Учебное пособие 800467

Таблица 4.12 Влияние условий увлажнения на усталостную долговечность асфальтобетонов

Экспериментальные исследования усталости в условиях динамического изгиба были проведены на специальном стенде, обеспечивающем циклический изгиб образцов-оболочек в режиме заданной амплитуды деформации при частоте 868 мин-1 с целью установления влияния увлажнения асфальтобетонов на их усталостную долговечность. Усталостные испытания асфальтобетонов проводились по методике, разработанной А. В. Руденским, и были начаты в 1971— 1972 гг. в «Гипродорнии» и позднее продолжены в «Росдорнии».

Из данных табл. 4.12 можно заключить, что водонасыщение слоя асфальтобетонного покрытия резко снижает его усталостную долговечность. Так, при длительности пребывания в водонасыщенном состоянии 30 суток усталостная долговечность покрытия снижается в 1,6—2,7 раза.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учёта снижения прочностных и усталостных характеристик асфальтобетонных покрытий при прогнозировании их эксплуатационной долговечности при работе в условиях систематического увлажнения.

Оценка водоустойчивости слоя покрытия по результатам испытаний в условиях динамических воздействий лучше соответствует эксплуатационным режимам работы дорожных покрытий по сравнению с известным стандартным методом испытания, основанным на статическом действии воды.

На основании проведённых исследований можно сделать вывод о необходимости использования при расчёте эксплуатационной долговечности асфальтобетонных покрытий характеристик прочности коэффициентов усталости, определяемых по результатам испытаний образцов, подвергнутых предварительному увлажнению.

Методика назначения расчётных значений прочности и коэффициентов усталости асфальтобетонов должна учитывать такие климатические характеристики района расположения дороги, как степень увлажнения местности, интенсивность и продолжительность работы асфальтобетонного покрытия во влажном состоянии.

121

4.4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ КАК КОНСТРУКЦИЙ

С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Широкий диапазон колебаний температуры асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации и значительная зависимость прочностных и деформативных свойств асфальтобетонов от температуры и режима нагружения обусловливают специфическую особенность работы асфальтобетонных покрытий — нестационарность их эксплуатационных характеристик, проявляющуюся в непрерывных изменениях несущей способности покрытия вследствие нестационарности температурного режима дорожной конструкции и нестационарности транспортного потока.

Наличие градиента температур по толщине слоя обусловливает другую характерную особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями — переменные характеристики модуля упругости материала по толщине конструктивных слоёв.

Данные о вариациях модуля упругости асфальтобетона в покрытии, характерных для климатических условий района Москвы, приведены в табл. 4.13.

Для сравнения аналогичные данные для районов Красноярска и Калининграда приведены в табл. 4.14 и 4.15.

Учёт непостоянства значений модуля упругости асфальтобетона в дорожном покрытии очень важен для правильного проектирования конструкции дорожной одежды.

Таблица 4.13

Вариации динамического модуля упругости слоя асфальтобетонного покрытия в течение года

122

Примечание: величины модулей упругости даны для средних значений максимальных дневных температур асфальтобетона в покрытии.

123

Из табл. 4.13—4.15 видно, что в процессе эксплуатации значения динамического модуля упругости слоёв асфальтобетонных покрытий могут различаться в отдельные периоды в 5—10 раз, причём вследствие градиента температур по толщине слоя покрытия в летнее время значения модуля упругости в верхней и нижней частях слоя покрытия может различаться более чем на 600—700 МПа. Столь значительные изменения характеристик несущей способности слоя асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации подтверждают необходимость рассмотрения асфальтобетонных покрытий как конструкций с нестационарными эксплуатационными характеристиками при разработке рекомендаций в области рационального конструирования и выбора материалов для устройства покрытий для различных климатических и эксплутационных условий.

Для проведения расчётов конструкций дорожной одежды и сравнения вариантов на стадии проектирования необходимо определение расчётных значений модуля упругости слоя асфальтобетонного покрытия. Принимаемое в качестве расчётного значение модуля упругости слоя покрытия должно быть таким, чтобы условная конструкция с неизменными во времени (расчётными) характеристиками модулей упругости слоёв была эквивалентна реальной конструкции, значения модулей упругости слоёв в которой претерпевают в процессе эксплуатации обратимые и необратимые изменения.

