автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Метод определения устойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок

На правах рукописи

МИРОНЧУК СЕРГЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ К НАКОПЛЕНИЮ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

J /

005559055

Воронеж - 2015

005559055

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Матуа Вахтанг Парменович

Официальные оппоненты: Носов Сергей Владимирович

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет», кафедра «Транспортные средства и техносферная безопасность», профессор кафедры

Попов Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кафедра инженерно-аэродромного обеспечения, начальник кафедры

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 26 марта 2015 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220; тел./факс +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте: http://edu.vgasu.vrn.ru

Автореферат разослан «24» января 2015 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета " Колосов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. В результате постоянно растущей интенсивности движения и увеличения в составе потока грузовых автомобилей и скоростей их движения, а также воздействия природно-климатических факторов, асфальтобетонные покрытия теряют продольную и поперечную ровность. Под воздействием многократно повторяющихся нагрузок уже на ранней стадии эксплуатации автомобильных дорог, практически во всех слоях дорожных одежд наблюдается накопление необратимых (остаточных) деформаций. Постепенное накопление пластических деформаций в элементах дорожных конструкций приводит к нарушению ровности поверхности дороги, что в свою очередь способствует значительному росту динамических нагрузок от движущихся автомобилей.

Асфальтобетон является наиболее распространенным материалом для строительства покрытий нежестких дорожных одежд. Он подвержен максимальному воздействию нагрузок от транспортных средств, вследствие чего немалая доля остаточных деформаций накапливается именно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий, поэтому изучению его свойств и закономерностей деформирования необходимо уделять особое внимание.

На данный момент существующие в нормативных документах методы определения сдвигоустойчивости не позволяют с достаточной точностью прогнозировать поведение материала в конструкции по полученным показателям, так как не учитываются многие немаловажные факторы и эксплуатационные составляющие. Учет динамических процессов осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые не в полной мере описывают данный параметр, тем самым, снижают точность расчетных формул при получении конечных результатов.

Развитие неровностей при эксплуатации дороги приводит к увеличению динамических воздействий от движущихся транспортных средств. При появлении сравнительно малых неровностей может в несколько раз, по сравнению со статическим, увеличиться давление на покрытие, особенно при высоких скоростях движения.

В связи с вышеизложенным, исследования, направленные на повышение устойчивости асфальтобетонных слоев покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций остаются весьма актуальными как в России, так и за рубежом.

Целью диссертационной работы является разработка метода определения устойчивости асфальтобетонных покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур с разработкой приборного обеспечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически обосновать возможность и преимущества проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов различных типов под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур;

- разработать физико-математическую модель определения параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

- разработать лабораторное оборудование для определения остаточных деформаций в асфальтобетонах под воздействием динамических нагрузок и температур;

- разработать методику проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок;

- провести экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов и установить зависимости скорости накопления остаточных деформаций от заданных свойств и действующих факторов;

- провести анализ взаимосвязи структурных свойств и физико-механических характеристик, предусмотренных нормативными документами, с деформацией материала от расчетной динамической нагрузки;

- на основании сопоставления результатов накопления остаточных деформаций в реальных условиях эксплуатации с результатами испытаний по разработанной методике, установить предельно-допустимые значения накопления остаточных деформаций в слоях покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетона.

Объектом исследования являются слои покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетонов.

Предметом исследований является повышение устойчивости асфальтобетонов покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана физико-математическая модель определения параметров нагружения и температурных условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

- разработан и реализован прибор динамических испытаний (ПДИ). Патент № 111293 МПК G01N 3/36, получено свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13;

- разработана методика проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок с обоснованием необходимого количества приложений нагрузки, геометрических параметров образца, бокового обжатия материала и температуры испытания;

- проведены экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов и установлены зависимости скорости накопления остаточных деформаций от числа приложений расчетной нагрузки при варьировании гранулометрического состава и применения модифицирующих добавок;

- разработано устройство для мониторинга накопления остаточных деформаций и температурного режима в элементах дорожных конструкций, патент № 121585 МПК G01N 3/36;

- установлены предельно-допустимые значения накопления остаточных деформаций в слоях покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетона при испытаниях под воздействием динамических нагрузок и температур.

