ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО - ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

БЕЗБАБІЧЕВА ОЛЬГА ІЛЛІВНА

УДК 625.02:625.825.061

УДОСКОНАЛЕННЯ ГІДРОІЗОЛЯЦІЇ ПРОІЗНОЇ ЧАСТИНИ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ МОСТІВ НА АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРОГАХ

05.22.11 –Автомобільні шляхи та аеродроми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Жданюк Валерій Кузьмович,

Харківський національний автомобільно – дорожній університет, завідувач кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савенко Вґ?чеслав Якович,

Національний транспортний університет (м. Київ), завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг;

кандидат технічних наук, доцент

Батракова Анжеліка Геннадіївна,

Харківський національний автомобільно – дорожній університет, доцент кафедри вишукувань та проектування автомобільних доріг.

Провідна установа: Харківська національна академія міського

господарства Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “ 26 ” жовтня 2005 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно - дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий ” 25 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент І.В. Кіяшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Гідроізоляція прольотних будов автодорожніх мостів, яка призначається для довгострокового захисту несучих конструкцій від проникнення вологи, є одним з найменш довговічних елементів мостових споруд. Ремонт і відновлення гідроізоляції потребують значних матеріальних та трудових витрат, пов’язаних з видаленням пошкоджених шарів дорожнього одягу і з обмеженням руху по споруді в період ремонту. Критерії вибору матеріалів для гідроізоляції мостів, які пропонуються в сучасній науково-технічній і нормативній літературі, не враховують комплексного впливу зовнішніх факторів на гідроізоляцію мостів на етапі улаштування та експлуатації дорожнього одягу. Відсутність науково обґрунтованого підходу до призначення гідроізоляційного матеріалу і конструкції гідроізоляції з урахуванням особливостей технології ії улаштування і експлуатації всіх шарів дорожнього одягу в багатьох випадках є причиною передчасної відмови гідроізоляції і зниження довговічності несучих елементів мостів.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю підвищення довговічності гідроізоляції мостів і шляхопроводів на автомобільних дорогах шляхом удосконалення методики вибору гідроізоляційного матеріалу на етапі проектування споруди з урахуванням особливостей технології улаштування і експлуатації гідроізоляції та шарів дорожнього одягу в цілому.

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

Робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України (розділ „Мости”) на 2002 та 2004 р. в рамках таких робіт: „Розробка збірника сучасних конструктивних і технологічних рішень мостового полотна із ефективними варіантами гідроізоляційного захисту для мостів і шляхопроводів на автомобільних дорогах”, „Розробити рекомендації по улаштуванню покриття та гідроізоляції тротуарів мостів”, „Розробити ВБН „Проектування та влаштування гідроізоляції залізобетонних мостових споруд”” (номери держреєстрації відповідно 0102U004123; 0102U004122; 0103U004599), госпдоговірних науково-дослідних робіт Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за темами: „Разработать технологию устройства гидроизоляции пролетного строения и деформационных швов при реконструкции мостового перехода на отм. 99 м. Днестровской ГЭС”, „Обследование путепровода через железнодорожные пути а/д Киев- Харьков - Довжанский км.483-347 в

г. Харькове Пятихатского ДЭУ. Разработка технических решений по дальнейшей эксплуатации сооружения” (номери держреєстрації 0104U005541; 0105U004117).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні проектування надійного гідроізоляційного захисту залізобетонних мостів з урахуванням технологічних особливостей улаштування шарів гідроізоляції і дорожнього одягу.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі:

– виконати аналіз існуючих конструктивних рішень гідроізоляції прольотних будов залізобетонних мостів та особливостей їх роботи у експлуатаційних умовах;

– розробити модель впливу тимчасового рухомого навантаження на напружено-деформований стан шару гідроізоляції і дорожнього одягу мосту;

– розробити математичну модель теплового впливу на шар гідроізоляції при улаштуванні захисних шарів і шарів покриття з асфальтобетонних сумішей та програмного забезпечення її реалізації;

– обґрунтувати вимоги до гідроізоляційних матеріалів виходячи з техно-логічних особливостей улаштування гідроізоляції;

– виконати експериментальні дослідження бітумно-полімерних гідро-ізоляційних мастик з метою підвищення показників теплостійкості і холодостійкості;

– здійснити виробничу перевірку результатів дослідження.

Об’єкт дослідження – гідроізоляція прольотних будов автодорожніх мостів та шляхопроводів.

Предмет дослідження – зовнішні технологічні та експлуатаційні впливи на гідроізоляцію.

Методи дослідження – у роботі використовувались метод натурних обстежень шарів гідроізоляції та дорожнього одягу на мостах, аналітичний метод, методи чисельного аналізу, методи експериментального дослідження фізико-механічних властивостей гідроізоляційних матеріалів, методи статистичної обробки результатів експериментальних досліджень, методи оцінки економічної ефективності.

