Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии. Носов С.В., Рябова О.В

Отмечено, что вопрос о выборе вида функции влияния при исследовании релаксационных процессов и реологических свойств уплотняемых до- рожно-строительных материалов на сегодняшний день с новой силой выходит на повестку дня и становится одним из определяющих при совершенствовании технологий уплотнения дорожно-строительных материалов.

Удовлетворительное описание процессов релаксации возможно так же, как и описание процесса ползучести, с помощью простого и в то же время достаточно общего слабосингулярного ядра в виде экспоненциальностепенной функции скорости релаксации напряжений

Резольвента этого ядра (функция скорости ползучести)

где А, α, β - параметры ядер ползучести и релаксации; Г(α) - гаммафункция Эйлера; t - текущее время.

Разработана методология оценки реологических характеристик уплотняемых дорожных материалов. В основе предложенного подхода лежат известные положения механики сплошных сред, механики грунтов, теории наследственной ползучести, разработанные принципы построения расчетных моделей и результаты экспериментальных исследований.

Реологические характеристики исследуются через простейшие элементы взаимодействия уплотняемого материала с уплотнителями посредством его нагружения через плоский штамп, но при этом показано, что имеется реальная возможность перехода к описанию процесса деформирования слоя уплотняемого материала при взаимодействии его с гладким вальцом дорожного катка, пневмоколесом и гусеничным движителем.

Уравнения сдвигов и объемного деформирования, включающие компоненты девиаторов тензоров деформаций и напряжений, представленные в матричном виде, а также функции скоростей сдвиговой и объемной ползучести позволили выйти на аналитическое определение коэффициента поперечной деформации через функции объемной и сдвиговой ползучести при уплотнении слоя посредством штампа, когда имеется возможность определить функции скоростей продольной и поперечной ползучести. При этом расчетные значения параметров материала уплотняемого слоя - модули сдвиговой и линейной деформации, а также коэффициент поперечной деформации,- инвариантны методам их определения.

Разработан способ определения реологических характеристик уплотняемого слоя грунта с определением параметров опытных кривых продольной и поперечной ползучести путем приложения динамической нагрузки посредством круглого плоского штампа. При этом установлено, что коэффициент поперечной деформации является величиной непостоянной, увеличивающейся со временем действия нагрузки. Это обстоятельство необходимо учитывать, особенно при уплотнении дорожно-строительных

11

Выражения связей между напряжениями и деформациями представлены в интегральном виде с использованием мгновенных модулей деформации, максимально действующих напряжений, развивающихся под уплотнителями машин, и функций скоростей ползучести. Границы интегрирования определяются временем взаимодействия уплотнителей с дорожностроительными материалами.

Так, например, если под гусеничным движителем принять равномерное распределение вертикальных контактных давлений (линия 1 на рис. 1,а), то развитие полной деформации вычисляется по закону (линия 1 на рис. 1,б)

Если при взаимодействии слабо накаченного пневматического колеса катка с уплотняемым материалом при свободном режиме качения, когда результирующее воздействие колеса на слой грунта представляется нормальной к направлению движения силой, закон изменения вертикальной нагрузки на слой со стороны движителя представляет собой сплюснутую параболу (линия 2 на рис. 1,а), то с определенной степенью точности его можно заменить трапециевидным законом нагружения и развитие полной деформации определяется по закону (линия 2 на рис. 1,б)

При взаимодействии жесткого вальца катка или накаченного колеса можно принять параболический закон действия вертикальных контактных

12

давлений в зоне их максимума (линия 3 на рис. 1,а). Тогда с определенной степенью точности его можно заменить треугольным законом нагружения и развитие полной деформации определяется по закону (линия 3 на рис. 1,б)

где ε11 – вертикальная относительная деформация слоя; ε(t) – вертикальная относительная деформация слоя при любом времени t и ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда); σ11 – максимальное давление под уплотнителем; К11(t-τ) – функция скорости вертикальной ползучести; t1, t2 , t3 и t4 – моменты времени, при которых происходит скачок скорости на-

r

гружения слоя грунта; τ - текущее значение времени; χ к[ х] - функция по-

добия базовой и любой другой кривой ползучести.

