автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка требований и метода оценки трещиностойкости термопластиков для дорожной разметки

На правах рукописи

■ з НОЯ ?1Р,7

Бочкарев Владимир Ильич

РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ И МЕТОДА ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТЕРМОПЛАСТИКОВ ДЛЯ ДОРОЖНОЙ РАЗМЕТКИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.П.Носов. Официальные оппоненты : доктор химических наук, профессор Н.Б.Урьев,

на заседании диссертационного совета К 053.30.13 ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу:

125829, ГСП-47, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42. Телефон для справок 155-08-31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ТУ). Просьба высылать отзывы на диссертационную работу в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, по указанному адресу.

Автореферат разослан « 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук В.А.Виноградов.

Ведущая организация - ГУЛ «ДОРИНВЕСТ»

Защита диссертации состоится

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Безопасность движения и пропускная способность автомобильных дорог в большой степени зависят от качества и состояния дорожной разметки. В составе технических средств организации движения дорожная разметка занимает значительное место и является неотъемлемой частью нормального оптического восприятия современной автомобильной дороги.

Функциональная долговечность разметки в основном не превышает двух лет, затраты на проведение разметочных работ составляют весомую долю эксплуатационных затрат на содержание дороги, при этом время их выполнения ограничено теплым сезоном года. Во время проведения разметочных работ существенно ухудшаются условия движения транспорта, снижается безопасность движения, повышается себестоимость перевозок, за счет заторов ухудшается экологическая обстановка на прилегающих участках дороги. По этим причинам весьма актуальна проблема повышения функциональной долговечности дорожной разметки.

Практический опыт использования для разметки термопластичных материалов в России показывает, что значительную часть разрушений разметки из термопластиков представляет собой растрескивание с последующим отслоением материала от дорожного покрытия. В значительной мере это обусловлено несовершенством или полным отсутствием методов оценки качественных показателей материалов, применяемых для дорожной разметки. Эти обстоятельства указывают на актуальность разработки и совершенствования методов испытаний и нормирования требований к материалам, применяющимся для дорожной разметки.

Цель диссертационной работы - разработка требований и метода оценки • качества термопластиков для дорожной разметки ко критерию трещиностойко-сти на основе математического моделирования условий работы материала.

Научная новизна работы заключается в:

классификации современных материалов для дорожной разметки на основе принципа формирования структуры, определяющего как технологию их нанесения, так и эксплуатационные свойства;

анализе повреждений дорожном разметки с выявлением вызывающих их причин;

применении метода статистического моделирования результатов в виде интегральной функции распределения, с использованием в качестве исходных

данных интегральных функций распределения независимых факторов внешних воздействий;

применении метода расчета наряженного состояния упруго-вязких термопластичных материалов в линиях дорожной разметки, с использованием прочностных, деформативных и реологических характеристик, определяемых лабораторным способом.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложен метод оценки трещиностойкости термопластиков для дорожной разметки, предназначенный для регулирования потребительских свойств при разработке их составов, а также в процессе контроля качестна термопластиков.

Реализация работы. Результаты работы были использованы одним из наиболее крупных предприятий по выпуску термопластиков в России ФЦДТ "Союз" при разработке новых составов тсрмопластиков марки "Технопласт" и техническим комитетом по стандартизации ТК-278 "Безопзсность дорожного движения" при разработке "Типовых методик сертификационных испытаний технических средств организации движения".

Публикации. По теме исследования опубликовано 4 печатные работы.

На защиту выносятся:

- классификация дорожных разметочных материалов, составленная на основе принципа формирования их структуры;

- виды и причины повреждений дорожной разметки по результатам натурных обследований;

- показатели физико-механических свойств термопластиков, применяемых для дорожной разметки и их зависимости от температуры по результатам

. лабораторных исследований;

- статистическая модель для прогнозирования температурного режима материалов, применяемых для дорожной разметки;

- методика оценки трещиностойкости дорожных разметочных термопластиков.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения. Текст диссертации изложен на 161 странице, содержит 41 рисунок и 29 таблиц. Список литературы включает 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулирована цель исследования.

Первая глава посвящена анализу публикаций и нормативно-методической литературы по вопросу качества дорожной разметки.

Значительное число публикаций касается положительного влияния дорожной разметки на повышение безопасности движения, подтверждаемого статистическими данными по количеству и характеру дорожно-транспортных происшествий. В условиях высоких коэффициентов загрузки дороги дорожная разметка существенно улучшает условия движения и повышает скорости транспортного потока. В некоторых работах дорожная разметка рассматривается как альтернатива увеличению протяженности дорожной сети в условиях увеличен ия парка автомобилей и интенсивного роста движения по автомобильным дорогам.

Изучению рациональных схем организации движения и влияния разметки на пропускную способность автомобильных дорог уделяли большое внимание в своих исследованиях М.Б.Афанасьев, В.Ф.Бабков, В.Д.Белов, А.П.Васильев, О.А.Дивочкин, Е.МЛобанов, В.В.Сильянов, Ю.М.Ситников, М.И.Судьин и другие ученые. Результаты этих исследований легли в основу нормативных, инструктивных и справочных документов по вопросам проектирования схем разметки проезжей части автомобильных дорог.

