3857

Научный журнал строительства и архитектуры

4.Дровалева, О. В. Усталостная долговечность асфальтобетона при воздействии интенсивных транспортных нагрузках: автореф. дис. … канд. техн. наук / О. В. Дровалева / Ростовский государственный строительный университет. — Ростов-н/Д, 2009. — 23 с.

5.Иливанов, В. Ю. Исследование долговечности модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона при действии агрессивной среды / В. Ю. Иливанов, М. Г. Салихов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. — 2013. — № 2 (18). — С. 38—45.

6.Илиополов, С. К. Долговечность асфальтобетонных покрытий в условиях роста динамического воздействия транспортных средств / С. К. Илиополов, Е. В. Углова // Автомобильные дороги и мосты: обзор. информация. — М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2007. — Вып. 4. — 84 с.

7. Илиополов, С. К. Новый взгляд на старую проблему — долговечность асфальтобетона / С. К. Илиополов, И. В. Мардиросова, Е. В. Углова // Автомобильные дороги. — 2008. — № 1. — С. 108— 113.

8.Котлярский, Э. В. Механизм воздействия агрессивных факторов на асфальтобетон и причины разрушения структуры асфальтобетона при его работе в дорожных покрытиях / Э. В. Котлярский, О. А. Воейко // Строительство и эксплуатация дорог; научные исследования и их реализация: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2008. — С. 84—100.

9.Николаев, А. Г. Исследование долговечности асфальтобетона на основе малопрочного щебня, укрепленного серой / А. Г. Николаев, А. Ю. Фомин, В. Г. Хозин // Известия Казанского государственного архи- тектурно-строительного университета. — 2015. — № 2 (32). — С. 256—260.

10.О повышении долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий // С. И. Романов, В. Н. Усов, С. А. Пронин [и др.] // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций: материалы 11-й междунар. науч.-техн. конф. — Волгоград, 2000. —С. 155—159.

11.Пат. 2542010 РФ, МПК7 С04В26/26, C08L95/00. Стабилизирующая добавка для щебеночномастичной асфальтобетонной смеси / С. Н. Глаголев, В. В. Ядыкина, А. М. Гридчин [и др.]; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова». —

№2014110302/03; заявл. 18.03.2014; опубл. 20.02.2015.

12.Прогнозирование долговечности асфальтобетонных покрытий городских автомобильных дорог на основе щебеночно-мастичного асфальтобетона / Б. А. Бондарев, Л. А. Прозорова, Г. М. Бутузов [и др.] // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. — 2013. — № 30 (49). — С. 328—335.

13.Прозорова, Л. А. Разработка составов и прогнозирование долговечности щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях: автореф. дис. … канд. техн. наук / Л. А. Прозорова / Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. — Волгоград, 2012. — 21 с.

14.Салихов, М. Г. Изучение температурного старения модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с отходами дробления известняков / М. Г. Салихов, В. Ю. Иливанов, Л. И. Малянова // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. — 2017. — Т. 1. — С. 216—220.

15.Соколов, Б. Ф. Моделирование эксплуатационно-климатических воздействий на асфальтобетон / Б. Ф. Соколов, С. М. Маслов. — Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1987. — 104 с.

16.Ястремский, Д. А. Определение эффективности применения стабилизирующих добавок на целлюлозной основе в щебеночно-мастичных смесях / Д. А. Ястремский, Т. Н. Абайдуллина // Актуальные проблемы архитектуры, строительства, энергоэффективности и экологии — 2016: сб. материалов междунар. науч.-практ. конф.: в 3 т. Т. 1. — Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2016. — С. 268—273.

17. Ястремский, Д. А. Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути ее решения / Д. А. Ястремский, Т. Н. Абайдуллина, П. В. Чепур // Современные наукоемкие технологии. — 2016. — № 3—2. — С. 307—310.

18.Evaluating the effectiveness of preparing activated mineral powders from technogenic raw materials for asphalt mixtures / A. Trautvain, V. Yadykina, A. Gridchin [et al.] // Procedia Engineering. — 2015. — Vol. 117. — P. 355—361. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.172.

19.Influence of the Type of the Fiber Component of the Stabilizing Additive for Stone Mastic Asphalt Concrete on the Structure of an Organic Binder / V. V. Yadykina, A. M. Gridchin, A. I. Trautvain [et al.] // Applied Mechanics and Materials. — 2016. — Vol. 835. — P. 494—500. — DOI: 10.4028/www.scientific. net/AMM.835.494.

