CC BY
16
УДК 625.85: «401»
КРИТЕР1Й ДОВГОВ1ЧНОСТ1 АСФАЛЬТОБЕТОННИХ ШАР1В
ДОРОЖН1Х ОДЯГ1В
В.О. Богомолов, проф., д.т.н., В.К. Жданюк, проф., д.т.н., 1.Л. Разшцин, доц., к.ф-м.н., С.В. Богомолов, ¡нж., А.О. Цинка, асп., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Запропоноеано критерий для прогнозуеання doezoei4uocmi асфальтобетонных rnapie нежорстких дорожтх odnzie, що базуетъся на принципi тдсумовування nacie Дж. Бейлг.
Ключов1 слова: дорожтй одяг, допустим! напруження, довгов^чтстъ, критерий Дж. Бейлг, критерий А. Палъмгрена.
КРИТЕРИЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СЛОЕВ
ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
В.А. Богомолов, проф., д.т.н., В.К. Жданюк, проф., д.т.н., И.Л. Разницын, доц., к.ф-м.н., С.В. Богомолов, инж., А.А. Цинка, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Предложен критерий для прогнозирования долговечности асфальтобетонных слоёв нежёстких дорожных одежд, базирующийся на принципе суммирования времен Дж. Бэйли.
Ключевые слова: дорожные одежды, допускаемые напряжения, долговечность, критерий Дж. Бэйли, критерий А. Палъмгрена.
LONGEVITY CRITERION OF ROAD PAVEMENT ASPHALT-CONCRETE
LAYERS
V. Bogomolov, Prof., D. Sc. (Eng.), V. Zhdaniuk, Prof., D. Sc. (Eng.), I. Raгnitsyn, Assoc. Prof., Ph. D. (Phys.-Math.), S. Bogomolov, Eng., A. Tsinka, P. G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. A criterion for forecasting the longevity offlexible pavement asphalt-concrete layers that is based on the principle of Bailey time summation is offered.
Key words: road pavement, allowable stress, longevity, Bailey criterion, Palmgren criterion.
Вступ
1снуюча методика розрахунку конструкцш нежорстких дорожшх одяпв за критер1ем опору монолп"них шар1в руйнуванню вщ на-пружень, що виникають при прогиш одягу шд д1ею короткочасних мехашчних наванта-жеиь [1, 2], передбачае використаиия значения границ! мщносп на розтяг при згиш асфальтобетону, при одноразовому прикладан-ш навантаження Rлaб. Ця величина визнача-
еться в лабораторних умовах та, згщно з [1], для р1зних титв асфальтобетошв знаходить-ся в межах Rлaб = (5,5-14,0) МПа. Безпосере-дньо у розрахунках цей параметр, через систему нормованих коефщ1ент1в, приводиться до розрахунково! мщносп асфальтобетону на розтяг при згиш Rp та прир1внюеться до допустимого розтягуючого напруження при згиш Rдoп. Так, наприклад, при розрахунках конструкцш дорожнього одягу зпдно 3 [1] у Приклад1 2 Л13 для високопористого асфальто-
бетону на бггум БНД 60/90 при Rлaб = 5,8 МПа отримано Rp = 0,74 МПа; у Приклад1 3 Л19 для цього ж асфальтобетону Rp = 0,813 МПа. Очевидно, що такий шдхщ при розрахунках мае ряд недолтв.
Анал1з публжацш
Якщо взяти, що тиск пневматичних шин ав-томобшв на асфальтобетонш шари покриття дорожнього одягу в першому наближенш вщповщае р1внянню Хедекеля [4] 1 дор1внюе тиску в шинах, то це мехашчне навантажен-ня становить р = (0,2-0,9) МПа [2, 5]. 3 ура-хуванням режиму гальмування транспортних засоб1в [3], у верхшх асфальтобетонних шарах нежорстких дорожшх одяпв напруження можуть досягати (1,0-1,1) МПа [6]. Як бачи-мо, реальш навантажувальш режими значно менше задекларованих у [1] величин Rлaб. Враховуючи, що асфальтобетон - це матерь ал, властивосп якого ютотно залежать вщ навантажувального режиму [7-9], а саме швидкосп деформування [10] та шших пара-метр1в, перевищення в 5-10 раз1в р1вня нава-нтаження шд час лабораторних випробувань, пор1вняно з реальними, може приводити до того, що при визначенш Rp необхщно вводи-ти поправков1 коефщенти, яю не завжди несуть «прозоре» сенсове навантаження.