Установлено, что показатели разметки должны отвечать двум основным условиям:

- разметка должна быть видима участниками движения в любое время суток и в любых погодных условиях;

- разметка с технической точки зрения не должна ухудшать безопасность движения автотранспорта.

В связи с этим нормативные документы предусматривают ряд требований к показателям разметки проезжей части, в число которых входят: дневная видимость в условиях рассеянного естественного освещения, ночная видимость в условиях освещения светом фар с учетом погодных условий, коэффициент сцепления и толщина слоя разметки.

Следует отметить, что в настоящий момент сложилась ситуация, когда требования к качественным показателям разметки входят сразу в несколько нормативных документов: действующие ГОСТ 13508-74 и ГОСТ Р 50597-93, и

новый ГОСТ Р 51256-99. При этом новый документ, выпущенный с целью приведения требований к дорожной разметке в соответствие европейским нормам, содержит ряд противоречий с действующими документами, а также некоторые несоответствия с требованиями европейских нормативных документов.

Новый ГОСТ Р 51256-99 содержит определение функциональной долговечности разметки и требования к ней. Функциональную долговечность разметки определяют комплексно, как сохраяение требуемых функциональных свойств (свето- и цветотехнических показателей, коэффициента сцепления), с одной стороны, и сохранность линий разметки по площади, с другой стороны. При этом в стандарте учтены различия процессов разрушения тонкослойных и толстослойных разметочных материалов, отраженные в нормах предельного процента разрушения по площади, и дана упрощенная классификация материалов, основанная на толщине слоя разметки. Однако примененная классификация разметочных материалов не учитывает потенциальную разницу свойств термопластиков, холодных пластиков и полимерных лент, отнесенных к одному типу «долговечных» материалов; не учтено, что при тонкослойном нанесении термопластиков и холодных пластиков «спрей-методом» функциональная долговечность разметки будет существенно ниже, чем при толстослойном, а основным видом разрушения будет истирание материала; при нормировании срока службы не учтена напряженность работы линий разметки.

В настоящее время основным материалом, применяемым для разметки, является термопластик, наносимый скреперной кареткой или экструдером толщиной около 3 мм (в г.Москве около 80% от общей площади разметки). Существенную долю его разрушений составляет растрескивание, во многих случаях приводящее к отслоению материала от покрытия.

На основе анализа публикаций и нормативно-технической литературы были сформулированы следующие задачи диссертационного исследования: разработать классификацию материалов для дорожной разметки; провести натурные наблюдения дорожной разметки из термопластиков для оценки их функциональной работоспособности;

установить зависимости прочностных, деформативных и реологических характеристик термопластиков спг температуры на основе лабораторных исследований физико-механических свойств;

разработать вероятностную модель температурного режима работы разметочных материалов;

провести вычислительный эксперимент по оценке напряженно-деформированного состояния терм о пластиков в зависимости от температурных и транспортных воздействий;

разработать практические рекомендации по оценке трещиностойкости термопластиков для дорожной разметки.

Во второй главе рассмотрен!,I свойства современных материалов, применяемые для дорожной разметки, проанализированы технологии нанесения разметки и выявлены общие эксплуатационные характеристики линий разметки из различных материалов, наносимых с применением разных технологий.

В основу предлагаемой классификации разметочных материалов положен принцип формирования структуры материала. По принципу формирования структуры современные материалы, применяемые для дорожной разметки, можно подразделить на 4 типа: краски, термопластики, холодные пластики и полимерные ленты.

Для этих материалов в настоящее время разработаны и применяются механизированные технологии с использованием специальных машин. Кроме того, для всех перечисленных типов материалов существуют немеханизированные (ручные) технологии, которые в настоящее время применяют при нанесении сложных элементов разметки, таких как геометрические фигуры и символы (стрелки, треугольники, буквы, цифры), и при использовании таких специфических видов материалов, как полимерные ленты и готовые элементы из термопластика, технология нанесения которых основана на ручной работе с применением несложных средств механизации.

Материал одного и того же топа можно наносить с использованием различных технологий, в результате чего получают различные физико-механические показатели разметки, определяющие ее эксплуатационные качества и долговечность.

В табл.1 представлена классификация разметочных материалов, связывающая тип материала по принципу формирования структуры, технологии нанесения материала и толщину получаемого слоя разметки. Такая классификация служит основанием для назначения требований к функциональной долговечности разметочных материалов и требований к технологическим и эксплуатационным свойствам разметочных материалов.