20.Kalgin, Yu. The fatigue durability of the modifird asphalt concrete under the effect of intensive traffic loads / Yu. Kalgin, A. Strokin // Transport Problems. — 2016. — Vol. 11, № 2. — С. 51—59.

21.The influence of stabilizing additives on the physic-mechanical properties of stone mastic asphalt concrete / V. Yadykina, S. Tobolenko, A. Trautvain [et al.] // Procedia Engineering. — 2015. — Vol. 117. — P. 381—386.

22.Yadykina, V. Increasing the efficiency of asphalt by introducing additives containing polyphosporic acid / V. Yadykina, K. Pashkova // KeyEngineering Materials. —2016. — Vol. 677. — С. 128—132.

70

23.Yadykina, V. Research of the interaction of mechanically activated fillers based on silica and cement paste / V. Yadykina, A. Gridchin, A. Trautvain // Key Engineering Materials. — 2016. — Vol. 722. — P 121—125. — DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.722.121.

References

1.Asfal'tovyi beton povyshennoi vodo- i morozostoikosti / A. I. Chernyshov, A. A. Alekseev, D. I. Mokshin

E. N. Barinov. — SPb: Izd-vo Sankt-Peterburgskogo inzhenerno-stroitel'nogo instituta, 1993. — 54 s.

3.Gorelysheva, L. A. Issledovanie stepeni vliyaniya fiziko-mekhanicheskikh svoistv iskhodnykh

komponentov na ustalostnuyu dolgovechnost' asfal'tobetona / L. A. Gorelysheva // Dorogi i mosty. — 2007. —

№2 (18). — S. 191—201.

4.Drovaleva, O. V. Ustalostnaya dolgovechnost' asfal'tobetona pri vozdeistvii intensivnykh transportnykh nagruzkakh: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk / O. V. Drovaleva / Rostovskii gosudarstvennyi stroitel'nyi universitet. — Rostov-n/D, 2009. — 23 s.

5.Ilivanov, V. Yu. Issledovanie dolgovechnosti modifitsirovannogo shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona pri deistvii agressivnoi sredy / V. Yu. Ilivanov, M. G. Salikhov // Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. Ser.: Les. Ekologiya. Prirodopol'zovanie. — 2013. — № 2 (18). — S. 38—45.

6.Iliopolov, S. K. Dolgovechnost' asfal'tobetonnykh pokrytii v usloviyakh rosta dinamicheskogo vozdeistviya transportnykh sredstv / S. K. Iliopolov, E. V. Uglova // Avtomobil'nye dorogi i mosty: obzor. informatsiya. — M.: FGUP «INFORMAVTODOR», 2007. — Vyp. 4. — 84 s.

7. Iliopolov, S. K. Novyi vzglyad na staruyu problemu — dolgovechnost' asfal'tobetona / S. K. Iliopolov, I. V. Mardirosova, E. V. Uglova // Avtomobil'nye dorogi. —2008. — № 1. — S. 108—113.

8.Kotlyarskii, E. V. Mekhanizm vozdeistviya agressivnykh faktorov na asfal'tobeton i prichiny razrusheniya

S.84—100.

9.Nikolaev, A. G. Issledovanie dolgovechnosti asfal'tobetona na osnove maloprochnogo shchebnya, ukreplennogo seroi / A. G. Nikolaev, A. Yu. Fomin, V. G. Khozin // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. — 2015. — № 2 (32). — S. 256—260.

10. O povyshenii dolgovechnosti asfal'tobetonnykh dorozhnykh pokrytii // S. I. Romanov, V. N. Usov, S. A. Pronin [et al.] // Nadezhnost' i dolgovechnost' stroitel'nykh materialov i konstruktsii: materialy 11-i mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. — Volgograd, 2000. — S. 155—159.

11. Pat. 2542010 RF, MPK7 S04V26/26, C08L95/00. Stabiliziruyushchaya dobavka dlya shchebenochnomastichnoi asfal'tobetonnoi smesi / S. N. Glagolev, V. V. Yadykina, A. M. Gridchin [et al.]; zayavitel' i patentoobladatel' GOU VPO «Belgorodskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet im. V. G. Shukhova». —

№2014110302/03; zayavl. 18.03.2014; opubl. 20.02.2015.

