CC BY
12
УДК 625.85
НАПРАВЛЕНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ТЕРМОВ'ЯЗКОПРУЖНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
АСФАЛЬТОБЕТОНУ
В.В. Мозговий, проф., д.т.н., Нацюнальний транспортний ушверситет, м. Khïb
Анотац1я. Запропоноеано регулюеати термомехатчт enacmueocmi асфальтобетону eidnoeidno до умов його роботы в конструкцп дорожнъого одягу. Для цъого еикористоеуютъся критерп граничного стану i сучаст nayKoei положения meopiï твердых ты. Показано мож-лив1сть еикористання meopiï термов'язкопружност1 й юнетичног meopiï Mi'qHoemi твердых mm для регулювання doezoei4HOcmi i термомехатчних властивостей асфальтобетону.
Ключов1 слова: асфальтобетон, doezoei4Hicmb, мщтстъ, термов'язкопружт влacmывocmi.
НАПРАВЛЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕРМОВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ
АСФАЛЬТОБЕТОНА
В.В. Мозговой, проф., д.т.н., Национальный транспортный университет, г. Киев
Аннотация. Предложено регулировать термомеханические свойства асфальтобетона в соответствии с условиями его работы в конструкции дорожной одежды. Для этого используются критерии граничного состояния и современные научные положения теории твёрдых тел. Показана возможность использования теории термовязкоупругости и кинетической теории прочности твёрдых тел для регулирования долговечности и термомеханических свойств асфальтобетона.
Ключевые слова: асфальтобетон, долговечность, прочность, термовязкоупругие свойства.
TARGETED REGULATION OF THERMOVISCOELASTICITY PROPERTIES OF
ASPHALT-CONCRETE
V. МогЬояу1, Prof., D. Sc. (Eng.), National Transport University, Kyiv
Abstract. It is proposed to regulate the thermomechanical properties of asphalt concrete in accordance with the conditions of its work in the pavement structure. For this, the boundary condition criteria and the current scientific positions of the theory of solids are used. The possibility of using the theory of thermoviscoelasticity and the kinetic theory of the strength of solids for controlling the durability and thermomechanical properties of asphalt concrete is shown.
Key words: asphalt concrete, durability, strength, thermoviscoelasticity properties.
Вступ
Асфальтобетон у конструктивних шарах до-рожнього одягу шд час дп транспортного навантаження та за змши температуря у р1зш пори року поводить себе як типове терморе-олопчне тшо, що характеризуемся вщповщ-ними термомехашчними властивостями. Саме це спричиняе прояв р1зномаштних термоме-хашчних процес1в в асфальтобетон!, яю впли-вають на кшетику розвитку пошкодженосп
структури та на його довгов1чшсть. Тому ви-вчення питания направленого регулювання термомехашчних властивостей асфальтобетону е актуальним для забезпечення якосп до-рожшх одяпв з асфальтобетонними шарами.
Анал1з публжацш
Термомехашчш властивосп асфальтобетону в науковш л1тератур1 описуються р1зними показниками залежно вщ застосовуваних
теоретичних положень, що дозволяють адекватно моделювати i прогнозувати напружено деформований та граничний стани асфальто-бетонних mapiB вщ д11" впливових фактор1в. Одними i3 таких теоретичних положень е теор1я термов 'язкопружносп та кшетична теор1я твердих тш [1]. 1х використання до-зволяе прогнозувати напружено-деформо-ваний стан асфальтобетонних mapiB за довь льно1 змши напружень та температур. Наприклад, одне з pimeHb р1внянь Больцма-на-Вольтера може бути використане для про-гнозування у 4aci горизонтальних нормаль-них напружень розтягу, що можуть викликати розтрюкування асфальтобетонних mapiB у вигляд1
t
ст( t,T ( t)) = J R ( t'-т') d е(т), (1)
о
де а(^Г(0)-горизонтальне нормальне напру-ження розтягу, що змшюеться з часом t та змшною температурою T(t); r(î'-t') -функщя релаксацп асфальтобетону, що вста-новлюеться експериментально; t -час спо-стереження; х - час, що передуе часу спосте-реження; е(т) - вщносна деформащя; t', т' -приведений час.
