Содержание к диссертации
Введение
1. Современные тенденции в проектировании нежестких дорожных одежд с теплоизоляционными слоями 10
1.1. Анализ факторов, влияющих на морозное пучение грунтов земляного полотна 10
1.2. Пути снижения величины морозного пучения нежестких дорожных одежд 22
1.3. Методы определения теплоизолирующей способности нежестких дорожных одежд 28
1.4. Цель и задачи исследования 31
2. Теоретические основы проектирования нежестких дорожных одежд с учетом колебании фронта промерзания 35
2.1. Вакуумно-фильтрационный механизм морозного пучения грунтов земляного полотна 35
2.2. Зависимость величины морозного пучения от процесса режеляции грунта 46
2.3. Расчетные климатические параметры для оценки величины режеляционного пучения 55
3. Экспериментальное исследование водно-теплового режима дорожных одежд с повышенной теплоизолирующей способностью 61
3.1. Методика проведения исследований 61
3.2. Конструкции дорожных одежд на опытных участках автомобильных дорог 67
3.3. Температурный режим и морозное пучение на участках автомобильных дорог с теплоизоляционными материалами 72
3.4. Лабораторные исследования процесса режеляции грунта 84
4. Исследование теплоизолирующей способности нежестких дорожных одежд 90
4.1. Методика проведения лабораторных и полевых исследований 90
4.2. Исследование тегоюфизических свойств материалов в лабораторных условиях 98
4.3. Экспериментальное исследование теплопроводности материалов конструктивных слоев в полевых условиях 109
4.4. Стабилизация теплоизолирующей способности оснований во время эксплуатации 118
5. Расчет морозоустойчивости нежестких дорожных одежд с учетом колебаний фронта промерзания 125
5.1. Прогнозирование хода промерзания грунта земляного полотна 125
5.2. Суммарная величина морозного пучения 134
5.3. Экономическая эффективность применения теплоизоляционных материалов на основе органических вяжущих материалов 152
Общие выводы 158
Литература 159
Приложения 175
- Методы определения теплоизолирующей способности нежестких дорожных одежд
- Расчетные климатические параметры для оценки величины режеляционного пучения
- Температурный режим и морозное пучение на участках автомобильных дорог с теплоизоляционными материалами
- Экспериментальное исследование теплопроводности материалов конструктивных слоев в полевых условиях
Методы определения теплоизолирующей способности нежестких дорожных одежд
Теплоизолирующая способность материалов конструктивных слоев дорожных одежд характеризуется в первую очередь величиной его коэффициента теплопроводности ( X )» который наиболее широко используется в теплофизических расчетах. При изменении температуры рассматриваемого слоя, в частности, при расчете глубины промерзания дорожной конструкции, в некоторых случаях необходимо учитывать теплоемкость материала ( С )
Точность расчетов водно-теплового режима дорожных конструкций определяется точностью выбранной методики расчета и правильностью назначения расчетных величин теплофизических свойств.до-рожно-строительных материалов и грунтов, поэтому вопросам их определения должно уделяться пристальное внимание.
Однако, если теплоюизические свойства грунтов изучены достаточно подробно [68,87,94j , то для большинство дорожностроительных материалов объем проведенных исследований явно недостаточен. Так, в "Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа" L44J для всех асфальтобетонов приводится одно значение коэффициента теплопроводности - 1,05 Вт/(м«К). Этот результат был получен К.Ф.Фокиным в 1954 году для асфальтобетона с плотностью 2100 кг/м 120 в то время как величина этого показателя у асфшьтобетона изменяется в широких пределах и мо-жет превышать 2300 кг/м .
В ряде работ, посвященных регулированию водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна [65,66,67J приводятся теплофизические свойства материалов с указанием их плотности. Это также является недостаточным, так как в зависимости от состава будут меняться плотность и теплофизические характеристики. Кроме того, наличие воды в материалах во время эксплуатации приводит к возрастанию коэффициента теплопроводности, особенно в зимний период, при замерзании воды в порах материала,
Публикация результатов определения теплопроводности материалов без учета их влажности, температуры, а в некоторых случаях даже плотности, приводит к тому, что у разных авторов расхождение в величинах коэффициента теплопроводности для одного и того же материала достигает 100 . Использование расчетного показателя со столь низкой достоверностью заведомо приведет к снижению точности теплофизических расчетов.
