Учебное пособие 800467

например в районе Москвы — от температур порядка 60—65 ˚С в жаркие летние дни до (–30) — (-40) ˚С в зимнее время.

Необходимо отметить, что условия расположения участка покрытия могут существенно влиять на особенности его температурного режима. На температурный режим покрытий оказывает влияние уклон дороги, наличие лесонасаждений и другие факторы. Данные, приведённые в табл. 4.1 и 4.2, соответствуют горизонтальным участкам дороги. При наличии уклона дороги величиной 4 %, обращённого к югу, максимальная температура покрытия (в июле), расположенного в районе Москвы, повышается с 51,5 ˚С до 53,4˚С, а при уклоне 8 % — до 55,9 ˚С. Таким образом, при уклоне 8 % (к югу) температурный режим участка покрытия в районе Москвы в солнечную летнюю погоду приближается к температурному режиму горизонтального участка покрытия в районе Воронежа. При 4-процентном уклоне дороги к северу максимальная температура покрытия (в июле) в районе Москвы достигает только 49,5 ˚С по сравнению с 51,5 ˚С на горизонтальном участке. Следует учитывать, что в слоях асфальтобетонных покрытий, расположенных на некоторой глубине, амплитуда колебаний температуры меньше, чем в поверхностном слое покрытия, причём суточные максимумы температуры устанавливаются с запаздыванием. В результате в асфальтобетонных покрытиях градиент температур по толщине слоя может достигать 20— 30 ˚С, что существенно сказывается на несущей способности покрытия.

Анализ распределения температур по толщине слоя покрытия в солнечную погоду и соответствующих им изменений модуля упругости слоя покрытия из горячего асфальтобетона по толщине слоя показывает, что общий вид графиков распределения модулей претерпевает как суточные, так и сезонные изменения в соответствии с изменениями температурного режима дорожной одежды. В результате несущая способность дорожных одежд в процессе эксплуатации меняется по сложному закону, причём картина распределения модулей по толщине слоя может принимать разнообразные очертания. Обобщённые данные измерений температуры в разных слоях асфальтобетонных покрытий при различном рельефе трассы, степени заселенности придорожной полосы, направлении и величине уклонов могут быть использованы в виде расчётных коэффициентов при климатическом районировании условий работы асфальтобетонных покрытий и назначении расчётных режимов их работы.

В частности, вариации температурного режима асфальтобетонных покрытий обусловливают такую характерную особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями, как циклические изменения их несущей способности в процессе эксплуатации, диапазон которых может быть весьма значительным. Так, например, модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия при высокой температуре (50—60 ˚С), определяемой в статическом режиме действия нагрузки (соответствующем стоящему или тормозящему автомобилю), составляет 5,0—10,0 МПа. При низких зимних температурах модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия, определяемый в динамическом режиме нагружения (соответствующем воздействию быстро движущегося автомо-

101

биля), может достигать 15000—20000 МПа. Следовательно, характеристики несущей способности слоя асфальтобетонного покрытия могут изменяться в зависимости от условий эксплуатации в 100 раз и более.

Наряду с указанными обратимыми изменениями характеристик асфальтобетонного покрытия, следует учитывать и необратимое изменение свойств покрытий вследствие развития процессов усталости, старения. При анализе работы асфальтобетонных покрытий следует учитывать также обратимые и необратимые изменения модуля упругости несвязных слоёв основания и земляного полотна вследствие увлажнения, промерзания, разуплотнения.

На работу асфальтобетонного покрытия влияют также особенности условий проезда, т. е. условия воздействия автотранспорта. Обычно расчётный режим воздействия транспортных нагрузок принимается для условий движения по ровным прямолинейным горизонтальным участкам. При движении по кривым следует учитывать воздействие на покрытие поперечной силы, при движении на уклонах — воздействие дополнительных сил, действующих по оси движения.

При анализе работы асфальтобетонных покрытий в зоне пересечения дорог, у светофоров и т. п. необходимо учитывать повышенную вероятность торможения автотранспорта и связанное с этим возникновение дополнительных горизонтальных усилий, действующих на покрытие. Существенно влияет на работу покрытия наличие на нём неровностей, выбоин, волн, колей и т. п., вызывающих появление местных динамических перегрузок при проезде автомобилей по таким участкам.

