CC BY
14
УДК 625.731
В.А. ГРИЦЕНКО,
В.Н. ШЕСТАКОВ, докт. техн. наук, профессор,
СибАДИ, Омск
ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ СЛОЕМ ИЗ ГЕОПЕНОПЛАСТА
На основе 20-летнего мониторинга состояния дорожной конструкции с теплоизоляционным слоем из геопенопласта STYROFOAM выявлены условия обеспечения её эксплуатационной надежности, учитывающие влажность-плотность земляного полотна, ровность и стойкость против образования на покрытии зимней скользкости.
Введение
Эксплуатационная надежность дорожной конструкции (ДК) с теплоизоляционным слоем из геопенопласта как частная надежность автомобильной дороги - это такое её общее свойство, при котором исключаются недопустимые по величине накопленная остаточная деформация и морозное пучение; обеспечивается устойчивость к образованию зимней скользкости покрытия. Это свойство должно обеспечивать в расчетных условиях эксплуатации необходимую ровность покрытия, его коэффициент сцепления и, как следствие, среднюю скорость движения транспортного потока в допустимых пределах в течение нормативного срока службы.
С целью оценки влияния теплоизоляционных слоев на эксплуатационное состояние ДК было проведено комплексное обследование опытного участка ДК со слоями из геопенопласта Styrofoam в районе г. Чулыма Новосибирской области.
Опытный участок ДК (цементобетон 0,24 м; щебень, укрепленный цементом, 0,21 м; песок средней крупности 0,23-0,28 м; теплоизоляционный слой из геопенопласта Styrofoam толщиной 0,10 и 0,05 м) протяженностью 373 м построен в 1983 г. в районе г. Чулыма Новосибирской обл. К опытному участку примыкает ДК с морозозащитным слоем из песка 0,50 м [1].
Приведенная к легковому автомобилю интенсивность движения автотранспортных средств соответствует II технической категории дороги.
Земляное полотно и его основание сложено глиной легкой пылеватой, оцениваемой СНиП 2.05.02-85 как пучинистый грунт (III группа). Тип местности по условиям увлажнения рабочего слоя земляного полотна - III.
При средней высоте насыпи 1,65 м уровень подземной воды в середине мая 2003 г. отмечен на глубине 2,20 м от поверхности одежды, а в августе - 2,45 м.
За период эксплуатации ДК подвергались морозным воздействиям: «суровой» в 1984/85 г. (F = 2575 °С-сут) и «мягкой» в 2001/02 г. зимами (F = 1213 °С-сут), что обеспечило надежность температурного воздействия более 0,95.
© В.А. Гриценко, В.Н. Шестаков, 2007
В зиму 1984/85 г. ДК по оси проезжей части с геопенопластом 0,10 м не промерзала; 0,05 м - промерзала на 1,50 м, а на участке с морозозащитным слоем из песка промерзала на 2,52 м.
По причине технологических дефектов на цементобетонном покрытии (сколы у деформационных швов, шелушение), не связанных с применением геопенопласта, покрытие в 1995 г. было перекрыто поверхностной обработкой из черного щебня, а в октябре 2003 г. устроен слой износа из открытой битумоминеральной смеси толщиной 0,05 м.
Результаты мониторинга ДК
Земляное полотно сложено глиной легкой пылеватой (табл.1).
Таблица 1
Показатели физических свойств грунтов земполотна
Наименование показателей Дорожная конструкция
с геопенопластом, толщиной, м с морозозащитным слоем из песка 0,5 м
0,10 0,05
Граница текучести, % 38 41 41
Число пластичности 17 20 17
Естественная влажность при отборе проб, % 18,0/17,5 20,0/19,2 22,4/21,5
Количество частиц, %: песка пыли глины 20.5 73.5 6,0 20,2 73,8 6,0 19,7 74,3 6,0
Плотность сухого грунта, р* г/см3 1,74/1,74 1,69/1,71 1,64/1,68
Коэффициент уплотнения грунта, р^- рт1ах 1,02/1,02 0,99/1,00 0,96/0,98
Наименование грунта по ГОСТ 25100-95 Глина легкая пылеватая
Примечания:
1. Числитель - май 2003 г, знаменатель - август 2003 г.