Наукова новизна отриманих результатів–

доповнені уявлення про напружено-деформований стан шару гідро-ізо-ля-ції у конструкції дорожнього одягу на залізобетонних мостах, запропоновано модель та методику визначення поля відносних деформацій і поля напружень у шарі гідроізоляції від впливу тимчасових і постійних навантажень з урахуванням температурних градієнтів;

– вперше отримані аналітичні залежності для визначення величини та тривалості теплового впливу на гідроізоляційний матеріал при улаштуванні захисних шарів та шарів покриття із гарячих та литих асфальтобетонних сумішей з урахуванням змінних теплофізичних характеристик матеріалів;

– вперше встановлені залежності зміни температури шару гідроізоляції у часі при укладанні гарячих та литих асфальтобетонних сумішей як захисного шару та шару покриття з урахуванням їх товщини та початкової температури;

– вдосконалено обґрунтування вимог до показників властивостей гідроізоляційних матеріалів з урахуванням конструктивних та технологічних особливостей улаштування гідроізоляційного захисту залізобетонних прогонових будов мостів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено алгоритм та програму автоматизованого розрахунку, які дозволяють здійснювати інженерні розрахунки величини критерію технологічної теплостійкості гідроізоляційного матеріалу на основі конструктивно-матеріалознавчо-технологічних факторів. Обґрунтовані принципи призначення гідроізоляційних матеріалів при проектуванні та ремонті мостових споруд, що знайшли відображення у нормативних документах:

П-Г.1-218-113-97 „Технічні правила ремонту та утримання автомобільних доріг загального користування України” та ВБН В.2.3-218-197-2005 „Споруди транспорту. Проектування та влаштування гідроізоляції залізобетонних мостових споруд”.

Положення дисертаційної роботи застосовувались у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті в дипломному проектуванні. Результати ро--бо--ти були реалізовані при розробці альбому „Збірник сучасних конструктивних і тех--нологічних рішень мостового полотна автодорожніх мостів” (Укравтодор, 2002 р.); обґрунтуванні технології улаштування бітумно-полімерної гідроізоляції при ремонті Нетеченського мосту в м. Харкові (2001 р.); розробці технологічного регламенту „Устройство гидроизоляции пролетного строения мостового перехода на отм. 99 м. Днестровской ГЭС с использованием современных материалов” (2003 р.); технологічному супроводі улаштування гідроізоляції прогонової будови мосту через р. Хотомля біля с. Дорошенкове (2001 р.).

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить наукові результати, які були отримані особисто дисертантом. В наукових публікаціях із співавторами [1-9, 11, 13-15] особистий внесок здобувача полягає в проведенні аналізу та систематизації дефектів проїзної частини за результатами обстежень мостів з оцінкою впливу окремих дефектів на термін служби прольотних будов [1]; здійсненні експериментальних досліджень впливу товщини бітумно-полімерних мастик на показник гнучкості [2]; в розробці алгоритму розрахунку температурних полів в багатошарових конструкціях дорожніх одягів [3]; в запропонуванні конструктивних рішень для елементів проїзної частини мостів із застосуванням бітумно-полімерних матеріалів [4]; встановленні необхідності комплексного вирішення питань проектування, будівництва та експлуатації для забезпечення надійного гідроізоляційного захисту споруди [5, 11]; в запропонуванні технологічних рішень, що дозволяють зменшити тепловий вплив на матеріал гідроізоляції при улаштуванні покриттів з гарячих або литих асфальтобетонних сумішей [6]; в експериментальному підтвердженні можливості використання наповнювача з базальтового волокна для поліпшення експлуатаційних властивостей гідроізоляційних бітумно-полімерних мастик [7]; виконанні розрахунків напружено- деформованого стану шару гідроізоляції прольотних будов мостів масового будівництва [8]; у виконанні досліджень з визначення напружень в гідроізоляції при одночасній дії тимчасових навантажень і перепадів температури [9]; у виконанні експериментальних досліджень впливу базальтової фібри на теплостійкість гідроізоляційних бітумно-полімерних мастик [13]; в проведенні досліджень адгезійної міцності гідроізоляційної бітумно-полімерної мастики [14]; у

виконанні чисельного аналізу температурних полів в шарі гідроізоляції при улаштуванні покриття з гарячої асфальтобетонної суміші [15].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: „Автомобільний транспорт і дорожнє господарство на рубежі 3-го тисячоріччя” (Харків, 2000 р.); „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.); „Trafic effects on structures and environment” (Ражецьке Теплице, Словацька Республіка, 2002 р.); „Досвід і проблеми сучасного розвитку дорожнього комплексу України на етапі входження в Європейське співтовариство”(Харків, 2002 р.); „Durable and safe road pavements” (Кельце, Польща, 2004 р.); науково-технічних конференціях „Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР” (Владимир, 1986 г.); „Достижения ученых - народному хозяйству” (Харків, 1990 р.); науковому семінарі молодих вчених та аспірантів „Сучасні технології та матеріали для будівництва і експлуатації автомобільних доріг” (Харків, 2004 р.); міжгалузевому науково-практичному семінарі „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (Київ, 2004 р.); щорічних науково-методичних сесіях ХНАДУ (2002-2005 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень опубліковано у 15 статтях в наукових фахових виданнях, у тому числі 7 статей у виданнях за переліком ВАК України і 8 доповідей в матеріалах науково - технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків і додатків. Повний обсяг роботи складає 150 сторінок, з них 110 сторінок основного тексту, 53 рисунки, 9 таблиць, список використаних джерел із 179 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраного напрямку роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналіз стану і особливостей роботи гідроізоляції і шарів дорожнього одягу на мостах і шляхопроводах, які знаходяться в експлуатації. Виконано огляд гідроізоляційних матеріалів і існуючих конструктивних та технологічних рішень з їх застосування при улаштуванні гідроізоляційного захисту прогонових будов залізобетонних автодорожніх мостів.

