CC BY
10
УДК 625.033.772
ВПЛИВ ВИПАДКОВИХ ДЕФЕКТ1В НА КОНЦЕНТРАЦ1Ю НАПРУЖЕНЬ В АСФАЛБТОБЕТОН1 ТА НА ВИЗНАЧЕННЯ ЙОГО МОДУЛЯ ПРУЖНОСТ1
В.В. Маляр, доц., к. т.н., Я.В. 1льТн, асп., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Наведено результаты розрахунюв концентраций напруженъ eid пор та трщин у структурi асфальтобетону. Показано еплие поеерхнееих трщин на значения розрахункоеих модул1в пружност1 асфальтобетону.
Ключов1 слова: асфальтобетон, ei6pocmend, концентрация напруженъ, метод сктченних еле-Menmie, модуль пружност1, штучт дефекты, напружено-деформований стан.
ВЛИЯНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ДЕФЕКТОВ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ В АСФАЛЬТОБЕТОНЕ И НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО МОДУЛЯ УПРУГОСТИ
В.В. Маляр, доц., к. т.н., Я.В. Ильин, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Приведены результаты расчётов концентраций напряжений от пор и трещин в структуре асфальтобетона. Показано влияние поверхностных трещин на значения расчётных модулей упругости асфальтобетона.
Ключевые слова: асфальтобетон, вибростенд, концентрация напряжений, метод конечных элементов, модуль упругости, искусственные дефекты, напряженно-деформированное состояние.
INFLUENCE OF RANDOM DEFECTS ON STRESS CONCENTRATION IN ASPHALT AND DETERMINATION OF ITS MODULUS OF ELASTICITY
V. Malyar, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Ya. Iliyn, P. G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The results of calculations of stress concentrations caused by pores and cracks in the structure of asphalt concrete are given. The effect of surface cracks on the values of elastic modulus of asphalt concrete is shown.
Key words: asphalt concrete, vibrostand, stress concentration, finite element method, elastic modulus, artificial defects, stress-strain state.
Вступ
Водонасичення асфальтобетону, його цикль чне заморожування, вщтавання, д1я агресив-ного середовища тощо призводять до появи трщин в об'ем1 асфальтобетону. Ц1 трщини можна вщнести до дефекпв структури, яю знижують суцшьшсть матер1алу, що викли-
кае зниження значень розрахункових характеристик.
Розтрюкування матер1алу або поява трщини у площиш, перпендикулярнш до одше! з ко-ординатних осей, призводить до падшня жор-сткост1 матер1алу в цьому напрямку. Пщ «трщиною» розушеться утворення в нескш-ченно малому елемеш! середовища зони 3i
зниженими механ1чними характеристиками внаслщок накопичення пошкоджень.
Анал1з публжацш
В [1] надано класифшащю дефектов структу-ри оргаиобетоиних композитов (рис. 1). До дефектов структури належать трщиии (1), пори (2), не покрито в'яжучим частники (3), пусто об'еми (4) та вщсутнють зв'язюв (5) у контактнш зош.
Рис. 1. Дефекти структури, що мають иоль мербетонш комиозити (асфальтобетоии)
Дефекти структури асфальтобетошв заро-джуються також на стадп виготовлення су-мшей, на стадп !х ущшьнення та розвива-ються в ексилуатацшних умовах шд д1ею транспортних навантажень та ктматичних фактор1в. Вони можуть зароджуватись на стадп експлуатацп покриття, якщо асфальтобетон шддаеться навантаженням та агресивнш дп навколишнього середовища, на протидда яким вш не розрахованнй (перевантаження, жаркий або холодиий ктмат, иерезволожен-ня, сонячна шсоляцш тощо). Дефекти можуть утворюватись через невщиовщшсть констру-кцп дорожнього одягу транспортнпм навантаженням, що викликае надшрш деформацп, розтяг чи згин.
Мета 1 постановка завдання
Завдання цього дослщження стосуються структурнпх дефектов асфальтобетону, яю утворюються на технолопчнш стадп й яким можиа запобптн, визначивши законом1рносто впливу дефектов на деформацшш характерн-тики асфальтобетону та його довгов1чшсть.
До иершого вщносяться модул1 пружносп та иараметри !х мщносн поведшки, до другого - утомлешсть асфальтобетошв, яка може бути цнктчною або статичною.
