міністерство освіти і науки україни

національний транспортний університет

Іщенко Олексій Максимович

удк 625.02:625.852.061

Розробка методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мозговий Володимир Васильович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою дорожньо-будівельних матеріалів і хімії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савенко В’ячеслав Якович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою будівництва та експлуатації доріг.

кандидат технічних наук, ст. науковий співробітник

Вирожемський Валерій Костянтинович, Державний дорожній науково-дослідний інститут імені М.П.Шульгіна, зам. директора з наукової роботи.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг” Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 11.04.2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова 1, ауд. 333а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, України, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розіслано 10.03.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук О.П. Дзюба

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Асфальтобетонне покриття є найбільш розповсюдженим на штучних спорудах автомобільних доріг. Однак воно часто уражається поперечними тріщинами температурно-усадочного походження. Тріщини стають джерелом подальших руйнувань і призводять до передчасного виходу з ладу як самого покриття, так і елементів споруд. З утворенням тріщин поступово погіршується рівність покриття, знижується безпека і комфортність руху, збільшуються транспортні витрати і витрати на ремонт. Ремонт тріщин є складним, трудомістким і дорогим процесом, супроводжується значними матеріало- і енерговитратами. Причому, виконувані ремонтні заходи не завжди досягають бажаного результату по усуненню тріщин.

В той же час на практиці методи оцінки на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг з урахуванням коливань температури є недосконалими. Нормують лише окремі непрямі показники властивостей асфальтобетону без врахування параметрів температурного режиму, термореологічних властивостей матеріалів і ін. Відзначене вище свідчить про те, що наукова база забезпечення температурної тріщиностійкості при проектуванні, будівництві та експлуатації асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг розроблена недостатньо. Відсутність науково обґрунтованої методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття часто зумовлює передчасне утворення температурних тріщин і, як наслідок, зниження довговічності штучних споруд.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю вирішення важливої практичної задачі – підвищення довговічності асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг за рахунок забезпечення його температурної тріщиностійкості.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Розробка основ структурної теорії композитних дорожньо-будівельних матеріалів” (д/б № 8 РК 0100U002990).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення довговічності асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг завдяки розробці методики його розрахунку на температурну тріщиностійкість і на цій основі визначення ефективних заходів підвищення температурної тріщиностійкості покриття.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

· провести аналіз умов роботи і стану асфальтобетонного покриття на штучних спорудах автомобільних доріг;

· установити аналітичні залежності для визначення температурних напружень та граничного стану асфальтобетонного покриття в зоні між деформаційними швами залізобетонних прогонових будов та на основі цього розробити методику розрахунку покриття на температурну тріщиностійкість;

· визначити на основі експериментальних досліджень і чисельного аналізу характер температурного розтріскування асфальтобетонного покриття на штучних спорудах і установити закономірності його температурної тріщиностійкості;

· на підставі запропонованої методики розробити практичні рекомендації щодо підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.

Об’єкт дослідження – асфальтобетонне покриття дорожнього одягу штучних споруд автомобільних доріг.

Предмет дослідження – температурна тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.

Методи дослідження – загальна методологія дослідження базується на застосуванні експериментально-аналітичного підходу; методи експериментального визначення термомеханічних характеристик асфальтобетону та особливостей температурного розтріскування асфальтобетонного покриття, методи натурних обстежень асфальтобетонного покриття штучних споруд та аналітичний аналіз термонапруженого стану та температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше одержано аналітичні залежності для визначення температурних напружень в асфальтобетонному покритті на штучних спорудах автомобільних доріг з урахуванням особливостей їх температурного деформування та термореологічних властивостей;

· встановлені нові закономірності температурного розтріскування і забезпечення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.

· удосконалено умову граничного стану асфальтобетонного покриття за температурною тріщиностійкістю з урахуванням агресивної дії антиожеледних реагентів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг та рекомендації щодо підвищення його температурної тріщиностійкості.

Результати роботи використані: при розробці рекомендацій щодо проектування конструкцій дорожнього одягу проїзної частини мостів та шляхопроводів; при розробці складів асфальтобетону підвищеної температурної тріщиностійкості для покриття мостів та шляхопроводів; при розробці конструкцій дорожнього одягу з асфальтобетонним покриттям підвищеної температурної тріщиностійкості на штучних спорудах автомобільних доріг.

Особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей, 2 з них – одноосібно [1, 7]. У працях [2, 5] визначено заходи з підвищення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття за рахунок застосування синтетичних армуючих матеріалів. У праці [3] автором отримані результати, що дозволили вдосконалити метод визначення модуля пружності асфальтобетону при різних температурах і часу дії навантаження за допомогою маятникового приладу. У праці [4] автором поставлена задача про залежність термонапруженого стану асфальтобетонних шарів від термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону і виконано аналіз отриманих аналітичних залежностей. У праці [6] автором розроблена методика розрахунку термонапруженого стану асфальтобетонного покриття штучних споруд.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету №№ 56-58 в 2000-2002 рр.; ІІІ міжнародній науково-технічній конференції „АВІА-2001”, 24-26 квітня 2001 року, Київ, Україна; на міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві”, 24-26 жовтня 2001 року, Київ, Україна.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано сім друкованих робіт: 5–у фахових виданнях, 2 – тези доповідей у матеріалах науково-практичних конференцій.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 167 найменувань. Основний текст викладений на 123 сторінках. Текст ілюструється 32 рисунками, містить 19 таблиць і 5 додатків.

основний Зміст РОботи

У вступі викладено актуальність дисертаційної теми, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів та напрямки впровадження.

У першому розділі наведено аналіз існуючих підходів до оцінки температурної тріщиностійкості та методів розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд, зроблено аналіз існуючих вихідних положень про термореологічні властивості асфальтобетону, що відображають вплив температури на його температурну тріщиностійкість, обґрунтовано шляхи удосконалення існуючих методів оцінки температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд.

Дослідженню тріщиностійкості асфальтобетонного покриття присвячені роботи багатьох учених: І. Айзенмана, А.М.Богуславського, Ю.М.Васильева, В.А. Веренько, В.К. Вирожемського, Д.Б.Гезенцвея, Л.С.Губача, Гшвендта, В.А.Золотарьова, М.М.Іванова, П.Кендла, В.М.Кононова, О.Ю. Мерзлікіна, В.В. Мозгового, К.Моносміта, І.Полячека, Б.С. Радовського, І. Рамадана, А.В.Руденського, В.Я. Савенка, А.О.Саля, Д. Сібільські, Г.К.Сюньї, Л. Френкена, А. Шалбі та ін. Певна частина цих робіт присвячена, також температурній тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на основі з відмінним від покриття коефіцієнтом лінійного розширення. Однак, більшість цих робіт присвячена дослідженню асфальтобетонного покриття безпосередньо автомобільних доріг. Переважна кількість цих досліджень напрямлена на вирішення проблем відображених тріщин.

В багатьох роботах відмічено існування специфічних проблем при експлуатації дорожнього одягу з асфальтобетонним покриттям на штучних спорудах автомобільних доріг. Загальними питаннями вирішення проблеми забезпечення міцності, довговічності мостового полотна з асфальтобетонним покриттям на найбільш розповсюджених залізобетонних штучних спорудах займалися вчені: О.І. Васильєв, Д.Ю. Виноградський, В.К. Жданюк, В.М. Жихарєв, В.Г. Кваша, П.М. Ковальов, М.М. Корнєєв, А.І. Лантух-Лященко, Ч. Лі, Я.Д. Лівшиць, М.П. Лукін, Й.Й. Лучко, В.Б. Назаренко, В.Г. Піскунов, Ю.Д.Руденко, І.Д.Сахарова, Н.Є. Страхова, Г.К. Сюньї, Р.Томпсон, Г.Б. Фукс, В.І. Шестериков, О.А. Шкуратовський та ін. При цьому головним чином питаннями тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на мостах та шляхопроводах займалися в зоні деформаційних швів. Слід відмітити, що дослідженням температурної тріщиностійкості покриття в зоні між деформаційними швами майже не займалися. До останніх років існувало припущення про незначну вірогідність виникнення температурних тріщин в покритті на мостах та шляхопроводах і, як наслідок, не було розроблено жодного нормативного документу, який би давав можливість проектувати покриття з урахуванням температурної тріщиностійкості. Результатом цього, як свідчить літературний аналіз, є тріщиноутворення в покритті, яке призводить до подальших руйнувань і деформацій дорожнього одягу штучних споруд і як наслідок – до передчасного пошкодження елементів споруд. Також за рахунок впливу температурних тріщин та інших деформацій, що поступово виникають в зоні таких тріщин, суттєво знижується рівність покриття, що впливає на погіршення безпеки руху.

Таким чином, аналіз літературних джерел свідчить про те, що вивченню температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на штучних спорудах між деформаційними швами майже не приділялося уваги. Відсутня методика розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних залізобетонних споруд з урахуванням особливостей їх конструкцій, терміну його експлуатації, врахування процесів повзучості та усадки в прогонових будовах, а також з урахуванням термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону. Все це свідчить про необхідність розробки методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття з більш повним врахуванням особливостей його роботи на штучних спорудах автомобільних доріг.

