CC BY
43
L.V. GONCHAROVA, V.I. BARANOVA, V.I. DIVISILOVA, YU.M. EGOROV, B.V. NECHIPORENKO, V.M. FEDOROV
CORRELATIVE ANALYSIS OF MOISTURE MIGRATION IN DISPERSE GROUNDS DURING THEIR DIELECTRIC HEATING IN ELECTROMAGNETIC FIELD WITH 2450 MHZ FREQUENCY
Developed method of research of water migration in disperse grounds at dielectric heating and control of changes of weight of moisture clays and powers OHF emanation (dropped, passed, reflected) allowed to receive synchronic changes of calculated characteristics of dielectric loss (s”B = o), moisture (W, %), temperature (T, °C), and speed of heating (Т/т, °C/s) of grounds. The data of calculation of couple correlation coefficients for dependence’s: (g”n = o - W, %; s”n = o - Т, °С, W, % - T, °C and g”n = o - Т/т °C/s with registration of water migration phases in dehydrate process of loam, kaolinite and montmoillonite clays at powers OHF emanation 265, 500 and 830 VT with 2450 MHz frequency are presented. Obtained results may be used in modeling the regimes of OHF thermoform of grounds and for control equipment creation in the process of thermo-strengthening of disperse grounds.
УДК 666.964.3:691.327+539.386:54-171
И.Н. ТРОФИМОВ, аспирант,
А.И. КУДЯКОВ, докт. техн. наук, профессор,
ТГАСУ, Томск
СДВИГОУСТОЙЧИВОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА
Предложен метод для определения сдвигоустойчивости асфальтобетонных материалов под воздействием кратковременных изменяющихся нагрузок, а также определено влияние форм зерен крупного заполнителя на сдвигоустойчивость асфальтобетона.
На асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог Сибири наблюдаются пластические деформации, проявляющиеся в виде колееобразования. Основными причинами пластических деформаций являются значительный рост интенсивности движения и увеличение осевых нагрузок автомобилей, а также недостаточная сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий при нагреве от солнечных лучей.
Ранее проведенные исследования показывают, что величина и динамика развития деформаций асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог колеблются в широких пределах на различных участках дорог в зависимости от влияния дорожных условий на режим движения автомобилей: частота торможения и особенно скорость движения, обусловливающая продолжительность приложения транспортной нагрузки [1]. В действующих нормативно-технических документах требования к сдвигоустойчивости асфальтобетона не предусматривают их дифференциации с учетом конкретных условий эксплуатации дорог.
Для резко-континентального климата Сибири характерны высокие положительные температуры в весенний, летний и осенний периоды года. Поэтому климатические условия в сочетании с нагрузками от транспорта оказы-
© И.Н. Трофимов, А.И. Кудяков, 2008
вают большое влияние на пластические деформации асфальтобетонных покрытий уже на ранней стадии их эксплуатации [2].
Таким образом, основными факторами, влияющими на сдвигоустойчи-вость асфальтобетона, являются:
- высокий нагрев температуры асфальтобетонных покрытий;
- скорость движения транспорта;
- частота торможения;
- свойства асфальтобетона и используемых сырьевых компонентов.
Исследования деформативных характеристик асфальтобетонных материалов на установке «ТомскАсфальтТест» (созданной в НИИСМ ТГАСУ) в интервале температур от +10 до +30 °С показали, что кратковременные модули упругости изменяются в пределах от 3500 до 700 МПа (табл. 1).
Таблица 1
Значения кратковременного модуля упругости асфальтобетонов, применяемых для верхних слоев покрытий
Материал Марка битума Кратковременный модуль упругости Е, МПа, при температуре покрытия, °С
+10 +20 +30
Плотный и высокоплотный асфальтобетоны из изверженных горных пород БНД 90/130 3500 1600 700
Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА-15) из изверженных горных пород БНД 90/130 3300 1600 750
При расчете дорожной конструкции и определении общего модуля упругости по условию упругого прогиба согласно ОДН 218.046-01 расчетные характеристики асфальтобетонного материала принимаются при температуре 10 °С, что не соответствует истинным значениям в период ее наибольшего ослабления. Полевые испытания методом упругого прогиба под колесом груженого автомобиля на опытных участках при различных температурных режимах покрытия, а также расчет дорожных конструкций с учетом температурных режимов асфальтобетонных слоев во время полевых испытаний показали, что основным критерием снижения несущей способности дорожной конструкции является температурный режим покрытия. Анализ данных исследований показал, что наибольшее снижение несущей способности дорожной конструкции происходит при превышении температуры верхнего слоя 25 °С, и этот период может длиться при различных погодно-климатических условиях в весенний, летний и осенний периоды от 55 до 80 суток.