12.Prognozirovanie dolgovechnosti asfal'tobetonnykh pokrytii gorodskikh avtomobil'nykh dorog na osnove shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona / B. A. Bondarev, L. A. Prozorova, G. M. Butuzov [et al.] // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2013. — № 30 (49). — S. 328—335.

13.Prozorova, L. A. Razrabotka sostavov i prognozirovanie dolgovechnosti shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona na shlakovykh zapolnitelyakh: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk / L. A. Prozorova / Volgogradskii gosudarstvennyi arkhitekturno-stroitel'nyi universitet. — Volgograd, 2012. — 21 s.

14.Salikhov, M. G. Izuchenie temperaturnogo stareniya modifitsirovannogo shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona s otkhodami drobleniya izvestnyakov / M. G. Salikhov, V. Yu. Ilivanov, L. I. Malyanova // Modernizatsiya i nauchnye issledovaniya v transportnom komplekse. — 2017. —T. 1. — S. 216—220.

15. Sokolov, B. F. Modelirovanie ekspluatatsionno-klimaticheskikh vozdeistvii na asfal'tobeton /

B.F. Sokolov, S. M. Maslov. — Voronezh: Izd-vo VGTU, 1987. — 104 s.

16.Yastremskii, D. A. Opredelenie effektivnosti primeneniya stabiliziruyushchikh dobavok na tsellyuloznoi osnove v shchebenochno-mastichnykh smesyakh / D. A. Yastremskii, T. N. Abaidullina // Aktual'nye problemy arkhitektury, stroitel'stva, energoeffektivnosti i ekologii — 2016: sb. materialov mezhdunar. nauch.-prakt. konf.: v 3 t. T. 1. —Tyumen': Tyumenskii industrial'nyi universitet, 2016. — S. 268—273.

17.Yastremskii, D. A. Problema povysheniya dolgovechnosti asfal'tobetonnogo pokrytiya i puti ee resheniya / D. A. Yastremskii, T. N. Abaidullina, P. V. Chepur // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. — 2016. — № 3—2. — S. 307—310.

71

Научный журнал строительства и архитектуры

18. Evaluating the effectiveness of preparing activated mineral powders from technogenic raw materials for asphalt mixtures / A. Trautvain, V. Yadykina, A. Gridchin [et al.] // Procedia Engineering. — 2015. — Vol. 117. —

P.355—361. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.172.

19.Influence of the Type of the Fiber Component of the Stabilizing Additive for Stone Mastic Asphalt Concrete on the Structure of an Organic Binder / V. V. Yadykina, A. M. Gridchin, A. I. Trautvain [et al.] // Applied Mechanics and Materials. — 2016. — Vol. 835. — P. 494—500. — DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.835.494.

20.Kalgin, Yu. The fatigue durability of the modifird asphalt concrete under the effect of intensive traffic loads / Yu. Kalgin, A. Strokin // Transport Problems. — 2016. — Vol. 11, № 2. — С. 51—59.

21.The influence of stabilizing additives on the physic-mechanical properties of stone mastic asphalt concrete / V. Yadykina, S. Tobolenko, A. Trautvain [et al.] // Procedia Engineering. — 2015. — Vol. 117. — P. 381—386.

22.Yadykina, V. Increasing the efficiency of asphalt by introducing additives containing polyphosporic acid / V. Yadykina, K. Pashkova // KeyEngineering Materials. —2016. — Vol. 677. — С. 128—132.

23.Yadykina, V. Research of the interaction of mechanically activated fillers based on silica and cement paste / V. Yadykina, A. Gridchin, A. Trautvain // Key Engineering Materials. — 2016. — Vol. 722. — P 121—125. — DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.722.121.

ESTIMATION OF THE DURABILITY

OF THE CHAMBOR-MASTIC ASPHALT-CONCRETE

WHEN USING STABILIZING ADDITIVES

V. V. Yadykina 1, A. I. Trautvain 2, S. S. Tobolenko 3

Belgorod State Technological University Named after V. G. Shukhov 1, 2, 3

Russia, Belgorod

1 D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Highways and Railways, tel.: (4722)54-90-44, e-mail: vvya@intbel.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Highways and Railways, tel.: (4722)54-90-44, e-mail: trautvain@bk.ru

3Engineer of the Dept. of Highways and Railways, tel.: +7-952-437-14-04, e-mail: tobolenko-ss@yandex.ru

Statement of the problem. Weather and climate factors have a major role to play in the service life of road pavements. However, the impact of various stabilizing additives for stone mastic asphalt concrete on changes in its physical and mechanical characteristics are practicallynot studied.