2. Максимальная плотность сухого грунта ртах составляет 1,71 г/см3, оптимальная влажность ^ - 18 %
Коэффициент уплотнения земляного полотна, теплоизолированного геопенопластом, выше, а его влажность ниже, чем у земляного полотна с песчаным морозозащитным слоем, что связано со стремлением грунта в процессе эксплуатации ДК к достижению «природной» плотности. Земляное полотно, теплоизолированное геопенопластом 0,10 м, не промерзавшее в течение срока службы, доуплотнилось за 20 лет от коэффициента уплотнения 0,95 до 1,02, а его влажность достигла оптимальной (рис. 1).
Рис. 1. Изменение коэффициента уплотнения Ку (вверху) и влажности Ж (внизу) верхнего слоя земполотна 0,5 м в процессе эксплуатации дорожных конструкций:
1 - с геопенопластом 0,10 м; 2 - с геопенопластом 0,05 м; 3 - с морозозащитным слоем из песка 0,5 м; цифры на кривых (V, VIII, IX) - месяцы обследования конструкций
Отмеченный эффект рационально использовать, проектируя дорожные конструкции при III типе местности, земляное полотно которых сложено сильно и чрезмерно пучинистыми грунтами.
Оценка ровности покрытия выполнена нивелированием через 5 м по ГОСТ 30412-96 (табл. 2). Установлено, что неровности цементобетонного покрытия на всех трех участках, при допустимой величине морозного пучения 30 мм, не превышают 20 мм. Отличие в средних значениях и среднеквадратичных отклонениях неровностей покрытия трех рассматриваемых дорожных конструкций статистически незначимо.
Таблица 2
Статистические параметры неровности цементобетонного покрытия
Месяц измерений 2003 г. Параметры ровности, мм Дорожная конструкция
с геопенопластом толщиной, м с морозозащитным слоем из песка 0,5 м
0,10 0,05
Май Среднее 7,5 7,3 8,2
Среднеквадратичное 5,2 5,6 6,1
Август Среднее 7,0 6,6 8,8
Среднеквадратичное 5,2 5,8 6,8
Для оценки долговечности геопенопласта в мае 2003 г. из-под полосы наката ДК отобраны его образцы, которые были подвергнуты комплексным испытаниям. Анализ данных табл. 3 показал, что изменение показателей свойств геопенопласта St во времени Т происходит по закону (рис. 2):
St = + Л5Т); Т < 20 лет, (1)
где S0 - заводские показатели свойств геопенопласта; Ктн, Л8 - коэффициенты повышения показателей свойств геопенопласта, соответственно, вследствие технологической наследственности при производстве работ и эксплуатационного «старения» в составе дорожной конструкции (табл. 4).
Таблица 3
Изменение во времени показателей свойств геопенопласта Styrofoam
Наименование показателей Метод определения Показатели свойств по годам
1983* 1995 2003
Плотность, кг/м3 DIN 53420 ГОСТ 15588-86 38 43,1 44,9
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа (Н/мм2) DIN 53421 ГОСТ 15588-86 0,40 0,48 0,52
Модуль упругости, МПа (Н/мм2) DIN 53421 ГОСТ 23404-86 15 19,2 21,3
Теплопроводность при 10 °С, Вт/(м-К) DIN 52612 0,027 - -
Теплопроводность в сухом состоянии при 20 °С, Вт/(м-К) ГОСТ 7076-99 - 0,0286 0,0295
Теплопроводность в водонасыщенном состоянии при 20 °С и весовой влажности, равной 4,6 %, Вт/(м-К) ГОСТ 7076-99 - 0,0301 0,0309
Водопоглощение всего листа, % по объёму DIN 53434 0,2 - -
Водопоглощение после 300 циклов промерзания-оттаивания, % по объёму DIN 53434 1,0 - -
Водопоглощение за 24 ч, % по объёму ГОСТ 15588-86 - 0,53 0,69
* Заводские показатели свойств S0.