Другий розділ присвячений вибору, обґрунтуванню і встановленню вихідних теоретичних положень для розробки методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття дорожнього одягу штучних споруд автомобільних доріг.

Для прогнозування температурних напружень розглядали розрахункову схему, що відображує особливості роботи асфальтобетонного покриття штучних споруд.

В розроблених розрахункових схемах розглянуті основні можливості невільного температурного скорочення довжини асфальтобетонного покриття на штучних спорудах в залежності від характеру зв’язку між ними. Враховуючи, що на практиці можуть зустрічатись різні випадки зв’язку між асфальтобетонним покриттям і прогоновою будовою, розглядаються найбільш вірогідні такі варіанти.

Варіант 1: асфальтобетонне покриття за рахунок надійної адгезії жорстко зчеплене з залізобетонною прогоновою будовою (рис. 1) і при зміні температури вони температурно деформуються спільно.

Рис. 1. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке зчеплене з основою із залізобетону:

l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) =l2(T1));

l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) =l2(T2));

l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні

Варіант 2: асфальтобетонне покриття при недостатній адгезії (неякісно виконані будівельні роботи, розшарування із-за “температурного відскоку” чи дії води та інше) зчеплене із залізобетонною прогоновою будовою і при зміні температури асфальтобетонне покриття за рахунок тертя частково спільно температурно деформується із залізобетонною прогоновою будовою (рис. 2).

Рис. 2. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке не повністю зчеплене з основою із залізобетону:

l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) = l2(T1));

l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) ? l2(T2));

l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні

Варіант 3: асфальтобетонне покриття при повній адгезії зв’язане з прогоновою будовою через податливий еластичний прошарок певної товщини (бітумно-полімерна ізоляція) і при зміні температури за рахунок податливості прошарку частково спільно температурно деформується із залізобетонною прогоновою будовою (рис. 3).

Рис. 3. Розрахункова схема асфальтобетонного покриття, яке не повністю зчеплене з основою із залізобетону:

l1(T1), l2(T1) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови до початку температурного скорочення (l1(T1) = l2(T1));

l1(T2), l2(T2) – довжина відповідно асфальтобетонного покриття та балки прогонової будови після температурного скорочення (l1(T2) ? l2(T2));

l1'(T2) – довжина асфальтобетонного покриття, яка б була при вільному температурному скороченні

Для розглянутих розрахункових схем з метою прогнозу температурного режиму з урахуванням річних та добових коливань з круговими частотами щр, щд, була використана бігармонічна залежність наступного виду

, (1)

де Тс – середня температура покриття; - середня амплітуда коливань температури покриття в річному циклі; - середня амплітуда коливань температури покриття в добовому циклі.

На основі (1) встановлені швидкості охолодження при річних kр та добових kд коливаннях температури.

В зв’язку з тим, що асфальтобетон є лінійним термореологічно простим матеріалом то температурні напруження в асфальтобетонному покритті встановлювали на основі теорії термо-в’язко-пружності.

Задача розв’язувалась в одновимірній постановці для температурних напружень уТх, що виникають у поздовжньому напрямку.

Для випадку, коли в’язкопружні властивості матеріалу покриття не змінюються при зміні температури (окремий випадок термо-в’язко-пружності), використовували інтегральне рівняння лінійної в’язко-пружності спадкоємного типу Больцмана-Вольтера виду

, (2)

де - функція релаксації асфальтобетону; t – час спостереження; - час, який передує моменту спостереження.

Функція релаксації представлена аналітичними виразами виду:

, (3) , (4)

де В, с, b, m, r, Н, В – деякі сталі параметри, що встановлюються експериментально.

При зміні температури зі сталою швидкістю охолодження для визначення температурних напружень з урахуванням (3) отримана залежність

, (5)

де л=1 (для першої розрахункової схеми); л= – коефіцієнт, що враховує тертя між асфальтобетонним покриттям та прогоновою будовою; ?= – коефіцієнт, що враховує наявність деформаційного прошарку на основі органічних в’яжучих; Е8, Е0 – відповідно довготривалий та миттєвий модулі пружності покриття; b – експериментальна стала; б1, б2 – відповідно коефіцієнт лінійного розширення асфальтобетону та цементобетону; k – швидкість охолодження покриття і основи.