Для наиболее общего случая, когда уплотняемый материал работает в условиях сложного напряженного состояния, компоненты εij(t) тензора деформаций еij(t) определяются каждая в отдельности в соответствии с осо-

бенностями развития деформаций (α, β, А и χк ) в каждом направлении и

закономерностями изменения соответствующей составляющей нагрузки со стороны уплотнителей. Это основное отличие представленного подхода от известных ранее, которое определяет его универсальность.

Главные деформации, определяющие объемную деформацию и изменение плотности уплотняемого материала, находятся из известного кубического уравнения, коэффициентами которого являются инварианты деформированного состояния, включающие соответствующие компоненты тензоров деформаций.

Предложена целевая функция, содержащая обобщенный критерий эффективности уплотнения дорожно-строительных материалов. Данный критерий представлен в виде удельных компонент девиатора тензора деформаций или контракции по отношению к обобщающему функционалу, включающему основные параметры общей взаимоувязанной системы "человек – машина – рабочий орган – объект воздействия – окружающая среда", определяющие эффективность уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов. Предложена система частных критериев, принимаемых на основе учета реологических свойств уплотняемого материала и классифицированных по конструктивным параметрам уплотнителей, по технологическим режимам их работы, по параметрам состояния уплотняемого слоя и по условиям производства работ.

На основе известного блочно-иерархического принципа описания объектов проектирования разработана общая схема выбора технологиче-

13

ских режимов работы машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, отражающая достаточно тесные взаимные связи между реологическими свойствами уплотняемого материала, параметрами и режимами работы применяемых средств уплотнения и процессом их выбора с учетом особенностей взаимодействия уплотнителей с уплотняемым слоем дорожной асфальтобетонной смеси или грунта и условий производства работ.

Разработана концептуальная модель совершенствования технологии уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, обладающая свойством технологической инвариантности. Концептуальная модель позволяет формально производить решения задачи выбора оптимальных технологических режимов работы машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, начиная с первичного состояния процесса и переходя к их множеству на основе множества критериев эффективности и выборов технологических режимов работы и параметров процесса уплотнения. Модель отражает динамику процесса выбора технологических режимов работы машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, при этом, время остается независимым параметром.

На основе сформулированных принципов развития теории уплотнения дорожных асфальтобетонных и смесей грунтов, а также разработанного методологического подхода к оценке деформационных характеристик уплотняемых материалов предложена концепция совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей в иерархических средах системы "человек – машина – рабочий орган – объект воздействия – окружающая среда" на основе развития их реологии. При этом развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов состоит в том, что в совокупности рассматриваемых в диссертации процессов исследуются закономерности изменения напряженнодеформируемого состояния уплотняемого материала во времени под действием нагрузок, развивающихся со стороны различных уплотнителей.

В третьей главе проведены теоретические исследования взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин.

Установлено, что развитие деформаций материала во времени при его уплотнении вибрационной и статической нагрузками протекает поразному и с различной интенсивностью, что физически объясняется различием структурных изменений в материале при его уплотнении (рис. 2).

На первом этапе цикла нагружения скорость деформации уплотняемого слоя при действии статической нагрузки выше, чем при действии вибрационной нагрузки, что объясняется превосходящим влиянием увеличенной массы статического уплотнителя по сравнению с вибрационным меньшей массы. На последнем этапе цикла нагружения, когда проявляется превосходящий эффект вибрационного уплотнителя с меньшей массой над статическим уплотнением рабочим органом повышенной массы, скорость

14

развития деформации под последним будет меньше. Обратимая часть деформации при виброуплотнении имеет меньшую величину по сравнению с обратимой деформацией при статическом нагружении в силу меньшего сопротивления упруго-вязких сил, возникающих в уплотняемом материале со стороны минеральных частиц и заполнителя (рис. 2).

Оценку относительной эффективности вибрационного и статического воздействий на уплотняемый материал опорного основания по контактным давлениям следует проводить с учетом равенства необратимых деформаций за один цикл нагружения. При этом установлено, что условие равенства скоростей деформаций не может служить критерием при оценке относительной эффективности воздействия статической и вибрационной нагрузок, как это рекомендовано многими исследователями.