Як об'ект дослщжень було взято др1бнозер-нистий асфальтобетон типу «Б» за ДСТУ, який найчастоше використовуеться для влаш-туваиня покриттов автомобшьних дорп\ Для дослщжень використовували стандартш зра-зки асфальтобетону. Ц1 зразки розр1зали, а потом сканували илощину розр1зу (рис. 2). Чтоко видимими були зерна наповнювача з розм1рамп бшьше 3-5 мм. На основ! фотог-рафп поверхш подано геометричну модель зразка асфальтобетону з розм1рамн зерен наповнювача бшьше 5 мм (рис. 1).
Частка наповнювача в матриц! стаиовила 38 %, що вщповщае структур! др1бнозернис-того асфальтобетону типу «Б». Така геомет-ричиа модель може вщображатн макроструктуру асфальтобетону, аналопчннм чином можна подати мезо- 1 мшроструктуру асфальтобетону.
На макрор1вш матрицю можна вважати однородною, ¿зотропною з великою кшьюстю макропор ¿з розм1рами 1-2 мм. Тому в модель, подану на рис. 2, повторят пори були введен! штучно - способом випадкового ви-далення елементов матриц!. Також у модель було включено трщини довжиною 4 мм, ро-зташоваш горизонтально 1 вертикально по вщношенню до навантаження. Перша горизонтальна трщина розташована в матриц! м1ж включениями, друга горизонтальна трь щина - на границ! розподшу фаз «кам'яний матер1ал-матрнця».
Вхщш параметри ф1зично! модел1 були подаш: модулями пружносп матриц! макро-структури (асфальтового розчину) I наповнювача (грантоного щебеню), !х коефщ1ента-ми поперечно! деформацп.
Рис. 2. Фотограф1я поверхш розр1заного асфальтобетонного зразка та зображення двовнм1рно1 геометрично! модел1 асфальтобетону
Даш за модулем пружносп матриц! взято на пщстав1 анал1тичних розрахунюв. Вщповщно до [2]
Ецбб = Р [Еарр-(1 -УМА) + Еъ -УМА-УКА] +
+_^_ (1)
(1 - УМА) + УМА '
Еарр Еъ -УКА
де контактну функцш подано у вигляд1
УКА'
РМ =
Ро + Еъ-
УМА
Рв + \Еъ
УКА УМА
(2)
де Р0, Рх I Р2- емшричш коефщенти;
модуль пружност1 кам'яного матер1алу; Еъ -модуль в'яжучого; УМА - пористють мшера-льного матер1алу; УКА - частка м1ж зерно-вих пор, заповнених в'яжучим.
3 урахуванням [3] модуль в'яжучого (релак-саци)
1л
Е (г) = Ер
1 +
Г Ел Л
V
(3)
де Е& - константа; г - час; ^ та ъ - змшш,
яю виражаються через стандартш показники б1туму.
Для взятого типу асфальтобетону використо-вували таю значения показниюв: температура розм'якшеност1 б1туму - 50 °С; глибина проникнення голки б1туму - 80 1/10 мм; гус-тина б1туму - 1030 кг/м3; середня щшьшсть
кам'яного матер1алу - 2442 кг/м3; VMA = = 0,177 (матриц!); УРА = 1(матрищ).
Значения модуля пружност1 змшюються за-лежно вщ температури (табл. 1) \ частот де-формування (часу навантаження).
Таблиця 1 Данк що стосуються модуля пружност! матриц!
Температура, °С 0 10 20 30 40
Модуль пружносп матриц!, МПа 7186 3724 1445 485 201
У цих розрахунках час дп навантаження взятий за нормативами (0,1 с). Отримаш даш добре узгоджуються з [4].
Результата модельних розрахунк1в та експериментальних дослщжень
Було обрано найбшьш несприятливу для асфальтобетону схему навантаження - схему на розтяг (о = 0,6 МПа). Розрахунок напру-жено-деформованого стану асфальтобетону використовували за допомогою чисельного методу скшченних елемент1в на основ! про-грамного комплексу. Результата розв'язку включали значения напружень у кожнш точ-щ матер1алу.
На рис. 3 подано значения розтягуючих напружень фрагмента зразка у вигляд1 ¿золшш. Як видно з рисунка, розподш напружень у матер1ал1 е неоднорщним. Найбшьш небез-печними дшянками е також пори та трщини, що розташоваш поперек дп розтягування. Тут спостерщаються концентраци напружень. Концентращя напружень - явище ви-никнення шдвищених мюцевих напружень в областях р1зких змш форми пружного тша, а також у зонах контакту.