При визначенні температурних напружень в покритті для термочутливих складів асфальтобетону як термореологічно простих матеріалів використовували температурно-часову суперпозицію, на підставі якої отримані аналітичні залежності для прогнозу температурних напружень в асфальтобетонному покритті для двох випадків коли температури в покритті і залізобетонній прогоновій будові змінюються майже однаково і неоднаково.

У загальному випадку роботи асфальтобетонного покриття на попередньо-напруженій залізобетонній прогоновій будові з урахуванням повзучості і усадки бетону під час його експлуатації та невільного горизонтального переміщення прогонових будов за рахунок тертя на опорах для визначення температурних напружень отримано залежність у вигляді

, (6)

де ; ;

; ; ;

Еб0 – миттєвий модуль пружності залізобетону; уб0 – початкове напруження в стиснутій зоні залізобетону, де проходять процеси повзучості; b0 –експериментально встановлене співвідношення між миттєвим і довготривалим модулями пружності залізобетону; г, р, А, В, А1, В1 – експериментальні сталі; еутах – максимальна деформація від усадки; кт – коефіцієнт, що враховує тертя прогонових будов на опорах; k1 – швидкість охолодження покриття; Т1- початкова температура охолодження покриття; Q – температура приведення.

Отримані залежності (5, 6) дають можливість прогнозувати температурні напруження в асфальтобетонному покритті штучних споруд автомобільних доріг в будь який час t з урахуванням термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону.

Для оцінки граничного стану асфальтобетонного покриття по температурній тріщиностійкості, було зроблено обґрунтування вибору умови граничного стану

, (7)

де МТ – міра небезпеки температурного розтріскування покриття; Стр – граничне значення показника температурної тріщиностійкості асфальтобетону; kож, – коефіцієнт, що відображає вплив агресивної дії антиожеледних реагентів встановлюється експериментально; гd – коефіцієнт умови роботи; гп – коефіцієнт надійності (залежить від класу відповідальності штучних споруд).

Для загального випадку роботи асфальтобетонного покриття з урахуванням встановленої закономірності зміни напружень уТ(t) згідно (6) для визначення показника МТ запропоновано залежність

, (8)

де Bф, bф - сталі, що у різній степені залежні від температури.

Для окремого випадку (5) залежність (8) набирає вигляду

(9)

Отримані залежності дозволяють виконувати розрахунки асфальтобетонного покриття штучних споруд на температурну тріщиностійкість з урахуванням термореологічних властивостей, параметрів температурного режиму та конструктивних особливостей.

Результати теоретичних досліджень дозволили запропонувати методику розрахунку асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг на температурну тріщиностійкість (рис. 4).

Третій розділ містить експериментальні дослідження та чисельний аналіз температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття у залежності від складу асфальтобетону та конструкції покриття на залізобетонних штучних спорудах. Наведено методики і результати натурних та лабораторних досліджень впливу температури на тріщиностійкість асфальтобетонного покриття.

Методологія натурних досліджень полягала у візуальному огляді асфальтобетонного покриття на штучних спорудах автомобільних доріг, у зборі, узагальненні та аналізі даних про утворення тріщин та стан покриття залізобетонних штучних споруд з асфальтобетонним покриттям на основі вивчення результатів їх огляду і обстеження відповідними спеціалізованими організаціями при ознайомленні із паспортами споруд, журналами оглядів, звітами обстежень та інших документів.

При візуальному огляді виявляли поперечні тріщини температурного походження, визначали їх геометричні розміри та відстані між ними, а також вивчали види деформацій і руйнувань та види ремонтів в районі температурних тріщини. Крім того, під час візуального огляду визначався характер просочення води крізь покриття та прогонову будову в зоні тріщин.

В характерних місцях відбиралися керни асфальтобетонного покриття та прогонової будови для проведення подальших лабораторних досліджень.

Проведені дослідження температурного розтріскування асфальтобетонного покриття штучних залізобетонних споруд дозволили систематизувати негативний вплив тріщин в асфальтобетонному покритті на стан елементів штучних споруд. Крім того, отримані дані натурних досліджень дозволили виявити кінетику температурного тріщиноутворення в асфальтобетонному покритті та встановити характерні особливості розвитку руйнувань в асфальтобетонному покритті на штучних спорудах (рис. 5, 6).

Рис. 5. Характер зміни у часі середньої ширини розкриття температурних

тріщини в асфальтобетонному покритті штучних споруд

Рис. 6. Характер зміни у часі середньої відстані між температурними тріщинами в

асфальтобетонному покритті штучних споруд

Результати лабораторних досліджень дали можливість визначити шляхи підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на штучних спорудах за рахунок цілеспрямованого конструювання дорожнього одягу, оптимального вибору сучасних дорожньо-будівельних матеріалів (армуючі сітки, полімерасфальтобетон тощо).