Научная значимость заключается:

- в теоретическом обосновании возможности и преимуществ проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур;

- в разработке физико-математической модели определения расчетных параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

- в определении закономерностей скорости накопления остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов под воздействием динамических нагрузок от заданных свойств и действующих факторов.

Практическая значимость заключается:

- в разработке метода определения устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций с определением их предельно-допустимых значений при испытании на разработанном приборе, согласно методике с обоснованными условиями эксперимента, приближенными к эксплуатационным;

- в разработке прибора динамических испытаний (ПДИ). Патент № 111293 МПК вОШ 3/36. Свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13.

На защиту выносятся:

- модель определения расчетных параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

- методика определения устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок;

- результаты экспериментальных исследований скорости накопления остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов под воздействием динамических нагрузок от заданных свойств и действующих факторов;

- взаимосвязь стандартных физико-механических характеристик асфальтобетонов различных типов с параметрами, характеризующими устойчивость к накоплению остаточных деформаций;

- результаты мониторинга динамики развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций при помощи разработанных измерительных зондов на экспериментальных участках федеральных автомобильных дорог;

- требования к предельно-допустимым значениям остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов при испытании под воздействием динамических нагрузок.

Достоверность полученных данных подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний, использованием современных высокоточных приборов и вспомогательного оборудования, проведением метрологических испытаний разработанного оборудования, сопоставимостью результатов лабораторных и опытно-экспериментальных работ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении научно-исследовательских работ по темам НИОКР Государственной компании «Автодор» «Разработка методики и нового лабораторного оборудования для оценки устойчивости дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок», «Исследование дорожно-строительных материалов на устойчивость к колееобразованию с установлением предельно допустимых значений остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в реальных условиях их эксплуатации на установке динамического нагружения», а также в учебном процессе при проведении лекционных занятий по дисциплине «Современные методы прогнозирования накопления деформаций в элементах дорожных конструкций» по направлению 270800.68 «Строительство».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были опубликованы в материалах ежегодных научно-практических конференций Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2008-2013 гг.), Втором Всероссийском дорожном конгрессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета 20 Юг, Международной научно-практической конференции Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета 2014г, в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях и на научных семинарах кафедры «Автомобильные дороги» РГСУ.

Публикации. Соискатель имеет 14 научных работ, из них по теме диссертации опубликовано 13 научных работ общим объёмом 47 с. Личный вклад автора составляет 25 с.

Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Наука и техника в дорожной отрасли», «Новые технологии» и «Дороги и мосты».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в статье [1] представлена методика испытания асфальтобетонов и прибор динамических испытаний, в работе [2] приведены результаты экспериментальных испытаний асфальтобетонов на приборе ПДИ, в работе [3] приведены результаты мониторинга накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд на наблюдательных станциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 125 наименований, 4 приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 56 таблиц и 139 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе диссертации отмечается большой вклад в разработку методик испытания асфальтобетона на сдвигоустойчивость и исследованию его реологических характеристик таких авторов, как A.M. Богуславского, Г.А. Бон-

ченко, А.П. Васильева, Л.Б. Гезенцвей, В.А. Золотарева, В.П. Матуа, H.H. Иванова, В.Д. Казарновского, Г.Н. Кирюхина, В.В. Мозгового, Б.С. Радовского, A.B. Руденского, Б.Б. Телтаева и др.

Проведены исследования режимов работы асфальтобетона в слоях покрытий и оснований дорожных одежд с уточнением основных факторов, влияющих на его деформативные и реологические свойства. Сделан вывод, что наиболее схожим по эксплуатационному воздействию является испытание асфальтобетонных образцов под воздействием динамических нагрузок. Изучены существующие методы испытаний асфальтобетонов на сдвигоустойчивость и колееобразование.

Подробно рассмотрены современные методы испытания асфальтобетбна колесной нагрузкой на лабораторных стендах, которые не в полной мере отражают реальные условия работы исследуемого материала (малое количество приложений нагрузки, малая площадь отпечатка колеса по сравнению с максимальным размером фракции щебня, несоответствие времени и числа приложения нагрузки реальным условиям эксплуатации дороги и другие). Выявленные недостатки могут вносить неточности при формировании выводов об устойчивости к колееобразованию слоев покрытий из асфальтобетонов и сравнению их по данному признаку.