Дослідженню впливу зовнішніх факторів на шари дорожнього одягу мостів, розробці нових конструктивних рішень гідроізоляції, створенню нових гідроізоляційних матеріалів і технологій присвячені роботи В.І. Братчуна, А.І. Васильєва, Є.Б. Васильєва, С.Л. Вейцмана, Д.Ю. Виноградського, Л.М. Гохмана, С.Г. Джигіта, В.К. Жданюка, Я.Ю. Зайчика, Л.В. Захарова, Н.І. Калашникова, В.Г. Кваши, С.М. Коваленко, П.М. Ковальова, П.М. Коваля, А.І. Лантух-Лященко, Я.Д. Лівшиця, М.П. Лукіна, В.В. Мозгового, Л.І. Мещерякова, Б.П. Назаренко, В.Б. Назаренко, Я.М. Новікова, М.В. Пахомова, С.М. Попченко, С.Л. Рутгайзера, В.Я. Савенка, Ю.Н. Саканського, І.Д. Сахарової, М.В. Стабнікова, М.І. Шейнцвита, В.І. Шестерикова, О.О. Шкуратовського, Г.Б. Фукса та інших вчених.

Найбільш розповсюдженими матеріалами для гідроізоляції мостів є матеріали на бітумній основі, особливо, модифіковані полімерами. Введення наповнювачів до складу гідроізоляційних матеріалів на основі бітумів спрямовано на поліпшення їх основних властивостей та зниження собівартості мастикового або рулонного матеріалу. Проте, залишається недостатньо вивченою можливість регулювання властивостей в напрямку одночасного збільшення теплостійкості при високих температурах та деформативності при від’ємних температурах.

Гідроізоляційні матеріали в більшості конструкцій дорожніх одягів мостів працюють сумісно з іншими шарами – вирівнюючим, захисним та шарами покриття. Разом з тим, до теперішнього часу не запропонована розра-хункова модель дослідження напружено - деформованого стану шару гідроізоляції мостів, яка б враховувала одночасну дію на неї рухомого навантаження і від’ємних температур.

Огляд результатів виконаних досліджень з підвищення довговічності гідроізоляційного захисту залізобетонних мостів приводить до висновку, що на етапі проектування мостових споруд або при виконанні проектів ремонту проїзної частини при призначенні гідроізоляційного матеріалу недостатньо ураховуються особливості технології укладання шару ізоляції та його захисту.

У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень щодо розробки моделі напружено-деформованого стану шару гідроізоляції і дорожнього одягу мосту при одночасній дії тимчасового рухомого навантаження та від'ємних температур, а також математичної моделі процесу теплового впливу на шар гідроізоляції при улаштуванні зверху нього захисного шару та покриттів із гарячих асфальтобетонних сумішей.

Для дослідження напружено-деформованого стану гідроізоляції була розроблена розрахункова схема сумісної роботи гідроізоляції та шарів дорожнього одягу з прольотною будовою мосту (рис. 1). При виборі розрахункової схеми виходили з умови, що шар гідроізоляції працює сумісно з прольотною будовою та деформується як під впливом тимчасового рухомого навантаження, так і при коливаннях температури навколишнього середовища.

е г = е пл

Рис. 1 Схема сумісної роботи елементів дорожнього одягу з прольотною будовою мосту

Розрахунок зусиль, напружень та деформацій в рівні верху залізобетонної плити, які виникають від впливу рухомих навантажень для бездіафрагмових балкових прольотних будов, реалізовувався енергетичним методом та методом кінцевих елементів. При вивченні напружено-деформованого стану шару гідроізоляції реалізована можливість врахування одночасної дії тимчасового навантаження і перепаду від’ємних температур.

Для встановлення закономірностей розподілу температур у шарах дорожнього одягу на мостах при зміні температури довкілля, а також у шарі гідроізоляції, при улаштуванні захисного шару з різних за показником теплопровідності матеріалів та шарів покриття із гарячих щільних та литих асфальтобетонних сумішей, запропонована математична модель з визначення температурних полів в шарах конструкції, яка базується на рівняннях теорії теплопередачі. При цьому введені припущення, що матеріали у кожному шарі дорожнього одягу однорідні та ізотропні; температура кожного шару в початковий момент часу постійна; температура шарів до укладання асфальтобетонної суміші однакова з температурою довкілля.