Это условие обеспечивается, если расчётный срок службы слоя покрытия в условиях с неизменным расчётным модулем упругости Ер соответствует фактическому сроку службы слоя асфальтобетонного покрытия с переменными значениями модуля упругости, соответствующими переменными условиями эксплуатации.

Для расчёта напряжений вызываемых колебаниями температуры покрытия, необходимы данные о значениях модулей упругости, соответствующих длительному времени действия нагрузки. Вариации статического модуля упругости покрытия показаны в табл. 4.16.

124

Значения вязкости рассчитаны исходя из данных о распределении температур в слое покрытия в различное время года и экспериментальных данных о зависимости вязкости асфальтобетона от температуры.

Как видно из табл. 4.17, значения вязкости асфальтобетона в покрытии могут изменяться в процессе эксплуатации в тысячи раз.

Таким образом, в каждый отдельный период разные слои асфальтобетонных покрытий работают в различных режимах и имеют различные характеристики прочности и деформативности, в связи с чем приведение к расчётному режиму при анализе работы асфальтобетонных покрытий должно осуществляться с учётом особенностей работы слоёв, расположенных на разной глубине.

Напряжения и деформации, возникающие в асфальтобетонных покрытиях под действием движущегося или стоящего автотранспорта, колебаний температуры и других факторах, также непрерывно изменяются в процессе эксплуатации. Следует также учитывать, что воздействия эксплуатационных нагрузок на асфальтобетонные покрытия также носят нестационарный характер. Движение потока автомобилей разного веса с разными скоростями ставит задачу приведения сложного потока с переменной интенсивностью к расчётной. При торможении транспорта, движении на участках с уклонами и на кривых, наряду с воздействием вертикальных нагрузок, возникают горизонтальные усилия, достигающие величин порядка 50—70 % от вертикальной нагрузки. Особенно важно учитывать горизонтальные усилия при анализе сдвигоустойчивости конструктивных слоёв. Наличие неровностей и повреждений покрытия приводит к росту коэффициента динамичности приложения нагрузок.

Наряду с напряжениями, возникающими в результате воздействия эксплуатационных нагрузок, следует учитывать напряжения, возникающие в слое покрытия в результате циклических колебаний температуры и наличия градиента температур в конструкции: напряжения, вызываемые давлением льда в порах асфальтобетонных покрытий при переменном замораживании-оттаивании, гидравлическими импульсами давления воды в порах при проезде автотранспорта по влажному покрытию, деформациями основания и другими факторами.

Учитывая нестационарный, сложный характер изменений свойств асфальтобетонных покрытий для анализа их напряжённо-деформированного состояния, сопоставления режимов работы слоёв асфальтобетонных покрытий в различные периоды эксплуатации и для проведения различных периодов к расчётному режиму необходимо использовать коэффициенты приведения, характеризующие сравнительную напряжённость работы слоя покрытия в различные i-е периоды по сравнению с расчётными.

В частности, при оценке прочности коэффициент напряжённости определяется как отношение числа циклов до разрушения в расчётном режиме к числу циклов до разрушения в режиме i. Если асфальтобетонное покрытие в условиях i способно выдержать до разрушения большее число циклов приложения расчётной нагрузки, чем в расчётном режиме, то, следовательно, режим i является мягким и коэффициент напряжённости в режиме Ki<1.

126

Среднее значение коэффициента напряжённости за период работы асфальтобетонного покрытия характеризует коэффициент условий работы и определяется как

где nпр — число циклов приложения расчётной нагрузки в режиме i.

Учёт непостоянства распределения модулей упругости и вязкости асфальтобетона по толщине слоя покрытия существенно влияет на определяемые расчётом значения напряжений и деформаций по сравнению с традиционными методами расчёта асфальтобетонных покрытий, опирающихся на представление о постоянстве значений модуля упругости слоя покрытия во времени.

В табл. 4.18 приведено сопоставление значений растягивающих напряжений в нижней части слоя асфальтобетонного покрытия для случаев постоянных и переменных по толщине слоёв значений модулей упругости асфальтобетонного покрытия.