При этом температура покрытия, превышающая +30 °С, в этот период может быть от 30 до 45 суток.
Экспериментальные расчеты различных дорожных конструкций по условию упругого прогиба с учетом температуры верхнего слоя, превышающей
+30 °С, и учетом температуры нижележащих слоев показали, что слои асфальтобетонного покрытия с кратковременным модулем упругости при температуре +30 °С и выше не влияют на общий модуль упругости дорожной конструкции, и дорожная одежда, по ОДН 218.046-01 [5], по этим слоям не поддается расчету.
Следовательно, основными слоями, которые определяют общий модуль упругости дорожной конструкции, являются: земляное полотно, дополнительные подстилающие слои, слои основания.
Основным критерием оценки несущей способности верхних асфальтобетонных слоев следует считать сдвигоустойчивость.
Сдвигоустойчивость асфальтобетона, оцениваемая по коэффициенту угла внутреннего трения и сцепления и определяемая по ГОСТ 12801-98 [6] методом максимальных нагрузок, не отвечает условиям работы асфальтобетонного покрытия в реальных условиях. В ОДН 218.046-01 расчетам на сдви-гоустойчивость в конструктивных слоях асфальтобетонного покрытия от воздействия временной нагрузки, а также вопросам колееобразования на покрытии уделяется мало внимания. Считается, что данные задачи решены использованием допускаемого коэффициента угла внутреннего трения и сцепления по ГОСТ 9128-97 [7]. Для повышения качества проектирования асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий необходимо разработать метод оценки показателя сдвигоустойчивости, максимально приближенного к реальным условиям эксплуатации асфальтобетонных покрытий.
Для решения этой задачи в лаборатории 4.1 НИИСМ ТГАСУ была создана автоматизированная испытательная установка «ТомскСдвигТест» для определения сдвигоустойчивости образцов дорожного покрытия из битумоминеральных материалов в условиях, максимально приближённых к естественным условиям эксплуатации автомобильных дорог Сибирского региона [10].
Установка «ТомскСдвигТест» (рис. 1) содержит стенд для длительного механического воздействия, моделирующий действие колёс транспортных средств на плоские образцы из асфальтобитумных материалов и электронный блок для управления процессом испытаний, измерения параметров деформации образца, обработки, хранения, представления и документирования результатов испытаний.
Рис. 1. Упрощенная схема испытательной установки «ТомскСдвигТест»:
1, 3 - датчики линейных перемещений; 2 - испытуемые образцы из асфальтобитумной смеси; 4 - электронный блок обработки измерительной системы; 5 - датчик температуры; 6 - водяная ванна
Основные узлы установки:
- электромеханический стенд (ЭМСТ) для создания механического воздействия на образцы;
- микропроцессорный электронный блок (ЭБ) для управления процессом испытаний, измерения линейных перемещений и температуры образцов;
- персональный компьютер (ПК на рисунке не показан).
ЭМСТ содержит два подвижных колеса, которые совершают вращательно-поступательные движения в противоположных направлениях. Это сделано для уменьшения механических вибраций, возникающих при испытаниях. Наличие двух подвижных колёс позволяет проводить испытания двух образцов одновременно.
Испытания в обоих режимах проходят следующим образом. Образцы 2 нагревают в водяной ванне 6 до заданной температуры, которая контролируется с помощью датчика температуры 3. Далее в ЭБ вводится программа испытаний, включающая число циклов испытаний и количество проходов колёс. После нажатия кнопки «ПУСК» колёса ЭМСТ начинают синхронные возвратно-поступательные движения по образцам (электрический привод на схеме не показан). При этом на образцы оказывается заданное статическое и динамическое давление. По мере воздействия образцы уплотняются, и колёса опускаются вниз. Их перемещение фиксируют датчики линейных перемещений 1 и 3. Количество проходов фиксирует концевой датчик.
Установка имеет следующие технические характеристики:
- сила статического нагружения от 100 до 1000 Н;
- диапазон линейных перемещений 0-20 мм;
- погрешность измерения ± 0,1 мм;
- диапазон температур от +10 до +60 °С;
- погрешность измерения ± 0,5 °С.