На основе разработанной математической модели процесса взаимодействия вальца со слоем уплотняемого материала разработан метод выбора технологических режимов работы и параметров применяемых статических и вибрационных гладковальцовых катков, учитывающий изменение физико-механических характеристик уплотняемого слоя во времени и включающий: определение предела прочности уплотняемого слоя в зависимости от его параметров состояния; расчет рациональных значений максимальных контактных давлений под вальцом статического катка; определение времени воздействия вальца на уплотняемый слой, предварительно задавшись радиусом и шириной вальца, а также скоростью движения катка; определение коэффициента эффективности виброкатка, его линейного давления и массы из условия равенства необратимых деформаций (εн + εнt)

15

уплотняемого слоя после прохода статического и вибрационного вальца на основе предварительно заданных параметров вибрации – частоты колебаний и относительной вынуждающей силы.

Для статической нагрузки, с учетом функций подобия

где χк – функции подобия кривых ползучести по параметрам вальца, технологических параметрам процесса уплотнения и параметрам состояния уплотняемого слоя; χ0 – коэффициенты подобия базовой и теоретической кривых ползучести; Т(t-τ) – функции скорости ползучести для обратимых частей деформации; 2tк – полное время воздействия вальца на слой (рис. 3).

Проведено теоретическое исследование взаимодействия уплотняемого слоя с пневмоколесом транспортно-технологической машины (скрепера, автогрейдера, пневмокатка и др.) в рамках четырехмерного подхода к оценке деформационных характеристик уплотняемого материала на основе разработанной математической модели. В качестве основного критерия эффективности взаимодействия уплотняемого материала с пневмоколесом принято приращение плотности дорожного материала после однократного прохода пневмоколеса, определяемое через относительное изменение объема. В рамках принятых допущений, включающих изотропность среды, сплошность среды с отсутствием ее разрушения и линейную зависимость сдвига материала от глубины уплотняемого слоя, относительное изменение объема определяется главными деформациями среды, которые являются корнями кубического уравнения, включающего инварианты деформированного состояния.

Каждая компонента относительных деформаций, входящая в инварианты кубического уравнения, определяется как независимая величина в соответствии с принятыми соотношениями нелинейной теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластических тел с учетом времени и характера действия соответствующей нагрузки в пятне контакта пневмоколеса с уплотняемым слоем, а также функций подобия, определяющих соотношения параметров состояния уплотняемого слоя, параметров грунтозацепов и

16

величин действующих нормальных и касательных напряжений в пятне контакта пневмоколеса с уплотняемым слоем.

Установлено, что коэффициент бокового расширения уплотняемого дорожно-строительного материала является величиной непостоянной и зависит от времени действия приложенных нагрузок. Для грунта получена зависимость изменения коэффициента бокового расширения от времени, согласно которой в интервале времени действия нагрузки 0…0,5 с наблюдается рост его значений, а в последствии, при больших значениях времени нагружения (порядка нескольких секунд и более), коэффициент принимает постоянное значение, характерное для данного типа грунта.

Разработан графо-аналитический метод определения величин нормальных и касательных напряжений в пятне контакта пневмоколеса транс- портно-технологической машины с уплотняемым слоем грунта из условия равновесия сил и реакций, действующих на контактную поверхность со стороны пневмоколеса и опорного основания. На основе известного графического метода сходящихся сил, в соответствии с заданным режимом качения пневмоколеса, определяются законы распределения напряжений в пятне контакта, а при выбранной скорости качения колеса, – время взаимодействия колеса со слоем через длину пятна контакта. После определения вертикальной деформации уплотняемого слоя за найденное время на основе нелинейной теории наследственной ползучести определяется новая площадь пятна контакта, а, следовательно, и новые значения нормальных и касательных напряжений, а также время воздействия пневмоколеса на материал уплотняемого слоя. Процесс расчетов повторяется до достижения равновесия сил и реакций, действующих в пятне контакта колеса и слоя.

Разработан упрощенный метод определения глубины колеи после прохода пневмоколеса по слою грунта для случая небольших сопротивлений передвижению колеса и тяговых нагрузок со стороны рабочих органов применяемых при уплотнении грунтов транспортно-технологических машин, вызывающих незначительные сдвиговые деформации уплотняемого слоя. По результатам штамповых испытаний определяются реологические характеристики уплотняемого грунта методом наложения экспериментальной кривой податливости на семейство теоретических кривых ползучести. Далее определяются полное время воздействия колеса на уплотняемый слой, мгновенный модуль деформации слоя грунта в соответствии с заданными параметрами состояния слоя и максимальные контактные давления, развиваемые под катящимся пневмоколесом. Приняв закон изменения нормальных напряжений, действующих в пятне контакта колеса со слоем уплотняемого материала (трапециевидный или треугольный), с использованием принятых соотношений развития деформации на основе нелинейной теории наследственной ползучести определяется глубина колеи в уплотняемом слое после прохода пневмоколеса.