Для визначення температури у верхньому шарі конструкції дорожнього одягу, при відсутності внутрішніх джерел тепла, застосоване відоме рівняння теплопередачі:

, (1)

де T – температура в точці шару, ОС; – час, с; – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м ОС); с – теплоємкість матеріалу, Дж/(кг ОС); –

середня щільність матеріалу, кг/м3; x – лінійна координата, м.

Відомо, що для багатьох матеріалів, зокрема для гідроізоляційних матеріалів на основі бітумів, коефіцієнт теплопровідності має лінійну залежність від температури:

, (2 )

де L – стала складова, рівна коефіцієнту теплопровідності при T = 0 OC;

b – коефіцієнт пропорційності.

Рівняння теплопровідності, з урахуванням залежності (2), приймає вигляд:

. (3)

Після апроксимації рівняння (3) кінцевими різницями із застосуванням похідної „уперед” і перетворень отримано рівняння:

, (4)

де ; ;

– температура в j-му вузлі шару в момент часу ;

– температура в j-му вузлі в момент часу ;

– інтервал часу.

Для розрахунку температурних полів в шарі гідроізоляції та шарах дорожнього одягу розроблено алгоритм та програму “SLK”, які дозволяють розрахувати значення температур на границях шарів та по товщині шарів з мінімальним кроком 0,15 мм.

У третьему розділі наведено характеристику і склад прийнятих для досліджень матеріалів, методів дослідження та обробки експериментальних даних. Як складові для приготування бітумно-полімерних гідроізоляційних мастик були прийняті нафтовий дорожній бітум марки БНД 90/130 (ДСТУ 4044-2001), дивініл-стирольний термоеластопласт марки ДСТ - 30 (ТУ 38.40327-90), дрібнодисперсні мінеральні наповнювачі (тальк, базальтовий порошок) та волокнистий мінеральний наповнювач (базальтове волокно). При проведенні досліджень з визначення температурних полів в шарах конструкції дорожнього одягу при охолодженні, адекватність розрахункових та експериментальних даних оцінювалась за середньоквадратичним відхиленням показань термопар, встановлених на границях шарів. При встановленні впливу виду та концентрації наповнювача на властивості бітумно-полімерних гідроізоляційних матеріалів різного складу був використаний метод планування експерименту, в якому застосований ортогональний план другого порядку з варіюванням факторів на трьох рівнях. При кожній комбінації факторів експеримент виконувався чотири рази, при випадковому порядку дослідів. Для кожної комбінації факторів визначено середнє значення функції відгуку і відповідна дисперсія. Порівнянням максимальної дисперсії з сумою дисперсій дев'яти варіантів по критерию Кохрена оцінювалась рівноточність випробувань. За результатами складалась математична модель другого порядку:

(5)

де , – фактори; - функція відгуку; … – коефіцієнти рівняння регресії.

Завершувалась статистична обробка експериментальних даних перевіркою математичної моделі на адекватність за критерієм Фішера.

У четвертому розділі наведено результати чисельного аналізу напружено - деформованого стану гідроізоляції для прольотних будов типової серії 3.503-12 довжиною від 12 до 33 метрів при різних габаритних схемах. Для аналізу напружено-деформованого стану гідроізоляції залізобетонних прольотних будов при дії тимчасового рухомого навантаження прийнята просторова модель, яка розраховувалась енергетичним та кінцево-елементним методами для умов сумісної роботи дорожнього одягу з плитою. Для розрахунку застосовані програми М-5, „Прокруст” та програмне середовище MATLAB. При цьому приймалось, що шар гідроізоляції знаходиться під впливом напружень:

- уx – від постїйного навантаження (шари дорожнього одягу, що розташовані зверху) та тимчасового рухомого навантаження в поздовжньому напрямку мосту;

- уy – від постїйного навантаження та тимчасового рухомого навантаження в поперечному напрямку мосту;

- уz – від вертикальних стискуючих зусиль при безпосередньому впливі тимчасового вертикального навантаження.

Після визначення напружень в поздовжньому та поперечному напрямках мосту у верхній зоні плити реалізовано перехід до відносних деформацій, спільних для бетону плити та для матеріалу гідроізоляції (рис. 2). Наведені в дослідженні результати вказують, що величина відносних деформацій шару гідроізоляції залежить від довжини прольоту та ширини прольотної будови, а також від виду навантаження. При цьому максимальні відносні деформації досягають величини – 0,00025 для прольоту довжиною 24 м при навантаженні НК 80 та величини – 0,00018 при навантаженні Н 30. Отримані результати дозволяють за критерієм відносного подовження здійснювати обґрунтований вибір гідроізоляційного матеріалу, якщо величина цього критерію при відємних температурах буде перевищувати отримані за розрахунком значення.

Рис. 2 Відносні деформації шару гідроізоляції поперек прольоту мосту від дії постійного навантаження та тимчасового навантаження НК80

Для різних гідроізоляційних матеріалів в пружній стадії визначені напруження у поздовжньому та поперечному напрямку мосту.