На основі результатів лабораторних та аналітичних досліджень встановлені термомеханічні характеристики асфальтобетону, що необхідні для виконання розрахунків покриття на температурну тріщиностійкість.

За результатами експериментів була проведена оцінка адекватності теоретичних положень співставленням теоретичних обчислень граничних напружень уТтеор і часу до руйнування tртеор з експериментальними уТексп, tрексп при випробуванні зразків асфальтобетонного та полімерасфальтобетонного покриття на бетонній плиті, при циклічному охолодженні, згідно першої розрахункової схеми (рис. 1). Випробування полягали у перевірці впливу цементобетонної плити на довговічність та міцність асфальтобетонного покриття при коливанні температури. З цією метою готували зразки-композиції „асфальтобетон+цементобетон” (рис. 7) і піддавали їх циклічному (рис. 8) охолодженню (охолоджували від +120С до -200С із швидкістю 3 0С/год).

Рис. 7. Схема конструкції зразка „асфальтобетон+цементобетон”

Рис. 8. Схема температурного режиму випробування

зразків „асфальтобетон+цементобетон”

Після дії встановленої кількості циклів відокремлювали асфальтобетонну частину і випробовували

таким чином отримані зразки на міцність при постійній швидкості наростання навантаження (Vу=const).

Результати визначення граничних температурних напружень та часу до руйнування зразків асфальтобетону та полімерасфальтобетону в залежності від кількості циклів охолодження наведені в табл. 1. Вони свідчать, що результати експериментальних випробувань підтверджують теоретичні розрахунки.

Таблиця 1

Результати дослідження тріщиностійкості асфальтобетону

Кількість циклів | Час до руйнування експер., tpeксп , с | Граничне напруження експер., уексп, (при Т=12 0С, Vу=0,37 МПа/с), МПа | Час до руйнування теор. tpт, с | Граничне напруження теор., утеор, (при Т=12 0С, Vу=0,37 МПа/с), МПа | ду, % | 0 | 20 | 6,509 | 19 | 6,183 | 5,27 | 3 | 29885 | 4,882 | 29884 | 4,556 | 7,16 | 6 | 62397 | 2,029 | 62396 | 2,603 | -22,05 | 0 | 26 | 8,461 | 25 | 8,136 | 3,99 | 3 | 29901 | 6,834 | 29900 | 6,509 | 4,99 | 6 | 62402 | 4,556 | 62401 | 4,231 | 7,68 |

Чисельний аналіз проводився з метою встановлення основних закономірностей залежності температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на штучних спорудах від впливу температури, кліматичних та матеріалознавчих факторів. Вплив факторів оцінювали за допомогою аналізу термонапруженого та граничного станів асфальтобетонного покриття на основі отриманих аналітичних залежностей в другому розділі.

Аналіз температурних напружень уТ(t, T) для першої розрахункової схеми (рис. 1) в покритті із асфальтобетону та полімерасфальтобетону показав, що зі зменшенням температури Т зі сталою швидкістю k напруження збільшуються із поступовим нарощенням темпу. Отримані результати свідчать, що рівень температурних напружень суттєво залежить від: початкової температури охолодження Т0 (пори року), швидкості охолодження k (кліматичного району), виду асфальтобетону, його пористості, кількості бітуму тощо.

Так, при охолоджені покриття із асфальтобетону та полімерасфальтобетону із швидкістю 3 0С/год (рис. 9, 10) при різних початкових температурах (Т0=+80С, 00С, -80С) спостерігається наступне: незалежно від виду асфальтобетону при малих швидкостях охолодження покриття зміна температурних напружень в часі при початковій температурі +80С відбувалася майже лінійно, при більш низьких температурах ця зміна мала нелінійний характер.

Вплив початкової температури на зміну температурних напружень після 1-2 годин охолодження майже не відбувається, вже через 4-5 годин від початку охолодження відношення ?То(-8)/уТо (0)/уТо (+8)=1,5-1,6 рази, а після 12 годин охолодження уТо(-8)/уТо (0)/уТо (+8)=1,8-2,0 рази. Такі співвідношення температурних напружень характерні для однакової зміни швидкості охолодження при розгляді як асфальтобетону, так і полімерасфальтобетону.

Рис. 9. Зміна температурних напружень з часом в покритті (асфальтобетон, типу Г)

при різних початкових температурах охолодження (k=3 0С/год).

Рис. 10. Зміна температурних напружень з часом в покритті (полімерасфальтобетон типу Г

при різних початкових температурах охолодження (k=3 0С/год).

