CC BY
13ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья УДК 625 7/8 + 69
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура
ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия, 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения,
2.1.9. Строительная механика
doi:10.51608/26867818_2023_3_40
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ МАТЕРИАЛА ИЗ АСФАЛЬТОГРАНУЛЯТА ПРИ УКРЕПЛЕНИИ ОБОЧИН АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
АНДРИАНОВ Константин Анатольевич
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Городское строительство и автомобильные дороги» Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: [email protected])
© Авторы 2023 SPIN: 1771-7181 AuthorlD: 260005
ЗУБКОВ Анатолий Федорович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги» Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: [email protected]) МОНАСТЫРЕВ Павел Владиславович
член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, доцент, директор института «Архитектура, строительство и транспорт» Российская академия архитектуры и строительных наук; Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: [email protected]) МОРДАСОВ Денис Михайлович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материалы и технология» Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: [email protected], [email protected]) СЕНИБАБНОВ Сергей Анатольевич аспирант
Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: [email protected])
Аннотация. Безопасность дорожного движения зависит от состояния дорожного покрытия и обочин автомобильных дорог. Для укрепления обочин применяются отходы при фрезеровании покрытий нежесткого типа. Достижение максимальной плотности уплотняемого материала возможно при условии обеспечения определенного соотношения между пределом прочности и напряжениями в зоне контакта рабочего органа уплотняющей машины. В статье получены зависимости предела прочности, деформации слоя и коэффициентов уплотнения слоя асфальтогранулята от нагрузки, толщины и размера фракций при уплотнении. Полученные зависимости могут быть использованы при моделировании технологических процессов устройства дорожных конструкций с требуемыми прочностными характеристиками.
Ключевые слова: асфальтогранулят; нагрузка; деформация; уплотнение; обочина; автомобильные дороги; дорожное строительство
Для цитирования: Определение влияния параметров слоя материала из асфальтогранулята при укреплении обочин автомобильных дорог / К.А. Андрианов, А.Ф. Зубков, П.В. Монастырев, Д.М. Мордасов, С.А. Сенибабнов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 40-45. doi:10.51608/26867818_2023_3_40.
SPIN: 4118-5150 AuthorlD: 704799
SPIN: 8674-6046 AuthorlD: 661151 ORCID: 0000-0002-0885-0937 Scopus Author ID: 6504731515 ResearcherlD: S-6516-2016
SPIN: 6930-3480 AuthorID: 186786
fi
ЭКСПЕРТ: J EXPERT:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 2023. № 3 (22) THEORY AND PRACTICE
Original article
DETERMINATION OF THE INFLUENCE OF THE PARAMETERS OF THE LAYER ASPHALT GRANULATE
WHEN STRENGTHENING ROADSIDES
© The Author(s) 2023 ANDRIANOV Konstantin Anatolyevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department
«Urban Construction and Roads»
Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: [email protected])
ZUBKOV Anatoly Fedorovich
Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department «Urban
Construction and Roads»
Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: [email protected])
MONASTYREV Pavel Vladislavovich
Corresponding Member of the RAASN, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Director of the Institute «Architecture, Construction and Transport» Russian Academy of Architecture and Construction Sciences; Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: [email protected]) MORDASOV Denis Mikhailovich
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Materials and Technology»
Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: [email protected], [email protected]) SENIBABNOV Sergey Anatolyevich PhD Candidate
Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: [email protected])
Abstract. Road safety depends on the condition of the road surface and roadsides. To strengthen roadsides, waste is used when milling non-rigid type pavements. Achieving the maximum density of the compacted material is possible provided that a certain ratio between the tensile strength and stresses in the contact zone of the working body of the compacting machine is ensured. In the article, the dependence of the tensile strength, layer deformation and compaction coefficients of the asphalt granulate layer on the load, thickness and size of the fractions during compaction are obtained. The obtained dependencies can to be used in modeling technological processes for the construction of road structures with the required strength characteristics.
Keywords: asphalt granulate; load; deformation; sealing; roadside
For citation: Determination of the influence of the parameters of the layer asphalt granulate when strengthening roadsides / K.A. Andrianov, A.F. Zubkov, P.V. Monastyrev, D.M. Mordasov, S.A. Senibabnov // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 40-45. (In Russ.). doi: 10.51608/26867818_2023_3_40.
