Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы уплотнения 14
1.1. Физика и характеристики процесса уплотнения материалов 14
1.2. Контроль характеристик уплотнения материалов 17
1.3. Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым материалом 18
1.4. Конструкции дорожных катков 37
1.5. Цель и задачи исследования 45
2. Экспериментальные и теоретические исследования характеристик статического и вибрационного уплотнения материалов 48
2.1. Статическое уплотнение 48
2.1.1 .Асфальтобетонные смеси. Методика лабораторных исследований 48
2.1.1.1. Влияние скорости деформирования асфальтобетонной смеси на сопротивление деформированию 52
2.1.1.2. Влияние структуры смеси на сопротивление деформированию 57
2.1.1.3. Влияние температуры асфальтобетонной смеси на сопротивление деформированию 63
2.1.1.4. Определение значений предела прочности, модуля деформации уплотняемого материала и давлений катка в процессе укатки 66
2.1.1.5. Определение сдвиговых характеристик асфальтобетонных смесей 69
2.1.1.6. Зависимость сопротивления деформированию асфальтобетонных смесей от направления действующего усилия 71
2.1.2. Связные грунты. Методика лабораторных иследованний 73
2.1.3. Зависимость сопротивления деформированию связных грунтов от направления действующего усилия 76
2.2. Вибрационное уплотнение 78
2.2.1. Скальный и несвязный грунт. Методика производственного эксперимента 78
2.3. Выводы по главе 82
3. Теоретические исследования процесса уплотнения 83
3.1. Классификация направлений совершенствования средств уплотнения и их конструкций 83
3.2. Применение постоянного электрического поля для активизации уплотнения грунта 86
3.3. Состояние текучести уплотняемого материала под действием нормальных и касательных напряжений 94
3.4. Исследование взаимодействия ведущего и ведомого вальцов катка с уплотняемым материалом
3.5. Взаимосвязь параметров катка и толщины слоя уплотняемого материала 118
3.6. Обоснование рабочей скорости и амплитуды колебаний вальцов 123
3.7. Определение требуемого числа проходов катка 127
3.8. Определение характеристик уплотнения материала в процессе укатки 131
3.9. Управление вектором силового воздействия вальца 138
3.10. Управление процессом укатки 147
3.11. Выводы по главе 152
4. Реализация результатов исследований 153
4.1. Катки саморегулирующие уплотняющие давления 154
4.1.1. Катки саморегулирующие уплотняющие давления от прохода к проходу (многопроходные) 154
4.1.1.1. Методика расчета параметров 156
4.1.1.2. Конструкции экспериментальных образцов 159
4.1.1.3. Методика проведения производственных испытаний 165
4.1.1.4. Результаты производственных испытаний 170
4.1.2. Каток однопроходного уплотнения 185
4.2. Каток на авиационных шинах 193
4.3. Вибрационный гидрошинный каток 197
4.3.1. Конструктивная схема вибрационного гидрошинного вальца 201
4.3.2. Методика выбора параметров 207
4.3.3. Типы жидкостей для шин 209
4.3.4. Выбор шин 210
4.3.5. Обоснование величины давления в шинах 211
4.3.6. Масса вальца и катка, направление приложения возмущающей силы, частота и амплитуда вибрации 213
4.3.7. Основные параметры катка 214
4.4. Тяжелый прицепной вибрационный каток для укатки скального, связного, несвязного грунтов 214
4.4.1. Конструкция катка 215
4.4.2. Методика расчета 216
4.4.3. Результаты расчета параметров 219
4.5. Уплотняющие средства с использованием электрического поля 224
4.6. Выводы по главе 225
5. Дополнительные устройства 227
5.1. Устройство контроля уплотнения 227
5.2. Устройство очистки вальца от налипающего грунта 232
5.3. Бандаж к вальцу дорожного катка 233
5.4. Выводы по главе 237
Заключение 238
Выводы и рекомендации 238
Направления дальнейших исследований 245
Литература 246
Приложения 271
- Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым материалом
- Влияние скорости деформирования асфальтобетонной смеси на сопротивление деформированию
- Состояние текучести уплотняемого материала под действием нормальных и касательных напряжений
- Конструктивная схема вибрационного гидрошинного вальца
Введение к работе
Процесс уплотнения является одним из наиболее важных в дорожном строительстве, так как достигнутый коэффициент уплотнения комплексно определяет прочность и устойчивость всего сооружения к воздействию природно-климатических и эксплуатационных факторов. В настоящее время неблагоприятное влияние природно-климатических факторов усиливается. Например, участились резкие суточные колебания температуры и влажности. В связи с возрастанием масс и скоростей движения транспортных средств, динамические нагрузки на дорожную конструкцию постоянно увеличиваются. Поэтому требования к уплотнению становятся жестче, что в свою очередь стимулирует развитие теоретических исследований в этом направлении и совершенствование на их основе конструкций дорожных катков, как самого распространенного уплотняющего средства.