При проектировании ДК и теплоизоляционного слоя из экструдированного пенополистирольного геопенопласта рекомендовано показатели его свойств прогнозировать по формуле (1) с учетом значений коэффициентов в табл. 4.
Рис. 2. Изменение отношения показателей свойств геопенопласта в составе дорожной конструкции и заводских £0 во времени:
1 - модуль упругости; 2 - прочность при сжатии (при 10 % линейной деформации); 3 - плотность; 4 - теплопроводность (в водонасыщенном состоянии при 20 °С)
Таблица 4
Коэффициенты технологической наследственности Ктн и эксплуатационного «старения» Д свойств геопенопласта
Наименование показателей Ктн ЛЛ02
Модуль упругости, МПа 1,070 1,750
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа 1,050 1,250
Плотность, кг/м3 1,055 0,625
Теплопроводность в водонасыщенном состоянии при 20 °С и весовой влажности, равной 4,6 %, Вт/(м-К) 1,065 0,375
Наряду с положительным эффектом применения геопенопласта в качестве теплоизоляционного слоя, подтверждено негативное обстоятельство, связанное с пониженной температурой поверхности покрытия в холодное время, что является благоприятным условием для образования зимней скользкости покрытия.
Наблюдения за температурой покрытия проводились в конце октября 2003 г. с помощью пирометра с лазерным наведением. Анализ полученных данных (табл. 5) показал, что отличие в средних температурах поверхности
покрытий ДК морозозащитным слоем из песка и с геопенопластом 0,05 м статистически незначимо, а с геопенопластом 0,10 м - значимо.
Таблица 5
Статистические параметры температуры поверхности покрытия
Температура воздуха, °С Параметры температуры, °С Дорожные конструкции
с геопенопластом толщиной, м с морозозащитным слоем из песка, м
0,10 0,05 0,5
2,0 Среднее -2,10 0,69 -0,07
Среднеквадратичное 0,92 0,60 0,71
Аналитическое исследование
Обеспечение морозоустойчивости ДК путем включения в её состав теплоизоляционного слоя из геопенопласта является эффективным геотехническим и экологичным решением. Однако такое конструктивное решение небезопасно: в зависимости от местоположения слоя геопенопласта покрытие с той или иной частотой и длительностью будет находиться при температуре ниже 0 °С. Следовательно, создается различная потенциальная возможность образования на нем таких разновидностей зимней скользкости, как гололедица, черный лед, твердый налет и гололёд.
Для аналитической оценки теплофизического эффекта на поверхности ДК с теплоизоляционным слоем введено понятие её свойства «теплоустойчивость» и определена соответствующая мера.
Теплоустойчивость ДК с теплоизоляционным слоем - свойство сохранять поверхностью покрытия относительную амплитуду температуры не более допустимой [9А].
Мера теплоустойчивости ДК с теплоизоляционным слоем - отношение амплитуды температуры поверхности покрытия Ат к амплитуде температуры поверхности покрытия этой конструкции без теплоизоляционного слоя Ао (базовая конструкция).
Из определений следует, что если мерой теплоустойчивости ДК с теплоизоляционным слоем является относительная температура 9А = Ат • А^, то её теплоустойчивость будет обеспечена при условии 9А ^ [9 а ]•
В результате анализа закономерностей формирования температурных волн в трехслойной полуограниченной среде (1 - дорожная одежда; 2 - теплоизолирующий слой; 3 - земляное полотно) установлена обобщенная зависимость изменения меры 9а от числа Предводителева (рис. 3).
С заглублением геопенопласта в дорожную конструкцию эта мера уменьшается, достигая минимального значения Рё™х . Однако заглубление геопенопласта ведет к увеличению глубины промерзания (протаивания) земляного полотна. Связано это с тем, что теплосодержание вышележащих над геопенопластом слоев повышается как по причине увеличения их мощности, так и высокой эффективности теплоизолирующего слоя.
