Для дальнейших расчетов необходимо перейти от относительной деформации к абсолютной:

(3.42)

где e – абсолютная деформация уплотняемой смеси, м; – относительная деформация уплотняемой смеси; hсл – толщина слоя смеси, м.

Теперь, зная значения абсолютной деформации после каждого прохода катка, можно определить коэффициент уплотнения по формуле

коэффициент уплотнения после (i–1)-го прохода; hсл – толщина слоя смеси до прохода катка, м; e – абсолютная деформация смеси после прохода катка, м.

Для расчёта режимов работы вибрационных катков был составлен алгоритм расчёта на ЭВМ (рис. 3.10).

Контрольные вопросы

1.Факторы, влияющие на процесс уплотнения.

2.Расчёт контактных давлений по методу Н.Я. Хархуты.

3.Расчёт контактных давлений по методу М.П. Костельова.

4.Сущность применения передаточных функций.

5.Опишите деформирование моделью Ньютона.

6.Допущения, принимаемые при моделировании уплотнения.

7.В каких моделях скорость деформирования влияет на напря-

жения?

57

4.ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

ВПРОЦЕССЕ УПЛОТНЕНИЯ

Для практического применения расчётной методики на основании математической модели необходимы численные значения реологических коэффициентов – значения модуля деформаций, коэффициентов вязкости, предела текучести асфальтобетонной смеси в зависимости от коэффициента уплотнения, температуры и скорости воздействия. Также необходимо знать влияние температуры смеси на сопротивление деформированию, изменение плотности асфальтобетонных смесей в процессе уплотнения в зависимости от количества проходов катка, остывания смеси и скорости перемещения катка.

Значения реологических коэффициентов были получены в результате лабораторных исследований, изменение свойств смеси в процессе уплотнения – в результате проведения полевых испытаний.

4.1. Исследование изменения модуля деформаций

Обычно различают статический модуль деформаций, который определяют из статических испытаний со стандартной скоростью приложений нагрузки, и динамический, соответствующий загружению со скоростью, равной скорости распространения звука. Этот модуль всегда больше статического.

Определение модуля деформаций Ед и вязкости производилось по результатам испытаний на сжатие образцов асфальтобетонной смеси. Расчётные значения Ед, МПа, определялись по формуле [12]

где – напряжение, развиваемоепрессом, МПа;е – абсолютная деформация, мм; dшт – диаметр штампа, мм.

На рис. 4.1– 4.3 представлены экспериментальные значения модуля деформаций многощебенистой смеси – типа А – и малощебенистой смеси – типа В.

Анализ работ [40, 42] показывает, что с увеличением температуры модуль деформаций снижается. Понижение скорости деформирования приводит к уменьшению Ед. Влияние температуры на значение модуля деформаций неоднозначно (см. рис. 4.1). Снижение температуры от 100 до 50 °С приводит к ростуЕд в 3,1 раза при низких

58

значениях плотности (ky = 0,8–0,9) и в 2,2 раза при высоких значениях (ky = 1,0), для смеси типа В – при скорости деформирования 100 мм/мин.

При скорости деформирования 3 мм/мин снижение температуры от 100 до 50 °С увеличивает Ев 7,4 раза принизкой плотности (ky= 0,8) и в 2,5 раза при высокой (ky=1,0) длясмеси А; для смеси В– в 4,1 и2,5 раза. Таким образом, можно отметить, что в случае деформирования с низкими скоростями влияние плотности материала на модуль деформаций весьма значительно.

Рис. 4.1. Зависимости модуля деформаций от коэффициента уплотнения

Значительное влияние на величину модуля деформаций оказывает плотность смеси: с ростом плотности повышаются его значения. Для смеси А при температуре 100 С в случае изменения плотности от ky= 0,8 до ky= 0,9 происходит увеличение модуля деформаций в 2,8 раза (см. рис. 4.2), при повышении коэффициента уплотнения отky= 0,9 доky=1,0– в2,5 раза ( д=100 мм/мин);для смеси В – соответственно в 2,0 и 1,9 раза. Следовательно, увеличение плотности материала приводит к равномерному увеличению модуля деформаций при различных температурах.

59

Скорость деформирования также оказывает существенное воздействие на значения Ед (см. рис. 4.3). Причём с понижением температуры её влияние несколько уменьшается. Так, при изменении скорости деформирования от 3 до100 мм/мин (при температуре 100 °С ky=0,9) модуль деформаций увеличится в1,98раза, апри50 °С– в1,45 раза для смеси А. При более высокой плотности (ky = 1,0) это влияние уменьшается. Наибольшее увеличение модуля деформаций происходит при увеличении скорости деформирования от 3 до 40 мм/мин, при ky = 1,0 и Т = 50 °С для смеси А – в 1,3 раза.