При порівнянні температурних напружень в асфальтобетонному та полімерасфальтобетонному покритті можна констатувати, що наявність полімеру в асфальтобетоні сприяє зменшенню температурних напружень. Так, при k=3 0С/год після 12 годин охолодження ?а/бТо(-8)/упа/бТо(-8)=3,5-3,7, уа/бТо(0)/упа/бТо(0)=2,7-3,0, уа/бТо(+8)/упа/бТо(+8)=2,1-2,3. Результати свідчать, що використання полімерасфальтобетону дозволяє зменшити температурні напруження в покритті, тобто підвищити температурну тріщиностійкість. Особливо цей ефект відчутний при нижчих початкових температурах охолодження, тобто в північних областях України.

Для більш повного визначення впливу зміни температури на виникнення температурних тріщин в покритті на протязі року та його довговічність з урахуванням добових та річних коливань розглянемо реальну конструкцію дорожнього одягу мостового полотна Південного мостового переходу в м. Києві (рис. 11).

Рис. 11. Конструкції дорожнього одягу мостового полотна Південного

мостового переходу в м. Києві: а – основна конструкція дорожнього одягу;

б – конструкція дорожнього одягу на відремонтованих ділянках за розробленими рекомендаціями на основі дисертаційних досліджень

Для визначення добових і річних напружень та міри пошкодження користувалися теоретичними залежностями, отриманими в другому розділі. Результати визначення міри пошкодженості асфальтобетонного покриття від дії температурних напружень для розглянутих конструкцій (рис 11 ) наведені на рис. 12. Вони свідчать про більш швидке накопичення

Рис. 12. Міра пошкодженості асфальтобетону за рік на прикладі

кліматичних умов м. Києва

пошкодженості в покритті із традиційного асфальтобетону в порівнянні з покриттям із полімерасфальтобетону.

Результати чисельного аналізу підтверджують доцільність використання полімерасфальтобетону в покритті, використання якого призводить до значного підвищення його температурної тріщиностійкості на штучних спорудах.

Проведений числовий аналіз також свідчить про можливість підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття при застосуванні в його конструкції армуючих синтетичних сіток.

Четвертий розділ присвячений практичним розробкам і впровадженню результатів досліджень. Розроблена методика розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг та проведені дослідження дозволили виділити найбільш раціональні прийоми забезпечення і підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття. Вони розділені на дві основні групи: матеріалознавчо-технологічні – спрямовані на регулювання складу і властивостей асфальтобетону з метою підвищення температурної тріщиностійкості; конструктивні – спрямовані на раціональне конструювання дорожнього одягу штучних спорудах із асфальтобетонним покриттям з метою підвищення стійкості до сприйняття розтягуючих напружень асфальтобетонним покриттям. Були розроблені і впроваджені рекомендації для підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття на штучних спорудах, що направлені на підбір складу асфальтобетону і конструювання дорожнього одягу з асфальтобетонним покриттям.

Результати дисертаційних досліджень впроваджені при проектуванні та улаштуванні дорожнього одягу мостового полотна транспортних розв’язок об’їзду м. Бровари; при ремонті асфальтобетонного покриття мостового полотна естакадної частини Південного мостового переходу через р. Дніпро в м. Києві та ін.

Висновки

1. Аналіз літературних джерел, практичний досвід експлуатації асфальтобетонного покриття на штучних спорудах показує, що для забезпечення температурної тріщиностійкості штучних споруд застосовують підходи такі ж самі, як і для автомобільних доріг. Методики розрахунку асфальтобетонного покриття на температурну тріщиностійкості з урахуванням особливостей температурного режиму і деформування прогонів штучних залізобетонних споруд відсутні.

2. Розроблено розрахункові схеми і обґрунтовано нові аналітичні залежності для визначення горизонтальних розтягуючих температурних напружень, що можуть викликати розтріскування асфальтобетонного покриття дорожнього одягу на штучних залізобетонних споруд між деформаційними швами прогонових будов. Аналітичні залежності, отримані на основі теорії термо-в’язко-пружності, дозволяють визначити температурні напруження, що змінюються з часом, з урахуванням коливання температури покриття в річному та добовому циклах. Для визначення напруженого стану використовували функцію релаксації та функцію температурно-часової аналогії з параметрами, що встановлюються експериментально. На основі отриманих залежностей встановлено циклічна закономірність зміни температурних напружень, рівень яких збільшується із зниженням температури. На основі теоретичних положень розроблена методика розрахунку асфальтобетонного покриття штучних споруд на температурну тріщиностійкість.