Дослщження, проведен! в ХНАДУ [11], показали, що др1бнозернисп асфальтобетони при одноосьовому розтягу за температури 20 °С та навантаження 0,4 МПа вже через 50-70 с втрачають свою працездатнють (руйнуються). При цьому значения границ! мщносп при одноосьовому розтягу, за швидкосп прикладання навантаження 3 мм/хв, для вказаних асфальтобетошв перевищуе 1,1 МПа.
Мета 1 постановка завдання
Зазначеш протир1ччя в оцшюванш мщносп асфальтобетону можуть бути усунеш, якщо вщмовитися вщ методики оцшювання критичного стану матер1алу за допустимим на-пруженням 1 перейти до поняття довгов1чно-сп матер1алу [12-14]. Особливо актуальним такий шдхщ може виявитися в наш час, з ро-звитком концепцп «в1чш дорожш одяги» [15].
Грунтуючись на викладеному, метою роботи е обгрунтування критерда для прогнозування
довгов1чносп асфальтобетонних шар1в нежорстких дорожшх одяпв.
Критерш Дж. Бейш
Для розробки критерда довгов1чносп асфальтобетонних шар1в нежорстких дорожшх одяпв як основу можна взяти широко вщомий критерш Пальмгрена-Майнера [16] або бшьш загальний принцип шдсумовування часу, запропонований Дж. Бейл1 [16]
tp
Ь
(^ );Т ^))
= 1,
(1)
де tp - час вщ моменту початку навантаження до повного руйнування; х(о; Т) - функщя довгов1чносп, часова характеристика довго-в1чносп за сталих: напруження (навантаження) та температури; а(0, T(t) - змшш в чаек напруження (навантаження) 1 температура матер1алу конструкций
Якщо довгов1чшсть матер1алу залежить не тшьки вщ температури та напружень, а на-приклад, вщ його вологосп (як 1 у випадку асфальтобетонних шар1в), то в бщьш загаль-ному випадку умову збереження мщносп можна записати так
т(с^ ),А ^), Т ^))
-< п
(2)
де tн - загальний час навантаження до руйнування дорожнього одягу; А(() - волопсть асфальтобетону, яка змшюеться у часц п -експериментальний коефщент, його оч1ку-ване значения [16]
п = 0,5...2.
(3)
У загальному випадку, якщо довгов1чшсть залежить вщ т показниюв, то критерш (2) можна записати як
), 42«),..., Ят (t))
< п .
(4)
де 41,., Ят - т показник1в, В1д яких залежить довгов1чшсть матер1алу конструкций
t
Модель двостадшного руйнування
Критерш (4) в першу чергу е справедливим у випадку piBHOMipHOi об'емно! пошкоджува-ност1 матер1алу [16]. Проте загальновизнано, що руйнування асфальтобетонних mapiB до-рожнього одягу - це процес багатофакторний i багатостадшний. Довгов1чнють у цьому випадку можна подати як суму ton + tnn [16]: ton -час об'емно! пошкоджуваносн, характерно!, наприклад, для об'емних температурних на-пружень; tnn - час локал!зовано! пошкоджу-ваност!, характерно! для навантажувальних режим!в в!д колю транспортних засоб!в.
Тод! умову мщносн для асфальтобетонних mapiB дорожнього одягу можна запропонува-ти у вигляд!
t™
dt
0 Ton(9l(t),q2(t),...,qm(t))
С
- +
ЛП
+ 0
0
dt
^nn(qi(t), q2(t),..., qm (t))
< n , (5)
де Топ, хлп - функцп довгов!чност! дорожнього одягу, в!дпов!дно вщ температурних напру-жень ! навантаження колесами транспортних засоб!в.
При цьому залишаються невизначеними ре-жими та схеми прикладання навантаження у процес! експериментального лабораторного визначення обох цих функц!й для асфальто-бетон!в.
Численними досл!дженнями повед!нки асфа-льтобетон!в у широкому д!апазош зм!нних температур, наприклад [17, 18], встановлено превалювання напружень розтягу-стиску. Тому для знаходження функцп топ можуть бути використан! методики, розроблеш в роботах [18-21]. Тобто пошук функц!! топ можна здшснювати випробуваннями асфальтобе-тошв на так званий «чистий» стиск-розтяг цил!ндричних або призматичних зразк!в.