Прогресс в конструкциях дорожных катков сегодня сдерживается следующей проблемной ситуацией, возникшей в развитии теории уплотнения.
Исследованиями профессоров Н. Н. Иванова, Н. Я. Хархуты, Я. А. Калужского, О. Т. Батракова [1,2,3,4] и др. установлено, что в процессе уплотнения изменяются свойства материала. Делаются важные выводы о том, что для эффективного уплотнения параметры катка должны им соответствовать, что необходим постоянный, оперативный и достоверный контроль этих свойств в ходе уплотнения. Однако данных об изменении свойств в течение всего процесса уплотнения недостаточно (определены только для асфальтобетонных смесей типов А и В предел текучести, вязкость, и модуль деформации). В основном имеются экспериментально найденные начальные и конечные значения модуля деформации, прочности, сцепления, и начальные значения угла внутреннего трения для статической укатки. Для вибрационной укатки нет и этих данных, как нет методик экспериментального и теоретического их определения. Кроме названых выше, нужны и такие характери-
7 стики уплотнения, как коэффициенты сцепления и сопротивления качению,
данных по которым тоже недостаточно.
Большой вклад в теорию уплотнения представляют исследования профессора В. Б. Пермякова [5], показавшего, что в качестве наименьшего значения уплотняющих давлений о может быть принят предел текучести от уплотняемого материала, при котором «рост остаточных деформаций h опережает рост напряжений». Наибольшие создаваемые значения а не должны превосходить предел прочности. При этом не преследуется цель достижения эффекта текучести. Уделяя основное внимание создаваемым напряжениям под рабочим органом, автор не ставит задачи одновременно с ними создания при уплотнении деформации hx, при которой и осуществляется полностью состояние текучести. Упоминается лишь о зависимости предела текучести от той деформации, «за пределами которой нарушается линейная связь между напряжением и деформацией». Строго говоря, под «условным пределом текучести», о котором говорится в его исследованиях, нужно понимать предел пропорциональности. Кроме нормальных к поверхности материала давлений а, каток создает и касательные т, тоже влияющие на уплотнение.
Выявлено, что они интенсивно убывают по толщине слоя и значения их, по сравнению с нормальными, не велики. Однако и сопротивляемость материала сдвигу тоже мала, что иногда вызывает возникновение поперечных трещин на покрытии. Величину этих давлений и соответствующих им деформаций еще никто не нормировал.
Существующие методики расчета и конструкции катков не предусматривают регулирование уплотняющих и касательных давлений, таким образом, соответствие свойств материала и параметров катка нарушается. Известные сегодня средства контроля уплотнения [6,7,8,9,10] регистрируют только одну из его характеристик, чаще всего лишь косвенно с ним связанную, что является причиной значительных погрешностей и не позволяет судить об эффективности процесса. Необходимо обосновать новый принцип контроля, не только оценивающий напряженно-деформированное состояние
8 материала, но и позволяющий получить информацию об эффективности и
характеристиках уплотнения.
В работах Н. Я. Хархуты, Л. В. Гобермана, В. В. Гуськова [11,12,13] установлено, что ведущий и ведомый вальцы по-разному взаимодействуют с материалом, однако существующие методики расчета этого не учитывают. В дорожном строительстве широко используются тонкие слои материалов, например, при устройстве поверхностной обработки. При этом до сих пор не определено, какой слой для катка является тонким и как взаимосвязаны минимальная толщина слоя, параметры катка и свойства материала.
Современные катки, экстенсивно развиваясь, подошли к своему пределу по энерговооруженности и массе, например, вибрационные катки ВК-24 ООО «ЧТЗ - УралТрак», С А 602 РД - «Dynapac» - 220 кВт, 24 т и 142 кВт, 19 т соответственно. Масса пневмошинных катков и того больше, имеются данные о двухсоттонных экземплярах [14]. Эксплуатация таких машин весьма затратна и ощутимо сказывается на стоимости возведенных объектов. Дальнейший прогресс становится невозможным без осмысления сложившейся ситуации и выбора направлений совершенствования конструкций. Сегодняшнее положение является следствием того, что в конструкции катков традиционно используются всего три физических эффекта:
- сила тяжести (со времен строительства дорог империи Александра
Македонского и Римской империи);
вибрация (с 30-х годов прошлого столетия);
удар.
Необходим поиск новых, нетрадиционных для уплотнения физических эффектов. На основании изложенного становится ясно, что развитие теории уплотнения и совершенствование конструкций дорожных катков приобретают особую актуальность.
Целью исследования является теоретическое и экспериментальное обоснование параметров и режимов работы дорожных катков.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
установить в ходе теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов закономерности изменения в процессе уплотнения характеристик применяемых материалов;
разработать классификацию направлений совершенствования конструкций уплотняющих средств;
найти и использовать нетрадиционные для уплотнения физические эффекты (текучесть материала под действием нормальных и касательных напряжений, электроосмос);
теоретически и экспериментально исследовать взаимодействие ведомого и ведущего вальцов катка с уплотняемым материалом, выявить недостатки существующих конструкций и методик их расчетов;
предложить конструкции перспективных катков и методики их расчета, а также усовершенствовать существующие, с учетом изменяющихся при уплотнении характеристик материала;
теоретически обосновать конструкцию устройства для исследования характеристик процесса уплотнения и его контроля, позволяющую оценить напряженно-деформированное состояние материала;
изготовить опытные образцы перспективных катков на ведущих заводах страны; провести испытания с целью подтверждения разработанных теоретических положений.