Принцип формирования структуры термопластика (способность переходить в текучее состояние при высокой температуре и твердое - при низкой), лежащий в основе технологии нанесения этого материала, обусловливает зна-

Таблица 1

Классификация материалов для дорожной разметки

Тип материала Принцип формирования структуры Технологии Толщина слоя разметки

Исходное состояние (ИС) Технологическое состояние (ТС) Эксплуатационное состояние (ЭС)

Краска жидкая масса то же твердая пленка аэрозольное или безвоздушное распыление до 0,5 (0,8) мм (сухой слой, в схобках-со V )

Переход ТС-ЭС - физико-хими> при испарении раствс «ский процесс зителя ручная

Термопластик порошок или твердый монолит текучая масса узасплав} твердый мот г <-1 тгг п^ш 4. скреперная каретка более 1,5 мм

экструдер

Переход ИС-ТС - плавление материала. Переход ТС-ЭС - отверждение при остывании. ручная (из готовых элементов)

напыление (спрей) до 1,5 мм

Холодный пластик текучая масса то же (катализированная) твердый монолит напыление (спрей) до 1,5 мм

Переход ТС-ЭС — отверждение в результате химической реакции ручнял (по контуру или трафарету) более 1,5 мм

Полимерная лента твердая пленка то же то же горячее втапливание более 1,0 мм

Переходы состояний отсутствуют (клеевое соединение с дорожным покрытием) холодное наклеивание

чительную зависимость его физико-механических свойств от температуры. Это необходимо учитывать при проведении лабораторных исследований.

В третьей главе приведены результаты натурных наблюдений функциональной работоспособности дорожных разметочных материалов, выявлены виды повреждений дорожной разметки, приведены результаты лабораторных испытаний термопластиков.

' На основе натурных наблюдений за работой разметочных материалов в процессе эксплуатации дорожной разметки были выявлены основные виды повреждений разметки, их причины и влияние различного вида повреждений на функциональные свойства разметки. Основными видами повреждений являются: ухудшение светотехнических показателей в результате зафязнения поверхности и химических процессов в разметочных материалах; истирание разметки; пластические деформации; растрескивание разметочного материала.

Растрескивание, характерное для термопластиков, является опасным видом повреждения, так как способствует отслоению разметочного материала от покрытия. Причиной растрескивания разметки являются растягивающие напряжения, возникающие в слое разметочного материала при температурных колебаниях и под воздействием транспортных нагрузок. Растрескивание является следствием недостаточной трещиностойкости разметочного материала и в значительной степени интенсифицируется при плохой адгезии материала к покрытию.

В процессе лабораторных экспериментов для разработки метода оценки трещиностойкости были выбраны 4 термопластика, широко применявшихся для разметки в московском регионе и показавших различную трещиностой-кость: термопластик №1 - практически не подвержен растрескиванию, в том числе и при плохой адгезии материала к покрытию; №2 - в некоторых случаях возникают редкие трещины, но они не интенсифицируют процесс разрушения материала; №3 - нетрещиностойкий, около 55% линий подвержены растрескиванию, при этом более 15% - с отслоением от покрытия; №4 - нетрещиностойкий, более 30% линий подвержены интенсивному растрескиванию.

Сложность поставленной задачи определялась отсутствием методов испытаний термопластиков, количественно характеризующих трещиностойкость материала. Термопластик является упруго-вязко-пластичным материалом, свойства которого в значительной степени зависят от температуры. Анализ научных работ в этой области показал, что для количественной оценки трещиностойкости таких материалов используют совокупность следующих физико-

механических характеристик: коэффициент линейного температурного расширения, модуль упруг ости, предел прочности и коэффициент вязкости.

Для проведения лабораторных исследований было изготовлено оборудование, отработаны методики и проведены испытания указанных свойств термопластиков при различной температуре. Испытания были выполнены на образцах-балках размером 20x20x160 мм. Величины коэффициентов линейного температурного расширения составили: термопласгик №1 - 88 • 10"6; №2 - 38 • 10"6; №3 - 80 • 10"6; №4 - 56 • 10"6. Зависимости остальных показателей от температуры представлены на графиках (рис.1-3). В табл.2 приведены уравнения зависимостей модуля упругости, гфедела прочности на растяжение и скорости релаксации напряжений термопластиков от температуры. Анализ результатов испытаний выявил необходимость установления обобщенного показателя трещи-ностойкости на основе теоретической зависимости, связывающей полученные показатели свойств материалов.

Проведенное исследование содержания: компонентов и зернового состава минеральной части термопластиков, наблюдавшихся в процессе эксплуатации, позволило выязить основные закономерности влияния состава материала на его эксплуатационные свойства. Большое количество мелкого кварцевого песка в термопластиках (составы №3 и №4) в качестве инертного наполнителя снижает стоимость материала, но обуславливает применение более жесткого вяжущего для обеспечения износостойкости, что снижает трещиностойкость материала. Уменьшение вязкости материала путем модификации вяжущего пластификаторами возможно только до определенного предела, так как в результате ухудшается стойкость материала к пластическим деформациям и его истираемость, и увеличивается загрязняемость термопластика. Наилучшую трещиностойкость по результатам натурных наблюдений показывают термопластики, имеющие зерновой состав с прерывистой гранулометрией (состав №1), содержащие пластичное вяжущее и крупные каркасные частицы: стеклошарики и фрикционные добавки. Улучшение свойств термопластиков путем изменения состава возможно достичь лишь на основе комплексного подхода, так как направленное улучшение одних свойств может приводить к существенному ухудшению других.

