Учебное пособие 800467

пребывания материала покрытия в напряжённом состоянии). Влияние скорости деформирования на характеристики прочности покрытия весьма существенно, поэтому для практических целей очень важно, чтобы режим испытания соответствовал эксплуатационным условиям работы дорожного покрытия.

Зависимость значений разрушающего напряжения от длительности пребывания слоя покрытия в напряжённом состоянии обусловлена процессом усталости. Усталость характеризует постепенное снижение работоспособности покрытия при длительно действующих или многократно прилагаемых нагрузках. Статическая усталость проявляется в снижении долговечности покрытия при увеличении значений постоянно действующего напряжения. Динамическую усталость при многократных, циклически действующих нагрузках характеризуют числом циклов, которое выдерживает покрытие до разрушения. Циклические испытания проводят либо при воздействии синусоидально изменяющегося напряжения с постоянной амплитудой, либо при постоянной амплитуде деформаций. При этом прочность характеризуется либо амплитудой напряжения и числом циклов до разрушения, либо амплитудой деформации и числом циклов.

Подобным образом если при испытании с постоянной скоростью роста напряжений, прочность характеризуется величиной напряжения в момент разрушения с обязательным указанием скорости роста напряжений, то при испытании с постоянной скоростью деформирования прочность может быть оценена величиной деформации в момент разрушения (с обязательным указанием принятой скорости деформирования). Величина предельной деформации является важной и часто используемой на практике характеристикой прочности, особенно при испытаниях на растяжение, так как позволяет судить о деформативности покрытия.

При испытаниях на прочность всегда наблюдается разброс получаемых данных. Этот разброс связан со случайным расположением и концентрацией макро- и микродефектов в слое покрытия. В частности, микротрещины, расположенные у поверхности, всегда опаснее внутренних. Осмотр усталостных трещин и поверхностей разрушения показывает, что почти во всех случаях разрушение начинается с поверхности, на главной плоскости растяжения. Это указывает на определяющее значение прочности на растяжение для обеспечения долговечности покрытия, а также на важность тщательной обработки поверхности слоя асфальтобетонного покрытия в процессе строительства.

Зависимость прочности покрытия от длительности действия нагрузки является следствием пластичности асфальтобетона. Известно, что в упругой стадии разрушение происходит, когда упругая деформация растяжения достигает порядка 0,001. Однако если деформирование не чисто упругое, то разрушение может не произойти и при больших деформациях.

Так как деформации в слое покрытия развиваются согласно уравнению (3.12), то связь между разрушающим напряжением Rτ и долговечностью τ выражается уравнением

91

где R = G εкр — напряжение, при котором τ = 1 с.

Сопоставление результатов испытаний, проведённых под действием нагрузок разной величины, приводит к соотношению

Иногда пластичность асфальтобетона определяют из отношения

на основе анализа результатов испытаний на прочность при сжатии при разных скоростях деформирования.

Как видно из уравнений (3.32) и (3.33), влияние фактора времени на показатель прочности непосредственно зависит от степени пластичности, причём между значениями разрушающего напряжения и соответствующими им значениями долговечности существует линейная связь в координатах с логарифмической шкалой. Таким образом, влияние температуры и величины напряжений на долговечность асфальтобетонного покрытия можно предсказать, если известно их влияние на значения степени пластичности слоя.

Накопление усталостных микродефектов в асфальтобетоне является процессом практически необратимым. Исследования показали, что продолжительность нерабочих периодов (или так называемого «отдыха») между сериями загружений практически не оказывает влияния на долговечность битумов и асфальтобетонов. Даже при высоких температурах усталостные микродефекты почти не залечиваются. В это же время при высоком содержании битума в асфальтобетоне отмечалось благоприятное влияние периодов отдыха. На восстановление асфальтобетонным покрытием первоначальных свойств в периоды отдыха оказывают большое влияние особенности свойств битума, применённого для приготовления смеси в процессе строительства покрытия.

Влияние типа деформирования на прочностные характеристики асфальтобетонных покрытий, в частности на их усталостные свойства, обусловлено тем, что значения степени пластичности, вязкости и модулей упругости зависят от того, работает ли слой покрытия в условиях сжатия, сдвига, изгиба или растяжения.

Уравнение (3.33) характеризует связь между величиной разрушающего напряжения и долговечностью покрытия при воздействии постоянных статических нагрузок (статическую усталость).