Для улаштування шару гідроізоляції з наступним укладанням захисного шару та шару покриття із гарячих або литих асфальтобетонних сумішей, необхідно знати реальне значення температури, яка виникає в шарі гідроізоляції та тривалість її дії для обґрунтованого вибору гідроізоляційного матеріалу за критерієм теплостійкості. За допомогою розробленої математичної моделі та програми автоматизованого розрахунку „SLK виконано чисельний аналіз розподілу температур в шарах дорожнього одягу та гідроізоляції. Розрахунки виконані для конструкцій дорожнього одягу із захисним шаром та шарами дорожнього одягу із різних матеріалів при різній товщині. Встановлена залежність зміни температури у шарі гідроізоляції при укладанні гарячих асфальтополімербетонних сумішей з різною температурою поверх захисного шару із цементного бетону (рис. 3).

Рис. 3 Значення температур на границях шарів при улаштуванні асфальтобетонного покриття товщиною 5 см із гарячих асфальтополімербетонних сумішей (з температурою 180 ОС ) поверх захисного шару із цементного бетону

Отримані значення максимальної температури, якої набуває матеріал у шарі гідроізоляції, в залежності від товщини захисного шару із цементного бетону, температури асфальтобетонної суміші, яка укладається на нього, та товщини шару покриття із неї (рис. 4, 5).

Встановлені залежності температури у шарі гідроізоляції від товщини шару асфальтобетонної суміші з різною температурою, яка укладається безпосередньо на нього (рис. 6).

Рис.4 Залежність максимальної температури шару гідроізоляції від температури асфальтополімербетонної суміші (товшина асфальтобетонного покриття - 5 см, захисного шару із цементобетону - 4 см)

Рис.5 Залежність максимальної температури в шарі гідроізоляції від товщини захисного шару та товщини асфальтополімербетонного покриття (температура суміші 180 ОС)

Рис. 6 Залежність температури в шарі гідроізоляції від товщини укладеного на нього шару асфальтобетонної суміші з температурою 160 ОС

Отримані результати показують, що вплив максимальної температури на шар гідроізоляції спостерігається протягом 10 хвилин від початку укладання асфальтобетонної суміші. Швидкість подальшого остигання залежить від товщини шару укладеної асфальтобетонної суміші. Тонким шарам асфальтобетонної суміші властива більша швидкість остигання, порівняно з товстими шарами (шар асфальтобетонної суміші товщиною 4 см остигає у 2,5 рази швидше, ніж шар товщиною 8 см).

Показано, що за результатами розрахунків за допомогою розробленого програмного забезпечення, в основу якого покладена запропонована математична модель, можливо здійснювати варіантне конструювання гідроізоляційного захисту мостової споруди з урахуванням матеріалознавчих та технологічних особливостей улаштування шарів гідроізоляції та покриття. За критерієм теплостійкості гідроізоляційний матеріал забезпечить надійний гідроізоляційний захист, якщо його величина перевищуватиме максимальну температуру, яка може виникнути у шарі гідроізоляції при укладанні асфальтобетонної суміші безпосередньо на нього або захисний шар.

Для оцінки достовірності математичної моделі процесу теплового впливу на шар гідроізоляції було виконано експериментальне визначення температури на границях шарів на зразках, які моделювали конструкцію гідроізоляційного захисту плити прольотної будови з шарами дорожнього одягу. Порівняння експериментальних значень температур на границі шарів у зразках, отриманих за допомогою термопар, і розрахункових значень, при обраному режимі температурного навантаження (рис. 7), та оцінка збіжності, підтвердили їх адекватність.

Рис. 7 Значення температури на границі шару гідроізоляції та вирівнюючого шару із цементного бетону за даними експерименту та розрахунку за програмою SLK

Для одночасного забезпечення високих показників теплостійкості при високих температурах та відносного подовження при низьких температурах розроблено склад гідроізоляційного матеріалу до якого входить бітумно-полімерна мастика та волокнистий базальтовий наповнювач. Встановлено, що заміна дрібнодисперсного мінерального наповнювача у складі бітумно-полімерної гідроізоляційної мастики на волокнистий наповнювач забезпечує їй зростання показника гнучкості та відносного подовження при низьких температурах. Для оптимізації складу бітумно-полімерних гідроізоляційних мастик, що забезпечують необхідні властивості в діапазоні експлуатаційних температур, було застосовано метод математичного моделювання. Використаний ортогональний план другого порядку з варіюванням факторів на трьох рівнях.

У п’ятому розділі розглянуто практичне застосування результатів досліджень та їх впровадження.

На основі моделі процесу теплового впливу на шар гідроізоляції при укладанні захисних шарів та шарів покриття із гарячих асфальтобетонних сумішей розроблено алгоритм та програма для здійснення інженерних розрахунків. Запропоновані напрямки підвищення теплостійкості гідроізоляційного матеріалу на основі бітумно-полімерних композицій, які враховують матеріалознавчі аспекти та особливості його захисту від впливу зовнішніх технологічних факторів. Запропоновано, у якості критерію придатності гідроізоляційного матеріалу для забезпечення надійного захисту проїзної частини мостової конструкції від агресивного впливу води, показник технологічної теплостійкості гідроізоляційного матеріалу. Значення цього показника, на стадії проектування гідроізоляційного захисту мостової споруди, рекомендовано визначати шляхом розрахунку за допомогою розробленої прикладної програми SLK. Розроблено рекомендації і здійснене практичне застосування результатів дисертаційного дослідження при науковому супроводі технології улаштування гідроізоляційного захисту проїзної частини мостових переходів на річках Хотомля, Харків та Дністер, на етапі вибору гідроізоляційних матеріалів та технології улаштування захисного шару та шарів покриття.