Функщя релаксацп для асфальтобетону, як встановлено дослщженнями [2, 6], наближе-но дор1внюе модулю пружносп за даного часу навантаження R(t)~ E(t), i вони можуть бути описаш р1зними аналничними залежно-стями, яю дозволяють з достатньою достовь рнютю апроксимувати ïx експериментальш значения у 4aci. Наприклад, bhcokoï точносп опису експериментально встановлено1 функцп R(t) дозволяе досягти ïï подання у вигляд1 суми експонент [2]
R(t) = H + £ a, ехр(- t/bt), (2)
i=1
де H, au bi - постшш.
Проте для достатньо точно! апроксимацп доводиться використовувати суму з 10-15 чле-шв, тобто застосовувати 21-31 постшну, що е не завжди зручним. Проспшим е модифь кований степеневий закон [3], який устшно використовують для опису функцш релакса-u,iï аморфних пол1мер1в та композита i, як показують Hami дослщження, також може бути застосований для асфальтобетону
R(t) = H + (B - H) • (1 + t/r)-m , (3)
де m i r - експериментальш постшш; H i В -тривалий i миттевий модул1 пружносп вщ-повщно.
Значения функцп релаксацп асфальтобетону можуть бути встановлеш не тшьки на ochobî експеримента, а також анал1тичним способом, застосовуючи формули, отримаш на ochobî Teopiï композита або емшричних за-лежностей [4]. Так, одшею з найбшьш вда-лих емшричних залежностей для модуля пружносп асфальтобетону вважають формулу Хойкелома i Кломпа, яка до нашого часу використовуеться шд час розрахунку дорож-нього одягу за методом нафтово1 компанп «Шелл» [4]
Еф » Е6 [1 + 2,5CvKv/n(1 -CVKV)]", (4)
де n = 0,83 lg(4 105/Еб); Kv = [l+(V^-0,03)]-1 ; при n=0,03; Kv=l; £а/б, Еб- вщповщно модуль пружносп асфальтобетону i бпуму; Cv -об'емна концентращя мшерального матер1а-лу; Vn - пориспсть у частках одинищ об'ему.
Проте цю формулу отримано на шдстав1 усе-реднення експериментальних даних для великого набору р1зних бпушв, р1зних кам'яних матер1ал1в, температур, тривалосп дп навантаження i так дал1, а тому в ряд1 ви-падюв вона дае велию вщхилення вщ експериментально знайдених значень Еа/ц. KpiM того, вона не вщображае структуруючого впливу на бпум мшерального порошку i йо-го bmîct у cyMimi.
Мета i постановка завдання
Мета роботи полягае у встановленш, на вщ-мшу вщ емшричних, теоретичних залежностей, що дозволяють бшьш обективно прогнозувати м1ри пошкодженосп й термши довгов1чносп асфальтобетошв.
Теоретичне передбачення iviipn
пошкодженосп та довгов1чносп асфальтобетону
У цьому вщношенш мае перевагу нашвем-шрична формула, отримана для асфальтобетону методом Teopiï композита за тривалосп навантаження 0,1с Г.К. Сюны, Б.С. Радовсь-ким i I.M. Щербаковим [5].
Приведений час залежносп (1) для терморе-олопчних простих тш, що характеризуються температурно-часовою аиалопею, визнача-еться за формулою
Нх
0 ат {Г, О)
(5)
де ат (Т, д) - температурно-часового змь щення, що визначаеться експериментально; д - температура приведения.
Функщя температурно-часового змщення е ще одним ¿з показниюв термомехашчиих властивостей асфальтобетону, I для И апрок-симацп використовують р1зш аиал1тичш залежносп [1-4]. Простим виразом для апрок-симацп функцп температурно-часового змщення в межах невисоких температур використовують вираз
ат (Т, О) = о
- „-Р(Т-О)
(6)
де р - пост1ина, що визначаеться експериментально.
