество часов за день, в течение которых прямые солнечные лучи достигают поверхности земли. На данный показатель влияют как длина светового дня, так и облачность в дневное время 1.3. Транспортно-эксплуатационная оценка качества существующей сети автомобильных дорог Вьетнама Общая протяженность автодорог СРВ составляет 256 684 км (2014г.), в том числе 17 288 км – автомагистрали государственного значения, 23 520 км автодороги провинциального значения, 215876 км относятся к дорогам местного значения (уездные, общинные, специальные). Из них длина автодорог с твердым покрытием составляет 100093 км, остальные дороги имеют щебеночное или гравийные покрытие, либо это грунтовые проселки для обеспечения сообщения между небольшими населенными пунктами. По техническому стандарту магистрали и дороги I, II технических категорий составляют 7,51 %, дороги III, IV категорий – 77,73%; остальные дороги (V, VI категорий) – 14,77 %. Плотность автомобильных дорог на территории страны невысока, она составляет около 9,78 км/км2 и 3,09 км/1000 человек, рис. 1.7 [107].
Основные закономерности изменения свойств грунтов земляного полотна при воздействии природных и техногенных факторов
Земляное полотно представляет собой сложное инженерное сооружение, из уплотннного грунта возведнное на грунтовом основании. В зависимости от условий увлажнения, вида грунтов использованных в конструкции земляного полотна в период эксплуатации могут возникать напряжения, которые развиваются в различные деформации, обусловленные физико-механическими свойствами и структурой грунтов. В условиях естественного залегания грунт чаще всего является трехфазной системой, состоящую из частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и защемлнного газа (газообразного тела), соотношение которых и определяет физико-механические свойства грунта – его прочность, пластичность, связность, ползучесть, набухание, усадка и т.д., рис. 2.1.
Однако при увлажнении или испарении грунт может превратиться в двухфазную систему, состоящую из грунтовых конгломератов и твердых частиц, межзерновое пространство между которыми заполнены водой, или воздухом, что вызывает изменение его физико-механических свойств. Это объясняется полярностью молекул воды при их взаимодействии с поверхностями частиц грунта. Твердые грунтовые частицы несут на своей поверхности заряд статического электричества. Молекулы воды, представляющие собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах, попадая в электростатическое поле частиц грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к их поверхности. В результате поверхность каждой твердой частицы покрывается монослоем или пленкой из молекул воды. Этот первый слой из заряженных молекул воды, адсорбированных на наружной поверхности твердой частицы воздействует на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом, формируются относительно прочные цепочки из молекул воды. Вода, адсорбированная на поверхности твердых минеральных частиц, называется связанной или плночной.
На молекулярном уровне силы взаимодействия между поверхностью твердой минеральной частицы и молекулами воды вблизи поверхности достигают очень больших значений. По мере удаления от частицы удельные силы взаимодействия быстро убывают до нуля. За пределами, ограниченными этим расстоянием, молекулы воды уже не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной от сил взаимодействия с твердыми частицами.
От толщины прослойки плночной воды между частицами пылевато-глинистого грунта зависит его прочность и пластичность. Изменение толщины пленок воды, вокруг частиц грунта, может переводить его состояние от текучепластичного до твердого. Увеличение толщины пленок воды между частицами вызывает набухание с увеличением объема грунта. При высыхании связные грунты уменьшаются в объеме из-за частичного испарения влаги из плнок. Присутствие газообразных тел обеспечивает грунтам упругость, от которой зависят реологические свойства грунтов. Основными классификационными показателями физико -механических свойств грунтов являются: - влажность грунта в природном состоянии WnP , %; - объемный вес влажного грунта w, г/см3; - пределы пластичности: граница текучести - Wj, граница раскатывания -WP, %; - удельный вес у о, г/см3. С использованием этих данных дополнительно определяют: - объемный вес скелета грунта у ск, г/см3; - коэффициент пористости грунта в природном состоянии е0; - коэффициент консистенции В = (W - WP) / Ip; - число пластичности IP = Wj- WPy %
В таблице 2.2. приведены аналитические зависимости между физическо-механическими свойствами грунтов, которые используются при расчете необходимых данных по величине объемного и удельного веса, пористости и влажности [61]. Таблица 2.2.