Results. It has been established that the most resistant to weather and climatic factors are crushed stonemastic asphalt using the developed stabilizer based on activated waste of wet magnetic separation of ferruginous quartzites, as well as «Viatop-66». The shear stability of crushed stone-mastic asphalt concrete after 1 and 2 years of modeling the impact of weather and climatic factors using an additive, in the preparation of which freshlyground wastes of wet magnetic separation of ferruginous quartzites were used, exceeds the results of the composite based on the traditional «Viatop-66» additive. The maximum drop in the water resistance was recorded when a stabilizer based on fine powder from wet magnetic separation of ferruginous quartzites in a stable state was introduced into the composition of crushed stone-mastic asphalt concrete. The indicator changed after 5 years of weather and climate factors simulated in the Foytron chamber relative to the initial value similar to the use of the imported additive «Viatop-66».

Conclusions. The results of the studies of the influence of weather and climate factors on the properties of crushed stone-mastic asphalt concrete indicate a high resistance of crushed-stone and mastic asphalt concrete with the use of additives which included limestone filler and activated waste of wet magnetic separation of ferruginous quartzites, to the effects of natural factors, which is explained by intensive interaction bitumen components with a fiber surface. Change in the characteristics of crushed stone-mastic asphalt concrete under the influence of weather and climate factors mayserve as a criterion of the durabilityof a pavement.

Keywords: stabilizing additives, crushed stone-mastic asphalt concrete, weather and climate factors, performance characteristics, mineral powder.

72

DOI 10.25987/VSTU.2019.53.1.007

УДК 625.7/.8(075.8)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ В ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ РЕОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

С. В. Носов 1

Липецкий государственный технический университет 1 Россия, г. Липецк

1 Д-р техн. наук, проф. кафедры строительного материаловедения и дорожных технологий,

тел.: +7-903-699-3180, e-mail: nosovsergej@mail. ru

Постановка задачи. Правильный выбор уплотняющих средств для строительства автомобильных дорог как основополагающий фактор качественного уплотнения дорожно-строительных материалов требует учета действующих напряжений и скоростей их изменения под рабочими органами, а также изменения напряжений внутри слоя материала при соответствующей кинетике развития деформаций материала. Существующие подходы и методы показывают неоднозначность и противоречивость некоторых данных, что объясняется отсутствием учета факторов, на которые ранее не обращалось должного внимания.

Результаты. Рассмотрены вопросы аналитического описания развития деформаций дорожностроительных материалов под нагрузкой и напряжений в них при некоторых законах деформирования, что является важным фактором при разработке технологий процессов уплотнения. Показано, что применение теории наследственной ползучести для такого описания позволяет учесть дополнительные факторы, на которые ранее не обращалось в должной степени внимания, что приводило к существенным неточностям в определении действующих во времени напряжений и развития деформаций материалов.

Выводы. Проблема повышения качества и эффективности уплотнения дорожно-строительных материалов может быть решена путем применения новых, прогрессивных методов изучения характеристик материалов уплотняемых слоев автодорог. Развитие деформаций и распределение напряжений в уплотняемом слое дорожно-строительного материала должно определяться с учетом его реологических свойств, через релаксационные процессы, происходящие во времени. При этом представляется возможным, используя взаимосвязь процессов ползучести и релаксации, определять расчетным путем величины деформаций и действующих напряжений в любой момент времени в соответствии с различными законами нагружения и деформирования материала.

Ключевые слова: дорожно-строительные материалы, расчетная модель, деформация, напряжения, реологические свойства.

Введение. Важным фактором при разработке технологий процессов уплотнения различных дорожно-строительных материалов (грунтов земляного полотна, асфальтобетонных смесей и т. д.) является учет действующих напряжений и скоростей их изменения, влияющих на развитие деформаций, а также изменения напряжений внутри слоя материала при соответствующей кинетике развития деформаций материала. Это два взаимосвязанных процесса, при этом описываться они должны на основе конкретных параметров материалов реологического характера с использованием фактора времени. Первой группой задач активно занимались как у нас в стране, так и за рубежом (см., например, [1—5, 15—21]). Развитие разных методологических подходов в этой области исследований приводило порой к противоречивым результатам, что в первую очередь говорит о неинвариантности исследуемых параметров дорожно-строительных материалов.

