Разработка технологии повышения деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях Южного Вьетнама. Нгуен В.Л., Подольский В.П

На правах рукописи

Нгуен Ван Лонг

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ДЕФОРМАТИВНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО ВЬЕТНАМА

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время экономика Вьетнама быстро развивается, в регионе активизируются инновационные процессы. Однако, формирование дорожно-транспортной инфраструктуры происходит с отставанием от общего темпа развития. Поэтому среди наиболее важных в стратегическом отношении задач, стоящих перед Вьетнамом, особо следует выделить развитие до- рожно-транспортной инфраструктуры. Потребность в дорогах с твердым покрытием для обеспечения обороноспособности страны, повышения жизненного уровня населения является крайне необходимой. В процессе решения этой задачи, за последние 5 лет во Вьетнаме было построено значительное количество линейных транспортных сооружений: автомагистраль-2, автомагистраль-3, авто- магистраль-6, автомагистраль-27, дороги Хошимина и другие, больше 85% из которых с асфальтобетонными покрытиями.

Во Вьетнаме в летнее время температура на поверхности и внутри асфальтобетонных покрытий превышает нормативные значения, в результате чего покрытия не могут выполнять необходимым образом свои функции. Поэтому на покрытии автомобильных дорог формируются и накапливаются остаточные деформации в виде продольной колеи.

Образование колеи на асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог снижает комфортность и безопасность дорожного движения, а также наносит значительный ущерб экономике страны. Это происходит в связи со снижением скорости и соответственно с увеличением стоимости автомобильных перевозок. Кроме того, требуется проведение дополнительных мероприятий по содержанию, ремонту и реконструкции покрытия автомобильных дорог.

В условиях Вьетнама, формирование продольной колеи особенно опасно для движения в период муссонных дождей, когда в колее образуется слой воды, в результате чего происходит снижение сцепных качеств покрытия, создаются предпосылки возникновения аквапланирования с потерей управляемости автомобиля.

Таким образом, актуальной является задача обеспечения деформативной устойчивости дорожной конструкции в условиях повышенных температур.

Целью работы является разработка технологии повышения деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях Южного Вьетнама.

Задачи исследований:

-провести анализ существующих методов оценки колееустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий под действием транспортной нагрузки при повышенной температуре;

-исследовать динамику изменения температуры на поверхности и внутри асфальтобетонных покрытий на дорогах Вьетнама и провести лабораторные исследования физико-механических свойств асфальтобетонов при различной температуре;

3

-разработать теоретическую основу расчета конструкции дорожной одежды нежесткого типа с обеспечением деформативной устойчивости покрытий при температуре 60°С;

-уточнить методику расчета усталостной прочности армированного асфальтобетона в условиях циклической нагрузки;

-разработать рекомендации по повышению физико-механических показателей асфальтобетонных покрытий на основе их армирования.

Научная новизна:

-уточнена математическая модель для расчета конструкции дорожной одежды нежесткого типа на колееустойчивость, в которую для учета влияния повышенной температуры на деформативную устойчивость автором предложено ввести коэффициент температурной колееустойчивости;

-установлены аналитические зависимости прочности, устойчивости и пластичности асфальтобетона от температуры, также зависимости плотности, устойчивости, пористости минеральной части, пластичности и остаточной пористости от количества вяжущего в асфальтобетонной смеси при температуре

60°С;

-уточнена методика расчета усталостной долговечности армированного асфальтобетонного покрытия на основе введения в уравнение для растягивающих напряжений специального коэффициента, учитывающего повышение сопротивления покрытия растягивающим температурным напряжениям и сопротивления растяжению при изгибе за счет армирования геосеткой;

-детализирована технология устройства армированных асфальтобетонных покрытий, включающая подготовку основания для укладки армирующего материала, подгрунтовку основания, закрепление геосетки и устройство верхнего асфальтобетонного покрытия c применением антисегрегационных мероприятий.

Достоверность результатов обеспечена методологической базой исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях науки; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; достаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием стандартных средств и методов измерений; использованием методов статистической обработки результатов экспериментов; полученными данными, не противоречащими известным положениям и результатам других авторов.

