CC BY
24УДК 624.042
К.А. ДЬЯКОВ, канд. техн. наук, Р.М. ЧЕРСКОВ, канд. техн. наук,
ОАО «Тоннельный отряд № 44»; Е.В. ЗИНЧЕНКО, инженер, Федеральное государственное учреждение дирекция строительства дорог «Черноморье» (г. Сочи, Краснодарский край), И.Г. ОВЧИННИКОВ, д-р техн. наук, Саратовский государственный технический университет
Влияние типов гидроизоляции и дорожной одежды мостовых сооружений на сопротивляемость деформациям сдвига
Проблема обеспечения долговечности современных типов гидроизоляции и дорожной одежды на мостовых сооружениях представляет интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Поскольку теоретические исследования должны опираться на надежный экспериментальный фундамент, весьма важными являются исследования влияния гидроизоляции и дорожной одежды различных типов на сопротивляемость дорожной одежды мостовых сооружений сдвиговым деформациям. Была разработана и реализована следующая программа исследований:
— оценка реальных сдвигающих напряжений, возникающих на нижней границе дорожной одежды;
— разработка методики определения предельных сдвигающих напряжений между слоем гидроизоляции и нижним слоем дорожной одежды;
Количество циклов до разрушения
Рис. 1. Характерная кривая Велера при испытании на разрушение при сдвиге
— определение допустимых сдвигающих напряжений для конкретной системы, гидроизоляция / дорожная одежда с учетом накопления деформаций при циклическом нагружении;
— исследование ряда систем гидроизоляции и дорожной одежды с целью разработки рекомендаций по их применению.
При оценке сдвигающих напряжений, возникающих на нижней границе дорожной одежды, было принято, что коэффициент сцепления шины (равный отношению величины максимального тягового усилия к вертикальной нагрузке на колесо, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного) с сухим асфальтобетонным покрытием составляет: ф = 0,55—0,6, в среднем ф = 0,58.
С учетом этого при действии современных грузовых автомобилей с шинами 425/65 R 22.5, имеющими площадь отпечатка ^ = 67850 мм2 (при диаметре отпечатка D = 29,4 см) и вызывающими максимальное вертикальное напряжение ст=0,98 Н/мм2 МПа, максимальное сдвигающее напряжение на поверхности покрытия составит: т = о • ф = 0,98 • 0,58 = 0,57 МПа.
Если толщина дорожной одежды порядка 10 см, то отношение этой величины к диаметру D отпечатка колеса автомобиля будет равно 10/29,4 = 0,34. При таком соотношении вертикальные напряжения составляют величину порядка 50% от нагрузки на поверхность дорожной одежды. Следовательно, с учетом распределяющей способности дорожной одежды на ее нижней границе величина напряжения сдвига будет: т = 0,57 • 0,5 = 0,29 МПа.
Были проведены экспериментальные исследования зависимости количества циклов приложения нагрузки до разрушения от ее величины с построением соответ-
Рис. 2. Многослойные системы с различными вариантами гидроизоляции и дорожной одежды на бетонном основании
50
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2011
iA ®
Таблица 1
Номер системы Конструкция дорожной одежды
1 1. Бетон плиты проезжей части 2. Праймер битумно-полимерный ТЕХНОНИКОЛЬ № 03 3. Слой оклеечной гидроизоляции Техноэластмост С 4. Литой/вибролитой асфальтобетон
2 1. Бетон плиты проезжей части 2. Грунтовка на основе эпоксидной смолы — Sikafloor-161VP 3. Мембрана на основе полимочевины — Sikalastic-842 BG 4. Слой сцепления из битумно-латексной эмульсии — Sikalastic-825 5. Литой/вибролитой асфальтобетон
3 1. Бетон плиты мостового полотна 2. Грунтовка на основе эпоксидной смолы — Sikafloor-161VP 3. Мембрана на основе полимочевины — Sikalastic-842 BG с втопленным щебнем (фракции 3-7 мм) 4. Слой сцепления из битумно-латексной эмульсии — Sikalastic-825 5. Литой/вибролитой асфальтобетон
4 1. Бетон плиты проезжей части 2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro 3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС 4. Адгезионный слой — Kolcoat TL 5. Литой/вибролитой асфальтобетон
5 1. Бетон плиты проезжей части 2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro 3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС 4. Адгезионный слой — Kolcoat TL с втопленным щебнем (фракции 3-7 мм) 5. Литой/вибролитой асфальтобетон
6 1. Бетон плиты проезжей части 2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro 3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС 4. Слой из полимочевины Kolflex 301 ЛС с втопленным щебнем (фракции 3-7 мм) с расходом 600 г/м2 5. Адгезионный слой — Kolcoat TL 6. Вибролитой асфальтобетон
7 1. Бетон плиты проезжей части 2. Грунтовочный слой - Kolcoat PUR Ferro 3. Гидроизоляционный слой из полимочевины — Kolflex 301 ЛС 4. Слой из полимочевины Kolflex 301 ЛС с втопленным щебнем (фракции 3-7 мм) с расходом 1000 г/м2 5. Адгезионный слой — Kolcoat TL 6. Вибролитой асфальтобетон
ствующей кривой долговечности Велера (рис. 1). Анализ позволил установить, что безопасный уровень напряжений сдвига составляет половину разрушающей нагрузки.