© Носов С. В., 2019

73

Научный журнал строительства и архитектуры

Правильный выбор расчетной модели уплотняемого дорожно-строительного материала зависит от того, позволяют ли ранее полученные сведения о материале составить и принять верную модель, отражающую его основные особенности, важные при исследовании процесса его уплотнения. Современные тенденции развития различных технологий уплотнения, а также накопленный на сегодняшний день багаж научных знаний в области исследований процессов взаимодействия уплотняющих машин с дорожно-строительными материалами позволяют сформулировать принципы построения расчетных моделей грунтов земляного полотна

идорожных асфальтобетонных смесей:

1.Принцип преемственности расчетных моделей для специалистов, работающих в различныхобластях деятельности (строительстве, машиностроении,коммунальном хозяйстве и др.);

2.Принцип объединения специалистов-исследователей, занимающихся вопросами строительства и эксплуатации автомобильных дорог, проектирования и эксплуатации транс- портно-технологических машин, а также материаловедов, изучающих особенности эксплуатационных свойств уплотняемых материалов;

3.Принцип необходимости совместного учета фактора времени, особенностей уплотняемого материала и приспособленности к адекватному реагированию на характер действующих нагрузок со стороны уплотнителей;

4.Принцип количественной оценки процессов уплотнения исходя из реальных условий эксплуатации применяемых средств уплотнения с конкретными параметрами и режимами работы;

5.Принцип пригодности для манипуляций с различными аналитическими выражениями и для применения различных математических методов расчета;

6.Принцип реализуемости в программных продуктах при решении различных вопросов с применением современных ЭВМ;

7.Принцип обеспечения точности расчетов при малых значениях времени (менее 1 с) взаимодействия деформируемой среды с уплотнителями.

С учетом сформулированных принципов построения расчетных моделей уплотняемых дорожно-строительных материалов в работе [4] предложено использовать один из традиционных подходов к исследованию реологических свойств деформируемых сред с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов, позволяющий выйти на разработку различных математических моделей и методов совершенствования технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

1.Теоретические основы исследуемых процессов. Для описания процессов ползуче-

сти воспользуемся простейшими соотношениями нелинейной теории вязко-упругости. Тогда уравнение ползучести может быть представлено [6] в виде:

t

и в этом случае можно говорить о подобии кривых ползучести при различных условиях нагружения. Функция [ (t)] называется функцией подобия. Любую из кривых ползучести можно совместить с другой, если изменить ее ординаты (t) на некоторое число, называемое коэффициентом подобия. Из подобия кривых ползучести также следует и то, что, зная значение деформаций для базовой кривой ползучести и установив коэффициенты подобия, можно определить деформацию уплотняемого слоя с различными параметрами состояний и для всех исследуемых нагрузок.

Выражение (1) описывает случай подобия кривых ползучести только при разных= const. В нашем же случае для полного описания поведения уплотняемого слоя под нагрузкой, соответствующей конкретному характеру его взаимодействия с уплотнителем, не-

74

обходимо знать зависимости свойств материала, выражаемые через скорость и величину деформации, от многих факторов, основными из которых могут являться нагрузка, частота колебаний, относительная вынуждающая сила, температура, влажность, толщина слоя и плотность грунта и т. д. Поэтому функция подобия должна учитывать все эти факторы, определяющие деформационную способность уплотняемого слоя и, следовательно, его свойства:

[х1;х2;...;хi;...;хn] [х],

где хi — независимые факторы, определяющие деформационные свойства уплотняемого слоя

ив совокупности представляющие пространство независимых факторов (факторное пространство).

Исследование процессов ползучести и релаксации напряжений в материале, процессов изменения во времени его свойств под действием различных нагрузок или деформаций вышло на новый качественный уровень. Одним из центральных вопросов здесь является вопрос обоснованного выбора ядер интегральных уравнений наследственной ползучести [7].

Удовлетворительное описание процессов релаксации напряжений возможно так же, как

иописание процесса ползучести, с помощью простого и в то же время достаточно общего слабосингулярного ядра:

Резольвента этого ядра (функция скорости ползучести):

где А, , — параметры ядер ползучести и релаксации; Г ( ) — гамма-функция Эйлера, для описания процессов ограниченной, установившейся и неустановившейся ползучести показала хорошее совпадение аппроксимаций с опытными данными [6, 7, 12].