Определение устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок с учетом воздействия реальных транспортных нагрузок и природно-климатических факторов позволит получить необходимые сведения об их работоспособности в типичных для них условиях работы в дорожной конструкции.

Во второй главе определены расчетные параметры и условия проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок й температур. Разработана цифровая модель слоев дорожной конструкции и представлены результаты работ по разработке и конструированию прибора для испытаний асфальтобетона под воздействием динамических нагрузок.

На основании многолетних исследований, проведенных в ДортрансНИИ РГСУ было установлено, что для климатических условий Южного Федерального округа в максимальном температурном режиме (от 50 до 60 °С) дорожная конструкция работает в летний период в среднем от 150 до 300 часов в год (в среднем 9,3 суток).

С целью определения оптимальной частоты приложения нагрузки, а также количества ее приложений на различных участках автомагистрали М-4 «Дон» в ЮФО были получены данные с пунктов весового контроля и произведены замеры реальной интенсивности и фактического состава движения. Анализ проведенного мониторинга показал, что большая часть грузового потока движется в интервале скоростей от 70 до 100 км/ч. Наиболее распространенным типом грузового многоосного транспортного средства на трассе М-4 «Дон» является пятиосный автопоезд в составе седельного тягача и полуприцепа. Анализ распределения нагрузки между осями автомобиля показал, что наиболее загруженной является вторая ось и три оси полуприцепа

(тридем). При проезде нескольких осей возникает сложная картина деформирования асфальтобетонного покрытия за счет близкого расположения осей (1,2 -1,6 м) и их взаимного влияния. При средней скорости движения многоосных транспортных средств и среднем расстоянии между осями 1,4 м средняя частота нагрузки, передаваемой на точку на поверхности конструкции составляет порядка 14-16 Гц, при среднем времени воздействия нагрузки - 0,059 с.

Для оценки необходимого количества приложений нагрузки из общего суммарного числа приложений расчетной нагрузки выделена только та часть, в которой нагрузка на точку поверхности дорожной конструкции происходит в температурном интервале от 50 до 60° С.

Оценку необходимого количества приложений расчетной нагрузки предлагается проводить при помощи математической модели, основанной на расчете суммарного количества приложений нагрузки по п.3.6 ОДН 218.046-01.

где: Тргд - временной интервал, при котором достигается максимальная температура асфальтобетона.

В среднем на исследуемых участках автомагистрали М-4 «Дон» количество приложений нагрузки по формуле 1 (за 12 лет эксплуатации дороги) составило от Ыр = 620 000 до Ир = 650 000.

Для назначения минимально-достаточных геометрических параметров лабораторных образцов разработана имитационная модель слоев асфальтобетона дорожной конструкции.

Для получения сравнительных данных о НДС испытуемого асфальтобетонного образца и слоев покрытия и основания дорожной одежды разработана конечно-элементная модель процесса нагружения, реализованная в программных комплексах «АпБуБ» и «Ро1ш». Пространственные модели позволили определить зоны максимальных напряжений и деформаций (вертикальных и горизонтальных напряжений в области приложения нагрузки), а также получить сравнительные результаты НДС, возникающего в лабораторном образце с боковым обжатием и в асфальтобетонных слоях дорожной конструкции. Проведенные расчеты доказывают возможность обоснованного использования образцов диаметром 200 мм с применением штампа для передачи нагрузки диаметром 70 мм.

В соответствии с установленными параметрами эксперимента и принятыми геометрическими размерами образцов разработана кинематическая схема, способная обеспечить надежность и необходимую точность получаемых результатов. Принцип работы прибора основан на превращении вращательного движения приводного вала главного привода в поступательное движение толкателя и воздействия кратковременной нагрузки на испытываемый образец через равные промежутки времени.

Конструирование основных узлов прибора динамических испытаний осуществлялось исходя из поставленных целей при теоретическом обосновании параметров экспериментальных исследований и геометрических размеров образцов. Общий вид прибора динамических испытаний (ПДИ) представлен на

(1)

рисунке 1. Конструкция обеспечивает испытание образцов материалов диаметром до 250 мм и высотой до 150 мм. Для бокового обжатия лабораторного образца предусмотрена специальная форма, в которую он помещается при испытании. Частота приложений нагрузки может варьироваться от 5 до 23 Гц, а нагрузка до 0,7 МПа.