Споаб навантаження при ¡мггаци локал1зовано1 пошкоджуваносп
Як показують досл!дження [22-24] напруже-но-деформованого стану (НДС) асфальтобетонних шар!в дорожн!х одяг!в в облает! пля-ми контакту з шиною автомобшя, НДС но-
сить об'емний характер, якому властив! пов-ш тензори ! деформац!й, ! напружень.
Тому необхщно брати схему прикладання навантаження до асфальтобетонних зразюв у лабораторних умовах, як! б найбшьш близь-ко в!дображали реальну роботу асфальтобетонних шар!в у дорожньому одяз! п!д впли-вом колю автотранспортного засобу (АТЗ).
П!д час руху кол!с АТЗ по поверхш верхньо-го асфальтобетонного шару дорожнього одягу НДС кожно! точки фшеованого об'ему можна взяти в координатах головних напружень С1-о2-о3. Таким чином вс! розрахунков! точки цього об'ему в зазначених координатах займуть область V}.
V цих же координатах можна викласти ! вс! розрахунков! точки об'ему зразка асфальтобетону шд час його випробувань у лабораторних умовах ! отримати у взятих координатах область V2, заповнену цими точками.
Ступ!нь перекриття цих двох областей (VI та можна взяти як критерш в!дпов!дност! лабораторно! схеми прикладання навантаження схем! навантаження асфальтобетонного шару дорожнього одягу колесами автотранспортного засобу. У ХНАДУ було проведено перев!рку ступеня перекриття областей
VI та ^ для цшого ряду вщомих схем навантаження асфальтобетонних зразюв у лабораторних умовах:
- одноосьовий розтяг-стиск [18-21], [26];
- одноосьовий розтяг з п!дсиленням небезпе-чного мюця розтягу [11, 19, 20, 26];
- розтяг цилшдричного зразка !з закладними деталями [27];
- розтяг зразка-гантел! [17];
- розтяг посиленого зразка-гантел! [26];
- згин двохопорно! балки [1, 25, 28];
- розкол цил!ндричного зразка [28];
- випробування на кручення [7, 13, 27];
- стиск за схемою Маршалла [28];
- продавлювання зразка через отв!р [29];
- стиск з! зеувом [26].
За результатами дослщжень, отриманими в [19, 26, 30], встановлено, що роботу асфальтобетонних шар!в у дорожньому одягу шд впливом кол!с автотранспортного засобу найбшьш близько в!дображае лабораторна схема прикладання навантаження до зразка асфальтобетону !з двома перер!зами зеуву, подана на рис. 1.
Рис. 1. Схема прикладання навантаження до зразка асфальтобетону при зсувк 1 -зразок асфальтобетону; 2 - нерухом1 обойми; 3 - рухома обойма
На рис. 2-5 подано результата визначення взаемного розташування точок НДС щщьно-го асфальтобетону типу А на бпуш БНД 60/90, випробуваного за схемою навантаження, наведеною на рис. 1, I точок НДС асфальтобетонного шару покриття дорожнього одя-гу, що виникае пщ впливом колю автотранспортного засобу.
<г О
[
* а»
» *х * ■а
„■* » 5» \ \
х Оошда * Ехрептеп!
-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 .2 0
к 10°
Рис. 4. Точки НДС у координатах 01-03
Рис. 2. Точки НДС у координатах 01-02-03
Рис. 5. Точки НДС у координатах о2-о3
Анал1з результата дослщження за схемою прикладання навантаження до зразка асфальтобетону ¿з двома перер1зами зсуву вказуе на перекриття точок НДС об'ем1в У1 та У2 на 80-90 %.
Висновки
О
* Оогодэ * Ехрептеп!
> * - «хХЯвс
I М
У *„* |
.10 -в
Рис. 3. Точки НДС у координатах о1-о2
1снуюча методика оцшки граничного НДС асфальтобетонних шар1в дорожшх одяпв не повною м1рою вщображае !х реальну роботу в експлуатацшних умовах. Це пов'язано на-самперед ¿з тим, що в лабораторних умовах допустим! напруження для асфальтобетошв отримують при навантаженнях, що не вщпо-вщають реальним умовам, 1 вони значно пе-ревищують останш.