Функции (2) и (3) содержат достаточное количество параметров А, , , чтобы ими можно было аппроксимировать практически любые экспериментальные кривые скорости деформирования при постоянной нагрузке или скорости падения напряжений при постоянной деформации. Таким образом, зная параметры А, и , можно достаточно точно определить в любой момент времени величину деформации или напряжения при соответствующих законах нагружения или деформирования.

2. Закономерности развития деформаций и напряжений. Очевидно, что при оценке деформационных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей необходимо знать как начальные характеристики их соответствующих свойств [9], так и характер их изменения под действием внешних силовых воздействий со стороны уп-

лотнителей [8, 11, 12, 24].

В подобных изменениях большую роль играют особенности взаимодействия конкретных по типу и форме уплотнителей со средой уплотняемого слоя, а также характерное перераспределение напряжений в ходе его деформирования. Основным эффектом, проявляющимся под действием нагрузки на уплотняемый слой, является относительное перемещение частиц его материала, при этом величины и характер протекающих деформаций существенно зависят от таких физических характеристик, как пористость, плотность, температура, влажность и т. п. Если под действием нагрузки со стороны уплотнителя происходит только уплотнение материала уплотняемого слоя, то соответствующие деформации всегда носят только затухающий характер и сопротивление материала этим деформациям быстро растет с увеличением последних. Если же деформации связаны с формоизменением массива грунта, то они могут носить как затухающий, так и незатухающий характер, и в последнем случае говорят о нарушении сплошности грунта и потере его прочности.

75

Научный журнал строительства и архитектуры

Будем рассматривать только такое состояние материала уплотняемого слоя, при котором его деформации будут носить затухающий характер, уплотняя тем самым дорожностроительный материал, не нарушая его сплошности. Такое весьма значительное допущение широко применяется при исследовании напряженно-деформированного состояния деформируемых сред, в частности в грунтоведении.

Основными характеристиками деформационных свойств грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей являются модуль линейной деформации Е, модуль сдвиговой деформации G и коэффициент поперечной деформации . В отличие от модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона, применяемых в теории деформирования упругих материалов, модули деформации Е и G, а также коэффициент поперечной деформации учитывают не только упругие, но и вязкопластические части деформации, развивающиеся во времени нагружения. Именно поэтому при взаимодействии уплотнителей с грунтом земляного полотна или дорожной асфальтобетонной смесью параметры Е, G и могут быть представлены как их реологические характеристики [13].

Для оценки показателей взаимодействия уплотнителей с грунтом земляного полотна или дорожной асфальтобетонной смесью используют, как правило, закономерности сжатия и сдвига, имея в виду, что в зависимости от выбранной модели, первая характеризует процессы образования следа (колеи), а вторая — формирование движущей силы (сцепления). Для реализации моделей более высокого уровня представляется несомненным совместное использование этих закономерностей, имея в виду, что может быть реализован любой характер такого взаимодействия.

Численные значения характеристик дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов должны быть инвариантны к методам их определения. На основе сложившегося почти векового опыта закономерности сжатия и сдвига определяют соответствующими перемещениями деформаторов (штампов).

В случаях, когда грунт земляного полотна или асфальтобетонная смесь работают в условиях сложного напряженного состояния, согласно теории наследственной ползучести закон деформирования можно представить в виде уравнения сдвигов и уравнения объемного деформирования [6]:

где еij (t) — компоненты девиатора тензора деформаций; Sij (t) — компоненты девиатора тензора напряжений; (t) — контракция (объемная деформация при уплотнении); (t) — шаровой тензор напряжений; KC(t) — функция скорости сдвиговой ползучести; KV (t) — функция скорости объемной ползучести; G и B — модуль сдвига и объемный модуль упругости.

Для сжатого цилиндрического образца имеем:

Кс (t ) K11(t ) 0 K21(t ) ,

1 0

где K11(t − ) и K21(t − ) — функции скоростей ползучести продольной и поперечной деформаций; 0 — значение мгновенного коэффициента поперечной деформации, т. е. форма сдвига при сжатии аналогична форме сдвига при растяжении.