Четвертая глава посвящена исследованию температурных условий работы материалов для дорожной разметки.

Установлено, что одной из основных причин растрескивания разметки являются температурные напряжения, вызываемые изменением температуры

20000 18000 16000

с:

£ 14000 ш

X 12000 §

юооо 8000 6000 4000 2000 0

О

I

-

* " —

X • к 1

"I .....- ^ "¡мм.!„ ■ ^ __

" - - Г* ^ -"

____^

1

-20 -15 -10 -5 0 5

Температура, °С

ю

15

20

Рис.1. Зависимости модуля упругости термопластиков от температуры

20.0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Температура, °С

Рис.2. Зависимости предела прочности термопластиков от температуры

Температура, °С

Рис.3. Зависимости скорости релаксации термопластиков от температуры

Таблица 2

Уравнения зависимостей показателей термопластиков от температуры

Уравнение регрессии Термопластик

№1 №2 №3 №4

к с к С к с к С

Модуль упругости: Е = к-Т+с -139 5240 -207 15915 -217 10030 -167 8647

Предел прочности: Я = к-Т + с -0,060 7,14 -0,039 17,57 -0,034 12,36 -0,062 9,02

Скорость релаксации напряжений: V -с- ехр(& • Т) 0,172 23,397 0,199 1,067 0,251 3,327 0,293 0,228

разметочного материала в результате суточных, и сезонных колебаний метеорологических условий.

Величина температурных напряжений аг, возникающих в термопластиках, зависит от температуры материала и скорости ее изменения. Для количественной оценки напряженного состояния термопластиков в слоях разметки необходимо рассматривать совокупность случайных значений сгг, являющихся функцией двух случайных переменных: температуры материала Т и скорости ее изменения, которая выражается часовым температурным градиентом АТ. Это обстоятельство предопределило постановку задачи по расчету интегральных функций распределения температуры разметочных материалов и действующих в них температурных градиентов.

Учитывая малую толщину слоя разметки, было принято, что температура разметочного материала не отличается от температуры поверхности дорожного покрытия Г„. Ее величина зависит от метеорологических факторов и от характеристик покрытия. В предложенной модели учтены следующие метеорологические факторы: температура воздуха, показатель облачности и величина солнечной радиации. Температура поверхности покрытия Тп представлена как сумма температуры воздуха и эквивалентной температуры аг нагрева покрытия за счет солнечной радиации:

а*

где Те - температура воздуха, °С; 7, - эквивалентная температура нагрева от солнечной радиации, °С; 1 - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2; р - коэффициент поглощения покрытия; ка - коэффициент ослабления солнечной радиации; а, - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С).

Для расчета интегральных функций распределения температуры покрытия и температурных градиентов разработана математическая модель и программная система, использующая и качестве исходных данных результаты многолетних статистических наблюдений за метеорологическими показателями, содержащиеся в климатических справочниках.

Оценка адекватности математической модели осуществлена путем сравнения результатов моделирования с данными 6-летних наблюдений за температурой поверхности, полученными метеорологической обсерваторией МГУ имени Л омоносова. На основе статистического анализа установлено, что коэффи-

циент ослабления радиации ка, связанный с показателем облачности, является переменной величиной. При низкой вероятной температуре, соответствующей высокому показателю облачности, его значение приближается к 0, а при высокой температуре - к 1. Этот вывод проиллюстрирован графиками на рис.4.

На основе предложенной математической модели, реализованной в программной системе, были получены данные по температурному режиму работы разметочных материалов, необходимые для моделирования температурных напряжений.

Температура Т, °С

Рис.4. Интегральные функции распределения температуры воздуха и поверхности покрытия в марте

В пятой главе приведены расчеты и анализ иапряженно-деформирован-ного состояния термопластиков в дорожной разметке.

Напряженное состояние оценивали по показателю уровня напряжения, представляющего собой отношение величины растягивающих напряжений к пределу прочности на растяжение.

Напряжения, возникающие в материале, рассчитывали с использованием решения дифференциального уравнения физической модели упруго-вязкого тела Максвелла при постоянной скорости деформации:

1-е №

Е(Т) ■[4

где V - скорость деформирования, с'1; г](Т~) - коэффициент вязкости, с-МПа; Е(Т) - модуль упругости, МПа; I - продолжительность воздействия, с.

Скорость деформирования материала от температурных воздействий определяли по формуле

(3)

где Ла - разница коэффициентов линейной температурной деформации разметочного материала и покрытия, °С"'; ДТ - температурный градиент, °С, соответствующий времени *; ¡л - коэффициент Пуассона.

При определении скорости деформирования разметочного материала под воздействием колесной нагрузки принимали, что величина его относительной деформации равна деформации верхнего слоя дорожного покрытия, которую рассчитывали по известным зависимостям.