Запропонована лабораторна схема навантаження асфальтобетонного зразка ¿з двома перер1зами зсуву адекватно вщображае НДС асфальтобетонних покритпв нежорстких дорожшх одяпв у зош плями контакту з шиною автомобщя.
Запропоновано критерш для прогнозування довгов1чносп асфальтобетонных mapiß до-рожнього одягу, побудований на вщомому принцип! Дж. Бейлг
Запропонований критерш може враховувати будь-яку кшьюсть фактор1в, вщ яких зале-жить довгов1чшсть асфальтобетошв, напри-клад, внутршш напруження, температуру, волопсть тощо.
Критерш довгов1чносп асфальтобетонних mapiß дорожнього одягу можна визначити за двома режимами навантаження асфальтобетонних зразюв:
- розтягу-стиску;
- зсуву зразка у двох площинах.
Лггература
1. Споруди транспорту: Дорожнш одяг нежорсткого типу: ВБН В.2.3-218-186-2004. - Офщ. вид. - К.: Укравтодор, 2004. - 176 с.
2. Конструирование и расчёт нежёстких дорожных одежд; под ред. H.H. Иванова. - М.:Транспорт, 1973. - 328 с.
3. Богомолов В.А. Нагрузочные режимы дорожной одежды нежёсткого типа / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, C.B. Богомолов // Дороги i мости. - 2011. -Вип. 13. - С. 29-38.
4. Букин Б.Л. Введение в механику пневматических шин / Б. Л. Букин. - М.: Химия, 1988. - 224 с.
5. Краткий автомобильный справочник / Понщовкин А.Н., Власко Ю.М., Ляли-ков М.Б. и др. - М.: АО «Трансконсалтинг», НИИАТ, 1994. - 780 с.
6. Розробити тривим1рну реолопчну (ф1зи-чну та математичну) модель роботи мо-нол1тних матер1ал1в в конструкщях до-рожшх одяпв нежорсткого типу: заклю-чний 3bît про науково-дослщну роботу за темою №27/35-41-11/ХНАДУ; Kepiß-ник теми В.К. Жданюк; № держ-реестрацп 011U003850. - Харюв; 2014. -261 с.
7. Золотарёв В.А. Исследование свойств асфальтобетонов различной макроструктуры: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / Золотарёв Виктор Александрович. - Харьков, 1967. - 207 с.
8. Золотарёв В.А. Особенности формирования реологических свойств асфальтобетонов / В.А. Золотарёв // Автошляховик Украши. - 2003. - № 4 (174). - С. 26-28.
9. Золотарёв В.А. Реологические свойства асфальтополимербетонов / В.А. Золотарёв, В.В. Маляр, A.C. Лапченко // Автошляховик Украши. - 2007. - № 6 (200).
- С. 27-31.
10. Гамеляк 1.П. Дослщження змши мщнос-tí та деформативносп асфальтобетону в залежносп вщ температури та швидкос-tí деформування / 1.П. Гамеляк, Я.М. Яюменко // Автошляховик Укра!-ни. - 2009. - №6. - С. 24-28.
11. Розробити та виготовити дослщний зра-зок лабораторного устаткування та про-грамне забезпечення для визначення i оцшки в'язко-пружних характеристик асфальтобетошв при розтягу: заключ-ний 3bít про науково-дослщну роботу за темою №109/35-83-12 /ХНАДУ/: Kepiß-ник теми В.К. Жданюк; № держреестра-цй 0112U004737. - Харюв, 2013. - 63 с.
12. Золотарёв В.А. Время как критерий оценки долговечности асфальтовых материалов / В.А. Золотарёв // Дорожно-строительные материалы. - 2013. - №1. С. 10- 13. - №2. - С. 14-17.
13. Золотарёв В.А. Долговечность дорожных асфальтобетонов / В.А. Золотарёв. -X.: Вища школа, 1977. - С. 107-112.
14. Толмачёв О.В. Использование кривых Велера для прогнозирования трещино-стойкости и долговечности армированного асфальтобетона / О.В. Толмачёв, Н.С. Ковалёв // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. - 2007. - Вып. 7 (26).
- С. 148-154.
15. Newcomb D.E., Willis R., Timm D.H. Perpetual Asphalt Pavements: A Synthesis. Asphalt Pavement Alliance (APA). 2010. USA, Lanham, Maryland. - 45 p.