Причиной расхождений может также являться применение различных методов определения коэффициента теплопроводности, поэтому в настоящее время назрела необходимость унификации методик определения теплофизических свойств дорожно-строительных материалов. Одним из наиболее точных методов определения теплопроводности является метод стационарного теплового режима, служащий по заключению Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института метрологии имени Д.И.Менделеева, эталонным в интервале температур 90-1100 К (-183 f +827С) Этот же метод положен в основу ГОСТ 7076-78, регламентирующего определение теплопроводности строительных материалов [28 J . Метод стационарного теплового режима был использован Я.Н. Ковалевым для определения теплопроводности ряда асфальтобетонов в сухом состоянии [49 J . Прибор для определения теплопроводности дорожно-строитель-ных материалов и грунтов при положительных температурах, основанный на методе стационарного теплового режима, был разработан В.П.Ивановым L 42 » . Испытания, проведенные автором прибора, а затем В.А.Головко [26 J и И.К.Дараган[зз J , подтвердили его высокую надежность. К недостаткам прибора следует отнести невозможность проведения испытаний при отрицательных температурах, что необходимо для получения расчетных значений теплопроводности материалов в зимний период.
Неблагополучное положение с исследованием теплопроводности дорожно-строительных материалов связано с отсутствием серийно выпускаемой аппаратуры для этих целей. В этих условиях наиболее целесообразным, на наш взгляд, является исследование основных типов дорожно-строительных материалов на существующих приборах в широком диапазоне изменения их свойств и условий испытания с целью установления функциональной зависимости коэффициента теплопроводности от ряда основных переменных факторов. Наличие таких зависимостей позволило бы значительно повысить точность назначения расчетных значений коэффициента теплопроводности на стадии проектирования дорожных одежд.
Для определения теплоемкости материалов и грунтов широко используется калориметрический метод, позволяющий получить ре-зультат с точностью выше 1% [_23,8Vj . Этот же метод применяется для определения количества незамерзшей воды.
Расчетные климатические параметры для оценки величины режеляционного пучения
Необходимость учета при проектировании автомобильных дорог наиболее неблагоприятных сочетаний климатических факторов отмечается в трудах многих советских ученых. В.Ф.Бабков относит к числу первоочередных задач в области теории устойчивости земляного полотна "учет изменений условий погоды и динамики изменения свойств грунтов" Г? 1 . И.А.Золотарь считает, что "методы прогноза пучинных поднятий должны учитывать наиболее неблагоприятные сочетания погодных и гидрологических факторов, которые могут имеTb место в пределах срока службы дороги" Г 39J . Г.М, Шахунянцом в ходе трехгодичных исследований было установлено, что эпюры пучения на одних и тех же участках имеют в разные годы различный характер. На основании этого был сделан вывод о необходимости перехода от наблюдаемых эпюр к "наиболее неблагоприятным но реально возможным (с заданным условием вероятности) расчетным эпюрам" [иэ] .
Отмеченное Г.М.Шахунянцом явление имеет объяснение с позиций режеляциоиного цучения грунтов земляного полотна. Изменение числа оттепелей и их распределения в течение зимнего периода приводит к существенному изменению эпюр пучения даже при близком начальном распределении влажности по глубине земляного полотна.