Установлено, что глубина колеи в уплотняемом слое грунта после прохода гусеничного движителя существенно зависит не только от положения центра давления, но и от грунтовых условий и конструкции гусе-

17

ничного движителя, определяемой, в первую очередь, типом подвески, а также от скорости передвижения транспортно-технологической машины, что определяет скорость изменения напряженно-деформированного состояния грунта и время действия нагрузки на него. Последние два фактора имеют решающее значение в развитии колеи и изменении плотности грунта под гусеничным движителем.

Установлено также, что распределение давлений на уплотняемый грунт со стороны звена гусеничной цепи при перемещении по нему опорного катка должно определяться, учитывая реологические свойства грунта, через релаксационные процессы, происходящие во времени под разными точками звена. При этом скорости погружения и выглубления шарниров звена примерно постоянны во времени, что позволяет описать траектории вертикальных перемещений для некоторых точек по длине звена гусеницы по треугольному закону, а для некоторых точек – по трапециевидному закону деформирования опорного основания. Используя взаимосвязь процессов ползучести и релаксации, представляется возможным определить расчетным путем величины действующих напряжений и эпюры распределения давлений под звеном гусеничного движителя в любой момент времени в соответствии с законом деформирования грунтового слоя.

В четвертой главе представлены результаты исследований физикомеханических свойств дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

В соответствии с разработанным реологическим подходом к оценке параметров уплотняемых дорожными машинами дорожно-строительных материалов исследованы реологические и прочностные свойства таких материалов как асфальтобетонные песчаные и мелкозернистые смеси, реологические характеристики песчаных, супесчаных и тяжелосуглинистых грунтов с использованием специально разработанных стендов, установок, устройств и способов, на многие из которых получены патенты РФ. Выявлены различные закономерности в развитии деформации и изменении плотности дорожно-строительных материалов при их уплотнении.

Исследования проводились с широким применением теории математического планирования эксперимента, различной измерительнорегистрирующей аппаратуры, включая тензометрическую, а также с использованием специально разработанного программного обеспечения для ЭВМ по регистрации и обработке экспериментальных данных.

Проведена теоретическая и экспериментальная оценка влияния параметров функции скорости ползучести на интенсивность уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов. На примере асфальтобетонной смеси установлено, что интенсивность развития деформации зависит от разных параметров функции скорости ползучести и объясняется различным способом формирования структуры материала при его уплотнении, что сказывается на изменении закономерностей развития деформаций слоя асфальтобетонной смеси при различных технологических процессах уплотнения. Выявлено, что уплотнение асфальтобетонной смеси с вакуумированием повышает интенсивность уплотнения, и особенно - с приме-

18

нением вибрации. Именно поэтому дальнейшие исследования в этом направлении, представленные в диссертации, составили значительную часть.

Установлено, что с увеличением частоты колебаний и уменьшением нагрузки на штампе, при всех остальных постоянных условиях, деформация уплотняемого слоя снижается по определенному закону. Как показали исследования, расхождение в подобии кривых ползучести не превосходило 7… 10%. При анализе полученных закономерностей установлено, что влияние частоты колебаний на деформацию слоя в большей степени проявляется у мелкозернистой и песчаной невакуумированных асфальтобетонных смесей, чем у вакуумированных, что объясняется образованием более равномерной структуры смеси при вакуумировании.

Установлено, что величина относительной деформации слоя асфальтобетонной смеси уменьшается по определенному закону с увеличением плотности слоя. Расхождение в подобии кривых ползучести при изменении начальной плотности смеси не превышает 5… 8%. Повышенная деформационная способность песчаной асфальтобетонной смеси по сравнению с мелкозернистой смесью при повышенной плотности объясняется, в частности, ее более однородной структурой.