В процессе устройства земляного полотна автомобильных дорог чаще всего применяются грунты их близ лежащих карьеров и резервов, которые обладают различными физическими характеристиками. Основной задачей при возведении земляного полотна является обеспечение нормативных эксплуатационных и потребительских свойств дороги на протяжении всего жизненного цикла. В процессе эксплуатации земляное полотно и дорожная конструкция непрерывно подвергаются воздействию механических и атмосферных факторов, под влиянием которых в ней возникают и развиваются соответствующие напряжения от гравитационных и динамических воздействий, и касательных напряжений, в итоге приводящие к деформациям земполотна. рис. 2.2.
Для прогнозирования времени появления деформаций и скорости разрушения дорожной конструкции основными показателями физико механических свойств являются: прочность грунта (сопротивляемость сдвигу); деформативностъ грунта (сжимаемость); и скорость уплотнения грунта во времени (компрессия) в результате сил гравитации.
В целях обеспечения устойчивости основания, уменьшения величины осадки и предупреждение недопустимых упругих деформаций земполотна от транспортного потока следует определить динамику изменения физическо-механических свойств грунта от прилагаемой нагрузки с учтом погодно-климатических факторов.
При расчете устойчивости и прочности элементов земляного полотна определяются показатели сопротивления сдвигу г, удельное сцепление - С, кг/см1, и угол внутреннего тренияу, град. Из значения являются параметрами линейной зависимости г = / (р), обоснованная в 1773 году Ш.Кулоном. Оказывается, что сопротивление грунта сдвигу (г) находится в прямой зависимости от нормальных напряжений, вызываемых внешней нагрузкой (р). Силы сопротивления горных пород сдвигу возникают за счет сил сцепления между частицами, cw - сцепление, кг/см2.
Влияние соотношения структурных типов в битуме на физико-механические свойства вяжущего
Средняя плотность масел менее 1 (0,60 -0,923) г/см3. Их элементный состав состоит из: углерода (С) 80 – 85 %; водорода (Н) 10 – 15%, серы (S) до 4%, азота (N) и кислорода (О) – незначительное количество. Содержание в битумах 45-60 % (по массе). Растворяющая способность масел обеспечивается соотношением парафинонафтеновых и ароматических углеводородов С:Н и составляет 0,63-0,72 [28].
Парафиновые углеводороды ухудшают растворимость и набухание асфальтенов, что нарушает однородность битума. При понижении температуры высокомолекулярные парафиновые углеводороды кристаллизуются на поверхности структурированной пленки битума и понижают ее адгезию к поверхности минерального материала. При окислении кислорода нафтеновые углеводороды в битуме будут образовать смолы. Ароматические углеводороды способны оказывать растворяющее действие на асфальтены, обладают полярностью, а также обеспечивают повышение адгезионных свойств битума и его устойчивость к нагреванию и воздействию атмосферных факторов. Масла обеспечивают битумам пластичность, текучесть, увеличивают испаряемость, снижают температуру размягчения и хрупкости; - смолы, состоящие из углеводов циклического и гетероциклического строения с молекулярной массой от 300 до 2000 а.е.м, рис. 3.2.
