книги из ГПНТБ / Гезенцвей, Лев Борисович. Дорожный асфальтовый бетон

Для такого тела справедливо уравнение1

где: Е— модуль упругости пружины; т— время релаксации вязкого элемента модели.

Это уравнение идентично ранее приведенному уравнению (3),

в котором А = —.

т

В действительности асфальтовый бетон описывается значи­ тельно более сложной моделью. Приближенная замена реаль­

ной системы механической моделью позволяет аналитически выявить некоторые закономерности, присущие выбранной моде­ ли. При этом модель позволяет ориентироваться в деформаци­ онных процессах, протекающих в реальной системе, но с не­ разрушенной структурой.

Ниже мы воспользуемся моделью упруго-вязкого тела Мак­

свелла для выяснения особенностей работы асфальтового бето­ на при различных условиях деформирования.

НАКОПЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ В АСФАЛЬТОВОМ БЕТОНЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ МНОГОКРАТНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ НАГРУЗОК

Деформационное поведение асфальтового бетона в интерва­ ле температур, при которых работают дорожные покрытия, изу­

чено очень слабо.

Деформационные характеристики, являющиеся главными,,

до сих пор не обоснованы и в большинстве случаев не норми­

рованы. В некоторых странах нормируется лишь условный по­ казатель деформационной устойчивости асфальтового бетона, при наивысших летних температурах (обычно при +60°) в ви­ де так называемой текучести, определяемой по методу Мар­

шалла.

Обычно судят о деформационной устойчивости по показате­ лю механической прочности при высоких температурах. Тем более недостаточно изучен вопрос накопления деформаций под действием многократных приложений нагрузок.

Воспользуемся полученными выше уравнениями и выясним, по какому закону происходит накопление деформаций в упру­ го-вязком теле, описываемом рассмотренной моделью Максвел­ ла под влиянием многократных импульсов напряжений.

Принимаем исходное уравнение (3)

1 Г. Кольский. Волны напряжения в твердых телах. Издательст­ во иностранной литературы, 1955,

89

Интегрируя, получаем

=+ f \adt-

Рис. 14. Схема развития деформации в уп­ руго-вязком теле под влиянием импульса на­ пряжений.

Подставляем значение

Представим каждый импульс напряжений (рис. 14, а), дей­ ствующий на дорожные покрытия, в виде двух перепадов напря­ жения 1 + П, со сдвигом во времени tt (рис. 14, б).

90

Для каждого постоянного перепада (т. е. д = до = const) деформация выразится

(Ю)

Нетрудно видеть, что первый член выражения (10) дает только упругую, а второй — вязкую (остаточную) деформацию. Строим график, соответствующий выражению (9). Суммируя оба принятых воздействия, находим суммарную деформацию

(обозначена жирной линией на рис 14, в), tg а характеризует интенсивность роста остаточной деформации

Рис. 15. Накопление деформации в упруго-вязком теле при многократных приложениях нагрузки.

Иными словами, чем больше напряжение и меньше постоян­

ная времени релаксации, тем интенсивней рост остаточной де­

формации.

Результирующая деформация после окончания импульса a = Y °<Л-

Такая деформация будет появляться после каждого импуль­

са. Следовательно, при многократных воздействиях накапли­ вающаяся деформация будет ап, где п— число импульсов

Sn^~-tn. (И)

Графически накопление деформации при многократных при­ ложениях нагрузки показано на рис. 15.

91

Приведенная схема накопления деформаций, разумеется, от­

личается от истинной картины постольку, поскольку характе­ ристики, принятые для построения модели упруго-вязкого те­ ла, отличаются от реальные: характеристик асфальтового

бетона.

Тем не менее даже эта упрощенная модель дает возмож­ ность построить, в общем, приближенную схему накопления де­

формации.

Из выражения (11) видно, что суммарная остаточная де­ формация, накапливающаяся в результате многократных на­

гружений, равна деформации, развивающейся под влиянием длительной нагрузки с временем действия, равным суммарно­ му времени всех импульсных воздействий.

Рис. 16. Схема прибора Б. А. Козловского для испыта­

Как показал ряд исследований, при определенных условиях это Действительно имеет место для некоторых упруго-вязких

материалов. Для асфальтового бетона скорость накопления де­ формаций (при определенной нагрузке) возрастает и остается постоянной до определенного (критического) числа приложе­ ний нагрузки. После этого скорость накопления деформаций резко возрастает. Вероятно, это связано с постепенным разру­ шением структуры, резко проявляющемся после критического

(для данных условий) числа импульсов напряжений.

В качестве показателя деформационной устойчивости ас­ фальтового 'бетона при высоких температурах, кандидатом тех­ нических наук Б. А. Козловским предложено определять вели­

чину остаточной деформации сдвига по разработанной им ме­ тодике.