Установлено, что при уплотнении невакуумированных слоев песчаной и мелкозернистой асфальтобетонных смесей величину относительной вынуждающей силы P/Q при динамическом воздействии целесообразно повышать до 3…3,5, а при уплотнении вакумированных слоев смесей величина P/Q составляет не более 2,5. Дальнейшее увеличение P/Q приводит к незначительному росту деформации вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей.

Установлено, что нелинейность свойств уплотняемого материала, проявляющаяся в повышении модуля деформации при возрастании нагрузки, в большей степени выражается у вакуумированных слоев асфальтобетонной смеси. Эта нелинейность тем выше, чем выше температура слоя. При температуре 70°С вакуумирование практически не проявляет своего эффекта.

Установлено также, что вакуумирование оказывает положительное влияние на структуру асфальтобетона. При этом наблюдается увеличение прочности вакуумироварных слоев асфальтобетонной смеси по отношению к прочности невакуумированных слоев. Это позволяет производить уплотнение без разрушения сплошности слоя при повышенных нагрузках или при более высоких температурах асфальтобетонной смеси. Так, значение коэффициента превышения предела прочности слоя вакуумированной смеси к пределу прочности слоя невакуумированной смеси у песчаной смеси составляет 1…1,12, а у мелкозернистой – 1…1,15, при этом наибольшие значения как в первом, так и во втором случае находятся при коэффициенте уплотнения 0,88…0,92, температуре смеси 130°С и максимальной толщине слоя асфальтобетонной смеси.

Предложен способ определения физико-механических характеристик слоя грунта и разработано устройство для исследования физикомеханических характеристик слоя грунта. В результате проведенных лабо-

19

раторных исследований получены уравнения регрессии, характеризующие изменение деформаций слоя грунта в зависимости от вертикальной и реверсивной горизонтальной нагрузок на штампе с размерами 300х300 мм, влажности и плотности слоя грунта, параметров грунтозацепов уплотнителей – угла установки, шага и высоты грунтозацепов. Установлено, что вертикальная деформация слоя грунта увеличивается с увеличением вертикальной и горизонтальной (сдвиговой) нагрузок, а горизонтальная (сдвиговая) деформация увеличивается с увеличением сдвиговой нагрузки и уменьшением вертикальной нагрузки на штампе. При увеличении влажности и уменьшении плотности грунта деформации увеличиваются. При увеличении численных значений параметров грунтозацепов вертикальные деформации слоя грунта увеличиваются, а при уменьшении угла установки грунтозацепов и их высоты, и увеличении шага грунтозацепов сдвиговые деформации увеличиваются. В результате обработки на ЭВМ экспериментальных данных определены параметры базовых кривых ползучести.

Предложены и апробированы в полевых условиях способ определения физико-механических характеристик слоя грунта и устройство для его осуществления, позволяющее нагружать слой грунта динамической нагрузкой через круглый штамп. На основе экспериментальных данных выявлены закономерности развития вертикальной и горизонтальной (поперечной) деформаций грунта в зависимости от максимальных контактных давлений под штампом, времени действия нагрузки и толщины слоя, которые позволили изучить кинетику изменения величины коэффициента поперечной деформации слоя грунта.

Разработаны конструкция переносной установки и способ, позволяющие исследовать реологические свойства слоя грунта и асфальтобетонной смеси небольшой толщины в цилиндрических координатах. Получены результаты исследований реологических характеристик различных грунтов на объектах транспортного строительства Липецкой области.

Развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов позволило выявить новые закономерности в развитии деформации уплотняемых слоев на пути разработки и совершенствования технологий их уплотнения. Установлено, что интенсивность развития деформации зависит от разных параметров функции скорости ползучести. Так, повышение интенсивности развития деформации слоя смеси под действием вибрационной нагрузки, по сравнению с развитием деформации под действием статической нагрузки, определяется, в первую очередь, увеличением параметра А, а повышение интенсивности развития деформации вакуумированного слоя смеси, по сравнению с развитием деформации невакуумированного

слоя смеси, определяется, в первую очередь, уменьшением параметра α. Такое различие зависимостей интенсивности развития деформации

слоя от разных параметров функции скорости ползучести объясняется разными способами формирования структуры асфальтобетона, что сказывается на изменении закономерностей развития деформаций слоя асфальтобетонной смеси при различных технологических процессах уплотнения.

20