Практическая ценность работы:

-результаты экспериментальных измерений свидетельствуют о том, что температура на поверхности и внутри асфальтобетонных покрытий вьетнамских дорог в летний период значительно выше значений, предусмотренных в нормативных документах, поэтому обоснована необходимость введения в нормативные документы показателя R60, что позволит конструировать дорожную одежду

сповышенными деформативными свойствами;

-установлены физико-механические свойства различных типов асфальтобетона при температуре 60°С;

-уточнена математическая модель для расчета конструкции дорожной одежды нежесткого типа на колееустойчивость при температуре 60°С;

4

-модернизирована методика расчета усталостной прочности армированного асфальтобетона в условиях циклической нагрузки.

На защиту выносятся:

-предложения по включению в нормативные документы требований по проведению испытаний физико-механических свойств асфальтобетона при температуре 60°С;

-аналитическое определение коэффициента температурной колееустойчивости для расчета асфальтобетонных покрытий на колееустойчивость;

-результаты лабораторных испытаний физико-механических свойств асфальтобетонов при различной температуре;

-уточненная методика расчета усталостной прочности армированного асфальтобетона в условиях циклической нагрузки;

-рекомендации по устройству армированных геосетками асфальтобетонных покрытий.

Апробация результатов исследований. Основные положения и резуль-

таты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 2012г.), на VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития строительного комплекса» (г. Астрахань, 2012г.), на I Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI Века» (г. Сургут, 2012г.), на научно-технических конференциях профессор- ско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурностроительного университета (2012-2013гг.), на 71 Научно-методической и научно-исследовательской конференции «Ежегодная научная сессия международной Ассоциации исследователей асфальтобетона» (г. Москва, 2013г.), на научно-технической конференции «Дорожно-транспортная инфраструктура для устойчивого развития во Вьетнаме» (г. Дананг, Вьетнам, 2013г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 10 научных работ общим объемом 71 страница. Личный вклад автора составляет 44 страницы. Пять статьей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Вестник Московского государственного строительного университета», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведены результаты экспериментального исследования температурного режима асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог во Вьетнаме; в работе [2] изложены основные конструктивные решения с применением геоматериалов для повышения эксплуатационных параметров земляного плотна; в работе [3] исследовано влияние природных катаклизмов на состояние автомобильных дорог в Северном Вьетнаме; в работе [4] исследованы причины колееобразования на асфальтобетонных покрытиях и приведены методы повышения их деформативной устойчивости в условиях Южного Вьетнама; в работе [5] разработана математическая модель для

5

расчета конструкции дорожной одежды нежесткого типа на колееустойчивость. Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, изложенных на 146 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 166 наименований. Диссертация содержит 42 таблицы

и 44 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сфор-

мулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе автором приведен обзор технических и нормативных документов, а также анализ результатов отечественных и зарубежных исследований по вопросам деформативной устойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий.

Выполнен краткий анализ основных причин образования различных деформаций и разрушений на дорожных асфальтобетонных покрытиях.

Проведено исследование влияния климатических условий на техническое состояние асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах во Вьетнаме.

Вопросами обеспечения деформативной устойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий занимались А. М. Алиев, С. В. Бакушев, А. М. Богуславский, А. П. Васильев, А. П. Виноградов, В. Вонк, Д. И. Гегелия, Л. Б. Гезенцвей, В. М. Гоглидзе, Л. А. Горелышева, А. Ю. Дедюхин, В. А. Золотарев, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, И. С. Ищенко, Ю. И. Калгин, Г. Н. Кирюхин, М. П. Костельов, С. А. Матвеев, В. П. Матуа, С. И. Мирошниченко, В. В. Мозговой, Вл. П. Подольский, А. В. Руденский, В. В. Сиротюк, Ю. В. Слободчиков, А. С. Строкин, М. Я. Телегин, Е. В. Углова, В. В. Ушаков, Н. Х Чан и других авторов.

Рассмотрены безопасные параметры колеи по условиям комфортного движения по асфальтобетонным покрытиям автомобильных дорог в различных странах.

Проанализированы существующие конструктивные и технологические методы повышения деформативной устойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий.

Рассмотрены физико-механические показатели геоматериалов различных производителей, которые наиболее часто используются для армирования асфальтобетонных покрытий.

Во второй главе приведены результаты исследований температурного режима поверхности и внутри асфальтобетонного покрытия на автомобильных дорогах Вьетнама. Температура асфальтобетонного покрытия в значительной степени зависит от температуры окружающего воздуха, облачности, условий теплообмена на границе «покрытие-воздух», угла падения солнечных лучей на покрытие, тепловой инверсии, уклона дороги, наличия лесонасаждений и др.