Фрагмент молекулы спиртобензольной смолы Истинная плотность смол примерно 1 (0,99-1,08 г/см3), г/см3. Их содержание в битумах находится в пределах 20-40 %. Величина С:Н составляет 0,6-0,8. Смолы обеспечивают твердость, пластичность и растяжимость битумов, которые легко изменяются под действием тепла и окислителей. Смолы в основной части являются полярными и поверхностно-активными соединениями, имеющими хорошую адгезию к поверхности минеральных материалов с образованием водоустойчивых пленок. Молекулы смол являются структурными блоками, из которых в результате реакций с отщеплением Н2, Н2О, Н2S, NH3 формируются молекулы асфальтенов. Смолы облегчают растворение асфальтенов в углеводородных растворителях. - асфальтены, являются наиболее высокомолекулярными соединениями битума, состоящими из смеси высококонденсированных гетероциклических соединений, с молекулярной массой 2000-6000 а.е.м. Химический состав асфальтенов: углерода 80 – 89 %; водорода 7 – 8,5 %; серы 1 – 8,5 %; азота 1 – 3 %; кислорода 3 – 5 %. Структура асфальтенов характеризуется хорошо организованными полициклическими системами – двухмерными дискообразными слоями (гроздьями) [26]. Полимерные пластины объединяются в кристаллоподобные пакеты из 5 – 6 слоев, рис. 3.3. C-H Структурные фрагменты асфальтенов (а) и схема объединения их в криссталлопородные пакеты (б) Истинная плотность чуть больше 1 (1,10 - 1,15) г/см3. Отношение С:Н составляет 0,8 - 1,0. Количество асфальтенов оказывает значительное влияние на структуру битума и составляет примерно10 - 40 %. В зависимости от количественного соотношения асфальтены совместно со смолами и маслами способы формировать или жесткий каркас, или отдельные мицеллы (частицы), адсорбирующие и удерживающие смолы. От содержания асфальтенов зависят температурная устойчивость, вязкость и твердость (хрупкость) битумов. Под действием ультрафиолетовых лучей асфальтены трансформируются в карбены; - карбены и карбоиды содержатся в основном в крекинг-битумах в незначительных количествах 1-3 %. С повышением наличия карбенов и карбоидов увеличивается вязкость и хрупкость битумов; - асфальтогеновые кислоты и их ангидриды являются поверхностно-активными веществами. Их общее содержание в битумах достагает 3%. Наличие в них большого количества гетероатомов способствуют высокой адгезии битумов к минеральным материалам; - парафины относятся к твердым метановым углеводородам, содержание которых в битумах может составлять 6-8 %. Содержание в органическом вяжущем крупнокристаллических парафинов снижает пластичность и повышает хрупкость битумов.
Масла отподвижно-жидких довязких 0,60 -0,923( 1) 300-600 придаютподвижность,текучесть,термопластичность
Низшие(низкомолек.)смолы от вязких дотвердыхлегкоплавких 0,99 -1,05 ( 1) 300 - 700 придаютвяжущиесвойства,пластичность,адгезионныесвойства
Высшие(высокомолек.)смолы твердые, хрупкие, плавкие 1,05 - 1,08 ( 1) 500 - 2000 Асфальтены твердые, неплавкие 1,10 - 1,15 2000 - 6000 и более придаюттвердость итугоплавкость
Асфальтогеновые кислоты (до3%) твердые иливысоковязкие поверхностно-активная часть битума,способствует повышению адгезионныхсвойств Парафины ( 6-8%) ухудшают свойства, повышают хрупкость при пониженныхтемпературах
Групповой состав битума под действием тепла, солнечной радиации, кислорода воздуха, воды и других факторов может претерпевать существенные изменения. Обычно наблюдается процесс химического перехода масел в смолы, а смол – в асфальтены. Процесс увеличения количества твердых хрупких составляющих происходит за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел, что сопровождается повышением хрупкости и снижением гидрофобности битума.
Влияние соотношения структурных типов в битуме на физико-механические свойства вяжущего Изучение структурного типа органического вяжущего способствует объективному прогнозированию эксплуатационных свойств асфальтобетона и определению целесообразной области применения различных типов битума. Большинство ведущих специалистов дорожной отрасли [27, 46, 35, 97, 110], пришли к выводу, что по своему строению битум представляет собой пространственную дисперсную систему (коллоидный раствор), в которой жидкая среда – это масла и раствор смол в маслах, а твердая фаза представлена асфальтенами, на поверхности которых адсорбированы асфальтогеновые кислоты, рис. 3.4.
Мероприятия по обеспечению деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий
При оценке эксплуатационного состояния асфальтобетонных покрытий преобладает комплексной подход. Необходимо одновременно учитывать характеристики конструкции дорожной одежды, свойства материалов, градиенты распределения, интенсивность солнечной радиации, ветра, дождя, внешние нагрузки и многие другие факторы. Поэтому задача разработки методов оценки эксплуатационного состояния асфальтобетонного покрытия достаточно сложна.