Объект исследования. Конструкторско-технологическая система «дорожный каток-уплотняемый материал».
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия вальцов катка с уплотняемым материалом.
Методологическая база исследований. Законы физики, математики, теоретической механики, механики грунтов, вязкопластических и не вполне упругих тел. Фундаментальные положения теории колесного движителя и
10 дорожно-строительных материалов. Методы статистической обработки результатов исследований и решения изобретательских задач.
Достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом экспериментальных работ в лабораторных и производственных условиях, проведенных с использованием современного оборудования, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных, исследований (погрешность составляет 12-16%), сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Научная новизна состоит в следующем. Результаты исследований в совокупности составляют вклад автора в развитие теории уплотнения и. изучение направлений совершенствования конструкций дорожных катков. Получены следующие новые результаты:
созданы методы расчета, предложены методики экспериментального определения и установлены изменяющиеся в ходе достижения нормативной плотности значения характеристик статического и вибрационного уплотнения (ат, Е, f, ф, р, С) материалов;
разработана классификация направлений совершенствования средств уплотнения;
обоснована необходимость поиска и найдены нетрадиционные для уплотнения физические эффекты (текучесть материала под действием нормальных и касательных напряжений, электроосмос). Разработаны теоретические основы их применения;
созданы конструкции перспективных катков и методики их расчета, а также усовершенствованы существующие, с учетом характера взаимодействия вальца ( ведущий, ведомый ) с уплотняемым материалом;
предложен новый принцип и разработана новая конструкция устройства, оценивающего напряженно-деформированное состояние для исследования характеристик и контроля процесса уплотнения материала.
Практическая значимость исследований заключается в следующем:
разработаны методы расчета, методики экспериментального определения и установлены изменяющиеся в ходе уплотнения характеристики материалов (от, Е, f, ф, р, С), необходимые при выборе параметров катков;
применены нетрадиционные для уплотнения физические эффекты, повышающие его эффективность;
созданы конструкции перспективных катков и методики их расчета, усовершенствованы существующие;
- разработана новая конструкция устройства для определения характе
ристик процесса уплотнения и его контроля.
Личный вклад автора заключается в формулировании идеи работы и ее цели, в выполнении теоретических и большей части экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов; в руководстве и непосредственном участии во внедрении в производство разработанных конструкций катков и устройств.
Автор выражает благодарность профессору, доктору технических наук Пермякову В.Б. за ценные советы и методическую помощь при подготовке диссертации.
Автор защищает:
методы теоретического расчета и методики экспериментального определения изменяющихся значений характеристик уплотнения дорожно-строительных материалов;
- предположенные нетрадиционные для уплотнения физические эф
фекты и теоретические основы их применения;
- обоснование величины нормальных и касательных напряжений и со
ответствующих им деформаций, обеспечивающих эффект текучести мате
риала при уплотнении;
- правило эффективного деформирования уплотняемого материала ка
сательными напряжениями, устанавливающее их связь с соответствующими
пределами текучести и прочности;
12 - обоснование величины потенциала внешнего электрического поля
для осуществления электроосмоса при уплотнении связных грунтов;
- методики расчета и конструкции перспективных катков;
новый принцип, оценивающий напряженно-деформированное состояние материала, для исследования характеристик процесса уплотнения и его контроля.
Реализация результатов исследований. Опытные образцы катков, саморегулирующих свои уплотняющие давления были внедрены в «Сибагро-промдортехцентре» в г. Омске 1987-1991. Это прицепные катки с прерывистой рабочей поверхностью для укатки грунтов и щебня (2 шт.), а также самоходные катки для укатки асфальтобетонных смесей на базе ДУ-47А и ДУ-25А (3 шт.). Прицепной каток с прерывистой рабочей поверхностью для укатки грунта, изготовленный в опытном производстве ОАО «ЦНИИС», эксплуатировался на строительстве МКАД. Самоходный каток для укатки грунта, саморегулирующий свои уплотняющие давления с бочкообразным вальцом на базе тяжелого катка ДУ-58, был изготовлен и испытан в мае 2004 г совместно с ГУП «Алтайавтодор» и ДРСУ-4 «Омскавтодор». В двух вариантах аналогичный каток ДУ-107 для уплотнения асфальтобетонных смесей в декабре 2004г изготовлен ЗАО «Раскат» - ведущим производителем уплотняющей техники России. Первый вариант с бочкообразным ведущим вибрационным неуправляемым вальцом, второй - с бочкообразным статическим управляемым вальцом.