Результати досліджень були використані при розробці, на замовлення Державної служби автомобільних доріг України, нормативних документів: П-Г.1-218-113-97 „Технічні правила ремонту та утримання автомобільних доріг загального користування України” (1997 р.); „Збірник сучасних конструктивних і технологічних рішень мостового полотна автодорожніх мостів” (2002 р.); ВБН В.2.3-218-197-2005 „Проектування та влаштування гідроізоляції залізобетонних мостових споруд”, та використовуються в навчальному процесі у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті на стадії дипломного проектування для студентів спеціальності 7.092105 „Автомобільні дороги та аеродроми”.

В дисертаційній роботі оцінено економічний ефект від впровадження запропонованих рекомендацій щодо вибору гідроізоляційного матеріалу та матеріалів для захисного шару і шарів покриття на основі моделювання процесів теплового впливу гарячих асфальтобетонних сумішей на матеріал у шарі гідроізоляції. Економічний ефект складає 36 грн / м2 мостового полотна та досягається за рахунок скорочення терміну будівництва або капітального ремонту проїзної частини мосту.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне та практичне вирішення наукової проблеми підвищення довговічності залізобетонних мостів за рахунок удосконалення проектування надійного гідроізоляційного захисту. Визначено, базуючись на результатах аналізу роботи гідроізоляції залізобетонних прогонових будов автодорожніх мостів, що ряд основних причин її руйнування пов’язаний з недостатньою обґрунтованістю проектних рішень, які приймаються без комплексного урахування матеріалознавчо-технологічних та конструкторських рішень. Встановлено, що відсутність науково обґрунтованого підходу до вибору матеріалу гідроізоляції та матеріалів для шарів дорожнього одягу, з урахуванням технологічних особливостей їх улаштування, в багатьох випадках є причиною передчасної відмови гідроізоляції і зниження довговічності несучих елементів залізобетонних мостів.

2. З метою забезпечення надійного гідроізоляційного захисту залізобетонних прогонових будов автодорожніх мостів вперше розроблено модель та методику визначення поля відносних деформацій і поля напружень від впливу постійних та різних за величиною і розташуванням тимчасових навантажень на шар гідроізоляції, який працює сумісно з іншими шарами конструкції. Визначення напружено-деформованого стану шару гідроізоляції у конструкції дорожнього одягу, за запропонованою методикою, можливо здійснювати для мостових споруд з різними геометричними параметрами.

3. Розроблена математична модель для визначення величини та тривалості теплового впливу на шар гідроізоляційного матеріалу при улаштуванні захисних шарів та шарів покриття із гарячих та литих асфальтобетонних сумішей з урахуванням змінних теплофізичних характеристик матеріалів. На основі запропонованої моделі розроблено алгоритм та програмне забезпечення для виконання розрахунків температурного впливу на шар гідроізоляції та інші шари дорожнього одягу.

4. Вперше встановлені залежності зміни температури шару гідроізоляції у часі при укладанні гарячих та литих асфальтобетонних сумішей, як захисного шару та шару покриття, з урахуванням їх товщини та вихідної температури. Доведено, що за результатами числового аналізу, отриманих з урахуванням матеріалознавчо-технологічних факторів, можливо здійснювати вибір гідроізоляційних і інших конструктивних матеріалів, та призначати раціональні технологічні режими їх укладання для забезпечення надійного гідроізоляційного захисту проїзної частини мостової споруди.

5. Для улаштування гідроізоляції із захисним шаром з гарячого асфальтобетону запропоновано здійснювати вибір гідроізоляційного матеріалу за критерієм технологічної теплостійкості. За вказаним критерієм гідроізоляційний матеріал забезпечить надійний гідроізоляційний захист, якщо його величина перевищуватиме максимальну температуру, яка може виникнути у шарі гідроізоляції при укладанні асфальтобетонної суміші безпосередньо на нього або на захисний шар.

6. Встановлено, на основі експериментальних досліджень, що для одночасного забезпечення високих показників теплостійкості при високих температурах та відносного подовження при низьких температурах, до складу гідроізоляційного матеріалу на основі бітумно-полімерної мастики доцільно вводити волокнистий базальтовий наповнювач. Показано, що заміна дрібнодисперсного мінерального наповнювача у складі бітумно-полімерної гідроізоляційної мастики на волокнистий наповнювач забезпечує їй зростання показника гнучкості та достатньо високе відносне подовження при низьких температурах.