При разрушающей одноцикловой нагрузке 0,6 МПа остальные образцы испытывали циклическим нагруже-нием при величинах нагрузки 0,5; 0,4 и 0,3 МПа с регистрацией количества циклов нагружения до достижения деформации сдвига, равной разрушающей, за 1 цикл. Установлено, что при уровне нагружения 0,3 МПа количество циклов до достижения максимальной деформации стремится к бесконечности и эта величина может быть принята за безопасный уровень нагрузки, который превышает возникающие в конструкции и рассчитанные выше сдвигающие напряжения. Предельное напряжение сдвига при одноцикловом нагружении, которое реализуется в эксперименте, должно быть не ниже 0,58 МПа.
Для установления предельных напряжений сдвига системы бетон-гидроизоляция — асфальтобетон к сдвиговым деформациям была разработана специальная методика. Согласно этой методике на плиты, изготовленные из бетона класса В30, наносили различные варианты гидроизоляции, на которую укладывали асфальтобетонную смесь литого типа (рис. 2, а, б), которая, как установлено мировой практикой, является наиболее эффективной для устройства дорожных одежд на мостовых сооружениях.
По истечении не менее 24 ч полученные многослойные конструкции распиливали таким образом, чтобы получить образцы-призмы с заданным уклоном плоскости гидроизоляции к направлению действия нагрузки. Этим регулировалось отношение вертикальных нагрузок к горизонтальным для максимального приближения к реальным условиям эксплуатации (рис. 3).
Для коэффициента сцепления ф = 0,58 наклон плоскости сдвига, т. е. отношение горизонтальной силы к вертикальной, также составляет 0,58. Перед испытанием образцы выдерживали в воде при заданной температуре 40оС в течение 1,5 ч. Скорость нагружения составляла 3 мм/мин. Критерием отказа считалась максимальная нагрузка перед ее снижением на 5% за 2 с.
Исследование проводили для 7 возможных систем дорожной одежды мостового полотна. Испытанные системы дорожной одежды мостового полотна приведены в табл. 1.
Значения предельных сдвигающих напряжений, полученных как средние из результатов испытаний
Таблица 2
Исследуемые системы Предельное напряжение сдвига, МПа Требуемое напряжение сдвига, МПа Сечения, по которым происходили разрушения в эксперименте
№ 1 с литым асфальтобетоном 0,09 По границе гидроизоляции с бетоном
№ 1 с вибролитым асфальтобетоном 0,096 По гидроизоляции
№ 2 с литым асфальтобетоном 0,238 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 2 с вибролитым асфальтобетоном 0,257 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 3 с литым асфальтобетоном 0,587 По асфальтобетону
№ 3 с вибролитым асфальтобетоном 0,632 0,58 По асфальтобетону
№ 4 с литым асфальтобетоном 0,311 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 4 с вибролитым асфальтобетоном 0,341 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 5 с литым асфальтобетоном 0,368 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 5 с вибролитым асфальтобетоном 0,421 По границе гидроизоляции с асфальтобетоном
№ 6 0,598 По асфальтобетону
№ 7 0,659 По асфальтобетону
Рис. 3. Образец-призма для испытания на сдвигоустойчивость системы бетон - гидроизоляция -литой асфальтобетон: 1 - асфальт; 2 - гидроизолятор; 3 - вибролитой асфальтобетон
fj научно-технический и производственный журнал
® октябрь 2011 51
Рис. 4. Характер разрушения системы дорожной одежды № 3
Рис. 5. Характер разрушения систем дорожной одежды № 6 и 7
трех образцов для каждой системы, представлены в табл. 2.
Характер разрушения некоторых из исследованных систем дорожной одежды представлен на рис. 4 и 5.
Анализ, который позволил установить, что для обеспечения долговечной работы дорожной одежды мостового полотна в сложных условиях эксплуатации необходима не только высокая адгезия всех слоев дорожной одежды (межслойное сцепление), но и наличие специального фрикционного слоя между гидроизоляцией и нижним слоем дорожной одежды. Фрикционный слой, устраиваемый путем втапливания мелкого щебня фракции 3—7 мм в дополнительный слой гидроизоляционного материала высокой прочности, позволяет эффективно противостоять сдвигающим напряжениям. В то же время втапливание щебня в относительно деформа-тивный материал (адгезионный слой из полимерно-битумного вяжущего — система № 5) не дает такого же эффекта.
Использование вышеуказанной фракции мелкого щебня 3—7 мм обусловлено тем, что в этом случае обес-
печивается оптимальное соотношение между глубиной втапливания зерен щебня в дополнительный слой гидроизоляционного материала, толщина которого по экономическим соображениям составляет, как правило, 1,5—2 мм, и в нижний слой дорожной одежды.
Применение более мелких фракций не позволяет создать прочного сцепления нижнего (асфальтобетонного) слоя дорожной одежды, а более крупных — приводит к вырыванию втопленных щебенок колесами построечного автотранспорта до укладки нижнего слоя дорожной одежды. Исследования также показали, что оптимальный расход мелкого щебня при устройстве фрикционного слоя составил 0,8—1 кг/м2.
Проведенные исследования позволили установить, что требуемое условиями эксплуатации напряжение сдвига может быть обеспечено применением систем дорожной одежды 3, 6 и 7.
Ключевые слова: дорожные одежды на мостах, гидроизоляция, сопротивление сдвиговым деформациям, литой асфальтобетон, вибролитой асфальтобетон.
52
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2011