С использованием данной математической модели был проведен вычислительный эксперимент по моделированию изменения уровня растягивающих температурных напряжений в термопласта ках во времени., результаты которого проиллюстрированы на рис.5-6. Метеорологические воздействия задавали в виде массива данных наблюдений за температурой поверхности метеорологической обсерватории МГУ. Установлено, что растягивающие температурные напряжения в термопластиках возникают при отрицательной температуре и сохраняются на определенном уровне, не успевая полностью релаксировать. Уровень напряжений существенно различается у различных термопластиков и зависят от степени сцепления материала с дорожным покрытием.

Температурные напряжения создают напряженный фон, на который накладываются кратковременные напряжения от воздействия колесной нагрузки. При этом величина дополнительных растягивающих напряжений составляет З...6%, а сжимающих - 20...40% от предела прочности на растяжение (рис.7). Такая картина влияния напряжений от колесной нагрузки при высоком уровне температурных напряжений должна приводить к появлению усталостного эффекта в термопластиках. При воздействии колесной нагрузки (время действия менее 1 с) явление релаксации напряжений практически отсутствует.

а±2г к

£ о в

1 --"X —\ 1 ----О

г\ ОТ4 / 1

| .---

\

\ / — ■ тернопшстик № 3 — -тернопп»сти« М 4 ™4 -термопяастиа № )

.__ £1 ?Т1 .. 1

---- П. ---- /------гЬк -^-Г"-;----

О 69 вреия,с

Рис.7. Наложение напряжений от колесной нагрузки на температурные при проезде автомобиля по линии разметки

Влияние различных факторов на уровень растягивающих температурных напряжений в термопластиках было установлено на основе вычислительного эксперимента по статистическому моделированию напряженного состояния разметочного материала. В качестве исходных данных использованы массивы сочетаний температуры материала и ее градиентов для каждого месяца года с шагом интегральной вероятности равным 0,05. Результаты расчета в виде интегральных функций распределения на примере городов Москвы и Архангельска приведены на рис.8-9. Вычислительный эксперимент показал наличие большой разницы в показателях трещиностойкости исследованных термопластиков. Если в составе №1 температурные напряжения релаксируют даже при самых неблагоприятных сочетаниях метеорологических факторов, то у составов №3 и №4 температурные напряжения могут достигать, предела прочности на растяжение. В составе №3 при неблагоприятных сочетаниях температурных условий сохраняется невысокий уровень неотрелаксированных напряжений. Установлено существенное влияние температурных условий региона на уровень напряжений в термопластиках, а также значительная роль сцепления разметочного материала с дорожным покрытием.

Шестая глава посвящена обоснованию критерия трещиностойкости разметочных термопластиков и расчетам экономической эффективности использования различных материалов для разметки автомобильных дорог.

Для практического использования в процессе подбора составов и входного контроля качества термопластиков предлагается расчетный показатель тре-

1.0 0.9

Й 08

£ 0.7

«

|0-6 ш

I °'5

1 0.4

(О

о.

Ь 0.3 Ё

з: 0.2 0.1 0.0

/ / ! ..... |

ш 1 У 1 |

1

/7

/ ' / /

\ 1 1

/ -термоплааик № 3 - 'термоплааик № 4

/ /

/ / ! \

- - термопласт ик № 2

Т/~ 1 * --——

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 УрОЕ1ень напряжения

0.8

0.9

1.0

Рис.8. Интегральная вероятность уровня растягивающих напряжений для различных марок термопластиков (температурные условия г.Москвы, январь месяц, сцепление с покрытием обеспечено)

Москва, январь Архангельск, январь Москва, март Архангельск, март

0.0 0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 0.6 Уровень напряжения

0.7

0.8

0.9

Рис.9. Зависимости уровня растягивающих напряжений от температурных условий региона (термопластик № 3, сцепление с покрытием обеспечено)

1.0

щиностойкости Пг, полученный на основе теоретических зависимостей, связывающих упругие и вязкие свойства материала (коэффициент линейного расширения, модуль упругости, предел прочности и коэффициент вязкости), и представляющий собой градиент температуры, при котором в термопластике в течение 1 часа возникает напряжение, равное пределу прочности материала:

2520 • Я{Т) • У (Г) (4)

Пт =

где а - коэффициент линейного температурного расширения, °С~'; Е{Т) - модуль упругости, МПа; /?(Г) - предел прочности на растяжение, МПа; У(Т) -скорость релаксации напряжений, с'-МШ"'.

Для сравнительной оценки трещиностойкости термопластичных материалов предлагается использовать величину показателя трещиностойкости ПТо, вычисляемую с использованием характеристик термопластика (Е(Г), 7?(Г), У О')), определяемых при температуре 0°С. В качестве критерия трещиностойкости термопластиков в этом случае рекомендуется значение расчетного показателя трещиностойкости ПТо >1200.