Рисунок 1 - Общий вид прибора ПДИ и его основные узлы 1-Узел создания нагрузки. 2-Датчик перемещений. 3- Нагревательные элементы 4-Штамп. 5-Образец. 6-Опорный подъемный стол. 7-Узел автоматического регулирования динамической нагрузки. 8-Частотный преобразователь. 9-Блок управления температурой.

Для контроля и стабилизации заданных параметров эксперимента разработана многоконтурная электронно-функциональная схема (рисунок 2).

©

Рисунок 2 - Многоконтурная электронно-функциональная схема

1-Комплекс измерительных и исполняющих устройств. 2-Блок регистрационно-формирующий. 3-ПК. 4-Камера термостатирования. 5-Нагревательные элементы. 6-Термопара. 7-Объект воздействия. 8-Датчик перемещений. 9-Шаговый двигатель. 10-Датчик силы. 11-Главный привод.

Автоматическая система с применением обратных связей от измерительных устройств и исполнительных механизмов обладает высокой точностью и надежностью.

На разработанный прибор получен патент № 111293 МПК G01N 3/36 «Установка для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов». Метрологические характеристики и показатели точности подтверждены получением свидетельства об утверждении типа средств измерений «Прибор динамических испытаний ПДИ» № 54987-13.

Для настройки прибора и управления экспериментом разработано специальное программное обеспечение «Experiments», в котором можно задать все параметры эксперимента, а также хранить и обрабатывать полученные результаты. Программа автоматически контролирует заданные параметры эксперимента и поддерживает их постоянными на протяжении выбранного интервала времени.

Разработана специальная методика проведения эксперимента, которая включает в себя весь перечень работ, начиная от приготовления образцов, подготовки их к испытанию, подключение и настройку прибора, установку параметров эксперимента, управление программным обеспечением, заканчивая обработкой полученных результатов. При разработке методики испытаний учитывались такие параметры, как минимальный диаметр образца, количество и частота приложений нагрузки, расчетная нагрузка, характерная температура испытания, напряженно-деформированное состояние образца, приближенное к эксплуатационному.

В третьей главе для проверки работоспособности разработанного прибора и эффективности применения метода приведены результаты испытания мелкозернистых и крупнозернистых асфальтобетонов при широком варьировании различных факторов. Представлен анализ взаимосвязи между физико-механическими показателями различных типов асфальтобетонов и накоплением остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур.

На первом этапе были проведены исследования исходных дорожно-строительных материалов, подтверждающие их соответствие действующим нормативным документам.

Далее проведен подбор составов горячих плотных асфальтобетонов типов А, Б, щебеночно-мастичного асфальтобетона, а также крупнозернистых пористых и плотных асфальтобетонов. В смесях варьировалось содержание фракций щебня 5-10 мм и 10-15 мм. При этом подбиралось такое количество фракции, чтобы фактический гранулометрический состав находился на нижней, верхней границе и в середине области оптимального гранулометрического состава. Все подобранные составы удовлетворяли требованиям нормативных документов и, следовательно, могут быть использованы для проведения дальнейших исследований их устойчивости к накоплению остаточных деформаций.

Полученные составы испытывались на приборе ПДИ согласно разработанной методике при температуре 60°С, под воздействием динамической нагрузки величиной 0,6 МПа и частотой воздействия 15 Гц. Общее количество приложений нагрузки составляло не менее 750 000. На рисунках 3-4 представлены результаты испытаний горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонов на устойчивость к накоплению остаточных деформаций под

воздействием динамических нагрузок при варьировании гранулометрического состава.

Рисунок 3 - Характер зависимостей остаточных деформаг^й щебеночно-мастичного асфальтобетона при варьировании гранулометрического состава

9,7

О 1 ни Л с 1Й°Ь фр. 10-15 мм С1 Тип Л с 28** фр. 10-15 ММ S Тип А с 38% фр. 10-15 мм

ОТш1БсЮ%фр. 10-15 Мы a Tim Б с 20% фр. 10-15 мм и тип Б с 30% фр. 10-15 мм

Рисунок 4 - Результаты испытаний подобранных составов мелкозернистых асфальтобетонов при варьировании гранулометрического состава

Подбор оптимального гранулометрического состава, с точки зрения минимума накопления остаточных деформаций, имеет важное значение. При варьировании содержания крупных фракций щебня, входящих в состав смеси выявлено, что при оптимизации данного параметра можно обеспечить снижение накопления остаточных деформаций на 25% и 15% в щебеночно-мастичных и асфальтобетонах типа А, соответственно. В асфальтобетонах типа Б при увеличении количества максимальных фракций щебня также происходит уменьшение величины остаточных деформаций в пределах до 30%.

При экспериментальных исследованиях крупнозернистого плотного асфальтобетона типа Б, применяемого в нижних слоях покрытий, расчетная нагрузка составила 0,6 МПа, аналогично мелкозернистым асфальтобетонам. При испытаниях крупнозернистого пористого асфальтобетона для верхнего слоя основания расчетная нагрузка снижена до 0,5 МПа. На рисунке 5 представлены графики накопления остаточных деформаций при испытании лабораторных образцов из крупнозернистого пористого и плотного асфальтобетона. В образцах крупнозернистого плотного и пористого асфальтобетона значение деформаций достигает величины 4,8 мм и 3,8 мм соответственно.

В целях снижения накопления остаточных деформаций в исследуемых смесях асфальтобетона в их состав вводились различные полимерно-армирующие добавки.

101100(1 : 00 ООО 300000 400000 300000 600000 700000

Количество приложений нш рутки

— — — крупнозернистый пористый а.6

— Крупнозернистый

Рисунок 5 Характер зависимостей остаточных деформаций крупнозернистого пористого и плотного асфальтобетона типа Б В качестве примера на рисунке 6 представлены результаты испытаний горячих крупнозернистых плотных и пористых асфальтобетонов с добавкой резинового термоэластопласта (РТЭП).

крупнозернистым плотный асфальтобетон

крупнозернистым пористый асфальтобетон

05.3 % бит.-0,3% РТЭП В5.0 % бит-0,3% РТЭП Н5,б % бит.-0,3% РТЭП

3

1.3

5 о

2.65

□ 4.4 %бш -0.25% РТЭП В4.0 °-обо[ -0.^5% РТЭП 04.2 % 6ИТ.+0Д5Н РТЭП

Рисунок 6 - Результаты испытаний крупнозернистого пористого и плотного асфальтобетона с полимерно-армирующей добавкой По результатам испытаний выявлена зависимость накопления деформаций от количества битума в составе смеси. При этом, минимальные значения получены у асфальтобетонов с наименьшим количеством битума и полимерно-армирующей добавкой.

Дальнейшие исследования по влиянию стабилизирующих модифицирующих добавок на устойчивость к накоплению деформаций проводились на подобранных составах ЩМА и типа А, содержащих в своем составе наибольшее количество максимальной фракции щебня. При исследовании различных добавок, улучшающих свойства асфальтобетонов выявлены закономерности, определяющие их влияние на накопление остаточных деформаций.

При введении стабилизирующих добавок в асфальтобетон результаты испытаний на накопление остаточных деформаций во многом сопоставимы с исходными материалами (без добавок) и не вносят видимых улучшений, а в отдельных случаях приводят к их ухудшению. Введение в состав смеси полимерных добавок, снижающих пластичность асфальтобетона при высоких температурах, способствует уменьшению остаточных деформаций в большей степени. В образцах асфальтобетонов с подобными добавками значение остаточных деформаций по сравнению со стабилизирующими добавками снижается на 28-32%.

В образцах, приготовленных из смесей на полимерно-битумном вяжущем совместно со стабилизирующей добавкой, по данным испытаний, устойчивость к колееобразованию может быть повышена в среднем на 34-38%. Для примера, на рисунке 7 представлены результаты исследований щебеночно-мастичного асфальтобетона при варьировании стабилизирующих и модифицирующих добавок.