Необходимо учитывать также влияние на изменение свойств асфальтобетона в процессе эксплуатации покрытия явлений старения асфальтобетона под воздействием солнечной радиации, кислорода воздуха, протекания процессов взаимодействия битума с минеральными компонентами смеси, воздействия загрязнений, проникающих в поры покрытия, солей, применяемых при борьбе с гололёдом, топлив и масел, попадающих на покрытие с проезжающих или стоящих автомобилей. Все перечисленные факторы могут в той или иной степени влиять на свойства асфальтобетона и, следовательно, на работу покрытия. Важным фактором является изменение свойств асфальтобетона под влиянием процессов усталости, развивающихся при многократном воздействии нагрузок при движении потока автотранспорта.

Учёт влияния тех или иных факторов при рассмотрении работы асфальтобетонных покрытий может быть осуществлён путём введения коэффициентов условий работы покрытия при определении расчётных режимов воздействия эксплуатационных нагрузок и расчётных характеристик деформативных и прочностных свойств самого покрытия.

Приведённый выше анализ влияния климатических и эксплуатационных факторов на работу асфальтобетонных покрытий показывает, что для правильного проектирования и прогноза долговечности асфальтобетонных покрытий необходим детальный учёт вариаций их прочностных и деформативных характеристик в течение срока службы.

102

4.2. ДЕФОРМАТИВНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Деформативные и прочностные свойства асфальтобетонных покрытий полностью определяются деформативными и прочностными свойствами асфальтобетона. Однако условия деформирования покрытий и условия обеспечения их прочности определяются комплексом воздействия климатических и эксплутационных факторов на дорожное покрытие, особенностями конструкции дорожной одежды в целом.

Асфальтобетон, как термопластичный материал, обладает сложным комплексом физико-механических свойств, в значительной степени зависящих от температуры и режима воздействия нагрузок. В асфальтобетоне под воздействием нагрузок одновременно возникают как обратимые (упругие), так и необратимые (пластические) деформации. Характер развития деформаций во времени под воздействием приложенной к асфальтобетону постоянной нагрузки виден из рис. 4.3, на котором приведены результаты испытания образца асфальтобетона на изгиб, показывающие, что кинетика развития прогиба образца под воздействием постоянной нагрузки в значительной степени зависит от температуры.

Рис. 4.3. Развитие деформаций в асфальтобетоне под действием постоянной нагрузки: а) в координатах с арифметической шкалой, б) в координатах с логарифмической шкалой

Средние значения динамических модулей упругости Ед, полученных при испытании образцов асфальтобетона при прогибе (соответствующих длительности действия нагрузки 0,02 с), модулей деформации G (соответствующих длительности действия нагрузки 1 с), пластичности Р и эффективной вязкости ŋ, приведены для асфальтобетонов различных типов в табл. 4.3.(1–горячий мелкозернистый асфальтобетон типа Б I марки; 2–тёплый мелкозернистый типа Б I марки; 3– холодный мелкозернистый типа Бx I марки; 4–горячий мелкозернистый типа Б III марки; 5–тёплый мелкозернистый типа Б III марки; 6–холодный мелкозернистый типа В II марки; 7–горячий мелкозернистый типа А; 8–горячий

103

песчаный типа Д; 9–тёплый песчаный типа Д; 10–холодный песчаный типа Д). Характеристики конкретных асфальтобетонов другого состава и приготовленных из других компонентов могут значительно отличаться от приведённых в табл. 4.3 средних значений в зависимости от особенностей их состава, свойств каменных материалов и битума.

Данные, характеризующие диапазон вариаций модуля упругости горячего мелкозернистого асфальтобетона в зависимости от температуры и длительности действия нагрузки, приведены в табл. 4.4.

Средние значения динамических модулей упругости для различных типов асфальтобетонов при различных температурах приведены в табл. 4.5.

Представленные на рис. 4.4 графики характеризуют ползучесть асфальтобетона под действием постоянной нагрузки.