Развитие рыночных отношений в стране значительно расширило ассортимент разметочных материалов как отечественного, так и зарубежного производства. Предлагаемые разметочные материалы имеют различные показатели стоимости и функциональной долговечности, что существенно повышает актуальность задачи выбора оптимальной стратегии выполнения разметки дорог, в частности — выбор материала и технологии для различных условий и особенностей объектов. Объективная оценка вариантов может быть достигнута лишь при учете суммарных дисконтированных затрат на поддержание функциональных свойств дорожной разметки в течение всего срока службы дорожного покрытия. В работе проведен комплексный анализ факторов, влияющих на величину затрат, связанных с дорожной разметкой.

В качестве примера в табл.3 приведены результаты сравнения разметочных материалов различных типов, с учетом их стоимости и функциональной долговечности.

Таблица 3

Сравнительные технико-экоиомические

характе ристики разметочных материалов

Тип разметочного материала Плотность материала, кг/м1 Толщина слоя материала, мм Расход материала, кг/м2 Цена материала, $/к г Стоимость материала *, $/м5 Срок службы разметки, мес. Суммарные дисконтированные затраты, $/м2

Краска на органических растворителях 1400 0,4** 0,56 2,00 .1,12 6 18,31

Двухкомлонентиый холодный пластик 2 ООО 3,0 6,00 3,00 18,00 48 44,43

0,6 1,20 3,30 3,96 18 22,61

Термопластик на алкидной смоле 2000 3,0 6,00 6,60 36 20,19

0,6 1,20 1,15 1,38 12 11,55

Полимерные ленты 2,5 - - 35,00 72 65,91

Оценивая приведенные в табл.3 результаты, следует принять во внимание их определенную условность, так как фактические сроки службы каждого материала в большой степени зависят от особенностей каждого объекта и могут колебаться в большом диапазоне в зависимости от типа линий разметки, технологии и условий выполнения работ, возраста и изношенности материала покрытая, метеоусловий и других факторов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Составлена классификация материалов для дорожной разметки, связывающая принцип формирования структуры материала, технологию нанесения и толщину слоя разметки.

2. На основании проведенных натурных наблюдений и обобщения данных по функциональной долговечности дорожной разметки из термопластиков проведен анатиз и установлены виды и основные причины их разрушения.

3. Экспериментально установлен комплекс прочностных, деформативных н реологических свойств термопластиков и их зависимости от температуры.

4. На основе статистического анализа многолетних наблюдений метеорологических станций разработана вероятностная модель температурного режима материалов дорожной разметки.

5. На основе предложенной математической модели напряженно-деформированного состояния дорожной разметки выполнен вычислительный

эксперимент, подтвердивший адекватность модели в широком диапазоне условий ее работы.

6. Разработаны практические рекомендации по оценке трещиностойкости термопластиков для дорожной разметки, реализованные в производственных условиях при подборе составов термопластиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бочкарев В.И. Теоретические аспекты световозвращения дорожной разметки / МАДИ-ТУ. -М.: 2000. -11 с. -Деп. в ВИНИТИ, 15.02.2000, № 383-ВОО.

2. Носов В.П., Бочкарев В.И. Моделирование условий работы материалов для дорожной разметки //Научно-технические проблемы дорожной отрасли стран СНГ / Сборник научных трудов МСД - М.:2000. -С.123-130.

3. Титиевский П.А., Мелик-Багдасарова H.A., Бочкарев В.И., Хоботов В.Г., Пириев Я.М. Установка для контроля качества асфальтобетона. Автомобильные дороги. ЭИ ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, вып.9,1987. - С.29-35.

4. Пат. 2062762 РФ. Смесь дня литого асфальта / Мелик-Багдасаров М.С., Кузнецов М.М-, Бозин С.А., Мелик-Багдасарова H.A., Бочкарев В.И. Заявлено 16.02.94; 0публ.27.06.96. Бюл. №18.-8 с.

меди, э.сг i.ioo об.ю.гооог.

Введение

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Назначение и виды дорожной разметки

1.2 Вопросы качества разметки

1.3 Состояние нормативной базы

1.4 Функциональная долговечность разметки

Цель и задачи исследования

2 Общая классификация разметочных материалов и технологий нанесения разметки

2.1 Основные принципы классификации

2.2 Краски

2.3 Термопластики

2.4 Холодные пластики

2.5 Полимерные ленты

2.6 Обобщение результатов анализа

Выводы по 2 главе

3 Экспериментальные исследования свойств термопластиков

3.1 Повреждения разметки и причины, вызывающие их

3.2 Состав, свойства и методы испытаний термопластиков

3.3 Постановка задачи экспериментального исследования на основе обобщения результатов натурных наблюдений работоспособности линий разметки из термопластиков

3.4 Методики лабораторных испытаний физико-механических характеристик термопластиков

3.5 Результаты лабораторных исследований, связь состава и свойств термопластиков

Выводы по 3 главе

4 Исследование температурных условий работы материалов для дорожной разметки

4.1 Обоснование принципа формирования модели температурных условий

4.2 Моделирование метеорологических воздействий, определяющих температурные условия дорожного покрытия

4.3 Моделирование температурных условий работы материала разметки проезжей части автомобильных дорог"

Выводы по 4 главе

5 Вычислительный эксперимент по моделированию напряженно-деформированного состояния термопластика в линиях разметки

5.1 Теоретические зависимости для расчета деформаций и напряжений, возникающих в упруго-вязких разметочных материалах

5.2 Общие принципы расчета напряженно-деформированного состояния линий разметки из термопластика

5.3 Результаты вычислительного эксперимента и их анализ

Выводы по 5 главе

В настоящее время не подлежит сомнению вопрос о необходимости разметки автомобильных дорог для повышения безопасности дорожного движения. Являясь важной частью технических средств организации движения, дорожная разметка в наше время стала неотъемлемой частью нормального оптического восприятия дороги.