7. Результати виконаних досліджень реалізовані при розробці прикладного програмного забезпечення для здійснення інженерних розрахунків величини критерію технологічної теплостійкості гідроізоляційного матеріалу з урахуванням конструктивно-матеріалознавчо-технологічних факторів та при розробці нормативних документів: П-Г.1-218-113-97 "Технічні правила ремонту та утримання автомобільних доріг загального користування України", відомчих будівельних норм ВБН В.2.3-218-197-2005 "Споруди транспорту. Проектування та влаштування гідроізоляції залізобетонних мостових споруд" та альбому "Збірник сучасних конструктивних і технологічних рішень мостового полотна автодорожніх мостів". Економічний ефект від впровадження результатів дослідження складає 36 грн. / м2 мостового полотна.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

а) фахові видання за переліком ВАК України

1. Назаренко Б.П., Безбабічева О.І. До питання про вплив деяких елементів проїзної частини мостів на їх довговічність // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 1982. –вип. 31. – С. 107–109.

2. Безбабічева О.І., Золотарьов Д.В., Жданюк В.К. Властивості бітумополімерних мастик для гідроізоляції мостів // Автошляховик України.– 2001.– №1. – С. 34–36.

3. Розенфельд М.В., Безбабічева О.І., Жданюк В.К. До питання про теплостійкість матеріалу гідроізоляції при влаштуванні асфальтобетонних покриттів на мостах // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2001. – № 63. – С. 66–69.

4. Шевченко В. П., Лозицкий А.С., Безбабичева О.И., Жданюк В.К. О некоторых направлениях продления срока службы мостов // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2002. – № 64. – С. 263–266.

5. Безбабічева О.І., Бережна К.В., Жданюк Е.В. Сучасні конструктивні і технологічні рішення мостового полотна автодорожніх мостів із ефективними варіантами гідроізоляційного захисту // Вестник ХНАДУ.– 2002.– №19.– С. 142–144.

6. Жданюк В.К., Безбабичева О.И., Розенфельд Н.В., Жданюк Е.В. Исследование величины тепловых воздействий на слой гидроизоляции при устройстве конструкций дорожных одежд на мостах и путепроводах с использованием горячих и литых асфальтобетонных смесей // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2004. – №69 . – C. 59–63.

7. Безбабичева О.И., Жданюк Е.В. Свойства битумно-полимерных мастик с базальтовыми наполнителями // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. –2004. –№70. – С. 41–45.

б) інші публікації

8. Лукин Н.П., Безбабичева О.И. Совместная работа слоёв одежды проезжей части мостов с железобетонными пролетными строениями // Сб. научн. трудов СоюздорНИИ. – М.: 1987. С. 77–80.

9. Лукин Н.П., Безбабичева О.И. Особенности работы слоёв покрытия проезжей части мостов при проходе тяжелых грузов и при отрицательных температурах // Прикладные задачи статики и динамики мостов. – Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1988. – С. 159–166.

10. Безбабичева О.И. Совершенствование конструкции гидроизоляции мостов – одна из возможностей повышения их долговечности // Зб. доп. семінару „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення.” – К.: 1998. – С. 9–12.

11. Лукин Н.П., Безбабичева О.И. Продлить срок службы мостов // Сб. “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми та шляхи розвитку”.– К.: 1998.– С. 282–284.

12. Безбабичева О.І. Критерии выбора материала для гидроизоляции мостов // Наук. пр. семінару „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення .” – К.: 2000. – С. 4–9.

13. V. Zhdanuk., V. Schevchenko, O. Bezbabicheva. Perspective of basalt fiber materials application in technology of highway bridges waterproofing // Traffic effects on structures and environment.– Rajecke Teplice, Slovakia,– 2002. – Р. 63–66.

14. Bezbabicheva O. I., Zhdanyuk K. V. Peculiarities of putting primer when executing waterproofing of reinforced concrete bridge spans // 5-th European Conference of Young Research and Science Workers in Transport and Telecommunications.- Zilina: Slovak Republic, 2003. – 4 p.

15. V. Zhdanuk., O.Bezbabicheva., N.Rozenfeld., K. Zhdanuk. Research of thermal influence on waterproofing layer when laying bridge and overbridge pavements using hot asphalt mixes // Proc.X International Conf.”Durable and save road pavements. Kielce, 11-12 May 2004. –Warszava, 2004. – P. 525-532.

АНОТАЦІЯ

Безбабічева О.І. Удосконалення гідроізоляції проїзної частини залізобетонних мостів на автомобільних дорогах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 –„Автомобільні шляхи та аеродроми” - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2005.

Відсутність науково обґрунтованого системного підходу до призначення гідроізоляційного матеріалу і конструкції на стадії проектування гідроізоляційного захисту мостової споруди та нехтування особливостями технології його улаштування є однією із причин передчасної відмови гідроізоляції і зниження довговічності несучих елементів мосту. Для вирішення цієї проблеми розроблена методика вибору гідроізоляційного матеріалу за критерієм його теплостійкості та відносного подовження, яка припускає можливість застосування різних матеріалів для улаштування захисного шару гідроізоляції та шарів дорожнього одягу з урахуванням кліматичних умов експлуатації. Методика базується на математичній моделі теплового впливу на шар гідроізоляції гарячих або литих асфальтобетонних сумішей при улаштуванні з їх застосуванням захисних шарів гідроізоляції та шарів покриття.