Для учета явления режеляции грунта при определении величины морозного пучения необходимо располагать значениями двух основных параметров процесса режеляции - амплитудой и числом колебаний фронта промерзания. Особое значение при этом имеют оттепели, во время которых прекращается процесс промерзания и, вследствие наличия теплового потока из талой зоны, неизбежно происходит оттаивание снизу на некоторую величину. Поэтому периоды оттепелей должны быть учтены при расчете хода промерзания земляного полотна. Само понятие "оттепель" нуждается, однако, в рассмотрении. В последнем выпуске Советского энциклопедического словаря оттепелью названо "повышение температуры воздуха до 0С и выше зимой, в период установившихся отрицательных температур. Связана с притоком (адвекцией) теплых воздушных масс. Сопровождается пасмурной, манной ПОГОДОЙ". Если исходить из данного определения, то при расчете хода промерзания грунта земляного полотна весь зимний период необходимо разбить на периоды с положительной и отрицательной температурой воздуха и затем рассчитать глубину промерзания и оттаивания в течение каждого периода. В то же время еще А.И.Воейков в 1908 году выделил два вида оттепелей [Ii5J : возникающих благодаря приходу теплых ветров и вследствие действия солнечных лучей. Более трудными для исследований он считал оттепели второго вида, когда под действием солнца все строения и предметы нагреваются и способствуют нагреванию воздуха. В результате оттепель может быть очень кратковременной - в течение нескольких часов, что нехарактерно для адвективных оттепелей. К.Ш.Хайруллин разделил оттепели на три типа, исходя из причин их возникновения: I) адвективные, 2) радиационные, 3) радиа-ционно-адвективные (смешанные) lib] . В периоды адвективных оттепелей суточная амплитуда температуры воздуха уменьшается на фоне общего повьшения температуры. Радиационным оттепелям соответствует увеличение суточной амплитуды колебаний температуры воздуха при ясной погоде и низкой влажности воздуха. Так, например, 12 марта 1959 года суточная амплитуда колебаний телшературы воздуха в Чите во время радиационной оттепели составила 34,4С (tmln = -28,5С, tmax " =5,9С). Смешанные оттепели наступают при прояснении, которое идет вслед за адвективной оттепелью. Повторяемость оттепелей различного типа неодинакова по территории страны. Число радиационных оттепелей в целом возрастает с запада на восток. Б Киеве и Риге радиационные оттепели составляют 10-Ш от общего их количества, В Чите же их 88$, Якутске - 77$. Важным фактором является также и время, на которое приходится наибольшее количество оттепелей. Так, например, в Чите и Саратове число дней с оттепелью практически одинаково и равно соответственно 30 и 28. Распределение же их в течение зимнего периода существенно отличается. В Чите на предвесенний период (март-апрель) приходится 80 числа дней с оттепелью, а в Саратове на этот период приходится 40 , то есть в два раза меньше. Это объясняется преобладанием в Саратове адвективных оттепелей Г 1 Необходимо отметить, что с точки зрения промерзания грунта земляного полотна режеляционной оттепелью может быть назван период, когда тепловой поток из талого грунта Ят станет больше, чем тепловой поток в атмосферу Чм , т.е. начнется оттаивание мерзлого грунта снизу. Анализируя формулу (2.23) можно сделать вывод, что такое явление может иметь место даже при отрицательной температуре поверхности покрытия автомобильной дороги в том случае если абсолютная величина отрицательной температуры невелика. С достаточной для инженерных расчетов точностью можно принять за периоды режеляционных оттепелей периоды, когда температура поверхности покрытия больше 0С.
Температурный режим и морозное пучение на участках автомобильных дорог с теплоизоляционными материалами
В ходе наблюдения за опытными участками в г.Калуге основными объектами наблюдений были глубина промерзания грунта земляного полотна и его морозное пучение.
Так, например, зимой 1978/79 гг. глубина промерзания грунта земляного полотна под контрольной дорожной одеждой (см. рис. 3.3-а) и дорожными одеждами с основаниями из битумопесчаной смеси толщиной 0,10 и 0,20 м (см. рис,3.3-б,в) составила соответственно 0,96 м, 0,80 м, 0,93 м. Величина морозного пучения была при этом равна соответственно 32 мл, 28 мм и 29 мм. Как видно из приведенных результатов, несмотря на то, что суммарная толщина дорожной одежды с битумопесчаным основанием, уложенным на грунт земяяного полотна, на 0,22 м меньше, чем у контрольной дорожной одежды, глубина промерзания под ними практически одинакова .
