ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

В условиях дефицита органических вяжущих и прочных каменных материалов актуальна проблема конструирования дорожных одежд с максимальным использованием местных материалов. В последние годы в практике строительства дорог невысоких категорий получают применение дорожные одежды с тонкослойными (4...6 см) асфальто­бетонными покрытиями на цементогрунтовых основаниях. Такие конструкции перспективны с экономической точки зрения, но традиционный подход к их конструированию и расчету недостаточен. Отмечается быстрое разрушение подобных дорожных одежд, поэтому не­обходимо повышать их прочность и долговечность.

Достаточно широкие исследования цементогрунтов выявили их основные недостатки: недостаточные трещиностойкость и морозо­стойкость. Под воздействием подвижной нагрузки в цементогрунтовом основании возникают напряжения сжатия и растяже­ния при изгибе, которые обычно находятся в пределах 0,4...0,6 МПа, что ниже соответствующих пределов сопротивления, следова­тельно, не являются основной причиной разрушения. Гораздо более разрушающее влияние оказывают климатические факторы, прежде всего количество переходов температуры через 0°С, предельные абсолютные величины отрицательных температур и скорость темпера­турных изменений в слоях дорожной одежды.

Многократные совместные действия воды и отрицательных температур разрыхляют и ослабляют структуру цементогрунта, возникают и развиваются внутренние трещины, накапливаются необратимые остаточные деформации, прочность цементогрунта резко падает. В конечном итоге в слое цементогрунта и в вышераспо-ложенных слоях покрытия развивается сеть трещин с последующим образованием просадок и проломов.

Исследования температурных полей в дорожных одеждах позволят обоснованно разрабатывать конструкции, в которых трещинообразование будет протекать медленнее.

Формирование температурных полей в дорожных одеждах- достаточно сложный многофакторный процесс, поскольку одежда является многослойной конструкцией с различными термическими характеристиками слоев. На процесс формирования температурного поля и динамику его изменения влияют сезонные и суточные колебания температуры воздуха с запозданием во времени, увеличива­ющимся с глубиной, а также затраты тепла на фазовые превращения влаги. Подобные процессы изучаются моделированием на основе теории случайных функций.

Исследования показывают, что высокая концентрация циклов замораживания - оттаивания на контакте тонкослойного асфальтобетонного покрытия с цементогрунтовым основанием в известной мере понижает долговечность таких конструкций. Поскольку верхний слой цементогрунта обычно имеет повышенную влажность, высокая климатическая нагрузка в сочета­нии с подвижной нагрузкой ускоряет разрушение и самого поверхностного слоя цементогрунта, и слоя покрытия. Так как с повышением влажности прочность и морозостойкость цементогрунта снижается, при конструировании дорожных одежд и проектирова­нии земляного полотна необходимо предусматривать меры по уменьшению поступления влаги в основание дорожных одежд.

Пониженная трещиностойкость цементогрунтов существенно влияет на напряженно-деформированное состояние остальных конструктивных слоев дорожных одежд, особенно - вышележащих. Исследования на математических моделях показывают, что нетрещиностойкость цементогрунта приводит к пере­распределению растягивающих напряжений и деформаций в слоях, в результате вертикальные перемещения возрастают на 10...12% по оси приложения нагрузки.

Согласно известной методике трещиностойкость концентрации определяется коэффициентом концентрации напряжений К _к, показателем трещиностойкости асфальтобетона К и коэффициентом сцепления покрытия и основания К _сц:

К _к = 1 +nm³, (1)

где п = Е _цг/Е _п - отношение модулей упругости цементогрунтового и асфальтобетонного слоев;

m=h_цг/h _n-отношение толщины слоев цементогрунта и асфаль­тового бетона.

Показатель трещиностойкости асфальтобетона:

r _p

К = ^{_______________________} , (2)

mЧta_цгЧЕ _цг

гдеr _p- прочность асфальтобетона на растяжение;

t- расчетный интервал падения температуры;

a_цг-коэффициент температурного расширения цементогрунта.

Коэффициент сцепления асфальтобетонного покрытия и цементогрунтового основания:

3nm (1+ m ² )

К _сц = 1 +nm³+ ^{_______________________ .} (3)

nm+ 1

Анализ зависимостей (1, 2, 3) показывает, что данная методика не учитывает реологических свойств асфальтобетона и динамики температурных полей в дорожной одежде.

Между тем для трещиностойкости асфальтобетонного покрытия наиболее значимы как температурные деформации самого асфальто­бетона при его охлаждении, так и деформации растяжения в условиях несвободного сжатия из-за разницы коэффициентов температурного расширения материалов основания и покрытия Появление трещин обусловлено либо исчерпанием резерва деформативной способности асфальтобетона, либо превышением предела его прочности на растяжение фактическими напряжениями от несво­бодного сжатия. Тот или иной механизм образования трещины определяется соотношением скорости деформации асфальтобетона и скорости релаксации напряжений. Исследования в этом направле-нии показывают, что для традиционных материалов и конструкций трещины неизбежны на покрытиях толщиной менее 10 см.

Тонкослойные асфальтобетонные покрытия работают в сложных условиях, и обеспечить их трещиностойкость и долговечность можно только комплексными приемами: повышением деформативной спо­собности самого асфальтобетона и рядом конструктивных мероприя­тий: размещением между основанием и покрытием специальной мембранной прослойки, армированием асфальтобетона, нарезкой швов сжатия в цементогрунте.

Перспективным является способ, по которому перед укладкой покрытия в цементогрунте выполняют надрезы, на которые затем наносят полосы мастики, а расстояние между надрезамиi_швыбирается из условия, чтобы в слое асфальтобетона на глубине 2/3h_покрна длинеd_ш^привотносительное удлинение не превышало дефор­мативной способности асфальтобетона (рис. 1):

т=т _р

d _n + 2/Зh_покр(1 -sa_аб(t _i - t _i + 1)/e_кр(t _i + t _i + 1)

т =0 2

i_ш= ^{_____________________________________________________} , (4)

т = т _р

sa_цг(t _i-t _i+ 1) /e_кр(t _i+t _i+ 1)

т =0 2

гдеt _i, t _i+1 - расчетная среднеинтегральная по толщине минималь­ная температура, °С;

a_аб,a_цг-коэффициенты температурного расширения асфальто­бетона и цементогрунта соответственно для середины расчетного температурного интервала;

e_кр- предельное относительное удлинение асфальтобетона при растяжении при скорости деформирования, соот­ветствующей скорости охлаждения покрытия, в соот­ветствующем температурном интервале.

Из (4) следует, что наибольшее влияние на трещинообразование оказываютa_цгиe_кр. Очевидно, для строительства дорожных одежд с цементогрунтовыми основаниями и тонкослойными асфальтобе­тонными покрытиями следует применять цементогрунты с минималь­ными коэффициентами температурного расширения и асфальтобетоны с максимально возможными деформативными свойствами.

Последнее может решаться использованием менее вязких битумов, модификацией асфальтобетонов полимерными добавками и пр. Вопрос зависимостиa_цгот вида грунта, влажности, расхода цемента изучен слабо. Также недостаточна информация о поведении асфальтобетонов при малых скоростях деформирования. Исследова­ния в данном направлении позволят в перспективе конструировать высокоэкономичные, прочные и долговечные дорожные одежды, обеспечивающие минимальные нагрузки на экосистемы придорожных полос.

Рис. Конструкция трещиностойкой дорожной одежды

1 - сквозная трещина

2 - полоса эластичного материала (мастики)