Схема прибора для испытаний асфальтового бетона . на сдвиг показана на рис. 16. Испытанию подвергается уплотнен­ ный вибрированием образец 20X20 см. Во время уплотнения в образец запрессовывается специальная металлическая пластин­

ка размером 6X6 см. При помощи этой пластинки передается

нагрузка на образец. Нижняя плоскость пластинки имеет риф­

ление.

При постоянной нагрузке Р = 10 кг напряжение сдвига,

передающееся на образец, составляет 3,12 кг/см2. Вертикальное давление равно 5,2 кг/см2. Образец испыты­

92

вается при температуре +50°. Для этого он располагается в специальной ванне, в которой поддерживается необходимая

температура воды.

Нагружение образца производится при помощи рукоятки.

В процессе испытания фиксируются деформации при помощи индикатора. Величина остаточной деформации определяется за время нагружения, равное 2 сек. Такие кратковременные на­ гружения производятся периодически, через каждые 10 мин. (5—7 раз). Величина остаточной деформации принимается как среднее из несколькихопределений.

Это испытание в целом моделирует условия, в которых ра­

ботает асфальтобетонное покрытие при периодических останов­ ках транспорта (троллейбусные и автобусные остановки).

По этой методике нами были исследованы некоторые разно­

видности шлакового асфальтового бетона. Результаты одного

из испытаний, иллюстрирующие описанную методику, приведе­

ны в табл. 15. и на рис. 17Для приведенного образца величина остаточной деформа­

ции сдвига за время нагружения 2 сек. равна 0,05—0.07 мм.

По данным Б. А. Козловского, для устойчивого против сдви­ говых деформаций асфальтового бетона величина остаточной деформации должна быть до 0,07—0,08 мм.

Хотя само испытание по технике проведения эксперимента

не может считаться совершенным, принцип определения дефор­ мации сдвига заслуживает внимания.

Интересно отметить, что сопоставление графика накопле­ ния деформаций (полученного экспериментально) с графиком, основанным на теоретическом анализе (см. рис. 15), показы­ вает хорошую согласованность результатов.

93

Для характеристики деформационной устойчивости надо оп­ ределить деформации, развивающиеся в результате многократ­ ных нагружений (определенного, достаточно большого коли­

чества приложений нагрузки).

В последнее время получают распространение различные приборы, в которых может осуществляться периодическая на­ грузка образцов по заданной программе нагружения.

Определение вязкости асфальтового бетона. Полученные данные можно использовать для определения показателя вяз­ кости асфальтового бетона. Во всех случаях при испытании ас­ фальтового бетона на сдвиг через некоторое время после на­ гружения образца (в течение которого развиваются упругие и эластические деформации) наблюдается период вязкого те­

чения материала.

Этот период характеризуется постоянной скоростью нара­ стания деформации под действием постоянной нагрузки (пря­ мой участок диаграммы).

94

Воспользуемся ранее приведенным уравнением (3). При по­ стоянной нагрузке 6=const. Это уравнение принимает вид

можно легко определить т). Но так как при испытании на сдвиг

по описанной выше методике мы имеем дело не с чистым сдви­ гом, то и определяемую по этим показателям вязкость можно считать лишь условной. Для получения величины! истинной вяз­ кости должны быть применены данные, полученные при чистом,

сдвиге.

Для примера определим условную вязкость образца, резуль­ таты испытаний которого приведены в табл. 15 и на рис. 17. Из приведенного графика видно, что вязкое течение можно счи­

для других видов асфальтового бетона, в которых варьирова­ лись вязкость, количество битума и другие особенности смеси. Полученные данные показывают, что показатель условной вяз­

кости достаточно четко отражает особенности асфальтового бе­ тона.

ПРОЧНОСТЬ АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

Выше уже отмечалось, что деформации асфальтового бето­

на зависят не только от величины напряжений, но и от продол­

жительности их действия. Однако учет времени действия напря­

жений очень сильно затрудняет решение обычных задач. Поэтому очень часто пользуются предельными напряжениями, ко-

торые и характеризуют прочность асфальтового бетона. Пре­ дельными именуются напряжения, при которых нарушается сплошность материала.

95

Для не вполне пластичных тел наиболее приемлемой являет­ ся теория прочности Мора, которую на основании ряда работ

можно успешно применить и к асфальтовому бетону. Из указан­ ной теории следует, что до предела упругости сопротивление материала определяется только сцеплением его частиц между

собой. За пределом упругости (для асфальтового бетона это — наиболее широкая область его работы) сопротивление матери­ ала определяется не только сцеплением частиц, но и внутренним трением, возникающим между ними.