На протяжении жизненного цикла температура асфальтобетонных дорожных покрытий меняется в достаточно широком интервале. Данные экспериментальных измерений свидетельствуют о том, что в летний период времени температура на поверхности асфальтобетонного покрытия повышается до 70°С и тем-

6

пературный диапазон, в котором приходится работать асфальтобетонному покрытию в процессе эксплуатации, определяется климатическими условиями района расположения дороги и теплоемкостью разных конструктивных слоев дорожной одежды. Максимальный диапазон колебаний температурного режима наблюдается в верхних слоях асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. В нижних слоях дорожной одежды диапазон колебаний температур относительно невелик и в меньшей степени подвержен влиянию климатических условий района расположения дороги. Динамика изменения температуры покрытия в разное время суток приведены на рис. 1.

Результаты экспериментальных измерений и визуальное обследование состояния асфальтобетонных покрытий свидетельствуют о том, что проектирование асфальтобетона и оценка его по критерию колееустойчивости при температуре 50°С не соответствуют реальным условиям эксплуатации. Таким образом возникла необходимость проведения испытания физико-механических асфальтобетона при 60°С и применения показателя R60 при оценке его на колееустойчивость в условиях высоких температур.

Были рассмотрены следующие приборы и установки для оценки колееустойчивости асфальтобетонных покрытий: французский прибор для исследования асфальтобетонного покрытия на колееобразование (French Pavement Rutting Tester – FPRT); Гамбургское устройство оценки колееобразования (Hamburg Wheel-Tracking Device – HWTD); испытательная установка Джорджии нагружения колесом (Georgia Loaded-Wheel Tester – GLWT); испытательная машина вращения (Gyratory Testing Machine – GTM) и установка ускоренного нагружения

(FHWA Accelerated Loading Facility – ALF). Принцип оценки устойчивости ас-

фальтобетона к колееобразованию различными приборами и установками предусматривает следующий алгоритм действий:

7

-подобранный гранулометрический состав асфальтобетона оценивается по необходимым критериям или показателям колееустойчивости на лабораторных приборах или установках при температуре 60°С;

-при положительных результатах подобранные асфальтобетонные смеси испытываются на дороге или на специальных стендах.

Приведены основные подходы к расчету асфальтобетонного покрытия на колееустойчивость при повышенной температуре. Результаты исследования свидетельствуют о том, что устойчивость асфальтобетона к сдвигу является характеристикой не только материала, но и конструкции дорожной одежды в целом.

В главе приводится уточненная автором математическая модель расчета конструкции дорожной одежды нежесткого типа на колееустойчивость. Расчет выполняется по предельному состоянию, под которым понимают наибольшие касательные напряжения, вызывающие на поверхности асфальтобетонного покрытия предельные остаточные деформации, образующиеся при максимальной температуре. Предельными являются деформации, недопустимые по условиям нормальной эксплуатации автомобильных дорог и безопасности движения. Расчет дорожной одежды на температурную колееустойчивость выполняется на основе методики, предложенной в «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах», по двум критериям:

1) Расчет по критерию суммарной остаточной деформации. По этому критерию асфальтобетонное покрытие считается колееустойчивым, если общая прогнозируемая остаточная деформация на покрытии, накопленная за расчетный срок службы, не превышает предельно-допускаемой глубины колеи по условиям безопасности движения транспортных средств:

– общая прогнозируемая остаточная деформация на покрытии, накопленная за расчетный срок службы, м; S – предельно-допускаемая глубина колеи, м.

Общая остаточная деформация на покрытии к концу расчетного срока службы дорожной одежды вычисляется по формуле:

где Sаб, Sосн, Sзп – остаточные деформации за счет деформирования асфальтобетонного покрытия, слоев основания, и земляного полотна соответственно, определяющиеся по специальной методике МАДИ, с учетом максимальной расчетной температуры 60°С.

2) Расчет по сопротивлению сдвигу асфальтобетонного покрытия. По этому критерию, сдвигающие деформации не возникают в асфальтобетонном покрытии, если максимальное касательное напряжение не превышает сопротивление асфальтобетона сдвигу при расчетной температуре 60°С:

где τрасч – расчетное сопротивление сдвигу асфальтобетона при температуре 60оС, МПа; τmax – максимальное сдвигающее напряжение в асфальтобетонном покрытии от расчетной нагрузки, МПа, которое предлагается принять равным

8

0,75 МПа. ktk – коэффициент температурной колееустойчивости, учитывающий влияние повышения расчетной температуры с 50°С до 60°С на прочность конструкции.

ktk предлагается определять по формуле:

где R50, R60 – пределы прочности асфальтобетона при сжатии при температурах 50°С и 60°С и скорости деформировании 3 мм/мин соответственно; E50, E60 – модули упругости асфальтобетона при температурах 50°С и 60°С соответственно.