- количество проходов колёс от 1 до 1000;
- количество циклов испытаний от 1 до 50.
Сущность метода испытания асфальтобетона на сдвигоустойчивость заключается в оценке накопления деформации образца асфальтобетона при заданном количестве проходов под воздействием нагруженного обрезиненного колеса при возвратно-поступательном движении и при расчетной температуре.
Критерием оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона является допустимая деформация образца (колея), образующаяся после заданного числа проходов обрезиненного колеса, выраженная в процентном содержании от его толщины.
Большое влияние на сдвигоустойчивость асфальтобетона оказывают состав, структура и свойства применяемого заполнителя и вяжущего.
В отраслевых дорожных нормах ОДН 218.046-01 приведены прочностные и деформативные характеристики асфальтобетонных материалов, зависящие от вида асфальтобетона, типа смеси, марки битума и расчетной температуры. Исследования, проведенные в лаборатории 4.1 НИИСМ ТГАСУ, показали, что большое влияние на прочностные и деформативные характеристики асфальтобетонных материалов, особенно на сдвигоустойчивость и колееобразо-вание асфальтобетонного покрытия от воздействия временной подвижной нагрузки, оказывает содержание форм зерен в крупном заполнителе.
Щебень по форме зерна регламентируется требованиями п. 4.3.2 ГОСТ 8267-97 [8] в зависимости от содержания в нем зерен пластинчатой (лещад-ной) и игловатой формы. Термин «зерна пластинчатой (лещадной) и игловатой формы» определен п. 4.7.1 ГОСТ 8269.0-97 [9] и относится к зернам, толщина которых менее длины в три и более раза.
Повышенным спросом пользуется высокопрочный щебень кубовидной формы с содержанием зёрен пластинчатой и игловатой формы до 15 %, особенно при строительстве автомобильных дорог федерального значения 1 категории для повышения качества асфальтобетонной смеси. Классификация и метод оценки зерен щебня кубовидной формы крупного заполнителя в ГОСТ 8267-97 отсутствуют.
Известны различные методы оценки формы зерен по степени максимального приближения к правильным геометрическим телам: кубовидная ромбоэдрическая, пирамидальная, дипирамидальная, триклинная, округлая и таблетчатая. По ранее проведенным нами исследованиям применительно к цементным бетонам и подбору зернового состава по принципу обеспечения максимально плотной упаковки (каркасной структуры) оценку формы зерна следует осуществлять по степени приближения к эллипсоиду [3, 4].
Нами предложена классификация формы зерен крупного заполнителя и разработана методика оценки качества щебней по формам зерен.
Определение количества кубовидных форм зерен крупного заполнителя для асфальтобетонных материалов осуществляют двумя методами:
- измерением с использованием шаблона или штангенциркуля;
- рассеиванием на щелевидных ситах.
Первый метод основан на определении из пробы зерен с соотношением наименьшей и наибольшей сторон не менее 0,5. Размеры зерен определяют при помощи передвижного шаблона или штангенциркуля. При использовании шаблона измеряемое зерно вкладывают наибольшим размером между губками, положение шаблона фиксируют стопорным винтом и измеряют размер зерна. Затем зерно пропускают наименьшим размером между губками шаблона, установленными на расстоянии, меньшем в 2 раза. Если зерно не пройдет между губками, то его относят к зернам кубовидной формы.
Второй метод оценки заключается в просеивании пробы через щелевидные сита (рис. 2) с параметрами, указанными в табл. 2.
Таблица 2
Размеры щелевидных сит
Параметры сит, мм Классификация сит по размерам ячеек, мм
5 7,5 10 15
1. А - расстояние между ячейками 10 ± 1 15 ± 1 20 ± 1 25 ± 1
2. Б - ширина ячейки 5 ± 1 7,5 ± 1 10 ± 1 15 ± 1
3. В - длина ячейки 25 ± 1 25 ± 1 30 ± 1 40 ± 1
4. С - расстояние между ячейками 10 ± 1 10 ± 1 10 ± 1 10 ± 1
5. Я - радиус закругления ячейки 2,5 ± 1 3,75 ± 1 5 ± 1 7,25 ± 1
6. 0 - диаметр сита 286 ± 1 286 ± 1 286 ± 1 286 ± 1
б
Рис. 2. Щелевидное сито: а - общий вид; б - ячейка
Пробу щебня фракцией 5-10 мм просеивают через сита диаметром 5 и 7,5 мм. При этом остаток щебня на сите диаметром 7,5 мм считается кубовидным, остаток на сите диаметром 5 мм включает в себя некубовидные формы зерен. Зерна, прошедшие через сито диаметром 5 мм, относят к пластинчатым и игловатым.
