CC BY
19
УДК 625.852:625.765
ТРАНСФОРМАЦИИ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ДОРОЖНОГО
ПОКРЫТИЯ В УСЛОВИЯХ ВОДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Пименов Александр Трофимович, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Соловьева Ольга Николаевна, к.т.н., доцент Новосибирский государственный архитектурно-строительный
университет (ФГБОУ ВО НГАСУ Сибстрин)), г. Новосибирск, Россия
(e-mail: [email protected])
Обоснована необходимость учета трансформаций слоев асфальтобетонного покрытия и их преобразований под влиянием временных и климатических факторов. Показаны возможные трансформации слоев, начиная от системы, описываемой упруго-вязкопластической моделью до состояния, описываемого упругой моделью. Предложены способы повышения устойчивости надежности асфальтобетонного покрытия при воздействии эксплуатационных нагрузок в целях достижения бездефектной работы автомобильной дороги.
Ключевые слова: дорожное покрытие, трансформации слоев асфальтобетона, модели состояния, надежность асфальтобетонного покрытия.
Согласно транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года [1], приоритеты расширения сети дорог ориентированы на создание дорожной сети с целью обеспечения развития потенциальных точек экономического роста, включая комплексное освоение новых территорий, прежде всего, в Сибири и на Дальнем Востоке. Именно здесь транспортно-эксплуатационные показатели автомобильных дорог, во многом определяющие совокупность их потребительских свойств, существенно трансформируются под влиянием климатических факторов в процессе всего срока эксплуатации. Это положение подчеркивает актуальность настоящей работы.
Анализ практики эксплуатации убеждает в том, что из всего комплекса инженерных сооружений автомобильной дороги наиболее уязвимой ее частью выступает слоистая конструкция дорожной одежды. Действующие требования к уровню содержания дорог [2-4] подчеркивают необходимость разработки технологий, обеспечивающих бездефектную эксплуатацию дорожной одежды с учетом экстремальных климатических условий Сибири и Дальнего Востока.
В настоящей работе рассмотрены модели, описывающие слоистые системы, которые включают асфальтобетонное покрытие и возникают как в процессе производства работ по устройству автомобильных дорог, так и
дальнейшей их эксплуатации с учетом влияния низких температур и многократного увлажнения.
Раздельно-блочная модель
~~7-
-7-^-
Образование слоистых систем
/сл/п = Ьдср Ксл = к
сл сл п п /сл/п ^Ьдф Ксл <Кп
Упругая
->О 1
Жестко
пластическая
Оп *
к, ф 2
0{=Е*£1
Р р > Р р
^сл ^Кп /сл <Ьдф _^_
^сл^сл — -^п^п /сл/п «*д(р
Упруго пластическая
К1, Ф, Е
сл©
Л/^О
3
Хапактепистика систем
т = К + ап* Ьдф
Ъ^ <
пр
у = 2грп] Условие монолитности
X
Упруго-вязко пластическая
П т Е ш^Г 4
£ = а/Е + (ст-т)/2
^сл/п + ^п ^^л/п к Ксл + ^п **3<РСЛ
..............................I;;;;;
Выбор материала слоя
а = т Ъе; < £„,
Рисунок 1 - Варианты слоистых систем
Условные обозначения:
Есл -модуль упругости слоя; Еп -модуль упругости подстилающего слоя; есл-деформация слоя; еп-деформация подстилающего слоя; епр-предельная объемная деформация; ^коэффициент трения о нижележащий слой; т- напряжение сдвига (пластическая деформация); к-сцепление (сопротивление сдвигу, не зависящее от величины нормального давления); бп-нормальные напряжения на площадке скольжения; ф-угол внутреннего трения; п-вязкость битумно-минеральной матрицы.
Согласно общепринятым технологиям строительства дорожная одежда имеет слоистую структуру, что во многом и определяет качество дорог. При этом образование и последующие трансформации возникающих различных дефектов на дорожном покрытии (мелкие и крупные трещины ^ выбоины ^ ямы и др.) зависят от:
- устойчивости вмещающих грунтов;
- качества слоев основания дороги;
- качества слоев дорожного покрытия.
Е
о
Слои дорожной одежды на контакте (контакт вяжущего материала с минеральным наполнителем, зернами заполнителя) и макроуровнях (слои щебеночно-песчаного основания и асфальтобетонного покрытия) активно взаимодействуют по различным направлениям внутри всей системы. Характер взаимодействий зависит как от состава и свойств битумно минеральной матрицы асфальтобетона, так и климатических условий и транспортных нагрузок.