Близость теплофизических свойств этих конструкций объясняет и тот факт, что скорость изменения температуры на границе земляного полотна была у них также одинакова. В период с 15.00. 20 февраля по 9.00. 21 февраля 1979 года температура воздуха понизилась с -6,2С до -15,1С. Скорость понижения температуры воздуха составила 0,494 град/ч. Температура в конструкциях изменялась при этом следующим образом. В дорожной одежде с битумопесчаньм основанием она понизилась с -8,3С до -9,1С, а в до-рожной одежде с основанием из крупнозернистого асфальтобетона с -8,4С до -9,2С, при этом в обоих случаях скорость охлаждения составила 0,06 град/ч,
Скорость охлаждения конструкции имеет важное значение с точки зрения трещиностойкости. Чем ниже скорость охлаждения, тем меньше вероятность образования трещин[ 12 J . Проведенные наблюдения показали, что скорость изменения температуры в теплоизоляционных слоях быстро уменьшается с увеличением глубины вследствие возрастания теплового сопротивления вышележащих слоев. Так, в рассмотренном примере, скорость остывания низа би-тумопесчаного основания составила 0,06 град/ч, в то время как в середине слоя она была равна 0,105 град/ч, а непосредственно под асфальтобетонным покрытием - 0,132 град/ч.
Минимальные же значения температур составили в данных точках -9ДС, -Ю,9С и -П,7С соответственно. Снижение скорости охлаждения и величин температурных перепадов на нийшей границе плиты битумоминеральных материалов позволило получить конструкцию с высокой трещиностойкостыо. с момента постройки опытных участков в 1978 году на них не отмечено трещинообразования. В целом наблюдения за опытными участками в г.Калуге позволили установить возможность сн1жения толщины дорожной одежды из условия морозоустойчивости при использовании в основании теплоизоляционного материала. В ходе исследования режима работы нежестких дорожных одежд с теплоизоляционными слоями на полигоне МАДИ особое внимание было уделено процессу режеляции грунта, Зима 1981/82 гг. характеризовалась установлением периода с устойчивой отрицательной температурой со П декады декабря I98I года. Следует отметить, что температура воздуха зимой 1981/82 гг. была выше, чем обычно. По данным метеостанции МГТ среднемноголетшш сумма отрицательных градусосуток к концу марта составляет в Москве 1168. Зимой 1981/82 гг. этот показатель был равен 750 градусосуткам, т.е. на 36$ ниже нормы. Известно, что тленно для мягких зим характерно наибольшее количество оттепелей, влияние которых на величину морозного пучения грунтов земляного полотна необходимо было исследовать. Промерзание дорожных одежд шло вплоть до января 1982 года, когда нулевая изотерма, с разницей в несколько суток для различных конструкций, достигла грунта земляного полотна. На рис.3.5 приведены климатические характеристики зимнего и весеннего периодов а на рис.3 6 показан ход промерзания и оттаивания земляного полотна на опытных участках на полигоне МАДИ, В период до 14 января 1982 года, характеризовавшийся низкими среднесуточными температурами воздуха (от -6,8С до -24ДС) скорость промерзания грунта земяяного полотна находилась, в за - 77 висимости от конструкции дорожной одежды, в пределах от О,92 Ю"3 до 0,21 Ю" м/ч. Затем, вследствие повышения температуры воздуха и возрастания теплового сопротивления слоев, находящихся выше фронта промерзания, скорость его продвижения замедлилась и средняя величина этого показателя с 15 по 25 января 1982 года составляла 0,27 10 -0,38«10 м/ч, а в конструкции произошло оттаивание снизу на 0,04 м. В период с 26 января по 9 февраля скорость промерзания изменялась от 0.л-іи до , м/ч, после чего похолодание привело к увеличению ско- рости промерзания, достигшей в период с по 19 февраля О,34«10 . - 0,96-10 м/ч. В дальнейшем похолодание продолжалось вплоть до 2 марта а скорость промерзания была при этом равна 0,26-10 . 0,45-10 м/ч. Потепление, наступившее 3 марта,привело к оттаиванию земляного полотна снизу на величину от 0,02 до 0,15 м к 12 марта 1982 г. Наиболее интересный, с точки зрения исследования режеляци-онного пучения, период наступил 13 марта. Начиная с этого дня, по 19 марта, среднесуточная температура воздуха изменялась в узком пределе от 1,9С до -2,0С, причем в ночные часы температура воздуха была преимущественно отрицательной, а в дневные - положительной. Температура асфальтобетонного покрытия ночью понижалась ниже температуры воздуха, за счет радиационного выхолаживания (см. 2.3), а днем происходил дополнительный нагрев вследствие воздействия солнечной радиации. В результате фронт промерзания начал колебаться вблизи границы, которой он достиг к 13 марта. Величина суточных колебаний фронта промерзания по данньм натурных замеров изменялась в пределах от 0,003 до 0,018 м. К 19 марта 1982 года глубина промерзания была такой же как и 12 марта с точностью до 0,01 м.