Данные табл. 4.18 приведены для конструкции, включающей верхний слой покрытия из горячего асфальтобетона с динамическим модулем упругости

2500 МПа при 20 ˚С и нижний слой из асфальтобетона с модулем упругости 1250 МПа при 20 ˚С. В варианте 1 модуль упругости каждого из слоёв по тол-

щине предполагается постоянным, в варианте 2 учтено наличие градиента модуля упругости по толщине верхнего слоя покрытия, а в варианте 3 учтено наличие градиента модулей упругости как верхнего, так и нижнего слоя покрытия. Учет наличия градиента температур в слое покрытия (и соответственно градиента модулей упругости), показывает, что растягивающие напряжения в рассмотренном случае составляют 0,56—0,68 МПа, тогда как расчёты, выполненные без учёта градиента модулей по толщине слоёв, дают более высокое значение растягивающего напряжения, равное 1,12 МПа.

127

Приведённые выше значения напряжений и деформаций в слоях асфальтобетонных покрытий соответствуют средним значениям, определяемым исходя из рассмотрения покрытия как однородной сплошной среды. Более детальный анализ напряжений и деформаций в слоях асфальтобетонных покрытий должен учитывать неоднородность структуры материала. Микрографический анализ показывает, что распределение напряжений и деформаций в структуре, характерной для асфальтобетонов, весьма неоднородно, причём наибольшие деформации возникают в плёнках вяжущего, а наибольшие напряжения — в зонах контакта крупных минеральных частиц. Неоднородность поля напряжений и деформаций в слоях асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать при обосновании требований к применяемым материалам, анализе долговечности покрытий и их деформационного поведения под действием эксплуатационных нагрузок.

Максимальные значения напряжений в местах контактов крупных минеральных частиц могут в несколько раз превышать средние значения напряжений в асфальтобетоне.

Именно этим обстоятельством объясняется изменение зернового состава асфальтобетона в процессе эксплуатации, приводящее к увеличению содержания мелких частиц за счёт открашивания отдельных выступов крупных частиц под воздействием пиковых «контактных» напряжений. Величина этих напряжений в многощебенистых смесях каркасного типа выше, чем в пластичных смесях с относительно малым содержанием крупных частиц. Поэтому требования к прочности щебня в многощебенистых смесях выше, чем в смесях с преобладающим содержанием мелких частиц. С другой стороны, величины деформаций в плёнках битума значительно превосходят средние значения деформаций в асфальтобетоне. Поэтому требования к растяжимости битумов должны устанавливаться с учётом того, что деформации асфальтобетона происходят преимущественно за счёт деформации плёнок битума, тогда как деформации собственно минеральных частиц при уровне напряжений, характерном для эксплуатационных условий, незначительны.

Вследствие нестационарности температурного режима покрытия значения напряжений в разных точках покрытия непрерывно меняются в процессе эксплуатации. При этом общий уровень напряжений претерпевает как суточные, так и сезонные колебания.

Пример вариаций средних значений растягивающих напряжений, возникающих в результате совместного воздействия транспортных нагрузок и колебаний температуры, приведен для условий района Москвы в табл. 4.20.

Из данных, приведённых в табл. 4.20, видно, что величины напряжений в покрытии могут изменяться в период эксплуатации более чем в два раза. Причём эти изменения происходят как в зависимости от времени года, так и в зависимости от погодных условий в один и тот же сезон года. Наиболее напряжёнными периодами эксплуатации для районов Москвы являются в условиях солнечной погоды февраль и март, а в пасмурную погоду — весь весенне-летне- осенний период.

129

Таблица 4.20 Вариации напряжённого состояния асфальтобетонного покрытия

в районе г. Москвы

Из данных, приведённых в табл. 4.21, видно, что в условиях континентального климата района Новосибирска наиболее напряжённым периодом работы покрытия являются зимнее месяцы (в ясную погоду). В пасмурную погоду общий уровень напряжённости покрытия снижается из-за уменьшения амплитуды суточных колебаний температур.

Таблица 4.21 Вариации напряжённого состояния асфальтобетонного покрытия

в районе г. Новосибирска

130