Разработка математической модели для оценки эксплуатационного состояния дороги в реальных условиях эксплуатации на основе симплекс-метода
В настоящее время большинство специалистов считают необходимым дифференцировать требования к асфальтобетону с учетом негативных факторов природной среды, а также интенсивности и грузонапряженности движения. В целях дальнейшего повышения эффективности и качества строительства и эксплуатации асфальтобетонных покрытий необходимо уточнить связь между расчетом дорожных одежд и требованиями к материалам конструктивных слоев с учетом погодно-климатических условий районов строительства и условий движения. В связи с отсутствием стандартизованных методов прогнозирования срока службы асфальтобетонных покрытий появилось большое число различных показателей и методик по оценке долговечности дорожных асфальтобетонов, проанализировав которые, можно сделать следующий вывод: при переменных природно-климатических и эксплуатационных воздействиях работоспособность асфальтобетона может описываться различными показателями его свойств. Из этого следует, что при оценке эксплуатационного состояния асфальтобетонных покрытий должен преобладать комплексной подход, одновременно учитывающий характеристики конструкции дорожной одежды, свойства материалов, градиенты распределения, интенсивность солнечной радиации, ветра, дождя, внешние нагрузки и многие другие факторы. В этом случае наиболее эффективно использовать симплекс-метод (алгоритм решения оптимизационной задачи линейного программирования путм перебора вершин выпуклого многогранника в многомерном пространстве). Сущность метода: построение базисных решений, на которых монотонно убывает линейный функционал, до ситуации, когда выполняются необходимые условия локальной оптимальности. Он позволяет за конечное число шагов либо найти оптимальное решение, либо установить, что оптимальное решение отсутствует.
Основное содержание симплексного метода заключается в следующем: - указать способ нахождения оптимального опорного решения; - указать способ перехода от одного опорного решения к другому, на котором значение целевой функции будет ближе к оптимальному, т.е. указать способ улучшения опорного решения; - задать критерии, которые позволяют своевременно прекратить перебор опорных решений на оптимальном решении или сделать заключение об отсутствии оптимального решения. Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что количество дефектов на поверхности асфальтобетонного покрытия зависит от прочности асфальтобетона, конструкции дорожной одежды, условий эксплуатации. В свою очередь, прочность асфальтобетона характеризуется прочностью битума. Степень разрушения и деформации битума зависит от уровня влияния инфракрасного, ультрафиолетового облучения окружающей среды и действующих напряжений.
В целом прочность асфальтобетонного покрытия и его устойчивость к появлению различного вида деформаций определяется следующими свойствами: теплофизическими (коэффициент линейного температурного расширения), долговременной прочностью асфальтобетона при изменении температуры, водоустойчивостью, прочностными (предельная структурная прочность) и усталостными (уровень повреждаемости асфальтобетонного покрытия).
В результате теплового воздействия органический вяжущий материал расширяется почти в 30 раз больше, чем каменные, и уплотняющего воздействия транспорта взаимосвязанная система пор превращается в прерывистую. Согласно Розе [103] с увеличением температуры происходит тепловое расширение каждого из компонентов асфальтобетона за счет уменьшения пористости асфальтобетонной смеси. Модель теплового расширения можно составлять в следующем виде:
Коэффициент а является наиболее важным при оценке напряженного состояния материала покрытия: чем выше его значение, тем больше нереализованная температурная деформация и выше напряжение. В случае если коэффициент линейного расширения равен нулю, проблема появления температурных трещин не возникает.
В 60-е годы ученым А.М. Богуславским были установлены численные значения коэффициента линейного расширения в зависимости от типа асфальтобетонного покрытия (принятые значения - 0,00001, градиент охлаждения
Выбор правильного критерия трещиностойкости асфальтобетона является одним из условий, предопределяющих успех работ по повышению трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. По мнению Б.И. Ладыгина, ориентирование на критерий, не характеризующий действительные условия работы асфальтобетона, его действительное напряженное состояние, климатические особенности района строительства автомобильных дорог, не позволит целенаправленно и эффективно повышать качество асфальтобетона [103].
С изменением температуры асфальтобетона изменяется его объем. Под влиянием инфракрасного излучения асфальтобетонное покрытие может расширяться и сжиматься (ввиду того, что явление релаксации снижает не температурную деформацию, а температурные напряжения растяжения, вызываемые несвободным сжатием асфальтобетона при охлаждении). Поэтому температурная деформация определяется по формуле [54]:
В настоящее время общепризнано, что температурная трещиностойкость обеспечивается, если возникающие при изменении температуры на поверхности покрытия растягивающие напряжения т,, с учетом релаксационной способности, не превышают предела длительной прочности Rдл: