CC BY
132
УДК 625.72
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ АСФАЛЬТОПОЛИ-МЕРБЕТОНОВ ДЛЯ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД
В.В. Маляр, доцент, к.т.н., В.А. Псюрник, профессор, к.т.н., А.С. Лапченко, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Предложены теоретически и экспериментально обоснованные параметры определения модуля упругости асфальтополимербетонов на вибростенде ХНАДУ для расчета дородных одежд нежесткого типа. Сделан анализ расчета различных вариантов конструкций с использованием асфальтополимербетонов.
Ключевые слова: вибростенд, модуль упругости, импульс силы, асфальтопо-лимербетон, дорожная одежда.
Введение
Для расчета конструкций дорожных одежд необходимы знания прочностных и деформационных характеристик материалов, в том числе асфальтобетонов, используемых в покрытии. Методы расчета конструкций дорожных одежд и характеристики материалов приведены в инструкции ВБН В.2.3-218-186-2004 «Дорожная одежда нежесткого типа». В то же время появились новые разновидности асфальтобетонов с различными полимер-ны-ми модификаторами. Значения модулей упругости этих материалов в литературе почти нет.
Цель и постановка задачи
Созданный на кафедре технологии дорожностроительных материалов ХНАДУ вибростенд [1] модернизирован для исследований асфальтополимербетонов [2]. Вибростенд позволяет определять модуль упругости асфальтобетонов (асфальтополимербетонов) разных типов и видов в широком температурном и частотном диапазоне при гармонической нагрузке. В то же время для расчета дорожных одежд нежесткого типа используются значения кратковременного модуля упругости материалов на основе органических вяжущих.
При расчете конструкций дорожных одежд согласно критериям граничного состояния (упругий прогиб, сдвиг в несвязных слоях и изгиб монолитных слоев) модуль упругости асфальтобетона должен определяться при точно нормированном времени действии нагрузки 0,1 с. Для этого используют маятниковый прибор Щербакова-Радовского или электромагнитный пульсатор Ленинградского филиала Союздорнии [3].
В данной работе были сопоставлены значения модулей упругости при импульсном действии нагрузки и при гармонической нагрузке. Подход к решению этой задачи с равенством энергии деформирования не был принят, так как экспериментально определить функцию податливости (П) в уравнении Больцмана-Вольтерра
t
е (П ¿т (т) о (т)
0
сложно вследствие малой продолжительности действия импульсной нагрузки - 0,1 с. Это требует чувствительной системы измерения деформации во времени. Поэтому критерием соответствия механического действия принят импульс силы, вызывающий деформацию, величина которой дает равное значение модуля упругости.
Импульс силы - это физическая величина, которая равна произведению силы на время. Если действие силы не постоянно во времени, то импульс силы выражается как
Р = т Fdt.
0
Графически это выглядит следующим образом (рис. 1).
f = Т = !’59 Гц.
(4)
Рис. 1. Форма действия нагрузки: 1 - импульсная нагрузка, 2 - синусоидальная нагрузка, F - усилие, t - время; ¿1 - четверть периода синусоидальных колебаний
Для импульсного действия нагрузки
Для подтверждения этого был поставлен эксперимент для образца асфальтополимербето-на на вибростенде. Импульсную нагрузку обеспечивали при помощи возможности задания формы сигнала такого типа на генераторе Г6-28, сигналы которого преобразуются в механическую нагрузку электродинамическим преобразователем вибростенда. Для гармонического анализа изменяли частоту, чтобы подобрать одинаковые значения модуля упругости. Подобранная частота составляла 1,5±0,1 Гц, что совпадает с расчетной частотой.
Т
Хотя величина ^ = — = 0,157 с больше времени импульсной нагрузки - 0,1 с, но действие силы гармоники неравномерно. Поэтому, равенство модулей упругости в этих экспериментах при одинаковом уровне нагружения есть критерий одинаковых физических состояний материала, то есть равенства степени развития релаксационных процессов. Таким образом, для расчетных характеристик асфальтополимербетонов были приняты модули упругости при расчетных температурах и частоте колебаний / = 1,59 Гц.
(1)
Результаты исследований
где 1: = 0,1 с.
Для синусоидального действия нагрузки
Т/4 2Р Т
Р2 = т F0sin й tdt = F0 т sin—dt = F0—, (2) 0 0 Т 2р
Т
где ^ = — - четверть периода (Т) колебаний, 2р
й = т ~ круговая частота
Приравниваются импульсы РА = Р2
^ Ч0,1 = ,
2р
(3)
Т = 0,628 с, ^ = 0,157 с.
Тогда частота колебаний при гармоническом анализе должна быть
Для анализа влияния марки модифицированного полимером битума на особенности конструкции дорожной одежды были рассчитаны четыре варианта конструкций. За базовый вариант принята конструкция дорожной одежды со следующими исходными данными: дорожно-климатическая зона У-1, категория дороги - 1, срок эксплуатации дорожной одежды - 11 лет, расчетный автомобиль группы А1 (табл. 1).
2 вариант. Вместо асфальтобетона в верхнем слое использован асфальтополимербетон на битуме той же марки (Е1=4200 МПа, Е2=2600 МПа, Е3=7200 МПа). Марка битумополимера
- БМТЕ 40/60-56.
3 вариант. Использован в верхнем слое ас-фальтополимербетон толщиной 5 см, что снижает материалоемкость этого слоя на 16,7% по сравнению с первым и вторым вариантом. Свойства асфальтополимербетона и
№ слоя Материал слоя h слоя, см Расчет по
упругому прогибу, Е1, МПа сопротивлению сдвигу, Е2, МПа сопротивлению растяжения при изгибе
Е3, МПа ^лаб, МПа m Кир
1 Асфальтобетон на битуме БНД 60/90 6 3200 1800 4500 9,8 5,5 4,0
2 Асфальтобетон пористый на битуме БНД 40/60 8 2800 1700 3600 8,3 4,5 7,2
3 Асфальтобетон пористый на битуме БНД 60/90 10 2000 1200 2800 8,0 4,3 8,2
4 Гравийно-песчаная смесь оптимального состава, укрепленная цементом 22 530 530 530 - - -
5 Рядовой шлаковый щебень 26 200 200 200 — - -
6 Суглинок легкий пылеватый с = 0,6 WT - 77 77 77 - - -
Таблица 2 Значения коэффициентов запаса прочности
Критерии граничного состояния Коэффициент запаса, Кц
нормативный 1 вариант 2 вариант 3 вариант 4 вариант
Упругий прогиб 1,5 1,8 1,94 1,70 1,83
Сдвиг в несвязных слоях 1,51 1,51 1,53 1,51 1,53
Изгиб монолитных слоев 1,39 1,52 1,42 1,38 1,45
битумополимера такие же, как во втором варианте.
4 вариант. Использован в верхнем слое ас-фальтополимербетон толщиной 6 см, но на модифицированном битуме, который ниже на одну марку БНД 90/130 (Е1=4100 МПа, Е2=2300 МПа, Е3=5700 МПа). Марка битумо-полимера - БМТЕ 60/90-52. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Полученные данные свидетельствуют о том, что использование в верхних слоях асфальто-полимербетона приводит: к повышению коэффициентов запаса прочности (2 вариант), особенно по критерию упругого прогиба; к возможности уменьшения толщины слоя (3 вариант); к возможности использования битума меньшей вязкости, модифицированного полимером (4 вариант). Использование битума меньшей вязкости скажется на повышении температурной трещиностойкости покрытия за счет более низкого значения температуры хрупкости такого битума. При этом битум и битумополимерное вяжущее имеют примерно равную пенетрацию и соответственно близкие значения модулей упругости асфальтобетонов, а также близкие значения их коэффициентов запаса прочности.
Выводы
Предложен метод определения кратковременного модуля упругости асфальтополи-мербетонов при гармоническом анализе на вибростенде. Частота гармоники, равная 1,59 Гц, соответствует импульсу действия нагрузки 0,1 с по методике ВБН В.2.3-218-186-2004 «Дорожная одежда нежесткого типа». Показаны варианты изменения конструкций дорожной одежды при использовании асфальтобетона на битуме, модифицированном полимером. Использование БМП близкой пе-нетрации по отношению к битуму в асфальтобетоне практически не меняет параметры конструкции дорожной одежды.
Литература
1. Золотарев В.А. Долговечность дорожных
асфальтобетонов. - Харьков: Вища школа, 1977. - 116 с.
2. Маляр В.В., Лапченко А.С. Исследования
динамического модуля упругости ас-фальтополимербетонов // Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве. - Харьков: ХНАДУ. - С. 97.
3. Конструирование и расчет нежестких до-
рожных одежд / Под ред. Н.Н. Иванова.
- М.: Транспорт, 1973. - 328 с.
Рецензент: В.А.Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 декабря 2007 г.