Введение. Безопасность дорожного движения зависит не только от состояния дорожного покрытия, но и обочин автомобильных дорог. Укрепленные обочины дороги обеспечивают повышение прочности грунтового основания под проезжей частью на 6-8% и позволяют повысить среднюю скорость транспортного потока на 5-10%. Неудовлетворительное состояние обочин дороги способствует возникновению ДТП (16-20%) [1].
При выполнении работ по реконструкции и капитальному ремонту автомобильных дорог возникает необходимость разрушения дорожного покрытия не-
жесткого типа, которое выполняется с использованием дорожных фрез. Полученный материал, при соответствии его характеристик требованиям ГОСТ 8267, используется для укрепления обочин, устройства подъездных дорог, оснований пешеходных тротуаров, площадок и временных объездов, что уменьшает затраты на материалы. Нормативным документом ОДМ 218.6.1.005-2021 определены состав, области применения и технологические регламенты на производство работ с использованием отходов при холодном фрезеровании асфальтобетонных покрытий. Согласно рекомендациям ТР 103-07 в зависимости от области приме-
Технические науки. Строительство и архитектура
Ф
нения асфльтогранулят разделяют на фракции 5-10 мм, 10-20 мм, 5-20 мм и 20-40 мм и укладывают слоями разной толщины, что влияет на предел прочности и де-формативную способность слоя при действии уплотняющей нагрузки.
Установлено, что максимальная плотность уплотняемого материала обеспечивается при соблюдении определенного соотношения между пределом прочности уплотняемого слоя и напряжениями в зоне контакта рабочего органа уплотняющей машины. Документом СП 78.13330.2012 определены параметры машин для уплотнения асфальтограну-лята, которые по своим характеристикам относятся к группе тяжелых катков и должны применяться на заключительной стадии уплотнения. Изменение свойств материала в зависимости от гранулометрического состава и толщины слоя при укладке требуют уточнения характеристик слоя с учетом требуемой нагрузки при уплотнении.
Методика проведения испытаний. Под действием нагрузки в слое асфальтогранулята проявляются упруго-вязкопластические свойства, влияющие на процесс уплотнения. Для уточнения влияния нагрузки на развитие деформаций с учетом параметров слоя необходимо знать характеристики материала, которые определяются на основании экспериментальных исследований. Определение характеристик слоя асфальтогранулята выполнялось при действии нагрузки на образец с учетом толщины слоя и размера фракций.
Измерение деформации слоя смеси выполнялось на установке, позволяющей измерять деформацию (полную, остаточную и упругую) индикатором часового типа с точностью до 0,01 мм при контролируемой нагрузке с использованием гидравлического пресса ПГ-500. Толщина уплотняемого слоя принималась 0,05 м; 0,10 м; 0,15 м и 0,20 м. Для уточнения влияния размера фракций на характеристики слоя материал был разделен на фракции 5-10 мм, 10-20 мм, 5-20 мм и 20-40 мм. Испытание образцов проводилось на одноосное сжатие, соответствующее состоянию уложенной смеси в выбоину дорожного покрытия. При укладке материала осуществлялся контроль за толщиной слоя.
Принятая методика проведения испытаний позволяет оценить прочность образца материала при постоянной скорости нагружения и деформатив-ность слоя при действии циклической нагрузки.
После укладки и предварительного уплотнения слоя на поверхность устанавливается металлический штамп. Верхнюю плиту пресса устанавливают выше уровня поверхности штампа на 1,5-2,0 мм. Для измерения деформации индикатор, прикрепленный к стойке, размещают таким образом, чтобы подвижная часть его ножки касалась верхней плиты пресса. После этого на образец через штамп прикладывается
нагрузка. По заданной величине напряжения с помощью индикатора часового типа определяется деформация штампа. После замера полной деформации под нагрузкой на штамп нагрузка снимается и производится замер упругой деформации. Затем цикл повторяется. За конечный результат принимается среднее арифметическое значение испытаний трех образцов, округленное до второго десятичного знака.
Результаты экспериментального исследования. Установлено, что предел прочности на сжатие слоя асфальтогранулята зависит от размера фракций и его толщины при укладке, что необходимо учитывать при выборе уплотняющих машин [2-10]. Зависимость предела прочности слоя асфальтогранулята с учетом гранулометрического состава и толщины слоя представлено на рис. 1.
12 3 4
Номер фракцин
Рис. 1. Зависимость предела прочности слоя асфальтогранулята от гранулометрического состава и его толщины:
1 -толщина слоя 0,05 м; 2 - 0,10 м; 3 - 0,15 м; 4 - 0,20 м
Из полученных данных на рис. 1 видно, что с увеличением размера частиц фракции предел прочности слоя возрастает, что объясняется изменением структуры материала. Независимо от толщины слоя имеется общая закономерность предела прочности слоя, которая подчиняется логарифмической зависимости .
Для уточнения влияния размера фракций на предел прочности слоя представим данные на рис. 1 в относительных величинах, принимая предел прочности каждой фракции при толщине слоя 0,05 м, за единицу. Обозначим принятую величину коэффициентом Кф, характеризующим размер фракции асфальтогранулята. Численное значение коэффициента Кф определяется из выражения:
Кф = 0,2431пИ + 1,01, (1)
где N - номер фракции, 1 - фракция 5-10 мм; 2 - фракция 10-20 мм; 3 - фракция 5-20мм; 4 - фракция 20-40 мм.Коэффициент корреляции уравнения равен 0,99.
Для установления влияния толщины слоя на предел прочности принимаем данные на рис. 1 в относительных значениях, принимая (условно) предел прочности слоя толщиной 0,05 м независимо от размера фракции, за единицу. Обозначим принятую величину коэффициентом К^ характеризующим влияние толщины на предел прочности слоя. Численное значение коэффициента определяется по формуле:
К = 1,06 е-
(2)
fi
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 3 (22)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
где h - толщина слоя гранулята, м. Коэффициент корреляции равен 0,99.
С учетом установленных значений обобщенных коэффициентов Кф и ^величина предела прочности слоя асфальтогранулята определяется по формуле:
% = 1,8Кфе~и26 А, МПа. (3)
Относительная погрешность расчетного значения предела прочности слоя по установленной зависимости составляет около 5%.
Эффективность работы уплотняющих машин определяется величиной деформации слоя, которая характеризует изменение плотности материала в уплотняемом слое. Деформация слоя под действием нагрузки зависит от напряжения в зоне контакта рабочего органа машины с поверхностью слоя, свойств материала и параметров слоя [10-15].
По результатам исследований установлены зависимости деформации слоя с учетом его толщины и гранулометрического состава фракции, которые представлены на рис. 2.
а)
1 1,5 2 2.5 Напряжение. МПа
5 S
cz
S ës
о ■в-к
П
30 20 10 0
1 3 |~ \ 2 Л
и 1
6)
0,5 1 1,5 2 Напряжение. МПа
2,5 3 3,5
S 9
й S
-Э-и п
40
20
в)
0,5 1 1,5 2 2,5 3 Напряжение. МПа
0,5 1 1,5 2 2.5 г)_Напряжение. МПа__
Рис. 2. Зависимость суммарной остаточной деформации слоя от напряжения при разной его толщине и гранулометрическом составе:
а - фракция 5-10 мм; б -10-20 мм; в -5-20 мм; г -20-40 мм; 1 - толщина слоя 0,05 м; 2 - 0,10 м; 3 - 0,15 м; 4 - 0,2 м
Из представленных на рис. 2 данных видно, характер развития остаточной деформации независимо от состава асфальтогранулята и толщины слоя подчиняется общей закономерности. С увеличением толщины слоя деформация возрастает. С ростом нагрузки до 1,0 МПа независимо от размера фракции между деформацией слоя и нагрузкой существует линейная зависимость. С увеличением напряжения от 1,0 до 2,0 МПа характер развития деформации для фракций 5-10 мм и 5-20 мм и толщине слоя 0,05 м отличается от развития деформаций для фрак -ций 10-20 мм и 20-40 мм. Это объясняется тем, что под действием нагрузки между частицами фракций 10-20 мм и 20-40 мм возникает контактная структура, требующая для дальнейшего развития деформации увеличения нагрузки. Возникновение контактов между частицами гранулята способствует развитию не только напряжений сжатия, но и сдвига, что способствует перемещению частиц в горизонтальной плоскости. Аналогичные процессы наблюдаются в слоях с толщиной от 0,1 до 0,2 м при нагрузке 1,0 до 2,0 МПа независимо от размера фракций.