3. Удосконалено умову граничного стану асфальтобетонного покриття за температурною тріщиностійкістю на залізобетонних штучних спорудах на підставі положень кінетичної теорії міцності твердих тіл з урахуванням впливу агресивного середовища. На основі поняття міри небезпеки температурного розтріскування МТ наведено обґрунтування вибору умови граничного стану та функції довговічності. В залежності від рівня температурних напружень значення МТ з часом збільшується поступово до досягнення свого граничного стану або раптово.

4. На підставі натурних і лабораторних досліджень встановлені закономірності розтріскування асфальтобетонного покриття на різних конструкціях дорожнього одягу штучних залізобетонних споруд в залежності від виду асфальтобетону, визначені деформаційні і міцнісні характеристики досліджуваних складів асфальтобетону, перевірна адекватність теоретичних положень.

На основі чисельного аналізу встановлено і доведено можливість підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття за рахунок застосування полімерасфальтобетону, армуючих матеріалів та раціонального конструювання дорожнього одягу.

5. Розроблено алгоритм і впроваджено результати методики розрахунку асфальтобетонного покриття на температурну тріщиностійкість та розроблені рекомендації щодо її підвищення на мостовому полотні штучних залізобетонних споруд.

Результати дисертаційних досліджень впровадженні при влаштуванні асфальтобетонного покриття транспортних розв’язок об’їзду м. Бровари та здійсненні ремонтів асфальтобетонного покриття мостового полотна естакадної частини Південного мостового переходу через р. Дніпро в м. Києві.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Іщенко О.М. Вплив стану дорожнього покриття мостів, естакад та шляхопроводів на безпеку руху // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний збірник, №4 (5), 1999.– С.67-71.

2. Бесараб А.Н., Ищенко А.М. Опыт использования синтетической сетки Хателит-С для армирования асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов Украины // ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція (Авіа-2001), том 1.– Київ, 2001. – С.14.47-14.49.

3. Іщенко О.М., Кирись Л.О., Мозговий В.В., Шевчук О.О. Дослідження приладу маятникового типу для визначення модуля пружності асфальтобетону // Наукові праці семінару Сучасні проблеми проектування будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення. – Київ, 2000. – С.62-64.

4. Мозговий В.В., Шевчук В.Р., Шевчук О.О., Іщенко О.М. Залежність термо-напруженого стану асфальтобетонних шарів від термо-в’язко-пружних властивостей асфальтобетону // Автошляховик України (спецвипуск)./ 1999.-С. 71-72.

5. Мозговий В.В., Іщенко О.М. Бесараб О.М., Прудкий О.В. Вплив параметрів технології армуванні асфальтобетону армуючими сітками на його механічні властивості // Вісник ХНАДУ, №19, 2002.– С.132-135.

6. Мозговий В.В., Іщенко О.М. Бесараб О.М., Ольшанський В.В., Прокопенко Ю.М. Термонапружений стан покриття проїзної частини залізобетонних мостів та шляхопроводів // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво, 2002, випуск 65. – Київ, Національний транспортний університет, 2002. – С.68-80.

7. Іщенко О.М. Температурні напруження в асфальтобетонному покритті// Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний збірник, №2 (13), 2002.– С.18-20.

Анотація

Іщенко О.М. Розробка методики розрахунку на температурну тріщиностійкість асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – автомобільні шляхи та аеродроми.–Національний транспортний університет, Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню питання забезпечення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття дорожнього одягу штучних споруд автомобільних доріг. Температурна тріщиностійкість асфальтобетонного покриття розглядається в зоні між деформаційними швами на найбільш розповсюджених залізобетонних елементах прогонових будов штучних залізобетонних споруд. На основі аналізу умов експлуатації розроблені розрахункові схеми роботи асфальтобетонного покриття, що враховують основні конструктивні особливості дорожнього одягу штучних споруд, їх закономірності температурного деформування, а також відображають характер температурного режиму асфальтобетонного покриття і залізобетонних елементів. Для розроблених розрахункових схем установлені аналітичні залежності для визначення температурних напружень та граничного стану асфальтобетонного покриття при коливаннях температури в річному та добовому циклах. Аналітичні залежності отримані з урахуванням термореологічних властивостей асфальтобетону. Виконані теоретичні дослідження були покладені в основу для розробки методики розрахунку асфальтобетонного покриття штучних споруд на температурну тріщиностійкість.

На основі експериментальних досліджень і числового аналізу показана достовірність теоретичних положень і зроблений аналіз температурного розтріскування асфальтобетонного покриття та встановлені закономірності забезпечення його температурної тріщиностійкості. За розробленою методикою проведено розрахунки і розроблені практичні рекомендації підвищення температурної тріщиностійкості асфальтобетонного покриття штучних споруд автомобільних доріг.