Результати досліджень реалізовані при розробці прикладного програмного забезпечення для здійснення розрахунків необхідної теплостійкості гідроізоляційного матеріалу з урахуванням конструктивно-матеріалознавчо-технологічних факторів, а також при розробці галузевих нормативних документів та рекомендацій. На основі результатів чисельного аналізу запропоновано здійснювати проектування конструкції гідроізоляційного захисту мостової споруди з урахуванням матеріалознавчих факторів та технологічних особливостей застосування тих чи інших матеріалів для улаштування як шару гідроізоляції, так і шарів проїзної частини.

Ключові слова: гідроізоляційний захист мостів, особливості роботи, напружено-деформований стан, математична модель, вимоги до матеріалів, теплостійкість.

ABSTRACT

Bezbabicheva O. I. Improvement of concrete bridge decks waterproofing on automobile roads. - Manuscript.

Thesis to attain scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.22.11 –“Automobile roads and aerodromes” – Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 2005.

Absence of scientifically substantiated systems approach to the selection of waterproofing material and construction on the stage of bridge waterproofing design, with regard to its application technology peculiarities, is one of reasons of premature waterproofing failure and reduction of durability of bridge bearing elements. In order to solve the problem the technique of waterproofing material selection by its heat resistance and relative deformation, taking into account the possibility of application of different materials for putting protective waterproofing layer and pavement layers, and climatic conditions of service, has been developed. The technique is based on the mathematical model of heat influence of hot and mastic asphalt mixes on the waterproofing layer when putting protective waterproofing and pavement layers.

Research outcome has been implemented when developing applied software for the estimation of required heat resistance of waterproofing material taking into consideration structural, material, technological factors, and when developing branch standards and recommendations. On the basis of numerical analysis it has been proposed to perform design of bridge waterproofing construction with regard to materials factors and technological peculiarities of implementation of any materials for putting both waterproofing and roadway layers.

Key words: bridge waterproofing, performance peculiarities, deflected mode, mathematical model, materials requirements, heat resistance.

АННОТАЦИЯ

Безбабичева О.И. Усовершенствование гидроизоляции проезжей части железобетонных мостов на автомобильных дорогах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11- „Автомобильные дороги и аэродромы” – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2005.

Особенности воздействий внешних факторов на гидроизоляцию мостов, несовершенство проектных, конструкторских и материаловедческих решений, нарушения технологии устройства слоя гидроизоляции и слоев дорожной одежды на пролетных строениях железобетонных мостов приводят к преждевременному их разрушению. Отсутствие научно обоснованных подходов к выбору гидроизоляционного материала и материалов для устройства защитного слоя гидроизоляции, а также слоев покрытия на мостах, с учетом технологических особенностей их устройства, также является, во многих случаях, причиной преждевременного отказа гидроизоляционной защиты и снижения долговечности несущих элементов железобетонных мостов.

На основании анализа работы пролетных строений железобетонных мостов в диссертационной работе разработана модель напряженно-деформированного состояния слоя гидроизоляции при одновременном воздействии на него временной подвижной нагрузки и отрицательных температур, а также методика определения в нем поля относительных деформаций и поля напряжений. По предложенной методике оценку напряженно-деформированного состояния слоя гидроизоляции в конструкции дорожной одежды возможно осуществлять для мостовых сооружений, имеющих различные геометрические параметры.

Разработана математическая модель процесса теплового воздействия на слой гидроизоляции при устройстве сверху него защитного слоя и слоев покрытия из горячих асфальтобетонных смесей, учитывающая изменяющиеся теплофизические характеристики материалов. Впервые установлены зависимости изменения температуры слоя гидроизоляции во времени в процессе устройства защитного слоя и слоев покрытия как из горячих, так и литых асфальтобетонных смесей различной толщины.

При выборе гидроизоляционных материалов для защиты железобетонных мостов и путепроводов предложено использовать в качестве основных критериев показатели теплоустойчивости при высоких технологических температурах и относительного удлинения при отрицательных температурах.

Результаты исследований реализованы при разработке прикладного программного обеспечения для осуществления расчетов необходимой теплоустойчивости гидроизоляционного материала с учетом конструктивно-материаловедческих факторов, а также при разработке отраслевых нормативных документов и рекомендаций.

Ключевые слова: гидроизоляционная защита мостов, математическая модель, напряженно-деформированное состояние, тепловые воздействия, требования к материалам, теплоустойчивость.

Підписано до друку 13.09.2005. Формат 60 х 84 1/16.

Обсяг 0,8 ум. друк. арк.. Облік. вид. арк. 0,9. Друк різограф.

Наклад 100 прим. Зам. № 402

Надруковано у центрі оперативної поліграфії ТОВ „Рейтинг”.

61002, м. Харків, вул.. Сумська, 37. Тел. (057) 700-53-51. 714-34-26.