Для установления общей зависимости деформации слоя под действием нагрузки, представим данные на рис. 2 в относительных значениях, условно принимая деформацию каждого слоя независимо от размера фракции и толщины слоя при напряжении 1,0 МПа, за единицу. Обозначим данную величину коэффициентом влияния напряжения К0 на деформацию слоя материала. Аналогично определяем влияние толщины слоя на деформацию слоя, принимая деформацию каждого слоя при толщине 0,05м, за единицу. Обозначим данную величину коэффициентом Км, характеризующим влияния толщины слоя на деформацию.
Анализ численных значений коэффициентов К0и Км показал, что независимо от размера фракций асфальтогранулята имеются общие закономерности развития деформации от действия нагрузки, которые определяется зависимостями:
= -0,0578ст4 + 0,454ст3 - 1Л7сг + 1,32ст + 0,4. (4) Кк, = 102бл3 - 442Ьг-62Дз/1 - 1,1 з ; (5) где о - напряжение, МПа; h - толщина слоя, м. Коэффициент корреляции уравнений составляет 0,980,99.
Для установления влияния размера фракции гранулята на деформацию слоя принимаем обобщенную величину деформации при напряжении 0,125 МПа каждой фракции. Обозначим принятую величину в относительных значениях через коэффициент влияния размера фракции Кфрак на деформацию слоя. Численное значение Кфрак определяется выражением:
Кф = 0,47е0-08", (6)
фрак '
Технические науки. Строительство и архитектура
É
где N - номер фракции, 1 - фракция 5-20 мм; 2 - 2040 мм; 3 - 5-10 мм; 4 -10-20 мм. Коэффициент корреляции равен 0,98.
В общем виде величина деформации слоя гранулята с учетом размера фракции, толщины слоя и нагрузки определяется по формуле:
Л- = Кфрак^О^О, мм. (7)
Величиной, характеризующей процесс уплотнения материала, является коэффициент уплотнения (Ку). Для уточнения влияния деформации на коэффициент уплотнения проведены исследования на стенде модели С1^Т-1^С-Н2. Принцип работы стенда основан на воздействие контролируемой нагрузки в виде сегмента с радиусом 0,5 м на поверхность уложенного в поддон стенда слоя материала. Испыты-вались фракции 5-20 и 20-40 мм при толщине слоя 0,05 и 0,1 м. Окончание уплотнения происходило при достижении заданного количества циклов нагру-жения. Коэффициент уплотнения слоя определялся неразрушающим методом с применением прибора ПАБ-1. Исследования проводились согласно ПНСТ 185-2016 (БЫ 12697-33). В процессе проведения эксперимента определялись плотность и суммарная деформация слоя после проходов рабочего органа. По результатам испытания установлена связь между коэффициентом уплотнения слоя асфальтогранулята и его деформацией. Значение коэффициента уплотнения от деформации при толщине слоя 0,05 м определяется уравнениями:
- для фракции 5-20 мм:
К = 0,7зе
0,01аЛ
■ для фракции 20-40 мм: К = 0,6бе
0,04iA
(8)
(9)
С увеличением толщины слоя свыше 0,1 м связь между коэффициентом уплотнения и деформацией определяется уравнениями: - для фракции 5-20 мм:
К = 0,47e
V '
■ для фракции 20-40 мм:
О.ОЗбгА
(10)
о,оы
К = 0,72e
W '
(И)
где А - деформация слоя, мм. Коэффициент корреляции равен 0,95-0,97.
Установлено, что при уплотнении фракции 520 мм требуемый коэффициент уплотнения 0,97 обеспечивается с использованием катков статического действия. Для обеспечения требуемой плотности фракции 20-40 мм необходимо применять вибрационные катки.
Выводы:
1. Установлена зависимость предела прочности слоя асфальтогранулята от размера фракции и толщины слоя, что позволяет обосновать параметры уплотняющих машин.
2. Установлены аналитические зависимости деформации слоя от напряжения, толщины слоя и размера фракций асфальтогранулята.
3. Получены зависимости коэффициента уплотнения асфальтогранулята от деформации слоя при уплотнении.
Библиографический список
1. Алексиков, С. В. Использование фрезерованного асфальтобетона для укрепления обочин автомобильных дорог / С. В. Алексиков, А. Н. Бадрудинова // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10: Инновационная деятельность. - 2012. - № 7. - С. 40-45. -EDN RCPEQZ.