8,00 I 7.00

"Полшум (0.3%) Альфабит (7%ог (0,45%) (3%от (0,05%) (0,4%) (0,45%) 60" (5,5%) 60" (5,3%) массы массы

битума) битума)

Рисунок 7 — Результаты испытаний щебеночно-мастичного асфальтобетона при варьировании стабилизирующих и модифицирующих добавок

На следующем этапе исследования была установлена структурная взаимосвязь между физико-механическими показателями различных типов асфальтобетонов и их устойчивостью к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок и температурных факторов. Проведен анализ лабораторных исследований физико-механических показателей ЩМА и горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонов типа А, I марки, улучшенных стабилизирующими или полимерными добавками, а также приготовленных на основе модифицированных битумов.

При сравнении результатов испытаний асфальтобетонных образцов, предусмотренных документами технического регулирования и значениями остаточных деформаций, полученных при испытании на приборе динамических испытаний (ПДИ), выявлена сходимость по отдельным показателям. Сходимость во многом обусловлена введением полимерных добавок, повышающих сдвигоустойчивость и увеличивающих пределы прочности на сжатие при 20 и 50°С. Однако, исходя из показателей, характеризующих максимальную прочность материала при одноосном сжатии, трудно сделать вывод о таком критерии как минимум накопления остаточных деформаций.

При этом показано, что если сцепление и угол внутреннего трения асфальтобетонов, при варьировании того или иного фактора изменяются в малой степени, то значения остаточных деформаций для этих же образцов могут различаться в 2,7 раза, что свидетельствует о необходимости разработки нового дополнительного критерия для определения устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций.

В четвертой главе приведены результаты многолетнего мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций на созданных в Ростовской области наблюдательных станциях на участках М-4 «Дон». Также в главе приведена методика определения предельно-допустимых значений остаточных деформаций в слоях асфальтобетона.

Мониторинг накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна проводился с помощью специально разработанных и установленных в дорожную конструкцию, в процессе строительства измерительных устройств в виде зондов. Измерительные зонды имеют систему измерительных модулей, размещенных внутри защитной металлической трубки (рисунок 8).

Рисунок 8 - Чертеж и общий вид зонда в дорожной конструкции

Зонд состоит из вертикальной металлической тонкостенной трубы 2, имеющей заостренный нижний торец 1 и плоский верхний торец 3, совмещенный с поверхностью дорожного покрытия. Межслойные металлические диски 4 выполнены в единой конструкции с магнитной сборкой 5, количество меж-слойных дисков соответствует количеству слоев дорожной одежды.

Принцип измерения остаточных деформаций в элементах дорожной конструкции состоит в измерении индукции магнитного поля чувствительным элементом, расположенным внутри вертикальной трубки зонда. Перед закладкой зонда в дорожную конструкцию магнитные сборки тарируются, при этом фиксируется зависимость значений напряжения магнитного поля, создаваемого кольцевыми магнитами, от положения чувствительного элемента. При измерениях в процессе эксплуатации из получаемых значений магнитного поля по таблице тарировки вычисляются значения деформаций.

Многолетние исследования накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций на созданных в ЮФО наблюдательных станциях, проведенные в ДортрансНИИ РГСУ под руководством профессора Матуа В.П. позволили получить осредненные результаты распределения остаточных деформаций в каждом конструктивном слое дорожной одежды (рисунок 9).

Исходя из требований по максимально допустимым деформациям на поверхности дорожного покрытия (20 мм - в соответствии с рекомендациями по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах) доля остаточных деформаций, приходящихся на каждый элемент дорожной конструкции (при суммарной остаточной деформации равной 100%), составляет:

Накопление деформаций в реальных условиях (в процентном соотношении)

100 %

Предельно-допустимые Деформации на поверхности

20 мм

30-40 °

20-30 %

- в верхнем и нижнем слое покрытия из горячего плотного асфальтобетона - 4мм;

- в верхних слоях основания и в нижних слоях покрытия из крупнозернистого пористого асфальтобетона - Змм;

Рисунок 9 - Осредненный график распределения остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна

а) для верхнего слоя асфальтобетонного покрытия - 20-30%;

б) для верхних слоев основания и нижних слоев покрытия из крупнозернистого асфальтобетона - 10-20%;

в) для слоев основания из укрепленных минеральным или комплексным вяжущим - 0-5%;

г) для несвязных слоев основания - 20-30%;

д) для грунта земляного полотна - 30-40%.