Ключові слова: температурна тріщиностійкість, асфальтобетонне покриття штучних споруд, дорожній одяг штучних споруд, термореологічні характеристики, термонапружений стан, граничний стан, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Ищенко А.М. Разработка методики расчета на температурную трещиностойкость асфальтобетонного покрытия искусственных сооружений автомобильных дорог. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 – автомобильные дороги и аэродромы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена решению проблемы обеспечения температурной трещиностойкости асфальтобетонного покрытия дорожной одежды искусственных сооружений автомобильных дорог. Температурная трещиностойкость асфальтобетонного покрытия рассматривается в зоне между деформационными швами на наиболее распространенных железобетонных элементах пролетных строений искусственных железобетонных сооружений. На основании анализа условий эксплуатации разработаны расчетные схемы работы асфальтобетонного покрытия, учитывающие основные конструктивные особенности дорожной одежды искусственных сооружений, закономерности температурного деформирования, а также отображают характер температурного режима асфальтобетонного покрытия и железобетонных элементов. Для разработки расчетных схем установлены аналитические зависимости для определения температурных напряжений и предельного состояния асфальтобетонного покрытия при колебаниях температуры в годовом и суточном циклах. Аналитические зависимости получены с учетом термо-реологических свойств асфальтобетона. Для определения напряженного состояния преимущественно использовалась функция релаксации в виде модифицированного степенного закона и функции температурно-временной аналогии в виде экспоненциальной зависимости. Разработан метод оценки температурной трещиностойкости асфальтобетонного покрытия. Для оценки предельного состояния асфальтобетонного покрытия по температурной трещиностойкости, основываясь на положениях кинетической теории прочности твердых тел, было сделано обоснование выбора условия предельного состояния и функции долговечности. Полученные условия предельного состояния, которые описывают температурное растрескивание асфальтобетонного покрытия дорожной одежды искусственных сооружений автомобильных дорог. Выполненные теоретические исследования были положены в основу для разработки методики расчета асфальтобетонного покрытия искусственных сооружений на температурную трещиностойкость.

На основании экспериментальных исследований и численного анализа показана достоверность теоретических положений и выполнен анализ температурного растрескивания асфальтобетонного покрытия и установлены закономерности обеспечения его температурной трещиностойкости. По разработанной методике проведены расчеты и даны практические рекомендации по повышению температурной трещиностойкости асфальтобетонного покрытия искусственных сооружений автомобильных дорог. Результаты диссертационных исследований использовались при проектировании капитального ремонта дорожной одежды транспортных развязок объезда г. Бровары; при ремонте асфальтобетонного покрытия эстакадной части Южного мостового перехода через р. Днепр в г. Киеве.

Ключевые слова: температурная трещиностойкость, асфальтобетонное покрытие искусственных сооружений, дорожная одежда искусственных сооружений, термореологические характеристики, термонапряженное состояние, предельное состояние, долговечность.

Abstract

Ischenko O.M. Development of a technique of account on temperature stability from cracks of asphalt concrete of artificial features of roads. – Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical science speciality 05.22.11 – Roads and Aerodromes. - National Transport University, Kiev, 2003.

Thesis is devoted to temperature cracking resistance of pavement on highway artificial constructions and ways of ensuring it. Temperature cracking resistance of asphalt-concrete surfacing is considered in a zone lying bitween deformed joints on the most widespread Ferro-concrete elements running units of artificial Ferro-concrete constructions. On the basis of road maintenance analysis calculating schemes of asphalt-concrete surfacing operation have been developed. These schemes take into account main constructive features of artificial construction pavement as well as the regularity of temperature deformation. Also they reflect the temperature regime nature of asphalt-concrete surfacing and Ferro-concrete elements. Analytical dependences on determination of thermal stresses and borderline state of asphalt-concrete surfacing under variations in temperature in annual and daily cycles have been obtained. Theoretical researches have been used as a basis for the development of calculation methodic of asphalt-concrete surfacing artificial construction on temperature cracking resistance.

Based on experimental researches and numerical analysis the reliability of theoretical principles have been shown. Temperature cracking analysis of asphalt-concrete surface has been made and regularities of ensuring its temperature cracking resistance have been determined. Bases on this methodics the calculations have been carried aut and practical recommendations for temperature cracking resistance of artificial constructions asphalt-concrete surfacing for highways have been developed.

Key words: temperature cracking resistance, asphalt-concrete surface of artificial constructions, artificial construction pavement, thermorheological properties, thermal stress state, borderline state, longevity.