104

Таблица 4.4 Значения модулей упругости асфальтобетона при различных температурах

и длительности нагружения

Таблица 4.5 Средние значения модулей упругости асфальтобетонов, МПа

Рис. 4.4. Развитие деформаций ползучести в асфальтобетонах разного состава

105

Общей закономерностью процессов развития деформаций ползучести в асфальтобетоне является то, что графики ползучести, построенные в координатах с логарифмической шкалой, представляют собой прямые линии. Наклон линий к оси времени на графиках ползучести, построенных в координатах с логарифмической шкалой, характеризует пластичность асфальтобетона.

Испытания на ползучесть асфальтобетонов различного состава показывают, что их деформативные свойства в значительной степени зависят от типа и состава асфальтобетона, содержания и свойств битума. Как видно из рис. 4.4, интенсивность развития деформаций ползучести в холодном асфальтобетоне, приготовленном на жидком битуме (состав № 3), значительно выше, чем в горячем асфальтобетоне, приготовленном на вязком битуме (состав № 1). При увеличении содержания битума в составе асфальтобетона его пластичность повышается. Зависимость пластичности асфальтобетона от температуры приведена на рис. 4.5.

Испытания на ползучесть, проведённые при воздействии постоянных нагрузок разной величины, показали, что в сравнительно узком диапазоне нагрузок, соответствующих диапазону нагрузок, реально возникающих в покрытии в процессе эксплуатации, соблюдается в ходе развития деформации принцип подобия (рис. 4.6). Это означает, что выбор величины нагрузки при испытаниях асфальтобетона практически не оказывает влияния на значения пластичности.

По результатам испытаний на ползучесть могут быть определены также значения вязкости, модулей упругости и деформации асфальтобетона.

106

Однако при расчётах слоя асфальтобетонного покрытия на различные виды воздействий нельзя ограничиваться только значением динамического модуля упругости. Так, например, для анализа напряжений и деформаций, возникающих в слое покрытия вследствие перепадов температур, необходимо знать значения модуля упругости при длительных статических воздействиях. Следует учитывать, что при продолжительном времени воздействия нагрузки заметную роль начинают играть необратимые деформации. В этом случае вместо модуля упругости для выражения связи между напряжением и возникающей в результате его действия полной деформацией (не являющейся полностью упругой) используется модуль деформации.

Для расчёта верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на сдвигоустойчивость при циклических воздействиях необходимо опираться на характеристики вязкости асфальтобетона при сдвиге.

Вязкость является основной характеристикой асфальтобетонных покрытий, определяющей интенсивность накопления в них необратимых пластических деформаций в процессе эксплуатации. В таблице 4.6 приведены средние значения вязкости асфальтобетонов, определённые в условиях ползучести при изгибе.

Таблица 4.6 Значения вязкости асфальтобетонов при различных температурах

Значения вязкости асфальтобетонов, определённые при других режимах воздействия нагрузок — сдвиге, сжатии, кручении, растяжении, могут значительно отличаться от приведенных в табл. 4.6 значений. Для сравнения средние значения вязкости, определённые в условиях сжатия при 50 °С, составляют для горячих асфальтобетонов 1∙108 Па∙с, для тёплых асфальтобетонов — 1·107 Па∙с, для холодных асфальтобетонов — 1·106 Па∙с.

Исследования, проведённые при различных типах деформирования, показали, что общий характер поведения в зависимости от температуры при испытаниях на сжатие, сдвиг, изгиб, растяжение имеет исходный вид, однако численные значения характеристик модуля упругости и вязкости различаются. Результаты сравнительных испытаний асфальтобетона на сжатие и изгиб при 20 °С показывают, что степень пластичности при изгибе значительно выше, чем при

107

сжатии (рис. 4.7). Разница между значениями Р при изгибе и сжатии уменьшается с понижением температуры.

Рис. 4.7. Сравнение кинетики развития деформаций ползучести при сжатии и изгибе

Различия в значениях степени пластичности слоёв асфальтобетонных покрытий при работе на сжатие, сдвиг, изгиб, растяжение являются следствием влияния давления на их свойства. Иллюстрацией влияния давления на деформативные характеристики слоёв асфальтобетонных покрытий являются результаты сравнительных испытаний образцов асфальтобетона методами сжатия и вдавливания штампа диаметром 5 см в образцы диаметром 10 см. При испытании цилиндрических образцов на вдавливание ненагруженная часть материала по периметру образца выполняет роль обоймы, препятствующей боковому расширению в зоне под штампом.