Рис. 3. Розтягуюч1 напруження у фрагмент! асфальтобетонного зразка
Область простору, в якш виникають щ напру-ги, називаеться концентратором напружень. Концентращя напружень характернзуеться теоретичним коефщентом концентрацп напружень k - вщношенням максимального напруження в обласп концентратора стах до номшального напруження (обчнсленого у припущенш вщсутносп концентратора) с
k = Сткх . (4)
с
Пори дають значения концентрацп напружень 3,13, що узгоджуеться ¿з класнчною задачею Кгрша, де коефщент концентрацп дор1внюе 3. По боках трщин виникають ще бшьш1 концентрацп напружень (рис. 4), значения коефщ1ента яких, залежно вщ положения трщини й температуря асфальтобетону, наведено у табл. 2.
Таблиця 2 Значения коефщента концентрацп напружень
Положения k, за температури, °С
грщини 0 10 20 30 40
В матриц! 3,48 3,44 3,35 3,27 3,23
На границ! ро-зпод1лу фаз в'яжучого та мшерально! поверхш 4,85 4,30 3,50 2,83 2,72
Найбшьш небезпечннмн е трщини, розташо-ваш м1ж матрицею та иаповиювачем, тобто таю, що вииикли при порушенш адгезшних зв'язюв м1ж в'яжучнм та кам'яним матер1а-лом. Останш, зазвичай, е наслщком водона-сичеиия, циктчного заморожування-вщта-ваиия та дп агресивного середовнща. За температуря 0 °С концентращя напружень у зош трщини е максимальною. У той же час за ще! температури, зпдно [5], розраховують доиустиме розтягуюче напруження асфальтобетону при згиш за одним ¿з трьох критерь 1в граничного стану.
Вплив поверхневоТ трщннн на визначення модуля пружносп асфальтобетону
При визначенш модуля пружносп асфальтобетону для розрахунюв дорожиього одягу використовують р1зш прнладн та обладнан-ня, у тому числ1 й на в1бростенд1 ХНАДУ [6].
Випробування проводять на зразках-балках за схемою - розтяг при згиш.
На першому еташ моделюваиия визначали вплив розм1р1в та положения трщини за ви-сотою зразка асфальтобетону. Трщину роз-ташовували на боковш поверхш, иерпенди-куляриш до напрямку дп сили вщ штока динамша в1бростенда (рис. 5).
Визначали змшу модуля пружносп вщ гео-метричних параметр1в трщини. Вплив одного фактора визначали за иоснйних двох ш-ших. Базовими були розм1ри: висота розташуваиия трщини - 42 мм; глибина трь щиии - 5 мм; товщина трщини - 1,0 мм. Результата розрахунюв наведен! у табл. 3-5.
Таблнця 3 Вплив внсотн розташування трщини на зм1ну модуля пружносп асфальтобетону
Висота розташування трщини, мм 21 42 84 126 168 210 247
Значения модуля пружносп зразка !з трщи-ною в % вщно-сно значения суцшьного зразка 93,1 94,3 96,2 97,8 99,0 99,7 100
Таблиця 4 Вплив глибини трщини на зм1ну модуля пружносп асфальтобетону
Глибина трщини, мм 3 5 7,5 10
Значения модуля пружносп зразка 1з трщиною в % вщ-носно значения суцшьного зразка 97,6 94,3 88,6 81,4
Таблиця 5 Вплив товщини трщини на зм1ну модуля пружносп асфальтобетону
Товщина трщини, мм 1,0 0,8 0,6 0,4
Значения модуля пружносп зразка 1з трщиною в % вщ-носно значения суцшьного зразка 94,3 94,5 94,8 95,1
Рис. 4. Значения розтягуючих напружень (в Па) вздовж трщини (в мм), розташовано! на грани-щ розподшу фаз
Результати розрахунюв показали, що най-бшьш впливовим фактором е глибина трщи-ни (табл. 4). Так, трщина ¿з глибиною 10 мм знижуе значения модуля пружносп на 19 %. Товщина трщини змшюе значения модуля пружносп, а розташування випадково! трь щини по висоп зразка найбшьш сильно впливае тод1, коли вона розташована близько до його закршлення.
Експериментальш дослщження модуля
пружносп асфальтобетону з1 штучними дефектами на в1бростенд1 ХНАДУ
На балках асфальтобетону були штучно зроблеш пропили товщиною 0,6 мм. Спочат-ку були зроблеш два пропили з двох боюв на вщсташ 5 см вщ кшця консол1 глибиною по 3 мм, поим - ще два на вщсташ 5 см вщ ос-нови консол1 (за аналопею з моделлю на рис. 5). Визначали модуль пружносп на в1б-ростенд1 до пропил1в та теля кожно! пари. Результати вим1рювань за розрахунково! те-мператури 10 °С та за р1зних частот дефор-мування наведен! у табл. 6.