Пробу щебня фракцией 10-15 мм просеивают через сита диаметром 7,5 и 10 мм. При этом остаток щебня на сите диаметром 10 мм считается кубовидным, остаток на сите диаметром 7,5 мм включает в себя некубовидные формы зерен. Зерна, прошедшие через сито диаметром 7,5 мм, относят к пластинчатым и игловатым.
Пробу щебня фракцией 15-20 мм просеивают через сита диаметром 10 и 15 мм. При этом остаток щебня на сите диаметром 15 мм считается кубовидным, остаток на сите диаметром 10 мм включает в себя некубовидные формы зерен. Зерна, прошедшие через сито диаметром 10 мм, относят к пластинчатым и игловатым.
Были проведены испытания асфальтобетонов с различным содержанием кубовидных форм зерен крупного заполнителя. Доли кубовидного зерна от общей массы крупного заполнителя составили 4,6, 25, 50, 75 %. Испытания полученных асфальтобетонов выполнялись на автоматизированной установке для определения сдвигоустойчивости образцов дорожного покрытия из битумоминеральных материалов. Результаты испытаний представлены на рис. 3.
число проходов
Рис. 3. Зависимость изменения деформации продольного профиля асфальтобетона образца от числа проходов:
—♦— образец с содержанием зерен кубовидной формы 25 % от массы;
——— стандартный образец с содержанием зерен кубовидной формы 4,6 % от массы;
——— образец с содержанием зерен кубовидной формы 75 % от массы;
--- образец с содержанием зерен кубовидной формы 50 % от массы
Результаты исследований, проведенных по предлагаемому методу оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона, показали, что минимальные пластические деформации образовываются при содержании зерен кубовидной формы 25-50 % от массы крупного заполнителя.
Библиографический список
1. Васильев, А.П. Причины образования колеи и пути их устранения / А.П. Васильев // Наука и техника в дорожной отрасли. - 1999. - № 2. - С. 6-9.
2. Матлаков, Н.В. Исследование температурного режима асфальтобетонного покрытия в условиях Западной Сибири / Н.В. Матлаков // Труды СоюздорНИИ. - М. : Союздор-НИИ, 1971. - Вып. 44.
3. Боженов, П.И. Определение расчетной формы зерен заполнителя / П.И. Боженов, А.И. Кудяков, А.Г. Смирнов // Строительные материалы. - 1981. - № 12. - С. 25-26.
4. Влияние формы зёрен на показатели качества бетонов / М.Л. Нисневич, Н.С. Левкова, Г.Б. Торопова [и др.] // Строительные материалы. - 1971. - № 4. - С. 28-30.
5. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. - Взамен ВСН 46-83; введ. 1.01.2001. - М. : Информавтодор, 2001. - 158 с.
6. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. - Взамен ГОСТ 12801-84; введ. 1.01.1999. - М. : Изд-во стандартов, 1999. - 54 с.
7. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. - Взамен ГОСТ 9128-84; введ. 1.01.1999. - М. : Изд-во стандартов, 1998. - 23 с.
8. ГОСТ 8267-97. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. - Взамен ГОСТ 8267-82, ГОСТ 8268-82, ГОСТ 10260-82, ГОСТ 23254-78, ГОСТ 26873-86; введ. 1.01.1997. - М. : Изд-во стандартов, 1997. - 14 с.
9. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. -Взамен ГОСТ 3344-83, ГОСТ 7392-85, ГОСТ 8269-87; введ. 1.07.1998. - М. : Изд-во стандартов, 1998. - 89 с.
10. Устройство для испытания асфальтобетона на сдвигоустойчивость: пат. 65229. Российская Федерация / Эфа А.К., Базуев В.П., Зырянов В.М., Трофимов И.Н. - опубл. 27.07.2007, Бюл. № 21.
I.N. TROFIMOV, A.I. KUDYAKOV
AGAINST DISPLACEMENT OF ASPHALT CONCRETE
The method of determination of steadiness against displacement of asphalt concrete materials under the influence of short-term variable loading and the influence of coarse-grained filler forms on it are presented and suggested.