тип Ьаве тах
0А ел=1.00 еА =1.10
Рис. 3. Обобщенная зависимость меры теплоустойчивости дорожной конструкции с теплоизоляционным слоем из геопенопласта 0^ толшцной Н2 от локального числа Предводителева Р^1 при различной степени безопасности местоположения этого слоя:
I - базовая; II - максимальная; III - минимальная
Безопасное местоположение ТС геопенопласта в составе ДК (минимально-допустимое) [Ы] рекомендуется оценивать по формуле (рис. 4)
№ ] =
ю;
(2)
в которой [Р^й1] - критерий безопасного местоположения слоя геопенопласта, принимаемый по данным табл. 6; 24 - коэффициент размерности между в, сут-1 и а1, м2/ч; ю П - расчетное значение частоты погодных изменений температуры воздуха, определяемое по формуле (3), в которой частотный параметр погодных изменений температуры рассчитывается по его корреляционной взаимосвязи с расчетными зимними температурами воздуха, приведенными в СНиП 23-01-99.
юП =Рл/2 (1 - СЮд), (3)
где в - частотный параметр погодных изменений температуры воздуха, сут1, входящий в её нормированную корреляционную функцию вида к(т) = ехр(-в2т2); СЮ - коэффициент вариации погодных изменений по частоте; д - одностороннее нормированное отклонение (при Р = 0,95 составляет 1,64).
Рис. 4. Зависимости критерия безопасного местоположения теплоизоляционного слоя геопенопласта [Pdhl\ в составе ДК и соответствующей меры теплоустойчивости [64] от его толщины ^ для дорог І-ІУ технической категорий (0,02 м - минимальная толщина изготовления плиты геопенопласта)
Таблица 6
Зависимости критерия безопасного местоположения теплоизоляционного слоя геопенопласта [РУА1] в составе дорожной конструкции от его толщины Н2, м, обеспечивающего допустимую меру её теплоустойчивости [0А] (рис. 4)
Категория дороги К, ].“П ^ а • 24 [6 , ] Степень безопасного местоположения геопенопласта
0,02 < h2 < 0,10 ^>0,10
I 1Л 1 О, 4 3,14 1 -.у/0,20^ -h22 Максимальная
ІІ,ІІІ 1Л 1 «о, 1,23 1,00 Базовая
IV 4,5^h2 - 5h22 1,00 1,10 Минимальная
Примечания:
1. Минимально-допустимое местоположение геопенопласта [/г;] определяется по формуле (2).
2. В расчетах приняты значения 021 = 0,04; 032 = 33,3.
Выводы
Итог обобщения результатов 20-летнего мониторинга эксплуатационного состояния дорожных конструкций с теплоизоляционными слоями из геопенопласта и аналитических исследований:
1. Обеспечение морозоустойчивости дорожных конструкций путем применения в их составе слоя геопенопласта является эффективным геотехническим и экологичным решением, которое позволяет:
- снижать влажность и повышать плотность рабочего слоя земляного полотна в сложных грунтово-гидрологических условиях эксплуатации;
- образовывать менее ёмкую область природно-технической системы относительно применения морозозащитного слоя.
2. Введеное понятие свойства дорожной конструкции с теплоизоляционным слоем «теплоустойчивость», определение меры этого свойства и критерия безопасного местоположения ТС в составе ДК позволяют на стадии проектирования ДК обеспечивать местоположение теплоизолирующего слоя из условия его минимальной безопасности в части образования зимней скользкости на покрытии.
3. В расчете прочности и проверке морозоустойчивости ДК с геопенопластом следует учитывать изменение показателей его свойств вследствие технологической наследственности и эксплуатационного «старения». Рекомендуется значения модуля упругости, коэффициента теплопроводности, плотности прогнозировать по зависимости (1).
4. В технико-экономическом отношении целесообразно применение теплоизоляционного слоя из геопенопласта в составе дорожной конструкции при дальности возки природных и техногенных грунтов для морозозащитного слоя от 80 до 120 км, в зависимости от факторов, определяющих морозоустойчивость дорожной конструкции.
Отдельные выводы и результаты исследования могут быть использованы при проектировании дорожных конструкций с теплоизоляционным слоем из геопенопласта в других районах с сезонным промерзанием.