В настоящее время ЗАО «Раскат» также ведется изготовление опытного образца вибрационного гидрошинного катка. По результатам исследований автора ООО «ЧТЗ - Урал Трак» ведет изготовление опытных образцов тяжелых катков: самоходного модернизированного ВК - 24М и прицепного челночного для укатки скального, связного и несвязного грунтов.
Методики расчета параметров катков внедрены ЗАО «Раскат» и ООО «ЧТЗ - Урал Трак». Методики расчета модулей деформации и упругости уп-
лотненного слоя на основе экспериментально определенной длины дуги контакта вальца *г материала внедрены в ОАО «Иркутский ГипроДорНИИ».
Некоторые результаты исследования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей приведены во всесоюзных нормативно-технических рекомендациях [15], развивающих СНиП 3.06.03-85 Автомобильные дороги. Основные положения работы применяются в курсовом, дипломном проектировании, чтении лекций.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на областной научно-технической конференции «Совершенствование технологических процессов приготовления дорожной продукции» (Ростов-на -Дону, 1985 г); на «Первом Центрально-Азиатском геотехническом симпозиуме» (Астана, 2000г); на Всероссийских конференциях по научному сопровождению строительства автомобильной дороги «Чита - Хабаровск» (Иркутск, 2001,2002 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (Барнаул, 2003г); на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в Казахстане (Алма-Ата, 2004г); на второй международной научно-практической конференции КАДУ «Автомобильные дороги и транспортные машины: проблемы и перспективы развития» (Алма-Ата, 2004г); на международной научно-технической конференции «Интерстроймех - 2004» (в Воронеже); на пятой международной научно-технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаментостроение» (Одесса, 2004г); на ежегодных научно-технических конференциях СибАДЩ 1997-2004); на заседаниях научно-технических советов: ЗАО «Раскат» (Рыбинск, 2001-2004гг.) и ООО «ЧТЗ -Урал Трак» (Челябинск, 2003-2004 гг.), ФГУП «СоюзДорНИИ» (Балашиха, 2003-2004 гг.); на заседаниях объединенного семинара кафедр «Технология и механизация строительства», «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2003-2004 гг.).
14 Публикации. Из 56 опубликованных работ, основные положения диссертации отражены в 45, включая:
статьи в центральных журналах - 17;
а. с. и патенты - 12;
депонированные статьи - 2;
доклады на международных конференциях - 7;
всесоюзные рекомендации - 1;
отчет о НИР - 6.
Структура и объем диссертации. Работа содержит: введение, 5 глав, выводы и рекомендации. Изложена на 320 страницах машинописного текста, включает 81 рисунок, 29 таблиц, список литературы 224 наименования и 5 приложений.
Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым материалом
Следует отметить, что возрастание нормальных (сжимающих) нагрузок происходит не только принудительно при смене катков или частот колебаний вибраторов, но и до известного предела автоматически при работе одного и того же катка за счет уменьшения глубины погружения вальца в материал (площади соприкосновения) от прохода к проходу.
Например, при укатке асфальтобетонной смеси типа А для переднего вальца катка ДУ-47А, такое увеличение составляет 0,37-0,83 МПа с первого по пятый проход.
С увеличением плотности материала возможности взаимных смещений частиц становятся все более ограниченными. Следующий этап уплотнения характерен преобладанием доли упругих деформаций в общей деформации. При этом из зон контактов между частицами происходит выжимание некоторой части малоструктурированной жидкой фазы. По мере выжимания, ее пленки на частицах становятся тоньше, прочнее и начинают непосредственно участвовать в деформировании. Процесс уплотнения носит затухающий характер. Сопротивление деформированию резко возрастает, в то время как остаточные деформации незначительны. Сравнительно небольшое увеличение плотности ощутимо повышает прочность материала. Например, увеличение коэффициента уплотнения на один процент в интервале от 0,92 до 1,00 обеспечивает повышение прочности горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси на 7-8%, а связного грунта оптимальной влажности на 12-14%. Поэтому завершающий этап укатки является наиболее важным.
Дальнейшее увеличение уплотняющих давлений приводит к разрушению пленок, непосредственному контакту частиц, изменению исходного гранулометрического состава (дроблению частиц) материала.
Таким образом, в процессе уплотнения свойства уплотняемого материала непрерывно меняются в широких пределах. Это отмечается и в работах [1,2,3,4,16,17] профессоров Н. Н. Иванова, Н. Я. Хархуты, Я. А. Калужского, О. Т. Батракова, И. И. Черкасова, А. К. Бирули, С. Н. Иванченко, А. А. Шес-топалова, Д. Г. Суворова, В. Б. Пермякова, Л. Форсблада и др. В их исследованиях сделан основополагающий вывод о необходимости соответствия этим свойствам параметров катка.
Свойства уплотняемых материалов, как и достигнутый коэффициент уплотнения, являются, по существу, реакций на воздействие уплотняющей техники. Поэтому логичнее говорить не только о свойствах, но и о характеристиках уплотнения материалов, т.е. свойствах, характеризующих процесс уплотнения и непосредственно применяемых в расчетах параметров катков. Этот термин и будет использоваться в дальнейшем.