На основании проведенных экспериментальных и натурных полевых наблюдений можно заключить, что величина предельно допустимого значения остаточных деформаций в асфальтобетонных образцах, испытываемых на «Приборе динамических испытаний» (ПДИ) под воздействием динамической нагрузки, за срок службы покрытия не должна превышать:

а) в верхнем и нижнем слое покрытия из горячего плотного асфальтобетона и ЩМА - 4 мм (при расчетной нагрузке 0,6 МПа);

б) в верхних слоях основания из крупнозернистого пористого асфальтобетона — 3 мм (при расчетной нагрузке 0,5 МПа).

Приведенные значения можно рекомендовать в качестве предельно-допустимых значений накопления остаточных деформаций и использовать для определения устойчивости асфальтобетонов покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок и природно-климатических факторов.

В пятой главе определена экономическая эффективность применения разработанной методики при подборе состава асфальтобетона с учетом срока его службы в дорожном покрытии. Для получения сопоставительных результа-

тов введен коэффициент эффективности, объективно показывающий соотношение между увеличением стоимости и снижением накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне. Наибольшая эффективность получена у смесей с полимерными добавками в комплексе со стабилизирующими - 4,9, а затем у смесей с полимер-битумными вяжущими - 2,1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа существующих методов и приборов для испытаний асфальтобетона на устойчивость к колееобразованию, сделан вывод о том, что существующие методы, хотя и являются приближенными к реальным условиям эксплуатации асфальтобетона в дорожной конструкции, в сущности, не в состоянии в полной мере их отразить.

2. Разработана физико-математическая модель определения параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур.

3. Разработан прибор динамических испытаний (ПДИ) для испытания дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок. На разработанный прибор получен патент № 111293 МПК G01N 3/36 «Установка для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов, а также свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13.

4. Разработана методика проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок с обоснованием необходимого количества приложений нагрузки, геометрических параметров образца, бокового обжатия материала и температуры испытания.

5. Проведены экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов на устойчивость к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок при варьировании процентного содержания в смеси: крупных фракций щебня, стабилизирующих и модифицирующих добавок, а также полимерно-битумных вяжущих.

Определены значения остаточных деформаций у асфальтобетонов различных типов. Выявлены закономерности накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне от процентного содержания щебня и модифицирующих добавок в составе смеси.

6. Проведен анализ взаимосвязи структурных свойств и физико-механических характеристик, предусмотренных нормативными документами, с деформацией материала от расчетной динамической нагрузки. Выявлена сходимость по отдельным показателям. Сходимость во многом обусловлена введением полимерных добавок. Сцепление и угол внутреннего трения, при варьировании того или иного фактора, изменяются в малой степени, что не дает возможности объективно оценивать материал по критерию устойчивости к накоплению необратимых деформаций.

7. Мониторинг остаточных деформаций на участках федеральных автомобильных дорог ЮФО по данным измерительных зондов показал, что

максимум деформаций накапливается в грунте земляного полотна (30-40% от общей деформации) и в верхнем слое асфальтобетонного покрытия (20-30% от общей деформации), а на слой из крупнозернистого пористого асфальтобетона приходится от 10 до 20% от общей деформации. Полученные данные о распределении деформаций по слоям дорожной конструкции позволили при испытании асфальтобетонных образцов на приборе ПДИ определить требования к предельно-допустимым значениям накопления остаточных деформаций:

- в плотных асфальтобетонах, предназначенных для устройства верхнего или нижнего слоя покрытия (при расчетной нагрузке р=0,6 МПа и температуре t=60 °С) - 4 мм;

- в пористых асфальтобетонах, предназначенных для устройства верхнего слоя основания или нижнего слоя покрытия (при расчетной нагрузке р=0,5 МПа и температуре t=50 °С) - 3 мм.

8. Определена экономическая эффективность применения разработанной методики при подборе состава асфальтобетона с учетом срока его службы в дорожном покрытии. Для получения сопоставительных результатов введен коэффициент эффективности, показывающий соотношение между увеличением стоимости и снижением накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мирончук, С. А. Новое лабораторное оборудование и методика проведения испытаний дорожно-строительных материалов под воздействием динамических нагрузок [Текст] / В.П. Матуа, С. А. Мирончук // Журнал наука и техника в дородной отрасли. 2012. - №4 - С. 16-18.