Расчетное сопротивление сдвигу асфальтобетона вычисляется по формуле:

где р – удельное давление от колеса автомобиля, МПа; φ – угол внутреннего трения асфальтобетона, град; Сл – лабораторный показатель когезионного сцепления асфальтобетона, МПа; tл – среднее время нагружения асфальтобетонных образцов до разрушения, с; t1 – среднее время действия единичной расчетной нагрузки на покрытие, с; tn – максимальное время непрерывной эксплуатации асфальтобетонного покрытия при температуре 60°С, 6 ч; N – интенсивность движения расчетного автомобиля по одной полосе, авт./ч; m – коэффициент пластичности по Н. Н. Иванову; U – энергия активации вязкопластичного разрушения асфальтобетона по Г.М. Бартеневу, кДж/моль; R – газовая постоянная, 0,008314 кДж/°К моль; Тmax – максимальная расчетная температура асфальтобетонного покрытия на глубине 20 мм, °К; Тл – температура испытания образцов, 333,15°К = 60°С.

При определении характеристик сдвигоустойчивости асфальтобетона используется методика Г.Н. Кирюхина. В этом случае показатель прочности асфальтобетона при температуре 50°С заменяется на его прочность при 60°С.

Угол внутреннего трения асфальтобетона определяется по формуле:

где Аm, Ас – средняя работа деформирования стандартных асфальтобетонных образцов при испытании соответственно по схеме Маршалла и при одноосном сжатии, Дж. Работа деформирования стандартных образцов асфальтобетона определяется по формуле:

где Р – разрушающая нагрузка, кН; Δl – пластические деформации при разрушении образца асфальтобетона, мм

Лабораторный показатель когезионного сцепления асфальтобетона определяется по формуле:

9

где R5060 – предел прочности асфальтобетона на сжатие при температуре 60°С и

скорости деформировании 50 мм/мин, МПа.

Коэффициент пластичности определяется по формуле:

Величина энергии активации вязкопластичного разрушения определяется через показатели предела прочности асфальтобетона на сжатие при температурах 20°С и 60°С по формуле:

Максимальная расчетная температура асфальтобетонного покрытия на глубине 20 мм определяется по формуле, предложенной в технических условиях

Superpave:

где Тmax – максимальная расчетная температура асфальтобетонного покрытия на глубине 20 мм; Tair – максимальная температура воздуха в тени, °С; Lat – северная широта районов расположения автомобильной дороги, градус.

Врасчете предлагается принимать удельное давление от колеса автомобиля равным 0,7 МПа. При этом по В. С. Орловскому максимальное касательное напряжение в покрытии принимается равным 0,75 МПа.

При свободных условиях движения среднее время действия единичной расчетной нагрузки принимается равной 0,1с, а в условиях стесненного движения –

15с.

Втретьей главе приведены результаты лабораторных исследований фи- зико-механических свойств асфальтобетона при различной температуре.

Для исследования влияния температуры на прочность асфальтобетона в лаборатории кафедры строительства и эксплуатации автомобильных дорог Воронежского государственного архитектурно-строительного университета автором проведены испытания асфальтобетонных образцов на одноосное сжатие при температурах 20°С, 50°С и 60°С. Кроме того цилиндрические образцы из плотного мелкозернистого асфальтобетона типа А марок BTNC-10, BTNC-15 и плотного крупнозернистого асфальтобетона типа А марки BTNC-25 были приготовлены в лаборатории в городе Дананге и там испытывались. Испытания на сжатие были произведены на гидравлических прессах при скорости движения плиты пресса

3,0±0,5 мм/мин.

Результаты лабораторных исследований, приведенные на рис. 2 свидетельствуют о том, что прочность асфальтобетона снижается с повышением температуры покрытия, однако крупнозернистые составы лучше сопротивляются температурному воздействию. При температуре 20°С прочность асфальтобетона BTNC-25 на 6,86% выше, чем асфальтобетона BTNC-10 и на 3,63% выше, чем асфальтобетона BTNC-15. При 50°С прочность асфальтобетона BTNC-25 на

10