Библиографический список
1. Шестаков, В.Н. Образование зимней скользкости в связи с конструктивно-
теплофизическими особенностями дорожных одежд / В.Н. Шестаков, В.А. Гриценко // Проблемы безопасности дорожного движения: материалы Первой Российско-
Германской конференции 22-24 мая 2002 года. - Том 1. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2002. - С. 55-59.
2. Гриценко, В.А. Оценка долговечности геопенопласта 81уаго1Ъат в составе дорожной конструкции / В.А. Гриценко, В.Н. Шестаков // Автомобильные дороги и мосты. -№ 2. - 2003. - С. 25.
3. Гриценко, В.А. Оценка ровности цементобетонного покрытия дорожных конструкций с теплоизолирующими слоями из геопенопласта Styarofoam / В.А. Гриценко, Д.Г. Богданов, В.Н. Шестаков // Автомобильные дороги и мосты. - № 1 (18). - 2004. - С. 26-27.
4. Гриценко, В.А. Мониторинг состояния дорожной кон-струкции со слоями из геопенопласта Styrofoam / В.А. Гриценко, В.Н. Шестаков // Труды Международной научнопрактической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспорному строительству. - Том II. - Пермь, 2004. - С. 20-25.
5. Гриценко, В.А. Опыт ресурсосбережения путем строительства дорожной конструкции со слоями из геопенопласта Styrofoam / В.А. Гриценко, В.Н. Шестаков // Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и мостов: сб. науч. трудов. - Вып. 16. - Минск : Изд-во РУП «БелдорНИИ», 2003. - С. 132-139.
6. Гриценко, В.А. Дорожные конструкции с геопенопластом Styrofoam 20 лет спустя / В.А. Гриценко, В.Н. Шестаков // Дороги XXI века. - № 3. - 2004. - С. 73-74.
7. Шестаков, В.Н. Эксплуатационная надежность дорожных конструкций с теплоизоляционным слоем из геопенопласта / В.Н. Шестаков, В.А. Гриценко // Труды Международной геотехнической конференции посвященной году РФ в РК 23-25 сентября 2004 года, г. Алматы, Казахстан. - 2004. - С. 465-468.
8. Шестаков, В.Н. Опыт эксплуатации дорожных конструкций с теплоизолирующим слоем из геопенопласта Styrofoam / В.Н. Шестаков, В.А. Гриценко // Материалы и конструкции для транспортного строительства. - 2004. - С. 50-53.
9. Шестаков, В.Н. Рекомендации по обеспечению эксплуатационной надежности дорожных конструкций с теплоизоляционным слоем из геопенопласта. Автомобильные дороги и транспортные машины: Проблемы и перспективы развития: сб. науч. трудов Второй Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения Л.Б. Гончарова, первого министра дорог Республики Казахстан (г. Алматы, 12 июня 2004). - Алматы : Изд-во «ЭВЕРО», 2004. - С. 43-46.
10. Шестаков, В.Н. Безопасное местоположение теплоизоляционного слоя геопенопласта в составе дорожной конструкции / В.Н. Шестаков, В.А. Гриценко // Качество. Инновации. Наука. Образование: материалы Международной научно-технической конференции, 16-17 ноября 2005 года. - Книга 1. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. - С. 50-55.
11. Рувинский, В.И. Эффективность применения пенопласта в дорожном строительстве России / В.И. Рувинский. - М. : Транспорт, 1996. - 72 с.
W.A. GRITSENKO, W.N. SHESTAKOV
THE PECULIARITYES OF PROVIDING THE MAINTENANCE RELIABILITY OF ROADS STRUCTURES WITH HEAT INSULATION LAYER FROM GEOFOAM PLASTICA THE WARMKEEPING A LAYER OF THE GEOPOLYFOAM
After 20 years monitoring of condition of roads with a geopolyfoam warmkeeping layer the possibility of providing the operational reliability of this structure was revealed taking into consideration humidity-density of subgrade, its flatness and resistance to formation of winter sliding on pavement.