Общие закономерности усталостного разрушения асфальтобетонных открытий под воздействие переменных нагрузок могут быть выведены на основе совместного анализа критериев разрушения и законов деформирования.

92

Асфальтобетонные покрытия подвергаются комбинированному воздействию статических и динамических нагрузок, прилагаемых в различных режимах. Для правильной оценки долговечности асфальтобетонных покрытий в переменных эксплуатационных условиях с учётом особенностей структуры слоя покрытия необходимо на единой физической основе описать закономерности развития усталостных процессов под действием циклических и длительно действующих нагрузок.

Можно считать, что разрушение дорожных покрытий, в том числе асфальтобетонных, под действием комбинированного воздействия нагрузок, прилагаемых в различных режимах, определяется механизмом кумулятивного разрушения, т. е. отвечает условию

где ni — число циклов приложения напряжений σi в режиме i; τ — долговечность материала покрытия при действии напряжения σi в режиме i.

Обобщение результатов многочисленных экспериментальных исследований, приведённых в работах различных авторов показывает, что зависимость усталостной долговечности материалов как на основе органических, так и неорганических вяжущих, от величины действующего напряжения описывается уравнением вида

где Rtн — прочность материала при разрушении его за один цикл приложения напряжения при продолжительности цикла tн; U — постоянная, характеризующая усталостные свойства материала; nσ — число циклов до разрушения.

Величина U определяет наклон линии усталости в координатах lg τ — lg σ к оси τ.

Из уравнения (3.36) следует, что перегрузка (т. е. воздействие нагрузок, превышающих расчётную) приводит к резкому снижению долговечности покрытий, устроенных из горячих асфальтобетонов, приготавливаемых на вязких битумах (вследствие больших величин U).

Вто же время покрытия из холодных асфальтобетонов, приготавливаемых на жидких битумах, (вследствие меньших значений U) должны лучше противостоять воздействию случайных перегрузок. Наряду с этим повторная нагрузка вызывает более быстрое накопление усталостных повреждений в покрытиях из холодных асфальтобетонов.

Вслучае длительно действующего напряжения (меняющегося во времени по определённому закону) условие разрушения выражается в виде

93

где σ (t) — функция изменения напряжения во времени; τ — долговечность материала покрытия при воздействии постоянного напряжения σ; τp — долговечность материала покрытия при воздействии напряжения, меняющегося во времени по закону σ (t).

Исследования показали, что характеристики усталости при циклическом и статическом деформировании взаимосвязаны:

Эта зависимость справедлива для эксплуатационного диапазона частот и скоростей приложения движущихся транспортных нагрузок на дорожные покрытия. На основе уравнения (3.38) может быть построен график, позволяющий установить связь между характеристиками усталости в статическом и динамическом режимах при различной длительности цикла.

Как следует из формулы (3.38), с уменьшением длительности цикла нагружения tн величина U монотонно возрастает, т. е. сопротивляемость усталостному воздействию повторных нагрузок одинаковой величины повышается. Это согласуется с результатами усталостных испытаний, проводимых при различных частотах нагружения.

Сопоставление уравнений (3.33) и (3.36) показывает, что усталостные свойства слоя покрытия непосредственно связаны с показателем степени пластичности:

Из уравнения (3.39) следует, что, зная значения усталостной долговечности слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии двух различных напряжений, можно определить величину Uс.

Например, если при σ 1 = 9,0 МПа величина τ1 составила 0,01 с, а при G2 = 0,8 МПа τ2 = 100 с, то значение Uс равно

U = lg100 - lg0,001 = 3,8. c lg9 - lg0,8

Соответственно для циклического режима с длительностью цикла tн = 0,1 с найдём

Uc = 3,8 - 2,3×lg0,1= 6,1.

94

Использование указанных зависимостей позволяет определять характеристики статической и динамической усталости на основе результатов достаточно простого и оперативного испытания образцов асфальтобетона на ползучесть.

Полученные зависимости позволяют выявить общие закономерности усталостного разрушения дорожных покрытий, исходя из характеристик материалов, применённых для устройства конструктивных слоёв, и условий эксплуатации (температуры, режима нагружения).

