Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации в настоящее время объёмные и качественные характеристики транспорта, особенно его инфраструктуры, не позволяют в полной мере эффективно решать задачи растущей экономики. С каждым годом доля перевозок на автомобильных дорогах возрастает. Однако темпы развития сети автомобильных дорог не успевают за резким ростом спроса на ее услуги. Половина общего объёма перевозок по дорогам федерального значения осуществляется в условиях превышения нормативного уровня загрузки дорожной сети, поэтому многие дороги страны по технико-экономическим показателям не удовлетворяют требованиям современного движения. Это снижает производительность транспорта и безопасность движения, увеличивает стоимость перевозок, уменьшает прочность и сокращает срок службы дорог.
Помимо воздействий от проезжающих транспортных средств, в период эксплуатации дороги вследствие воздействия температуры воздуха, атмосферных осадков, поверхностных и грунтовых вод земляное полотно и дорожная одежда периодически имеют определённый водно-тепловой режим. Поэтому нерационально подобранная конструкция дорожной одежды и неправильно выбранный способ регулирования водно-теплового режима вызывают снижение прочности, разуплотнение грунта, образование пучин зимой и просадок весной, трещинообра-зование покрытий.
Одним из актуальных решений указанной проблемы является переход к нетрадиционным (специальным) методам регулирования водно-теплового режима земляного полотна, например введение теплоизолирующего слоя из экструзионно-го пенополистирола. Однако такие меры требуют от российского транспорта пересмотра не только нормативных документов на проектирование и строительство дорог, но обоснованного подхода в применении инновационных материалов. В частности, несмотря на успешный опыт применения пенополистирола в дорожных конструкциях, отсутствуют достоверные данные о поведении физико-механических характеристик материала в процессе эксплуатации, нет чёткой методики прогнозирования долговечности (работоспособности) материала в таких конструкциях в действующем эксплуатационном диапазоне температурных и силовых воздействий.
Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования теплоизолирующего слоя (на примере пенополистирола) с максимальным сроком эксплуатации в дорожных одеждах при создании оптимального водно-теплового режима.
В работе поставлены следующие задачи:
S определить температурный диапазон эксплуатации пенополистирольных плит в конструкции земляного полотна и дорожной одежды;
S определить основные виды и величину силовых воздействий на плиты утеплителя в конструкции дорожной одежды и их величину;
S исследовать закономерности разрушения и деформирования пенополистирола при статических и циклических силовых воздействиях, температурно-влажностных колебаниях, наличии жидких агрессивных сред;
S исследовать изменение теплофизических характеристик материала (коэф-
фициент теплопроводности, коэффициент линейного термического расширения) при различных эксплуатационных воздействиях.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экспериментов с необходимым количеством повторных испытаний; статистической обработкой экспериментальных данных; сопоставлением результатов исследований с аналогичными данными других авторов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
S изучено температурное поле земляного полотна и дорожной одежды, теоретически доказана целесообразность применения пенополистирольных плит для создания оптимального водно-теплового режима;
S предложена методика для определения температуры по слоям дорожной одежды, определен температурный диапазон эксплуатации пенополистирольных плит в рассматриваемых конструкциях дорожных одежд;
S проанализировано напряженно-деформированное состояние земляного полотна и дорожной одежды, определен силовой диапазон эксплуатации пенополистирольных плит;
S получены значения физических и эмпирических констант пенополистирольных плит, определяющих их работоспособность при разрушении и деформировании, воздействии агрессивных сред и климатических факторов;
S предложена методика прогнозирования работоспособности утеплителя в конструкциях дорожных одежд в условиях максимально приближенных к эксплуатации.
Практическое значение работы заключается в следующем:
S уточнена расчетная формула (верхнее граничное условие первого рода) для построения температурного поля и земляного полотна, учитывающая наличие на поверхности покрытия и полосы отвода конвективного теплообмена, снегового и напочвенного покрова, действие солнечной радиации и температуры воздуха;
S на основании анализа существующих расчетных формул получены обобщённые уравнения для определения основных теплофизических характеристик материалов (теплопроводности, теплоемкости, плотности) дорожной одежды в зависимости их влажности;
S предложена комбинированная методика для определения температуры по слоям дорожной одежды и земляного полотна при известных теплофизических характеристиках используемых материалов;
S на основании анализа методов расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна и дорожной одежды предложена методика определения напряжений по слоям дорожной одежды;
S с позиции термофлуктуационной концепции исследованы закономерности разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС45 в широком диапазоне напряжений и температур, максимально приближенных к эксплуатационным. Определены термофлуктуационные константы, описывающих напряжённо-деформированное состояние материала при различных видах нагру-жения;
S получены диаграммы работоспособности материала в зависимости от срока службы материала и температурно-силовых воздействий, разработана методика прогнозирования работоспособности экструзионного пенополистирола в кон-
струкциях дорожных одежд с оптимальным водно-тепловым режимом. Даны практические рекомендации по проектированию и эксплуатации конструкций с использованием экструзионного пенополистирола в качестве морозозащитного (теплоизолирующего) слоя.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований реализованы в рабочем процессе муниципального казенного предприятия «Дирекция городских дорог» в г. Тамбове.
Автор защищает:
результаты теоретических исследований температурного поля земляного полотна и дорожной одежды с использованием экструзионного пенополистирола;
комбинированную методику определения температуры по слоям дорожной одежды;
результаты исследования закономерностей разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола при механических воздействиях, с учётом агрессивных сред и погодно-климатических факторов;
методику выбора физико-технических параметров экструзионного пенополистирола и прогнозирования его работоспособности в конструкциях дорожных одежд.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались на I и II академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики» посвященных памяти академика РААСН Осипова Георгия Львовича, НИИСФ, 2009г., 2010г.; Международной конференции, посвященной 80-летию строительного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской области, Волгоград, 2010г.; Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, 2010г.; VII международной научно-практической конференции «Vedecky pokrok па pfelomu tysyachalety - 2011» Прага, 2011г.; Международной конференции «Новые дороги России», Пенза, 14-17ноября 2011г.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 13 печатных трудах, из них 4 работы в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, издано одно учебное пособие «Физико-механические и теплофизи-ческие основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений» (Издательство ТГТУ 2010г.), которое рекомендовано Государственным профессиональным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 270100 «Строительство».
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 210 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы, 115 рисунков, список литературы из 156 наименований и 2 приложения.