Трансформация слоев дорожной одежды в условиях разного рода нагрузок определяется их способностью к образованию специфических слоистых систем (см. рисунок).
Такого рода слоистые системы следует описывать, используя основные принципы, предложенной нами ранее модели трансформаций раздельно блочной системы [5], основными элементами которой являются: упруго-вязкопластический; упругопластический; жесткопластический; упругий.
Формирование слоистых систем дорожной одежды с учетом временного и климатического факторов осуществляется последовательно, по этапам.
На первом этапе формирования конструкции дорожной одежды за счет введения битумно-минерального вяжущего образуется система, описываемая упруго-вязкопластической моделью. Подобного рода модель образуется в случае, когда произведение модуля упругости на относительную деформацию слоя основания меньше, чем у нижележащего слоя массива и сцепление слоя с нижележащим слоем меньше сопротивления сдвига самого нижележащего слоя. На втором этапе, в процессе уплотнения и остывания первой формируется система, описываемая упругопластической моделью. Последняя образуется в случае, когда произведение модуля упругости на относительную деформацию слоя основания меньше, чем у нижележащего слоя массива, при сцеплении слоя с ним, равном сопротивлению сдвига самого нижележащего слоя. На третьем этапе, при дальнейшем остывании смеси и появления незначительных (до -100С) отрицательных температур формируется система, описываемая жесткопластической моделью. Она образуется, если произведение модуля упругости на относительную деформацию слоя основания больше или равно, чем у материала нижележащего слоя. Сцепление слоя покрытия с нижележащим материалом основания меньше сопротивления сдвига самого нижележащего слоя. Эта модель позволяет изучать способность слоистой системы к пластическим деформациям, величина которых существенно превышает упругие деформации. Такую систему можно представить в виде элемента трения. Механизм пластической деформации связан со сдвигом материала по некоторым площадкам и отвечает условию скольжения (условие Кулона-Мора).
т = к + <гп *1д(р
где: т- напряжение сдвига (пластическая деформация); к-сцепление (сопротивление сдвигу, не зависящее от величины нормального давления); бп-
нормальные напряжения на площадке скольжения; ф-угол внутреннего трения.
Образование подобной слоистой системы может оказаться нежелательным в том случае, если коэффициент трения слоя покрытия о нижележащий слой материала основания меньше коэффициента внутреннего трения самого нижележащего слоя, поскольку возможно образование нескольких поверхностей скольжения вместо одной. Экспериментально установлено, что нарушение монолитности системы, работающей по жесткопластиче-ской модели, будет происходить по механизму адгезии (разрушение по поверхности склейки слоев).
На заключительном (четвертом) этапе при дальнейшем остывании смеси до глубоких отрицательных температур (до -500С и ниже) возможно формирование системы, описываемой упругой моделью. Она образуется в случае, когда произведение модуля упругости на относительную деформацию слоя больше или равно, чем у материала нижележащего слоя. Сцепление слоя основания с нижележащим слоем равно сопротивлению сдвига нижележащего слоя, как и в случае жесткопластической модели. Образующаяся в данном случае монолитная слоистая система по свойствам не отличается от монолитной однородной системы [6-9] с присущими для нее недостатками (низкая сопротивляемость изгибающим нагрузкам, хрупкость под воздействием динамических нагрузок).
Каждая и рассмотренных моделей обладает свойствами, которые влияют на появление дефектов дорожного покрытия. Свойства упруго-вязкопластической системы зависят от свойств компонентов, ее составляющих. Необходимо учитывать, что по мере формирования и развития именно она преобразуется до состояний упругопластической, жесткопла-стической и упругой моделей. Поэтому выбор составляющих компонентов и соотношение между ними следует производить на этапе проектирования состава, что было показано применительно к составам бетонных растворных смесей [9].
Необходимо отметить, что система, описываемая упругопластической моделью, образуется после укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси при положительных температурах, способна к пластическим деформациям и, более того, к «самозалечиванию» мелких образующихся дефектов. В то же время эта модель предполагает возможность усугубления образования дефектов (колейность) на поверхности дорожного покрытия, что можно предотвратить применением армирующей основы в виде тканых материалов на основе полимерных волокон [10].