Работы по поддержанию надлежащих характеристик дорожной разметки занимают важное место в процессе эксплуатационного содержания автомобильных дорог. Работы по нанесению или обновлению линий разметки являются периодическими и сезонными, так как функциональная долговечность линий разметки, колеблющаяся от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости напряженности работы линий и типа разметочного материала, ниже срока службы дорожного покрытия, а работы производят, как правило, в теплый сезон года.

При общей протяженности дорог с усовершенствованным покрытием в России порядка 330 тыс.км и при минимальной потребности в плотности гори-зонтальной разметки, равной 200 м на 1 километр дороги, эксплуатируемая л площадь линий разметки по России должна составлять более 65 млн.м . Здесь и далее под площадью линий разметки подразумевается та площадь, где на поверхность дорожного покрытия нанесен разметочный материал, то есть без учета длины пробелов в прерывистых линиях.

На протяжении 1995-1999 годов в г.Москве ежегодно обновляется разметка порядка 2 тысяч километров дорог [53]. Плотность линий разметки в г.Москве по проектным данным колеблется от 250 м /км для районных улиц до более 650 м2/км для городских магистралей. При средней плотности линий разметки для Москвы, составляющей 400 м2 линий на 1 километр дороги, общий годовой объем составляет примерно 800 тыс.м2 линий разметки. Из них примерно 80% или более 600 тыс.м приходится на разметку термопластиком, то есть потребность в термопластике составляет порядка Зч-4 тысяч тонн в год. Планируемый объем финансирования работ по разметке магистралей, улиц и проездов г.Москвы на 2000 год составляет 189 млн.руб при планируемом объеме разметки 2260 километров дорог.

Пик разметочных работ приходится, как правило, на начало теплого сезона года, так как наиболее интенсивное разрушение разметки происходит в зимний период. При этом собственно работы по разметке, как и любые работы на проезжей части, ограничивают пропускную способность дорог и ухудшают безопасность движения.

Исходя из этого, большую актуальность имеет проблема повышения функциональной долговечности дорожной разметки, или, как минимум, предотвращения применения низкокачественных разметочных материалов, имеющих низкие показатели функциональной долговечности.

Практический опыт использования для разметки термопластичных материалов в России показывает, что значительную часть разрушений линий разметки из термопластиков представляет собой растрескивание с последующим отслоением материала от дорожного покрытия.

Традиционно сложилось положение, что материалами для дорожной разметки занимаются в основном специалисты лакокрасочной отрасли, так как краски стали раньше применять для дорожной разметки. Однако применение традиционных методов испытаний лакокрасочных материалов к термопластикам, холодным пластикам и полимерным лентам, применяемым для дорожной разметки, не эффективно, как из-за физических особенностей этих материалов, так и в силу специфических условий их работы, при этом многие методы просто не применимы. В настоящее время актуальна проблема совершенствования методов испытаний и нормирования требований к термопластикам, холодным пластикам и полимерным лентам, применяющимся для дорожной разметки.

Цель диссертационной работы - разработка требований и метода оценки качества термопластиков для дорожной разметки по критерию трещиностойко-сти на основе математического моделирования условий работы материала.

Научная новизна работы заключается в: классификации современных материалов для дорожной разметки на основе принципа формирования структуры, определяющего как технологию их нанесения, так и эксплуатационные свойства; анализе повреждений дорожной разметки с выявлением вызывающих их причин; применении метода статистического моделирования результатов в виде интегральной функции распределения, с использованием в качестве исходных данных интегральных функций распределения независимых факторов внешних воздействий; применении метода расчета наряженного состояния упруго-вязких термопластичных материалов в линиях дорожной разметки, с использованием прочностных, деформативных и реологических характеристик, определяемых лабораторным способом.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложен метод оценки трещиностойкости термопластичных упруго-вязких материалов для дорожной разметки, предназначенный для использования как при разработке составов термопластиков для улучшения их качественных показателей, так и при входном лабораторном контроле разметочных материалов для предотвращения использования некачественных материалов.

Реализация работы. Предложенные методы лабораторных испытаний с оценкой трещиностойкости были использованы ФЦДТ "Союз" (одно из самых крупных предприятий по выпуску термопластиков в центральном регионе России) при разработке новых составов термопластиков марки "Технопласт". Результаты исследований, проведенных в рамках данной работы использованы техническим комитетом по стандартизации ТК-278 "Безопасность дорожного движения" при разработке "Типовых методик сертификационных испытаний технических средств организации движения".