Анализ климатических характеристик (см. рис.3,5) показывает, что отрезок времени, соответствующии неоднократной режеляции грунта имеет две особенности: I) на кумулятивной кривой отрицательных градусосуток ему соответствует участок с наименьшрм тангенсом угла наклона кривой относительно оси абсцисс; 2) сред-недекадная температура воздуха приблизилась к 0С.
Полученные значения суточных колебаний фронта промерзания в дальнейших расчетах величины режеляционного пучения нами не использовались ввиду того, что точность измерения глубины промерзания по используемой методике составляет около 0,01 м. Таким образом, величина колебаний находилась в пределах точности измерений, поэтому Б дальнейшем амплитуда колебаний была рассчитана по методике, изложенной в 2.2. Необходимо отметить, что существующие методики натурного определения глубины промерзания 29 не могут обеспечить точной оценки хода режеляции грунта при наблюдавшейся Б реальных условиях амплитуде колебаний фронта промерзания, так как их точность, вполне достаточная при определении глубины промерзания с целью дальнейшего расчета пучения при монотонном промерзании, не может быть удовлетворительной при оценке процесса режеляции,
Экспериментальное исследование теплопроводности материалов конструктивных слоев в полевых условиях
Поэтому обеспечить соответствие между реальными условиями эксплуатации и условиями испытаний можно только на основании наблюдений за режимом работы конкретного материала в дорожной одежде в тех или иных климатических условиях. Значительно ускорить определение расчетного коэффициента теплопроводности дорожно-строительных материалов можно проводя испытания в полевых условиях, что до последнего времени не делалось ввиду отсутствия соответствующей методики.
В основу разработанной методики определения теплопроводности материалов в дорожной одежде был положен принцип дополнительной стенки, широко применяемый при испытаниях стен и ограждений в промышленности и гражданском строительстве [23,25,46, I4о] . Этот принцип, предложенный Хенки, основан на прикреплении к испытываемой конструкции дополнительного слоя (рис.4.2). Испытываемая конструкция I имеет толщину ki и неизвестный пока коэффициент теплопроводности Xi К конструкции прикрепляется дополнительный слой 2, толщина которого \\ и коэффициент теплопроводности д,2 заранее известны. При стационарном тепловом режиме весь тепловой поток, проходящий через конструкцию I будет проходить и через конструкцию 2, исходя из чего можно получить следующее выражение:
Однако, при этом к испытываемой конструкции необходимо прикрепить слой значительной толщины и протяженности, что создает большие трудности при натурных испытаниях, поэтому в чистом виде метод дополнительной стенки широкого применения не нашел. Тем не менее, данный метод позволил установить, что разность температур на противоположных поверхностях дополнительного слоя прямо пропорциональна проходящему через него тепловому потоку. Этот важный вывод применяется при использовании измерителей тепловых потоков (ИТП), называемых также тепломерами.