2. Мирончук, С. А. Лабораторные исследования влияния структуры минерального остова на деформативные свойства асфальтобетона [Текст] /

B.П. Матуа, С. А. Мирончук // Журнал «Новые технологии» Майкопский государственный технологический университет. 2012. Вып. 3.- С. 75-80.

3. Мирончук, С. А. Измерительные зонды для мониторинга остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна [Текст] / В.П. Матуа, Д.В. Чирва, С. А. Мирончук, В.В. Солодов // ДОРОГИ И МОСТЫ: сб. статей / ФГУП «РОСДОРНИИ». - М. 2013. - Вып. 30/2. -

C. 131-141.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели:

4. Патент РФ № 100260 МПК G01N 3/36 от 10.12.2010г. «Установка для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов» [Электронный ресурс] / В. П. Матуа, Д. В. Чирва, С. А. Мирончук и др. - Режим доступа: http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.

5. Патент РФ № 111293 МПК G01N 3/36 от 10.12.2011г. «Устройство для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов» [Электронный ресурс] / В. П. Матуа, Д. В. Чирва, С. А. Мирончук и др. - Режим доступа: http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.

6. Патент РФ № 121585 МПК G01N 3/302 от 27.10.2012г. «Устройство для мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожной

конструкции» [Электронный ресурс] / В. П. Матуа, Д. В. Чирва, С. А. Мирон-чук и др. - Режим доступа: http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.

публикации в других научных изданиях:

7. Мирончук, С. А. Мониторинг интенсивности, состава и скорости движения транспортных средств на участках федеральных дорог подверженных колееобразованию [Текст] / В.П. Матуа, С.А. Мирончук П Международная научно-практическая конференция «Строительство-2009». - Ростов н/Д, 2009. - С 34-35.

8. Мирончук, С. А. Исследование остаточных деформаций не связных материалов под воздействием динамических нагрузок [Текст] / В.П. Матуа, С.А. Мирончук // Международная научно-практическая конференция «Строи-тельство-2010». - Ростов н/Д, 2010. - С. 17-19.

9. Мирончук, С. А. Комплексный подход к решению проблемы ко-лееобразования на федеральных дорогах Российской Федерации [Текст] / В.П. Матуа, Д.В. Чирва, С.А. Мирончук, и др. // Второй Всероссийский дорожный конгресс: Сборник научных трудов. Москва. МАДИ, 2010. - С. 174 - 180.

10. Мирончук, С. А. Динамические методы испытаний асфальтобетонных образцов [Текст] / В. П. Матуа, Д. В Чирва, С. А. Мирончук // Международная научно-практическая конференция «Строительство-2011». -Ростов н/Д, 2011.-С. 34-36.

11. Мирончук, С. А. Лабораторные исследования асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок [Текст] / В.П. Матуа, С.А. Мирончук // Международная научно-практическая конференция «Строительство-2012». - Ростов н/Д, 2012. - С 34-36.

12. Мирончук, С. А. Испытание материалов [Текст] / В. П. Матуа Д. В Чирва, С.А. Мирончук // Автомобильные дороги: научно-технический журнал. -2012. Вып. 07 (968). - С. 86-89.

13. Мирончук, С. А. Оптимизация составов асфальтобетонных смесей по критерию минимума накопления в них остаточных деформаций [Текст] / С.А. Мирончук, Д.В. Чирва // Международная научно-практическая конференция «Строительство-2013». - Ростов н/Д, 2013. - С. 181-182.

14. Мирончук, С. А. Метод оценки устойчивости асфальтобетона к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок [Электронный ресурс] / С.А. Мирончук, В.П. Матуа, Д.В. Чирва // Международная научно-практическая конференция. - Волгоград, 2014. - С. 177-181. Режим доступа: http://www.vgasu.ru/publishing/on-line/

Мирончук Сергей Александрович

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать «22» января 2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая.

Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 36/15.

Ростовский государственный строительный университет 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.