Коэффициент поперечной деформации, выраженный через реологические характеристики (функцию объемной ПV(t) и сдвиговой ПС(t) ползучести), имеет вид:

76

а связь между функциями объемной и сдвиговой ползучести представляется в виде:

Функция скорости объемной ползучести [13]:

т. е. объемная деформация уменьшается вследствие уплотнения, и здесь уже форма объемной деформации отлична от случая растяжения образца.

Таким образом, по измеренным величинам продольной и поперечной деформаций можно построить функции продольной и поперечной ползучести, зная которые нетрудно получить функции сдвиговой и объемной ползучести. При этом получаем значения параметров материала уплотняемого слоя, инвариантные методам их определения для получения универсальной модели, пригодной для моделирования процесса взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотнителями.

Используя различные упрощенные законы нагружения уплотняемого слоя, наиболее близко описывающие процесс его взаимодействия с уплотнителями (рис. 1), и определив в соответствии с ними законы развития деформации, можно с помощью вычислительной техники определить параметры ядер ползучести и выбрать оптимальные технологические режимы работы применяемых машин при уплотнении грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей [12, 13, 23].

а)

б)

Рис. 1. Законы нагружения уплотняемого слоя:

1 — прямоугольный; 2 — сплюснутая парабола; 3 — парабола

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

77

Научный журнал строительства и архитектуры

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. 1а), то с определенной степенью точности его можно заменить трапециевидным законом нагружения. Приняв t1 = t4 − t3, для полной деформации имеем (линия 2 на рис. 1б):

При взаимодействии жесткого вальца катка или накаченного колеса можно принять параболический закон действия вертикальных контактных давлений в зоне их максимума (линия 3 на рис. 1а), тогда с определенной степенью точности его можно заменить треугольным законом нагружения. Приняв t2 = t4 / 2, для полной деформации имеем (линия 3 на рис. 1б):

где 11 — вертикальная относительная деформация слоя; /11 — вертикальная относительная деформация слоя при любом времени t и ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда); Е — мгновенный модуль вертикальной деформации (при t = 0); 11 — максимальное давление под колесом; К11(t − ) — функция скорости вертикальной ползучести; 1, А1 и 1 — параметры опытной кривой вертикальной ползучести; Г( 1) — соответствующая ей гаммафункция Эйлера; t1, t2, t3 и t4 — моменты времени, при которых происходит скачок скорости нагружения слоя грунта при различных законах нагружения (см. рис. 1); — текущее значение времени.

Для наиболее общего случая, когда материал уплотняемого слоя работает в условиях сложного напряженного состояния, компоненты ij(t) девиатора тензора деформаций еij(t) определяются каждая в отдельности в соответствии с особенностями развития деформаций в каждом направлении и закономерностями изменения соответствующей составляющей нагрузки со стороны уплотнителей машин.

Следует отметить, что деформация уплотняемого слоя — это поверхностный отклик тех процессов и явлений, которые развиваются в слое под действием уплотнителей. Что происходит внутри слоя, по большому счету не важно, если имеется возможность согласно разрабатываемым методам предсказать процессы взаимодействия с дорожными асфальтобетонными смесями и грунтами различных уплотнителей и на основе этого определить их технологические режимы работы и параметры, совершенствуя технологии уплотнения. Для этого нужна только обобщающая теория уплотнения дорожно-строительных материалов [14].

78

Особенностью данного реологического подхода является комплексная оценка реологических характеристик уплотняемого слоя, позволяющая выйти на определение модулей объемной и сдвиговой ползучести, а через них на оценку общего напряженнодеформированного состояния при учете времени и характера действия нагрузок со стороны уплотнителей.

Взаимосвязь процессов ползучести и релаксации позволяет описать процессы релаксации, когда по данным испытаний материала на ползучесть определяются параметры функции скорости ползучести, значения которых также входят в функцию скорости релаксации напряжений.

Таким образом, в соответствии с законом деформирования слоя опорного основания под каждой точкой уплотнителя можно определить в любой момент времени величины действующих напряжений в уплотняемом слое дорожно-строительного материала, изменяющихся во времени.

При треугольном законе развития деформации (рис. 2а) напряжения определяются по следующим выражениям [10, 12]:

при 0 t t1:

На эпюре изменения напряжений точка t указывает на то, что в данный момент напряжения в рассматриваемой точке упали до нуля, если не учитывать веса уплотнителя.

Рис. 2. Изменение напряжений под деформатором при треугольном (а) и трапециевидном (б) законах деформирования материала

79