В настоящее время для статической укатки экспериментально найдены в основном начальные и конечные значения прочности, модуля деформации, сцепления и начальные значения угла внутреннего трения некоторых типов
грунтов, щебня, асфальтобетонных смесей. В течение всего процесса уплотнения расчетным путем найдены только значения предела текучести, вязкости и модуля деформации асфальтобетонных смесей типа А и В. Для вибрационной укатки отсутствуют и эти сведения, нет и методик их теоретического и экспериментального определения.
Для потребностей тягового расчета, кроме вышеназванных, необходимо знать еще коэффициенты сопротивления качению и сцепления, данных по которым недостаточно для статической укатки и совсем нет для вибрационной. Отсутствие этих данных создает значительные трудности при расчете параметров катков, что, в свою очередь, отрицательно влияет на эффективность их работы.
Следовательно, установление значений характеристик уплотнения материалов и закономерностей их изменения в процессе достижения нормативной плотности, равно как и методик их экспериментального и теоретического определения является проблемой уплотнения.
С проблемой установления характеристик уплотнения материалов неразрывно связана и проблема их постоянного, оперативного и достоверного контроля в ходе достижения нормативной плотности. Для правильной организации работ [2,3,6] она имеет первостепенное значение. Необходимые постоянство и оперативность обеспечивают только бортовые средства контроля, которые и рассмотрим подробнее.
Известные на сегодня такие методы и средства контроля [3,18-28] регистрируют только коэффициент уплотнения, а чаще всего момент окончания укатки. Для этого производят пробную укатку до достижения нормативной плотности, которую определяют по стандартной методике [18,19]. Затем измеряют соответствующий нормативной плотности контролируемый пара 18 метр (деформацию, коэффициент сопротивления качению, величину ускорения отскока вальца, вариации прочности уплотняемого материала, угол перекоса рамы вальца относительно горизонта, значение разрежения в камере вакуумного балластного устройства и пр.) и сопоставляют с ним данные, получаемые при работе катка. Укатка заканчивается при совпадении контролируемых величин.
Известные методы и средства контроля обладают значительной погрешностью, не позволяют судить об эффективности процесса укатки и не способны регистрировать характеристики уплотнения. Очевидно, это обусловлено тем, что контролируемые величины либо не полностью характеризуют напряженно-деформированное состояние материала, либо связаны с уплотнением лишь косвенно. Например, напряжение, или деформация в отдельности, ускорение виброотскока вальца. Вследствие этого в конечном итоге снижается эффективность уплотнения.
Таким образом, разработка метода постоянного, оперативного и достоверного контроля характеристик уплотнения материала в ходе достижения нормативной плотности, оценивающего его напряженно-деформированное состояние, является еще одной проблемой, требующей решения.
Влияние скорости деформирования асфальтобетонной смеси на сопротивление деформированию
Следует отметить, что приведенные зависимости предполагают постоянство температуры, это позволяет применять их только для описания процесса незначительной продолжительности. На практике для расчета параметров укатки применение их ограничено, так как температура материала изменяется в широких пределах.
Автором предложены новые конструкции статических катков, асфальтоукладчиков и их рабочих органов. Определено условие интенсивного накопления пластических деформаций. Для этого необходимо, чтобы величина уплотняющих давлений была равна или больше предела текучести асфальтобетонных смесей, но меньше предела прочности. Автором «установлено, что асфальтобетонные смеси относятся к материалам с условным пределом текучести, величина которого определяется значением деформации, за пределами которой нарушается пропорциональная связь между напряжением и деформацией». Строго говоря, исходя из этого, под «условным пределом текучести» следует понимать предел пропорциональности, и ожидать осуществления состояния текучести при этом не приходится. Кроме нормальных к поверхности материала давлений каток создает и горизонтальные. Величину этих давлений и соответствующих им деформаций автор не анализирует. Существующие методики расчета параметров катков не предусматривают регулирование уплотняющих и касательных давлений вслед за ростом характеристик уплотнения материалов. Таким образом, заранее закладывается нарушение соответствия параметров катка и свойств материала.