На основе теории Мора предельное сопротивление одноос­ ному сжатию и предельное сопротивление растяжению одно­ значно связаны с этими двумя параметрами и выражаются следующими зависимостями:

сопротивление сжатию

сопротивление растяжению

(15)

где: с — сцепление; <р — угол внутреннего трения.

Из этих зависимостей видно, что с увеличением оцепления увеличивается сопротивление растяжению и сопротивление

сжатию.

Выражение (14) для сопротивления сжатию можно преоб­

разовать

При малых .величинах угла внутреннего трения пренебре­

ление сжатию будет почти полностью определяться сцеплением. Отношение сопротивления сжатию к сопротивлению растя­

жения определяется выражением

■96

Угол внутреннего трения, а также и сцепление можно выра­ зить через сопротивление сжатию и растяжению зависимости

С точки зрения условий работы дорожного покрытия было бы правильней анализировать не сопротивление сжатию, а со­ противление вдавливанию штампа. Но и в этом, случае сопро­ тивление обусловлено этими же параметрами.

Рассмотрим, от каких же факторов зависят названные два параметра — сцепление и угол внутреннего трения,—которыми определяется прочность асфальтового бетона.

Общее сцепление системы, как уже было показано выше,

зависит в основном от вязкости исходного битума, соотноше­

ния битум — минеральный порошок, характера взаимодействия битума с минеральными материалами. Чем выше вязкость би­ тума (для битумов, полученных из однородного сырья), тем больше величина оцепления, а следовательно, и выше прочность асфальтового бетона. С увеличением количества битума сверх оптимального снижается величина сцепления.

На величину внутреннего трения асфальтового бетона ока­ зывают влияние гранулометрический состав минеральной смеси,

форма и характер поверхности минеральных частиц, а также количество битума. Любое увеличение количества битума при­

водит к снижению внутреннего трения.

Влияние количества битума на показатели внутреннего тре­ ния и сцепления асфальтового бетона иллюстрируется величи­ нами, приведенными в табл. 16 [по данным Л. Нижбоера (Гол­ ландия), полученным им на приборе трехосного сжатия]. Обра­ щают на себя внимание пониженные показатели сцепления во

всех случаях.

Характер изменений величин сцепления и трения хорошо

согласуется с результатами исследований, проведенных в Мос­ ковском автомобильно-дорожном институте кандидатом техни­ ческих наук Д. И. Ганджула. Указанными исследованиями была также выявлена зависимость величины сцепления от скорости деформирования. Как и следовало ожидать, сцепление сильно

снижается с уменьшением скорости деформирования, и наобо­ рот. Угол внутреннего трения мало зависит от скорости дефор­

мирования.

Если применить к данным табл. 16 полученное выше выра­ жение (15) или (14), то увидим, что при избытке битума (7%) прочность определяется главным образом величиной сцепления. Таким образом, при избыточном количестве битума величина

сцепления обусловлена главным образом когезионной прочно­ стью битума.

Прочность . асфальтового бетона однозначно связана, как

уже отмечалось, с величинами оцепления и внутреннего

трения.

Поэтому на прочность оказывают влияние те же факторы,

от которых зависят сцепление и трение.

Несмотря на наличие ряда работ в этой области зависимость сцепления и трения от различных факторов изучена недоста­ точно. Не выявлен и удельный вес каждой из этих величин в

показателе прочности различных видов асфальтового бетона. От­ части это объясняется тем, что экспериментальное определение

сцепления и трения (на приборе трехосного сжатия, по испы­ таниям на сдвиг и т. д.) является еще достаточно громоздким. Поэтому вместо этих показателей чаще определяют непосред­ ственно прочность асфальтового бетона (на сжатие или растя­ жение) .

Рассмотрим некоторые практические вопросы регулирования прочности асфальтового бетона и ее зависимость от некоторых факторов.

Для получения асфальтового бетона заданной прочности не­

обходимо соблюдение всех ранее изложенных требований, предъявляемых к свойствам составляющих материалов.

Надлежащее соотношение щебня, песка и минерального по­ рошка обеспечивает получение наиболее плотной минеральной смеси, а следовательно, и более прочного асфальтового бетона.

Правильно подобранное количественное соотношение биту­

ма и минеральных материалов способствует образованию таких

битумных слоев на поверхности минеральных частиц, которые придают асфальтовому бетону требуемую механическую проч­ ность.

Толщина битумных слоев (при одинаковой вязкости биту­ ма) зависит от соотношения между количеством битума и сум­

марной поверхностью минеральных частиц, а также от плотно­ сти смеси.

Влияние характера материалов и плотности подобранной

смеси. Выше уже отмечалось, что взаимодействие между ка­ менным материалом и битумом во многом определяет свой­ ства асфальтового бетона. Характер этого взаимодействия оказывает решающее влияние и на механическую прочность. Каменные материалы, полученные из карбонатных и основных

98