2. Гезенцвей, Л.Б. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев - М.: Транспорт, 1985. - 239 с.
3. Зубков, А.Ф. Технология строительства и ремонта дорожных покрытий нежесткого типа с учетом температурных режимов асфальтобетонных смесей / А.Ф. Зубков, К.А. Андрианов, А.И. Антонов, В.Г. Однолько - Тамбов: ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. - 300с.
4. Куприянов, Р. В. Определение температуры асфальтобетонной смеси при строительстве дорожных покрытий нежесткого типа / Р. В. Куприянов, В. А. Лузгачев, А. Ф. Зубков // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 3(39). - С. 68-77. - EDN UHAEOJ.
5. Носов, С.В. Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии : дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.11 / Носов С. В. - Воронеж, 2013. - 366 с.
6. Пермяков, В.Б. Обоснование величины контактных давлений для уплотнения асфальтобетонных смесей / В.Б. Пермяков, А.В. Захаренко // Строит.и дорож. машины.
- 1989. - № 5. - С. 12-13.
7. Пилецкий, М. Э. Исследование битумомине-ральной смеси, применяемой для ямочного ремонта дорожных покрытий струйно-инъекционным методом / М. Э. Пилецкий, А. Ф. Зубков, К. А. Андрианов // Строительные материалы. - 2017. - № 6. - С. 19-23. - EDN YUNGSD.
8. Сенибабнов, С. А. Методика разработки технологии устройства дорожных конструкций с применением асфальтогранулята / С. А. Сенибабнов, К. А. Андрианов, А. Ф. Зубков // Научный журнал строительства и архитектуры.
- 2020. - № 2(58). - С. 84-99. - DOI 10.36622/VSTU.2020.58.2.007. - EDN PJQCVW.
9. Хархута, Н.Я. Вопросы теории уплотнения дорожных покрытий / Н. Я. Хархута // Уплотнение земляного полотна и дорожных одежд: тр. Союздорнии. - Москва, 1980. - С. 64-71.
10. Influence of thickness and granulometric composition of granular asphalt on its strength characteristics when placing into the road pavement / E. G. Pakhomova, K. Andrianov, A. Zubkov, P. Monastyrev // Journal of Applied Engineering Science. - 2020. - Vol. 18, No. 2. - P. 192-197. - DOI 10.5937/jaes18-26311. - EDN IWIIUA.
11. Калгин, Ю.И. Применение асфальтогранулята для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог для смесей типа К (с добавками цемента и битумной эмульсии) / Ю.И.Калгин, М.Н.Паневич // Научный вестник
Kl
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 3 (22)
Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2016. - Вып.4(44). - С. 120-127.
12. Калгин, Ю. И. Органоминеральные смеси с ас-фальтогранулятом для капитального ремонта дорожных одежд / Ю. И. Калгин, Н. А. Барабась // Высокие технологии в строительном комплексе. - 2019. - № 1. - С. 42-48. - EDN JDGIEZ.
13. Определение реологических характеристик асфальтогранулята при устройстве слоев дорожной одежды / С. А. Сенибабнов, К. А. Андрианов, А. Ф. Зубков, А. А. Кузнецов // Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. - 2021. - № 1(12). - С. 37-42. - EDN UMYDUW.
14. Эффективность применения асфальтогранулята при ремонте и реконструкции автомобильных дорог / Л. С. Зарапина, Л. М. Макая, С. А. Сенибабнов [и др.] //
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Устойчивое развитие региона: архитектура, строительство и транспорт : Материалы IX-ой Международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика РААСН Чернышова Е.М., Тамбов, 21-22 сентября 2022 года. - Тамбов: Издательство ИП Чеснокова А.В., 2022. - С. 346-349. - EDN KLVXXU.
15. Зубков, А. Ф. Моделирование процессов уплотнения асфальтогранулята с использованием экспериментальных данных / А. Ф. Зубков, К. А. Андрианов, С. А. Сенибабнов // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений : Тезисы докладов VIII-го международного симпозиума, Тамбов, 17-21 мая 2023 года. - Тамбов: ИП Чеснокова А.В., 2023. - С. 293295. - EDN JIBCHY.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 06.07.2023; одобрена после рецензирования 15.08.2023; принята к публикации 15.08.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 06.07.2023; approved after reviewing 15.08.2023; accepted for publication 15.08.2023.