Изменение температуры от 100 до 50 °С (при ky = 1,0) увеличивает модуль деформаций смеси А в 1,5 раза ( д =100 мм/мин). Модуль деформаций смеси А несколько выше, чем для смеси В, что является следствием наличия каркасной структуры и высокой плотности. Обобщая полученные данные, видно, что наибольшее влияние на увеличение модуля деформаций из рассматриваемых факторов оказывает температура.

4.2. Исследование изменения вязкости асфальтобетонной смеси

Для интенсивного уплотнения асфальтобетонных смесей необходимо на протяжении всего процесса обеспечить рациональное соотношение между контактными давлениями, возникающими под вальцами катков, и реактивным сопротивлением материала уплотнению. Абсолютные значения последнего складываются из сопротивления, возникающего при относительном перемещении минеральных зёрен в среде битума, и сопротивления сжатию и вытеснению битумных плёнок из зон межзерновых контактов. Поэтому в материалах, обладающих вязкими свойствами, развитие деформаций под действием уплотняющих средств происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. В связи с этим для таких материалов, как асфальтобетонная смесь, характерна высокая реакция на скорость деформирования, т. е. целесообразно использовать в качестве основной характеристики непосредственно вязкость асфальтобетонной смеси [40, 42].

Сложность определения расчётных значений вязкости заключается в большом разбросе опубликованных данных. Это объясняется различием в методиках экспериментальных исследований. Вязкость

61

Из графиков видно, что с увеличением плотности вязкость интенсивнее увеличивается при малых скоростях деформирования, например, при д = 3 мм/мин; Т = 100 С увеличение плотности от ky=0,8 доky= 0,9 приводит к увеличению вязкости в 2,55 раза, от ky=0,9

до ky = 1,0 – в 2,4 раза.

4.3. Исследование изменения предела текучести асфальтобетонных смесей

Возникающие при работе уплотняющих средств контактные давления являются причиной возникновения напряжённого состояния асфальтобетонных смесей. Исследования изменения предела текучести проводились с использованием стабилометра. Результаты обработки многочисленных диаграмм – , полученных для образцов различной плотности и деформируемых при скоростях 3 – 100 мм/мин, представлены на рис. 4.8 и 4.9.

Анализ данных показывает, что в асфальтобетонных смесях отсутствует ярко выраженная граница перехода от прямолинейной зависимости между и к пластическому течению (см. рис. 4.7), обеспечивающему интенсивное накопление остаточных деформаций [40, 42]. Точка а на графиках соответствует пределу пропорциональности. У металлов участок cd описывает площадку текучести, на которой рост деформаций идёт без заметного увеличения нагрузки на материал.

Напряжение т, соответствующее этой нагрузке, определяет предел текучести, устанавливает границу между упругой и упругопластической зонами деформирования. Увеличение напряжения выше предела текучести вызывает в материале значительные деформации. Для материалов, не имеющих на диаграмме растяжения-сжатия площадки текучести, назначают условный предел текучести ту, понимая под этим напряжение, соответствующее определённому значению деформации т, за пределами которой нарушается линейная связь между и .

При увеличении напряжения сверх предела текучести происходит упрочнение материала, вызывающее увеличение сопротивления деформированию. Поэтому за точкой а наблюдается подъём кривой до точки b, соответствующей пределу прочности пр. Это наибольшее напряжение, предшествующее разрушению материала. В точке b

65

исчерпывается потенциальный запас его деформационной способности с сохранением сплошности.

т

т

1 1 2 1

1 2

2 2

Рис. 4.7. Диаграммы «напряжение–деформация» при сжатии материалов: а – при сжатии асфальтобетонных образцов; б – при сжатии образцов из мягкой стали; 1,2 – зависимости при 1> 2 ; 1> 2

В процессе уплотнения значения ту и непрерывно изменяются в связи с ростом плотности смеси. Поэтому о величине деформации, определяющей условный предел текучести, можно говорить только с учётом достигнутой степени уплотнения. На начальном этапе уплотнения (ky= 0,7 – 0,85) абсолютные значения –будут отличаться отзначений – ,полученных при ky=0,85–0,92 и ky= 0,92 –1,0.