Датчик ИТП системы Ленинградского технологического института холодильной промышленности (ЛТИХП) представляет собой тонкую резиновую пластинку, играющую роль дополнительного слоя. Толщина датчика определяет малую разность температур t2""L3 на его поверхностях. Поэтому, для уменьшения погрешности определения, измеряют непосредственно эту разность с помощью дифференциальной термопары. Для увеличения термоэлектродвижущей силы в датчике монтируют не единичную термопару, а термобатарею из 700-800 термопар. По толщине прибор состоит из трех частей: средней - толщиной 6 мм, в которой расположены по двойной архимедовой спирали термопары, и двух защитных резиновых слоев толщиной по 2 мм. По диаметру средняя измерительная часть прибора состоит из двух зон - рабочей, диаметром 200 мм и охранной кольцевой зоны шириной 50 мм. Таким образом, общая высота измерителя 10 мм, а диаметр 300 мм.
При использовании ИТП для исследования теплопроводности дорожно-строительных материалов в полевых условиях встает вопрос о применимости данного метода, основанного на закономерностях стационарного теплового режима, в условиях реальных колебаний температуры воздуха. Эта задача в теоретическом плане была ре-шена Г.М.Фельдманом и Ю.1. Щуром LіОд] Исходя из синусоидальных колебаний температуры воздуха, а следовательно, и температуры поверхности покрытия, было установлено, что при толщине тепломера 10 мм погрешность определения коэффициента теплопроводности может составить до 1%, что соответствует точности лабораторных методов. При снижении толщины тепломера вдвое погрешность уменьшается до 3 .
Таким образом, расчетным моментом для проведения испытаний материалов конструктивных слоев дорожных одежд являются периоды с приблизительно равными среднесуточными температурами воздуха, когда колебания температуры воздуха в течение суток близки к синусоидальным, то есть периоды с так называемым квазистационарным режимом, который, как и стационарный, относится к режимам установившимся. Различие заключается в том, что второй постоянен во времени, а первый закономерно повторяется в течение какого-то периода времени.
Для проведения исследований нами были выбраны тепломеры системы ЛТИХП, разработанные З.З.Альперовичем [46j . Выбор данного типа тепломера был сделан исходя из следующих соображений: 1. Тепломер имеет достаточные линейные размеры (а = 300мм), чтобы исключить погрешности за счет микронеоднородностей контактирующих с ним конструктивных слоев дорожной одежды. 2. По сравнению с рядом других тепломеров, также имеющих значительные линейные размеры (ленточный Э.Шмидта), имеет более высокую чувствительность Г23J. 3. Резиновая оболочка является надежной изоляцией от воздействия воды, что имеет большое значение при испытаниях дорожных одежд. 4. Тепломер имеет одновременно высокую механическую устойчивость и гибкость, что важно, имея в виду возможность неравномерного морозного пучения грунтов земляного полотна. Эти выводы основаны на опыте применения тепломеров системы ЛТИХП при исследованиях грунтов. А.В.Павлов отмечает [_74 J , что разница между величиной теплового потока в грунтах в различное время года, определенного по тепломерам и величиной, рассчитанной по данным наблюдений за температурой грунта, составляет всего 4%, Результаты многолетних наблюдений позволили автору сделать вывод, что "измерения тепломерами в мерзлых мало-пучащихся подмосковных суглинках так же надежны, как и в талых" [74].
Г.М.Фельдман получил надежные результаты при использовании тепломеров для определения коэффициента теплопроводности водо-насыщенных мохово-торфяных подушек [_I06J ,
В области дорожного строительства тепломеры собственной конструкции применялись В.П.Ивановым[ J для определения теп-лофизических свойств грунтов в лабораторных условиях при положительных температурах, а также для определения тешюпотерь на технологических этапах приготовления асфальтобетона.
Разработанная методика определения коэффициентов теплопроводности материалов конструктивных слоев предусматривает следующую последовательность работ. В процессе устройства дорожной одежды под исследуемый слой помещается тепломер. Наиболее рациональным является его установка на земляное полотно, так как при этом, в дальнейшем, можно определить теплопроводность всех вышележащих слоев (рис.4.3). Поверхность земляного полотна перед установкой тепломера должна быть тщательно выравнена. Одновременно на границах всех слоев дорожной одежды устанавливают датчики температуры.