Уже упоминавшаяся работа Н.П.Вощинина [40] рассматривает уплотнение с энергетической точки зрения, исследователь оперирует понятиями теории напряженно-деформированного состояния материала, учитывает потенциальную энергию деформаций и пластические свойства. Упругая деформация материала характеризуется суммой энергии изменения объема Uo и энергии изменения формы /ф, которые, в свою очередь, пропорциональны нормальному и касательному октаэдрическим напряжениям. Если коэффициент Пуассона ц=0, то есть при компрессионном упругом деформировании, действительны формулы где Е— модуль упругости; аокт, гокт - соответственно, нормальное и касательное напряжения на октаэдрических площадках (равнонаклоных к главным площадкам). Этими же соотношениями можно пользоваться и для пластических деформаций. В этом случае модуль упругости Е заменяют на модуль деформации Eg, а коэффициент Пуассона ju - на аналогичный ему модуль //д, который определяется зависимостью [79] где 0 - коэффициент бокового давления. Тогда полная энергия деформации грунта при одноосном сжатии равна Чтобы применить полученную зависимость, нужно знать модуль деформации, который непрерывно растет в процессе укатки, но именно по этой характеристике уплотнения информации крайне мало. Кроме этого, зависимость не делает различий для ведомого и ведущего вальцов катка. Энергоемкость уплотнения характеризуется выражением где А - работа, затраченная рабочими органами на уплотнение; V- объем уплотняемого материала; К - коэффициент, учитывающий часть работы, которая непосредственно расходуется на уплотнение. К сожалению, автор не приводит значений коэффициента К и не дает методик его определения. Для нахождения работы, затраченной на уплотнение, нужно знать число проходов катка. В связи с этим автор уточняет ранее предложенную формулу где ро, Роо - соответственно начальная и максимально возможная плотности; п - число приложений нагрузки (число проходов); к - коэффициент, зависящий от вида машин, типа уплотняемого материала и других факторов. Свой вклад в развитие теории уплотнения внесли ученики профессора В.Б.Пермякова. Исследованиями С.В.Савельева [80-83] разработана методика выбора параметров вибрационных катков, определены силы сопротивления передвижению и коэффициент сопротивления качению, однако уплотняемый связный грунт рассматривается как квазиупругое тело, что безоговорочно справедливо только в конце укатки.
Рациональные режимы работы статических катков при уплотнении многощебенистой и песчаной асфальтобетонных смесей с теплофизической точки зрения рассмотрены Ю.С.Сачук [84-91].
Ей разработаны математические модели остывания асфальтобетонного слоя после прохода асфальтоукладчика и при уплотнении легкими, средними и тяжелыми катками, определена рациональная схема работы катков, установлены температурные границы начального, промежуточного и заключительного этапов уплотнения. А также предположены функциональные зависимости изменения длины дуги контакта вальца и материала в процессе уплотнения. В работах В.В.Дубкова [92-98] дается обоснование выбора типа катков для уплотнения асфальтобетонных смесей, рассмотрены вопросы устройства асфальтобетонных покрытий, при пониженных температурах воздуха. Им разработаны методики определения типа катка, режима его работы для различных погодно-климатических условий и теплофизических характеристик основания, определены минимальные температуры воздуха при которых возможно уплотнение до нормативных значений. К сожалению, авторами рассмотрены только катки статического действия, а предложенные математические модели содержат большое число теплофизических и эмпирических коэффициентов, определение которых представляет значительные трудности.
Вопросы уплотнения тонких слоев асфальтобетонных смесей подробно рассмотрены в трудах А.В.Шапошникова [99-105]. Автор получил регрессионные уравнения описывающие изменение коэффициента уплотнения и сопротивления деформированию тонких асфальтобетонных слоев от температуры смеси, контактных давлений и толщины слоя, соответствующих всему процессу уплотнения. Установил, что наибольший достигаемый коэффициент уплотнения 0,97-0,98 зависит от толщины уплотняемого слоя, равно как и сопротивление деформированию. Для тонких слоев предложил методики определения максимальных контактных давлений всех типов катков. Однако не установлена взаимосвязь между параметрами вальца и минимальной допустимой толщиной уплотняемого слоя, что очень важно.
Состояние текучести уплотняемого материала под действием нормальных и касательных напряжений
Регулирование уплотняющих давлений в течение всего процесса укатки осуществляется оригинальным катком с вакуумным балластным устройством [138] разработанным Н.Я.Хархутой, А.А.Шестопаловым и другими авторами. Регулирование осуществляется за счет использования в качестве дополнительной нагрузки атмосферного давления, воздействующего через вакуумную камеру на валец катка. Но применение этого устройства возможно только на укатке песчаного или мелкозернистого асфальтобетона. Укатка других материалов затруднена, так как сложно обеспечить плотный контакт вакуумной камеры с поверхностью материала и, значит, создать в ней необходимое разрежение. При этом нельзя исключить отсос частиц материала в вакуумную систему, следовательно, нужны фильтры. Все это требует дополнительных энергозатрат и удорожает каток. Кроме того, оператор не в состоянии одновременно эффективно управлять катком и балластным устройством, что вызывает необходимость применения автоматизированных систем управления на основе микропроцессоров [139].
Статическое уплотнение при возможности плавного регулирования уплотняющих давлений в процессе укаки за счет повышения давления воздуха в шинах осуществляют пневмокатки. Однако на весь процесс укатки регулирование распространить не удается: наибольшее уплотняющее давление таких катков достигает 1,8 МПа, в то время как для большинства материалов необходимые уплотняющие давления в конце укатки лежат в интервале 2,2 -4,5 МПа [3]. Поэтому пневмокатки тоже приспособлены для дополнительного утяжеления балластом и используются в двух типах: легкий и тяжелый [140]. Кроме того, за счет деформации шин в зоне контакта, время воздействия на уплотняемый материал значительно увеличивается по сравнению с жестким вальцом. Это обеспечивает повышение производительности [2,66,140,141].