Результаты обработки диаграмм показывают, что при постояннойтемпературе (50и100 С), соответствующейпроцессууплотнения, предел текучести зависит от плотности, скорости деформирования и типа смеси:при 100 мм/минна начальном этапе уплотнения ту = (0,5–

– 0,6) пр, на основном т= (0,86 – 0,89) пр. Деформации, определяющие положение условного предела текучести, зависят от достигнутой плотности и составляют в процессе уплотнения: 11,6 – 13,5 %; 7,55 – 11,6 %; 7,4 – 7,5 %.

Для смеси типа А видно, что понижение температуры приводит к увеличению предела текучести, понижение скорости деформирования, напротив, – к уменьшению.

66

Если бы асфальтобетонные образцы обладали только упругими свойствами, то зависимости – Т при равной плотности слились бы в одну кривую для принятых скоростей деформирования. Поскольку они проявляют и вязкие свойства, то эти линии не совпадают. Линии зависимостей – Т располагаются выше с увеличением скорости деформирования. Предел текучести интенсивнее возрастает в плотных смесях и при понижении температуры.

Увеличение коэффициента уплотнения от 0,7 до 0,9 приводит к увеличению т в 1,9 раза при скорости испытаний образцов 100 мм/мин (T =150 С) и в 2 раза при T =100 С. Изменение коэффициента уплотнения от 0,9 до 1,0 увеличивает соответственно в 1,5 и 1,6 раза. Отсюда видно, что наибольший прирост предела текучести наблюдается при высокой температуре.

Полученные результаты (см. рис. 4.8 и 4.9) показывают, что при постоянной температуре испытания образцов (T = 100 С), соответствующей процессу уплотнения асфальтобетонной смеси, предел текучести увеличивается с ростом скорости деформирования. Это объясняется тем, что сопротивление асфальтовяжущего зависит как от плотности смеси, так и от скорости деформирования. Первое сильнее проявляется в более плотных смесях. Вторая составляющая общего сопротивления возникает за счёт перераспределения вяжущего в объёме уплотняемого материала. Его сопротивление вытеснению из зон контактов между минеральными частицами зависит преимущественно от скорости деформирования.

Анализполученных данныхпоказывает,что с ростомплотности смеси от начала её уплотнения (ky= 0,7) до завершения этого процесса (ky=1,0) предел текучести увеличивается в 15,2 раза для смеси А и в 13,5 раза для смеси типа В при скорости деформирования, соответствующей ГОСТ 12801–98, и уменьшении температуры от 150 до 50 С; при 100 мм/мин – в 9,5 и 12,2 раза. Увеличение коэффициента уплотнения от 0,7 до 1,0 при Т =100 С ( д=100 мм/мин) повышает т смеси А в 5,1 раза, смеси В – в 6 раз, а при Т =50 С – в 5,8 и в 7 раз.

Увеличение скорости с 3 до 100 мм/мин в начале процесса уплотнения (ky =0,7) вызывает рост предела текучести в 2 раза для смеси типа А и в 1,5 раза для смеси типа В в диапазоне рассматриваемых температур; в конце уплотнения (ky=1,0) – в 1,2 раза для смеситипа А(при Т =100 С) и в1,3 раза для смеси типа В (при Т =

67

=100 С). Таким образом, скорость деформирования сильнее влияет на неуплотнённую смесь.

Результаты исследований [40, 42] дают основание для следующего заключения: абсолютные значения предела текучести многощебенистой смеси типа А выше, чем для малощебенистой смеси типа В на 15–25 %. Поэтому для уплотнения смесей первого типа необходимо применять более тяжёлые уплотняющие средства, развивающие более высокие контактные давления в зависимости от этапа уплотнения и скорости деформирования.

В период последействия, когда с материала снимается внешняя нагрузка от рабочих органов уплотняющих средств, напряжения, возникшие в предыдущем периоде, начинают резко уменьшаться в связи с восстановлением упругой и упруговязкой деформаций. Поскольку упруговязкая составляющая является превалирующей, то

68

этот процесс происходит гораздо медленнее, чем, например, в металлах.

Чем продолжительнее период последействия, тем полнее восстанавливаются деформации, связанные со смещением минеральных частиц друг относительно друга, под воздействием расклинивающих сил битумных плёнок, предварительно сжатого воздуха и асфальтовяжущего. У отдельных частиц, заклиненных во время нагружения в неустойчивом положении в общем структурном каркасе,нарушаются некоторыеконтактыи ониизменяюториентацию относительно других частиц. Результатом этой переориентации является создание условий для их дальнейшего относительного перемещения под действием последующих уплотняющих нагрузок и плотной устойчивой структуры асфальтобетона.