Найбшьш поширеною загальновщомою за-лежшстю е вираз М. Вшьямса, Р. Лендела \ Дж. Ферр1 (ВЛФ)
атг (т) ехр
1п(10) с {т - тг)
с2 + {т - т)
(7)
де С1, Св - емшричш константи; Тг - температура проведения, що на 50 градус1в вище температури склування.
Таким чином, для розглянутого випадку пщ час встановлення напружень розтягу в асфа-льтобетонних шарах визначальними термо-мехашчиими характеристиками е функщя релаксацп та функщя температурно-часового змщення, аналпичш залежносп для яких можуть бути щщбраш з иеобхщиою точшс-тю або на основ! результата експерименпв чи теоретичних пщход1в.
Для отримання вщповщ1 стосовно граничного стану асфальтобетонних шар1в у випадку 1х розтрюкуваиия при дп розтягуючих гори-зонтальних нормальних напружень доцшьно скористатися положениями кшетичио! теорп твердих тш [1]. Таким чином час до розриву суцшьиосп в шар1 асфальтобетону можна визначити з аиалпичио! залежносп вигляду
[М(ат, X, zJ ) ]а+£[М1. (t, г, )] - (8) -[Мя (t, zJ )]'<[ М ],
де М(от, X, Г) - м1ра пошкоджеиосп структу-ри асфальтобетону /-го шару вщ дп термо-усадних напружень; М.(х, Г.) - те ж вщ дп шших фактор1в (транспортного, води, морозу тощо); Мк (X, Г) - м1ра часткового вщиов-лення пошкоджеиосп структури; [М] - гранично допустима м1ра пошкоджеиосп; а, Р, у - експериментальш параметри.
Для м1ри пошкоджеиосп асфальтобетону вщ впливових фактор1в зручно скористатись критер1ем Бейл1 [1, 2, 6] у вигляд1
М* = ]
р-_Нх
0 Х*(а(
Ч'(а(х),т(х))
= 1,
(9)
де X (о(1) т(х)) - функщя довгов1чносп асфальтобетону, що встановлюеться експериментально.
Отже, ще одшею термомехашчною характеристикою асфальтобетону, що впливае на його мщшсть 1 довгов1чшсть, залежно вщ режим1в змши напружень та температури, е функщя довгов1чиосп. У даному випадку слщ звернути увагу на те, що для асфальтобетону як термореолопчного тша, яке змшюе сво1 деформацшш та мщнюш характеристики при неперервнш змш температури та режиму навантаження у процес1 експлуатацп, його властивосп описуються не окремими константами (модуль пружиосп, мщшсть на розтяг тощо), а фуикщями. Таким чином, анал1зуючи вище викладене, можна конста-тувати, що, змшюючи склад асфальтобетону та властивосп бпумиого в'яжучого, е мож-ливють так направлено регулювати його термомехашчш властивосп (фуикщю релаксацп, фуикщю температурно-часового змь щення, фуикщю довгов1чиосп та ш.), щоб задовольнити умови граничного стану (8).
Прикладом впливу складу асфальтобетону на параметри термомехашчиих характеристик можуть бути даш, подаш на рис. 1-4 [6]. Вони свщчать про суттевий вплив змши тих чи шших характеристик складу асфальтобетону на параметри аиалпичиих вираз1в, що опису-ють його термомехашчш властивосп й мають степеиев1 та експоиеицшш залежносп.