В свое время Н.Я.Хархута [37] для расширения диапазона регулирования уплотняющих давлений, предлагал использовать даже авиационные шины, допускающие давление воздуха до 1,4 МПа. Однако для охвата всего процесса укатки до достижения нормативной плотности этого тоже оказалось недостаточно.
Наибольшее распространение в настоящее время получили вибрационные катки. При одинаковом весе они приблизительно в 2,0 - 2,5 раза производительнее статических катков [2,113]. Сравнительная эффективность этих машин неодинакова в зависимости от стадии уплотнения. В середине укатки различие максимально (3-К3,5 раза), затем оно снижается, но не исчезает [113]. Применение дополнительного (к силе тяжести) физического эффекта -вибрации, позволило уменьшить сопротивление деформированию уплотняемого материала. Силы трения и сцепления между его частицами снизились, что облегчило уплотняемость. В мире появилось множество конструкций катков, применяющих различные виды вибраций: ненаправленную (круговую), направленную, осциллирующую, нутирующую.
Ненаправленная вибрация создается массой одного, или нескольких дебалансов, находящихся соосно с вальцом. Создавая угловое смещение де-балансов, и управляя направлением их вращения, можно задать два значения амплитуды.
Два дебаланса, встречно вращающихся в центре вальца, обеспечивают направленную вибрацию. Колебательные движения вальца происходят только в одном направлении. Смещение от оси вальца двух вращающихся дебалансов на некоторое расстояние, обеспечивают осцилляцию - колебательные угловые движения относительно оси. Более сложное устройство имеет нути-рующий валец. Четыре его горизонтально расположенных дебаланса вращаются в противоположных направлениях и инициируют поперечные, относительно направления движения вальца, горизонтальные колебания.
При укатке толстых и тонких слоев асфальтобетонных смесей, по данным фирмы «DYNAPAC», для оператора катка, да и организатора уплотнения, немалую трудность представляет выбор между круговой вибрацией и направленной, между статической и осциллирующей, нутирующей укаткой.
Слишком большое число вариантов режимов укатки, которое можно задать, создают путаницу. Не выручает и автоматизированная система направленной вибрации «из-за трудности точного измерения жесткости материала на нужной глубине» [142]. Эта трудность, очевидно, обусловлена отсутствием на катках надежного устройства контроля, позволяющего оценить эффективность уплотнения через напряженно-деформированное состояние материала.
К числу недостатков вибрационных катков относят невысокую надежность подшипников и резинометаллических амортизаторов. По исследованиям производителя катков фирмы «AMMANN» (Германия), при непрерывной работе, подшипники выдерживают лишь двадцать пять часов [143]. Кроме того, вследствие жесткости вальца пятно контакта с материалом невелико, соответственно мало и время воздействия. Это снижает эффективность укатки.
С целью объединения преимуществ вибрационных и пневмошинных катков были созданы комбинированные катки, у которых есть и пневмошин-ные и вибрационные вальцы. Эти машины универсальны и высокопроизводительны, однако более выгодным является объединение вышеназванных преимуществ в одном рабочем органе, а не в одной машине. Эта тенденция привела к появлению у нас в стране и за рубежом вибрационного пневмо-шинного катка в 60-е годы прошлого века [144,145]. Возродить его вновь пытается японская фирма «Сакаи», продемонстрировавшая такой каток под маркой GW -750 на выставке строительной техники «Conet» .осенью 2003 г. Масса катка составляет 8,5 т, частота вибрации — 40 Гц, имеется четыре вибрационных режима. По данным изготовителя [146], обеспечивается коэффициент уплотнения, сопоставимый с достигаемым обычным пневмошинным катком, массой 25 т.
Конструктивная схема вибрационного гидрошинного вальца
Среди факторов, определяющих свойства асфальтобетона особое место отводится его структуре. Впервые представления о взаимосвязи структуры и свойств асфальтобетона были изложены П.В.Сахаровым. Он предложил рассматривать асфальтобетон как материал, состоящий из двух частей: минерального остова (щебень+песок) и асфальтовяжущего (битум+минеральный порошок). Л.Б.Гезенцвей также рассматривает структуру как двухкомпо-нентную, но в отличие от П.В.Сахарова под структурой понимает взаимное расположение всех минеральных частиц, включая и минеральный порошок, вторым компонентом является битум.