Апробация работы. По результатам исследования опубликованы 4 печатные работы. Диссертационная работа рассмотрена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры СЭД МАДИ.

Общие выводы

1. Составлена классификация материалов для дорожной разметки, связывающая принцип формирования структуры материала, технологию нанесения и толщину слоя разметки.

2. На основании проведенных натурных наблюдений и обобщения данных по функциональной долговечности дорожной разметки из термопластиков проведен анализ и установлены виды и основные причины их разрушения.

3. Экспериментально установлен комплекс прочностных, деформативных и реологических свойств термопластиков и их зависимости от температуры.

4. На основе статистического анализа многолетних наблюдений метеорологических станций разработана вероятностная модель температурного режима материалов дорожной разметки.

5. На основе предложенной математической модели напряженно-деформированного состояния дорожной разметки выполнен вычислительный эксперимент, подтвердивший адекватность модели в широком диапазоне условий ее работы.

6. Разработаны практические рекомендации по оценке трещиностойкости термопластиков для дорожной разметки, реализованные в производственных условиях при подборе составов термопластиков.

1. Афанасьев М.Б., Булатов А.И. Скорость и безопасность движения на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1971. -48с.

2. Бабков В.Ф., Афанасьев М.Б., Васильев А.П., Сильянов В.В., Дивочкин O.A. и др. Дорожные условия и режимы движения автомобилей. -М.: Транспорт, 1967 -224с.

3. Бабков В.Ф., Дивочкин O.A., Орнатский Н.П. И др. Методика оценки безопасности движения и транспортных качеств автомобильных дорог. -М.: Высшая школа, 1971. -209с.

4. Безвоздушные маркировочные машины GRACO. -Информационный бюллетень АО «Спецтехника», 1997, -10с.

5. Богуславский A.M., Ефремов Л.Г. Асфальтобетонные покрытия. Учебное пособие. -М.: Изд-во Минпромстроя СССР. 1981. -145с.

6. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Стройиздат, 1981

7. Бонченко Г. А. Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером. -М.: Машиностроение, 1994. -176с.

8. Бочкарев В.И. Теоретические аспекты световозвращения дорожной разметки/МАДИ-ТУ.-М.: 2000.-11 с.-Деп. вВИНИТИ, 15.02.2000, № 383-В00.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

10. Васильев А.П. Предотвращать ДТП. «Автомобильные дороги», 1972, №2, с.6-8

11. Водорастворимый пластик с нормальной сушкой AQUAPLAST и оборудование для его нанесения. -Информационный бюллетень ф-мы «PLASTIROUTE», Швейцария, 1997, -18с.

12. Волков В.Г. Деформативные свойства дорожного асфальтобетона. М.: Высшая школа, 1971. - 98с.

13. Горелышев H.В., Пантелеев Ф.Н. О пластичности дорожного асфальтового бетона. //Труды МАДИ. М.: МАДИ, 1953. -вып. 15

14. Горецкий Л.И. Теория и расчет цементобетонных покрытий на температурные воздействия. -М: Транспорт, 1965

15. Готовая дорожная маркировка PREMARK. -Информационный бюллетень ф-мы «LKF», 1999, -6с.

16. Готовые элементы из термопластика MERCALIN PREFAB для дорожной разметки. -Информационный бюллетень ф-мы «LKF VEJMARKERING A/S», 1996,-Юс.

17. Двухкомпонентная толстослойная дорожная разметка SIGNODUR В для нанесения распылителем. -Информационный бюллетень завода «Helios», г.Любляна, Словения, 1997, -11с.

18. Дорожные разметочные и световозвращающие материалы. -Информационный бюллетень ООО «Меготекс», 2000, -16с.

19. Дорожные условия и организация движения / В.Ф.Бабков, O.A.Дивочкин, О.А.Залуга, С.К.Кашкин, Е.М.Лобанов, Н.П.Орнатский, В.С.Порожняков, В.И.Пуркин, В.В.Сильянов, Ю.М.Ситников, М.И.Судьин, В.М.Трибунский -М.: Транспорт, 1974. 240с.

20. Иванов H.H. Причины образования трещин в асфальтобетонных покрытиях. //Труды МАДИ. М.: МАДИ, 1953. -вып.15. -С.7-11

21. Инструкция по применению термопластичного материала для маркировки дорожных покрытий. ГИПИ ЛКП. МХП СССР. В/О «Лакокраска». -М.: 1975.-12с.

22. Ищенко И.С. Городской контроль качества дорожно-ремонтных работ в Москве. -М.: Стройиздат, 1997. -160с.

23. Карякина М.И. Лабораторный практикум по испытанию лакокрасочных материалов и покрытий. -М.: Химия, 1977. -240с.

24. Килль В. Различимость разметки проезжей части дороги в ночное время. Доклад на международном семинаре по обустройству дорог. -М.: изд.ф-мы «Сварко», 199527