16. Потапова Л.Б. Механика материалов при сложном напряжённом состоянии. Как прогнозируют предельные напряжения? / Л.Б. Потапова, В.П. Ярцев. -М.: Машиностроение-1, 2005. - 244 с.
17. Сюньи Г.К. Исследование трещинообра-зования в асфальтобетонных покрытиях под влиянием температурных напряжений: дисс. ... канд. техн. наук / Сюньи Георгий Камилович. - Харьков, 1940. -128 с.
18. Мозговой В.В. Научные основы обеспечения температурной трещиностойко-сти асфальтобетонних покрытий: дис. ... доктора техн. наук: 05.22.11 / Владимир Васильевич Мозговой. - К., 1996. -344 с.
19. Методика визначення показниюв грани-щ мщносп асфальтобетошв при розтягу та зсув! M 02071168-731:2014 / Держав-не агентство автомобшьних дор1г Украши (Укравтодор). - Харюв: Харювський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 2014. - 16 с.
20. Методичш вказ1вки лабораторного визначення розрахункових в'язко-пружних характеристик асфальтобетошв при розтягу MB 02071168-727:2013 / Державне агентство автомобшьних дор1г Украши (Укравтодор). - Харюв: Харювський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 2013. - 23 с.
21. Методичш вказ1вки лабораторного визначення розрахункових в'язко-пружних характеристик асфальтобетошв при сти-ску MB 02071168-726:2013 / Державне агентство автомобшьних дор1г Украши (Укравтодор). - Харюв: Харювський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 2013. - 24 с.
22. Марчук О.В. Про необхщнють ураху-вання просторового характеру напруже-ного стану при розрахунку жорстких ав-тодорожшх та аеродромних покритпв / О. В. Марчук, СО. Булах, C.B. Гшдаш // Автошляховик Украши. - 2010. - №3 (215). - С. 38-39.
23. Провести анал1з методик конструюван-ня та розрахунку дорожшх одяпв в кра-шах Свропи та надати пропозицп щодо методики, яку необхщно застосовувати при конструюванш та розрахунку доро-жнього одягу в Украш: заключний 3bît про науково-дослщну роботу за темою №17/35-03-10 /ХНАДУ; кер1вник теми В. К. Жданюк; № держреестр. 0110U000889. - Харк1в, 2010. - 165 с.
24. Богомолов В.А. Нагрузочные режимы дорожной одежды нежёсткого типа / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, C.B. Богомолов // Дороги i мости. - 2011. -Вип. 13. - С. 29-38.
25. Методика лабораторного визначення та встановлення розрахункових характеристик дорожньо-буд1вельних матер1ал1в 1 грунпв М218-02070915-645:2008 / Державна служба автомобшьних дор1г Украши (Укравтодор). - К.: Нацюналь-ний транспортний ушверситет, 2008. -61 с.
26. Провести дослщження асфальтобетошв р1зних тишв 1 вид1в та розробити методику визначення показниюв границ! мь цносп при розтягу та зсувк заключний звп- про науково-дослщну роботу за темою № 3/35-04-13 / ХНАДУ; кер1вник теми В.К. Жданюк; № держреестрацп 0113Ш04111. - Харюв; 2014. - 190 с.
27. Методика розрахунку асфальтобетонних шар1в покриття на зсувостшюсть: М 218-02071168-681:2011. - Харюв: 2011. - 61 с.
28. Матер1али на основ1 оргашчних в'яжучих для дорожнього та аеродром-ного буд1вництва: Метод випробувань: ДСТУ Б В.2.7-89-99 (ГОСТ 12801-98). -Вип. офщ. - К.: Держ. ком1тет буд1вн. арх1т-ри та житлово! полп\ Украши, 2000. - 44 с.
29. Методические рекомендации по оценке сдвигоустойчивости асфальтобетона / Мин. тран-та Рос. Фед-ции. - М.: Гос. служба дор. хоз-ва, 2002. - 11 с. (инструкция Росавтодора).
30. Методичш вказ1вки лабораторного визначення розрахункових в'язко-пружних характеристик асфальтобетошв при зсу-В1 МВ 02071168-728: 2013 / Державне агентство автомобшьних дор1г Украши (Укравтодор). - X.: Харювський нацю-нальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 2013. - 25 с.
Рецензент: В.П. Кожушко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