М.И.Волков считает, что целесообразнее структуру рассматривать как трехкомпонентную систему, состоящую из: - микроструктуры (структура асфальтовяжущее); - мезоструктуры (двухкомпонентная структура асфальтового раствора - песок+асфальтовяжущее); - макроструктуры (двухкомпонентная структура, состоящая из щебня и асфальтового раствора). И.А.Рыбьев выделяет две структурные части: микроструктуру (асфальтовяжущее) и макроструктуру, обусловленную крупностью, формой и взаимным расположением зерен щебня и песка. Согласно современным представлениям для асфальтобетона, как и для других дорожно-строительных материалов, можно выделить три основных типа макроструктуры [160, 161]: базальная, поровая, контактная. Существуют и промежуточные структуры: базально-поровая и порово-контактная. Тип структуры определяется количеством щебня, содержащегося в асфальтобетоне. Характерной особенностью структуры базального типа является наличие между минеральными частицами смеси прослоек асфальтовяжущего значительной толщины. Примером такой структуры может служить мелкозернистая смесь типа В, содержащая до 30% щебня. Поровая структура отличается тонкими пленками вяжущего, разделяющими минеральные частицы, повышенной прочностью и содержанием щебня от 50 до 60%. Такой структурой, например, обладает мелкозернистая смесь типа А. Дальнейшее увеличение содержания щебня (более 65%) приводит к разрыву пленок вяжущего и образованию третьего, контактного типа структуры, при котором между частицами материала наступает непосредственное соприкосновение. Таким образом, повышенное содержание щебня способствует образованию малоподвижных, жестких смесей. Для их уплотнения требуются более высокие затраты энергии уплотняющих средсв, так как значительная часть заполнителя контактирует через тонкие прослойки вяжущего, или непосредственно друг с другом. Следовательно, каждой структуре материала соответствуют свои рациональные параметры процесса уплотнения и наоборот. Выполнение этого правила способствует качественному формированию структуры, так как структурообразование асфальтобетона происходит преимущественно на стадиях приготовления смеси и ее уплотнения. Получение асфальтобетона связано с плотной укладкой всех компонентов, входящих в смесь. Под многократным воздействием уплотняющих на 59 грузок происходит сближение частиц смеси и уменьшение ее объема, что приводит всю систему в состояние относительного равновесия. Уплотнение является важным этапом образования макроструктуры, так как в этот период зернистые компоненты смеси занимают устойчивое положение и, тем самым, обеспечивают стабильность механических свойств материала в процессе его эксплуатации. Уплотняющие нагрузки вызывают в материале реактивное сопротивление, величина которого определяет энергоемкость уплотнения. Природа этого сопротивления определяется структурой. Таким образом, при одинаковой величине внешнего силового воздействия на смесь нагрузка на контакт в смеси типа А будет меньше, чем в малощебенистой смеси типа В. Поэтому, чтобы осуществить сдвиг зерен относительно друг друга, к смеси типа А, следует приложить гораздо большие напряжения, превышающие силы трения и сцепления в контакте. Повышенные температуры образцов, при которых проводились испытания, снижают вязкость пленок на минеральных частицах и вызывают уменьшение сопротивлений деформированию и предела прочности за счет уменьшения сцепления между частицами. Полученные диаграммы представлены на рис. 2.5. Их можно подразделить на четыре вида в зависимости от коэффициента уплотнения смеси и температуры, при которой производились испытания. 1. Для образцов с Ку=0,8...1,0 и при Т=20С (см. рис. 2.5, кривая 1). Для этих условий испытаний характерен значительный участок а-Ъ, на котором возникающие напряжения при деформировании образца пропорциональны деформациям. Дальнейшее деформирование образца приводит, предположительно, к выдавливанию некоторой части малоструктурированого вяжущего из зон контактов и на участке Ъ-с происходит скольжение минеральных частиц друг относительно друга, нарушается пропорциональность меж 60 ду а и h. По аналогии с диаграммами испытаний металлов, точка Ъ характеризует начало процесса течения материала. На участке c-d наблюдается некоторый рост напряжений за счет дальнейшего сближения минеральных частиц заполнителя и увеличения контактов между ними. Возможен разрыв битумных пленок и непосредственный контакт частиц. Напряжение за точкой d соответствует напряжениям разрушения образца. 2. Испытания образца с Ку=0,7...0,8 при температуре Т=20С зафиксировали диаграмму другого вида - после завершения процесса текучести, без дальнейшего увеличения напряжений сопротивления деформированию, образец разрушился (см. рис. 2.5, кривая 2). Это объясняется наличием в образцах невысокой плотности, большого количества пустот и значительной толщины пленок вяжущего в зонах контактов. Сходные диаграммы были получены при испытании образцов при Т=50С.
На диаграмме третьего вида, полученной при испытании образцов с Ку = 0,8...1,0 и Т=100С (см. рис. 2.5, кривая 3), практически пределы текучести и прочности асфальтобетона совпадают. Высокая температура снижает вязкость битума и его молекулы получают дополнительный запас энергии, позволяющий им выйти из ориентированного относительно поверхности минеральных частиц положения, которое они занимали в структурированном виде при более низкой температуре. Часть битума переходит в свободное состояние и играет роль смазки между частицами. Снижается величина сцепления. Поэтому, несмотря на высокую плотность смеси, сопротивление деформированию образцов значительно ниже, чем при Т=20С (см. рис. 2.5, кривая 1).