Испытания показывают, что в условиях обжатия возрастает предельная относительная деформация образцов (табл. 4.7). При этом степень влияния обжатия на предельную деформативность образцов зависит от вязкости использованного битума и состава минеральной части смеси.

Таблица 4.7 Значения предельной относительной деформации асфальтобетонов

различных составов

108

Анализ многочисленных экспериментальных данных показывает, что зависимость, связывающая величины вязкости и пластичности Р, может быть выражена в виде

Связь между модулем упругости слоя асфальтобетонного покрытия Ед и его пластичностью может выражена в виде

Модуль упругости является одной из важнейших характеристик слоя покрытия, имеющих первостепенное значение при инженерных расчётах дорожной конструкции. Данные о значениях модулей упругости слоёв асфальтобетонных покрытий необходимы как для расчёта всей дорожной конструкции в целом, так и для определения величин напряжений и деформаций, возникающих в слоях покрытий при различных условиях эксплуатации.

Применяемые в настоящее время методы расчёта дорожных конструкций исходят из положений теории упругости. Несмотря на то, что асфальтобетонное покрытие не может рассматриваться как истинно упругая среда в значительной части эксплуатационного диапазона температур, применимость такого подхода обусловлена тем, что воздействие транспортных нагрузок на дорожное покрытие носит динамический характер. Деформации, возникающие в дорожном покрытии в результате динамических воздействий от движущихся транспортных средств, практически полностью обратимы. Это позволяет допускать, что поведение асфальтобетонных покрытий может быть охарактеризовано значениями модулей упругости и вязкости, соответствующих расчётным эксплуатационным условиям приложения нагрузок.

Значения модуля упругости слоёв асфальтобетонных покрытий изменяются в широком диапазоне в зависимости от температуры и длительности действия нагрузки. Влияние длительности действия нагрузок на значения модуля упругости зависит от пластичности материала. Поскольку деформация слоя покрытия является в области достаточно низких температур и достаточно кратковременных динамических воздействий практически полностью упругой, то чем более пластично покрытие, тем в большей мере фактор времени оказывает влияние на значение его модуля упругости. Зная степень пластичности слоя, можно определить его модуль упругости при любой заданной длительности действия нагрузки t2, если известно хотя бы одно значение модуля упругости Е1 (при данной температуре), соответствующее длительности действия нагрузки t1:

109

С использованием уравнения (4.3) может быть осуществлён переход от значений модулей упругости, определённых при различных режимах, к значениям, соответствующим выбранному расчетному режиму. Кроме того, при анализе напряжённого состояния асфальтобетонных покрытий следует учитывать процессы релаксации напряжений.

Кинетика процесса релаксации зависит от степени пластичности слоя покрытия.

Важной характеристикой слоя покрытия, используемой при анализе напряжений в дорожной конструкции, является коэффициент Пуассона µ. Значения µ зависят от типа асфальтобетона, температуры и режима нагружения (рис.4.8). По мере понижения температуры покрытия и увеличения скорости деформирования значения µ снижаются.

Рис. 4.8. Влияние температуры и частоты нагружения на значения коэффициента Пуассона

Врезультате изменения температуры покрытия в нём возникают так называемые «температурные напряжения», в значительной степени влияющие на срок службы покрытия.

Всвязи с этим для анализа работы асфальтобетонных покрытий большое значение имеют теплофизические характеристики асфальтобетона. Коэффици-

ент линейного температурного расширения асфальтобетона зависит от состава материала и, особенно, от содержания битума и составляет обычно (2—4)·10-5.

Сувеличением содержания битума значения коэффициента температурного

расширения увеличиваются.

Теплопроводность асфальтобетона в среднем равна 0,9 ккал/м. ч. град, удельная теплоёмкость — 0,4 ккал/кг. град, температуропроводность — 1·10 м/ч, коэффициент теплоусвоения — 20 ккал/м. ч. град.

Важной эксплуатационной характеристикой деформативных свойств является величина предельной деформации асфальтобетона до разрушения. Экспериментальные исследования показывают, что при низких температурах и динамических нагружениях величина предельной относительной деформации

110