Рис. 1. Залежнють параметр1в функци релак-саци (3) асфальтобетону вщ його зали-шково1 пористостг 1 - змша lgr; 2 - те саме m; 3 - Н; 4 - В
Рис. 2. Змша параметр1в функци релаксаци (3) залежно вщ BMicry бпуму: 1 - змша значень lgr; 2 - те саме m; 3 - H ; 4 - В
1/т:°к~1чо'-
Рис. 3. Граф1чш залежносл параметр1в функци довгов1чиостг вщ температури: + , •, ▲ - за даними В.А. Золотарьова для асфальтобетону типу Г на 6nyMi струк-турних тишв вщповщио I, II, III; о, © -
за даними В.Н. Жихарева для асфальтобетону з мшеральною частиною вщповщио з граипу (з вапняковим мшераль-ним порошком) i з амф1болпами; А - за даними B.C. Титаря для асфальтобетону типу Г на 6nyMi БНД 60 / 90; х, □ - за даними A.B. Руденського i I.M. Руден-сько1 вщповщио для бпуму i асфальтобетону
Прикладом кшьюсного анашзу впливу засто-сування бпуму, модифкованого пол1мером, для умов м1ста Киева е даш, наведеш на рис. 4, 5.
Рис. 4. Змша температурних иапружеиь за р1чних коливаиь температури (а) в поль мерасфальтобетоиному (б) та асфальтобетонному (в) покритп
Рис. 5. Змша вщиосно1 м1ри Ма(Мб) пошко-дженосп покриття протягом одного року
Результата такого анал1зу свщчать про бшь-шу пошкоджешсть структури асфальтобетонного покриття на основ! бпуму иемоди-фкованого, пор1вияно 1з покриттям на основ! бпуму модифкованого термоеластопластич-ними пол1мерами. У лпнш перюд ця перевага майже вщсутня, але вже на початку другого перюду (на початку осеш) пошкоджешсть асфальтобетону в 6-7 раз1в бшьша, а через 5 мюяшв охолодження - в 10-15 раз1в бшь-
ша, шж у пол1мерасфальтобетонному пок-ритп.
Висновки
Регулювання термомехашчиих властивостей асфальтобетону необхщно здшсиювати ¿з урахуванням конкретних умов роботи його в коиструкцп дорожнього одягу, використо-вуючи узагальиеш критерп граничного стану ¿з застосуванням сучасних наукових поло-жень теорп твердого деформативного твердого тша для визначення р1вня напружено-деформованого стану.
Для прогнозування довгов1чносп асфальто-бетонних шар1в у коиструкцп дорожнього одягу доцшьио використовувати апробоваш та перев1реш методи 1 теорп, до яких вщио-сять теорда термов'язкопружиосп й кшетич-но1 теорп мщносп твердих тш.
Лггература
1. Сопротивление материалов деформирова-
нию и разрушению. Справочное пособие / В.Т. Трощенко, А.Я. Красовский, В.В. Покровский и др.; под ред. Трощенко В.Т. - 4.2. - К.: Наукова думка, 1994. - 704 с.
2. Радовский Б. С. Проектирование дорожных
одежд для движения большегрузных ав-
томобилей / Б.С. Радовский, A.C. Супрун, И.И. Козаков. - К.: Будивельнык, 1989. - 168 с.
3. Шеппери P.A. Вязкоупругое поведение
композиционных материалов / P.A. Шеппери // Механика композиционных материалов / под общ. ред. A.A. Ильюшина, Б.Е. Победри. - М: Мир, 1978. -С.102-195.
4. Радовский Б.С. Вязкоупругие характери-
стики битума и их оценка по стандартным показателям / Б. С. Радовский, Б.Б. Телтаев. - Алматы: «Бшм» баспа-сы, 2013. - 152 с.
5. Щербаков И.М. Исследование и учет
структурно-механических характеристик асфальтобетона при назначении конструкций дорожных одежд (на примере юга УССР): дис. ... кандидата техн. наук: 05.22.03 / И.М. Щербаков. -М., 1979. - 223 с.
6. Мозговой В.В. Научные основы обеспече-
ния температурной трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. дис. ... доктора тех. наук : 05.22.11 / Владимир Васильевич Мозговой. - К., 1996. -406 с.
Рецензент: С.М. Толмачов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