4.4.Исследование изменения плотности асфальтобетонной смеси

впроцессе уплотнения

Большой практический интерес представляют производственные исследования изменения плотности асфальтобетонных смесей в процессе их уплотнения. Они используются при выборе режимов работы и типов катков, а также при организации работ по устройству покрытий и комплектовании специализированных комплектов машин (СКМ). Исследования уплотнения асфальтобетонной смеси катками проводились при строительстве городской автомобильной дороги по ул. Конева. Строительство осуществлялось ОГУП ДРСУ-6 (г. Калачинск).

Укладка асфальтобетонной смеси осуществлялась асфальтоукладчиком ДС-191-506М на колёсном ходу. Для строительства двухслойного покрытия использовались: чёрный щебень – для нижнего слоя, плотная асфальтобетонная смесь типа В – для верхнего слоя. Толщина каждого слоя составляла 5 см. Для уплотнения использовались катки BW-200 (массой 8 т) и ДУ-49 (массой 16 т).

После прохода асфальтоукладчика и через один проход катка каждого типа из верхнего слоя покрытия были взяты образцы асфальтобетонной смеси. Далее в лабораторных условиях плотность полученных образцов была определена стандартным методом [94].

Результаты изменения коэффициента уплотнения в зависимости от количества проходов катка приведены на рис. 4.10. На рис. 2.1

69

приведены данные [39], полученные при уплотнении смеси типа А тяжёлым катком К-12 (массой 12 т).

При уплотнении асфальтобетонной смеси отмечаются эффективные режимы работы:

–после асфальтоукладчика плотностьсмеси составляет = 2,10– –2,15 г/см3;

–при уплотнении катком BW-200 при рабочей скорости к = 5 км/ч была получена плотность смеси =2,24–2,26 г/см3 после трёх проходов и = 2,28 – 2,30 г/см3 после шести проходов (рис. 4.10);

–применение катка массой 16 т (рабочая скорость к =5 – 6 км/ч, температура смеси 70–80 С) после трёх проходов катка массой 8 т позволило получить плотность смеси = 2,33 – 2,35 г/см3 после двух проходов и =2,34 – 2,37 г/см3 после шести проходов;

–уплотнение катком массой 16 т после восьми проходов катка

BW-200 при рабочей скорости k =5 – 6 км/ч и температуре смеси 70 – 80 С позволило получить плотность смеси =2,34 – 2,36 г/см3 после двух проходов и =2,34 –2,37 г/см3 послешести проходов катка ДУ-49;

– при уплотнении катком ДУ-49 после асфальтоукладчика с рабочей скоростью к=5 – 6 км/ч (при температуре смеси 60 –70 С) была полученаплотность =2,25–2,28 г/см3 после двух проходови = =2,34 – 2,37 г/см3 после шести проходов.

Экспериментальные исследования процесса уплотнения асфальтобетонной смеси катками BW-200 и ДУ-49 показали, что применение этих машин позволяет добиться требуемой плотности ( max=2,38 г/см3) при различном сочетании режимов их работы. Анализ графиков (см. рис. 4.10) показывает, что наиболее интенсивный рост плотности наблюдается при первых двух-трёх проходах катка. Так, после трёх проходов катка BW-200 коэффициент уплотнения смеси В составляет ky = 0,94 – 0,95 (после асфальтоукладчика ky= 0,89). После дополнительных шести проходов был получен ky= 0,98, т.е. уплотнение велось неэффективно. Аналогичное явление происходит при работе тяжёлого катка.

Это объясняется тем, что при первых проходах контактные давления катков близки к пределу прочности неуплотнённой смеси и интенсивность накопления необратимых деформаций велика. После двух-трёх проходов прочность смеси приближается к величине

70

контактных давлений, и интенсивность роста пластических деформаций после каждого нагружения уменьшается.

Как показывают данные (см. рис. 4.10), после 5 – 6 проходов среднего катка и 4 – 5 проходов тяжёлого катка их работа практически не приносит эффекта. Уплотнение катком К-12 массой 12 т не позволяло добиться требуемого коэффициента уплотнения kymax= = 0,97 – 0,98, что является следствием низких контактных давлений, развиваемых этим катком.

k 83 100 м/мин

Т= 70-100 С

Рис. 4.10. Зависимость коэффициента уплотнения от количества проходов катка:

значения, полученные после шести проходов среднего катка и пяти проходов тяжёлого; б – значения, полученные после трёх проходов среднего катка и пяти проходов тяжёлого

71