Анал1з експериментальних даних показуе, що зменшення модуля пружносп зразюв ¿з поверхневими дефектами коливаеться у межах 5-17 % (в середньому 11 %), залежно вщ частоти деформування.
Таблиця 6 Значения модуля пружносп асфальтобетону з1 штучнимн дефектами за темиератури 10 °С
Частота, Гц Модуль пружносп, МПа
базового зразка зразка з верхшми пропилами зразка з верхшми та нижшми пропилами
0,01 6620 5880 5760
0,05 8720 7750 7260
0,1 9580 8640 8420
0,5 11860 11260 10740
1 13170 11900 11640
5 14780 13250 13990
10 14890 13360 13990
Це узгоджуеться з теоретичними розрахун-ками залежно вщ розм1р1в трщини (6-12 %). Тобто випадков1 одиничш поверхнев1 трщи-ни впливають на визначення модуля пружносп асфальтобетону в середньому приблизно на 10 %.
3 р1зних причин структурна неоднорщшсть асфальтобетону формуеться р1зними р1вня-ми. На И формування впливають р1зний вмют компоненнв структури, яю мають р1зш ф1зи-ко-мехашчш властивосп (модуль пружносп, коефщент поперечно! деформацп, тощо), пори 1 м1кротрщини. Пщ впливом неоднорщ-ностей в окремих об'емах бетону за зовшш-шх навантажень виникають концентрацп напружень.
1.125 . 1032 . О 938 . 0.845
Н G.p И. Й£58 0.564 0.471
И.
О 283
10.190 0.096 О 003
Рис. 5. Модель зразка балки Í3 трщиною
Поблизу пор i пустот концентрацп напру-жень у декшька раз1в перевищують напру-ження, що викликаш навантаженням.
Руйнування асфальтобетону вщбуваеться поступово. Спочатку виникають перенапру-ги, noTÍM - мшротрщннн. Розвиток цього процесу супроводжуеться перерозподшом напруг i залученням у трщнноутворення 6i-льшого об'ему матер1алу. Процес розвитку мшротрщнн визначаеться структурою асфальтобетону, зокрема розм1ром i числом дефе-ктних мюць, видом та режимом прнкладено-го навантаження.
Найбшьш слабким мюцем у структур! асфальтобетону е зона контакту м1ж бпумом i зернами наповнювача. Мщшсть зчеплення залежить вщ xímÍ4hoi актнвносп бпуму, його в'язкосп, шорсткосп та чнстотн поверхш щебеню, порнстосп асфальтобетону та íh.
Висновки
На основ i скшченно-елементного моделю-вання макроструктури асфальтобетону були розрахован1 концентрацп напружень вщ пор та трщин, що можуть внникатн пщ час во-донаснчення, цнктчного заморожування-вщтавання та дп агресивного середовища.
Показано, що максимальне значения коефщь ента концентрацп напружень 4,85 cnocrepi-гаеться за температури 0 °С в гирл1 трщннн, розташоваио1 на границ! роздшу фаз «кам'яннй матер1ал - в'яжуче».
Випадков1 однннчш иоверхнев1 трщннн впливають на значения модуля пружносп асфальтобетону (в середньому ириблизно 10 %), що необхщно враховувати пщ час проведения розрахунюв конструкцш дорож-нього одягу.
Лггература
1. Garbacz A. Ultrasonic evaluation methods
applicable to polymer concrete composites / Andrzej Garbacz, Edward J. Garboczi. -National institute of standards and technology (USA), 2003. - 68 p.
2. Christensen D. T. Bonaquist, Hirsch model
for estimating the modulus of asphalt concrete. / D. T. Christensen, R. F. Pellinen // Journal of Association of Asphalt 8 Paving Technologists. - 2003. - Vol. 72. - P. 97121.
3. 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.
4. You Z. Three-Dimensional Discrete Element
Models for Asphalt Mixtures / Z. You, S. Adhikari, Q. Dai // Journal of Engineering Mechanics. - 2008. - Vol. 134(12). -P.1053-1063.
5. Дорожнш одяг нежорсткого типу: ВБН
В.2.3-218-186-2004 - [Чинний вщ 200501-01] - К.: Державна служба автомобь льних дорп Украшн «УКРАВТОДОР», 2004. - 137 с. - (Вщомч1 бущвельш нор-ми Украшн).
6. Золотарёв В.А. Долговечность дорожных
асфальтобетонов / В. А. Золотарёв. - X.: Вища школа, 1997. - 116 с.
Рецензент: В.О. Золотарьов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