При воздействии отрицательных температур образуется система, описываемая жесткопластической моделью. При этом возможно образование на поверхности дорожного покрытия трещин и выбоин. В этом случае необходимо учитывать предельную растяжимость слоя асфальтобетона и использовать методы ее повышения: введение в состав исходных смесей во-
локнистых наполнителей, демпфирующих включений, а также применять пластифицирующие добавки.
В случае образовании системы, описываемой упругой моделью, возможно разрушение структуры покровного слоя дорожного покрытия при воздействии транспортных нагрузок. Для снижения этих нежелательных явлений необходим также весь комплекс мероприятий, применяемый в описанных выше случаях (армирование и др.).
Таким образом, для достижения бездефектной работы асфальтобетонных слоев дорожного покрытия необходимо учитывать вероятность трансформаций их состояния, начиная от системы, описываемой упруго-вязкопластической моделью, до состояния, описываемого упругой моделью. Качество слоев дорожной одежды будет оптимальным в условиях отслеживания свойств каждой из представленной модели в заданных условиях воздействия транспортных нагрузок и климатических факторов.
Список литературы
1. Об утверждении Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года : распоряжение Правительства РФ от 22 ноября 2008 г., № 734-р [Электронный ресурс] // Сайт Правительства Российской Федерации- URL: http://government.ru/docs/22047/ (последняя дата доступа: 30.01.18)
2. Об автомобильных дорогах и о дорожной деятельности в Российской Федерации и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации : федер. закон, 8 нояб. 2007 г., № 257-ФЗ (ред. от 05.12.2017) [Электронный ресурс].// Сайт Министерства транспорта Российской Федерации. - URL: www.mintrans.ru (последняя дата доступа: 30.01.18)
3. Межгосударственный стандарт «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к уровню летнего содержания» (ГОСТ 33180-2014) [Электронный ресурс] // Электронный фонд правовой и нормативно-технической информации. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200123496 (последняя дата доступа: 30.01.18)
4. Межгосударственный стандарт «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к уровню зимнего содержания» (ГОСТ 33181-2014) [Электронный ресурс] // Электронный фонд правовой и нормативно-технической информации. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200123497 (последняя дата доступа: 30.01.18)
5. Орентлихер Л.П. Обоснование метода химического упрочения горных пород в состоянии, описываемом раздельно-блочной моделью// Л. П. Орентлихер, А. Т. Пименов, В. Д. Блекот // Вопросы крепления и поддержания горных выработок в сложных горно-геологических условиях. - Караганда, 1986. - С.30-34.
6. Пименов А.Т. Технология омоноличивания строительных конструкций, предназначенных для работы в условиях воздействия неравномерно распределенных нагрузок. Автореферат дисс. доктор тех.наук.-Томск, 1998,-35 с.
7. Способ определения предельной растяжимости строительного материала : а.с. 670887, СССР / A' Т. Пименов, В. П. Михайловский // Изобретения. Полезные модели. - 1979. - № 24.- 3с.
8. Устройство для определения физико-механических характеристик строительных материалов : а.с.898325, СССР. / А. Т. Пименов [и др.]. // Изобретения. Полезные модели. - 1982. - №2.- 3с.
9. Пименов А.Т. Решение задачи о монолитности слоистой системы / А. Т. Пименов, Г. И. Горчаков, В. П. Михайловский // Бетон и железобетон. - 1977. - № 1. - С.35-37.
10. Строительство автомобильных дорог: учебник / под ред. В. В. Ушакова и В. М. Ольховикова. — М.: КнОрУС, 2013. - 576 с.
Pimenov, Alexander Trofimovich, DSc, Professor; (е-mail: [email protected]
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin), Novosibirsk, Russia
Solovieva Olga Nikolaevna, PhD, Ass. Professor; (e-mail: [email protected])
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin), Novosibirsk, Russia
THE TRANSFORMATION OF THE ASPHALT ROAD SURFACE IN CONDITIONS OF COUNTER EXTREME CLIMATIC FACTORS Abstract. The necessity of considering transformations of the layers of asphalt pavement and justified their transformations under the influence of temporal and climatic factors. The possible transformation of the layers are shown, starting from the described elasto-viscoplastic model to the state of elastic model. Ways to improve the stability of the reliability of asphalt pavement proposed when exposed to operational loads in order to achieve defect-free work road.
Keywords: road pavement, the transformation of the asphalt layers, models of the technical condition, the reliability of asphalt pavement