Учитывая, что проведение усталостных испытаний, представляющих значительный интерес для прогнозирования сроков службы дорожных одежд, требует длительного времени и специального оборудования, возможность оценки усталостных характеристик по результатам испытаний образцов, моделирующих работу покрытия, на прочность непрерывно действующей нагрузкой (например, постоянной или равномерно возрастающей) позволяет пользоваться более простой методикой. Это даёт возможность проводить оценку усталостных свойств слоёв покрытий непосредственно в производственных лабораториях.

Использование полученных закономерностей позволяет разработать алгоритм, моделирующий работу дорожных асфальтобетонных покрытий в различных климатических и эксплуатационных условиях.

В качестве выводов можно отметить следующие.

1.Для анализа работы асфальтобетонных покрытий в эксплуатационных условиях, характеризующихся нестационарными изменениями режимов воздействия нагрузок и температур, необходимо описание на единой теоретической основе общих закономерностей деформирования покрытий во всём диапазоне эксплуатационных нагрузок и температур.

2.Проведённый теоретический анализ процессов деформирования асфальтобетона в дорожных покрытиях показал, что для описания закономерностей развития деформаций под действием приложенных напряжений целесообразно использование уравнения

e = tòн Ps t p -1dt ,

0 G

позволяющего на единой основе оценить вариации деформативных характеристик слоя покрытия при изменениях его пластичности в процессе эксплуатации.

3. Для описания закономерностей изменения свойств асфальтобетонных покрытий в эксплуатационном диапазоне температур при анализе работы покрытий целесообразно использовать интегральную функцию распределения, отражающую характер показателя Р в интервале пластичности:

95

4. Использование показателя пластичности, определяемого исходя из общего уравнения деформирования, позволяет установить связь между:

а) деформативными характеристиками асфальтобетонных покрытий при различных режимах нагружения, в частности, между модулями упругости, определяемыми при статическом и динамическом деформировании:

Et = E1 t –p;

б) прочностными характеристиками асфальтобетонных покрытий при различных режимах нагружения:

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте реологические свойства асфальтобетонов. Назовите закономерности развития деформаций под действием нагрузок.

2.Релаксация и запаздывание напряжений в асфальтобетоне. Поясните влияние пластичности асфальтобетона на его свойства.

3.Как влияет температура на свойства асфальтобетонов.

4.Характеристики деформативных свойств асфальтобетонов. Модули упругости, вязкость, пластичность.

5.Прочность асфальтобетонов. Охарактеризуйте влияние температуры и режима нагружения на прочность. Характеристики усталости.

6.Влияние водонасыщения асфальтобетона на его усталостную долговечность.

96

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АСФАЛЬТОБЕТОН ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ.

ИСПЫТАНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА УСТАЛОСТЬ

4.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ НА РАБОТУ АСФАЛЬТОБЕТОНА В ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЯХ

Специфическая особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями, проявляющаяся в широком диапазоне вариаций их прочностных и деформативных характеристик в течение срока службы, вызывает необходимость при исследовании поведения покрытий учитывать большое число факторов, характеризующих особенности климатических условий района строительства, дорожной конструкции, условий эксплуатации и др.

В целях решения указанной проблемы необходима разработка системы моделирования работы асфальтобетона в дорожных покрытиях в разнообразных климатических и эксплуатационных условиях с учётом вариации характеристик покрытия в течение срока службы, что требует проведения анализа работы асфальтобетонных покрытий как конструкций с нестационарными характеристиками с использованием методов исследования сложных систем.

Рассмотрение асфальтобетонных покрытий как сложной системы, условия функционирования которой зависят от большого числа независимых факторов, позволяет решать задачи, связанные с динамикой изменения их свойств и эксплуатационной надёжности.

Исследования показывают, что характеристики прочности и деформативности дорожных асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации не остаются постоянными, а претерпевают непрерывные изменения.

Продолжительность эксплуатации покрытия до момента, когда под воздействием автомобильного транспорта, погодных условий и других факторов характеристики покрытия перестают отвечать предъявляемым требованиям, характеризуют срок службы покрытия.

Характеристики асфальтобетонного покрытия в значительной степени определяются особенностями свойств асфальтобетона, являющегося термопластичным материалом, обладающим сложным комплексом физикомеханических свойств, меняющихся в широких пределах в зависимости от температуры и условий деформирования.

В связи с этим эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, связанные с прочностью и деформативностью слоёв асфальтобетона, подвержены в течение срока службы непрерывным изменениям, обусловленным нестационарностью температурного режима покрытия и режимов воздей-

97