Підвищення довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК 625.02:625.852.061

Підвищення довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів

05.22.11 - автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Онищенко Артур Миколайович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 27 червня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розіслано 26 травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент В.І. Каськів

Анотація

Онищенко А.М. Підвищення довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - автомобільні шляхи та аеродроми.-Національний транспортний університет, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів. Викладені теоретичні аспекти розрахунку асфальтобетонних шарів модифікованих полімерними латексами. Описана термо-в'язко-пружна поведінка матеріалів на основі органічних в'яжучих. Описані процеси руйнування для прогнозування довговічності асфальтобетонів модифікованих полімерними латексами. Розроблені аналітичні залежності для розрахунку довговічності асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу. Розроблено методику розрахунку на довговічнісь конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. Експериментально встановлено термо-реологічний паспорт асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. На основі теоретичних аспектів та експериментальних результатів виконано аналіз впливу полімерних латексів на підвищення довговічності асфальтобетонних шарів модифікованих полімерними латексами. Розроблені практичні рекомендації щодо підвищення довговічності шарів з асфальтобетону модифікованого полімерами.

Ключові слова: асфальтобетонні шари, асфальтобетон модифікований полімерними латексами, довговічність, тріщиностійкість, термо-реологічні характеристики, граничний стан.

Аннотация

Онищенко А.Н. Повышение долговечности асфальтобетонных слоев за счет использования полимерных латексов - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена повышению долговечности асфальтобетонных слоев при использовании полимерных латексов. Изложены теоретические аспекты расчета асфальтобетонных слоев с повышенной долговечностью за счет использования полимерных латексов. Обоснован выбор и усовершенствованы условия длительной прочности и условия предельного состояния при трещиностойкости модифицированных асфальтобетонных слоев нежесткой дорожной одежды, а также аналитические зависимости для определения напряженного состояния. Учитывая термо-вязко-упругие свойства асфальтобетона модифицированного полимером предусмотрено определять напряжения на основе известных точных решений теории термо-вязко-упругих или применяя методы квазиупругой аппроксимации на основе приближенных решений теории упругости. Для определения напряженного состояния использовалась функция релаксации в виде модифицированного закона степени и суммы экспонент, функция температурно-часовой аналогии и функция полимерно-часового сдвига в виде экспоненциальной зависимости. Усовершенствовано условие предельного состояния по трещиностойкости. Разработана аналитическая зависимость для расчета долговечности при трещиностойкости асфальтобетонных слоях нежесткой дорожной одежды. Разработана методика расчета на трещиностойкость асфальтобетонных слоев нежесткой дорожной одежды.

Экспериментально установлен термо-реологический паспорт асфальтобетона модифицированного полимерными латексами (физико-механические характеристики, показатели долговечности, функция релаксации, функция температурно-часового сдвига, функция полимерно-часового сдвига и др.) для оценки напряженного и предельного состояний нежесткой дорожной одежды. На основе проведенных лабораторных исследований была показана возможность повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев за счет применения полимерных латексов и новых видов асфальтобетона (щебеночно-мастичного асфальтобетона -ЩМА). На основе теоретических аспектов и экспериментальных результатов выполнен анализ влияния полимерных латексов на повышение трещиностойкости асфальтобетонных слоев модифицированных полимерными латексами с учетом транспортных, климатических и материаловедческих факторов. Анализ результатов расчетов подтвердил предыдущие исследования относительно увеличения долговечности асфальтобетонных слоев модифицированных полимерами.

Были разработаны направления повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоев модифицированных полимерами. Они заключаются в обеспечение долговечности на уровне выполнения проектных работ (при проектировании регулировать свойства асфальтобетона и его компонентов с целью повышения прочности и выносливости на разных участках; применять качественно новые материалы для повышения трещиностойкости; применять рациональное проектирование дорожной одежды с целью снижения растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии.

Результаты диссертационных исследований реализованы при устройстве асфальтобетонного покрытия на нескольких объектах Украины.

Ключевые слова: асфальтобетонные слои, асфальтобетон модифицирован полимерными латексами, долговечность, трещиностойкость, термо-реологические характеристики, предельное состояние.

Annotation

Onischenko А.М. Increase of longevity of asphalt - concrete's layers for an account the use of polymeric latexes. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical science speciality 05.22.11. - Roads and Aerodromes. - National Transport University, Kiev, 2008.

Dissertation work is devoted increase of longevity of asphalt-concrete's layers at the use of polymeric latexes. This annotation has the theoretical aspects of calculation of asphalt-concrete's layers, which modified are expounded polymeric latexes; made the thermo-viscous-springs conducts of materials are described on the basis of organic astringent, the processes of destruction are described for prognostication of longevity of asphalt-concrete's modified polymeric. Analytical dependences are set for the calculation of longevity after stability contrary to cracks of asphalt-concrete's layers of flexible pavements. The method of calculation on stability contrary to cracks of asphalt-concrete's layers of flexible pavements is developed. The thermo-reological passport of asphalt-concrete's layer modified is experimentally set polymeric latexes. On the basis of theoretical aspects and experimental results the analysis of influencing of polymeric latexes is executed on the increase of stableness opposite cracks of asphalt-concrete's layers of modified polymeric latexes. Practical recommendations are developed in relation to the increase of longevity asphalt-concrete modified by polymers.

Keywords: asphalt-concrete's layers at the use of polymeric latexes, longevity, stability contrary to cracks, thermo-reological descriptions, maximum state, loading from transport vehicles.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Відомо, що використання в дорожньому будівництві традиційних рішень з покращення якості асфальтобетонних сумішей за рахунок вдосконалення підбору їх складу чи удосконалення технології їх приготування не вирішує в повній мірі проблему підвищення міцності і довговічності асфальтобетонних шарів автомобільних доріг. Враховуючи те, що в Україні на вулицях та дорогах спостерігається збільшення інтенсивності та вантажонапруженості дорожнього руху, до асфальтобетону та його складових висуваються підвищені вимоги. Дорожній бітум, як один із основних компонентів асфальтобетону, що виробляється на заводах України має низьку корозійну стійкість, що призводить до виникнення на поверхні покриття тріщин, сітки тріщин, вибоїн тощо. Альтернативним рішенням з покращення якості бітумів є модифікація їх відповідними полімерами, які здатні забезпечити додаткову гнучкість при низьких температурах і додаткове зчеплення для сприйняття напружень. Враховуючи, що вітчизняні дорожні бітуми відрізняються від тих, що використовуються в США та країнах Західної Європи постало питання вивчення впливу таких модифікаторів на властивості дорожніх бітумів, що застосовуються в Україні. Крім того, існує негативний досвід недотримання всіх параметрів технології через відсутність машин і механізмів, а також не підготовленість кадрів на місцях. Це викликає необхідність здійснювати додаткові дослідження.

До цього часу, незважаючи на досить широке застосування полімерів в Україні, таких досліджень не виконано і їх використання призначається на основі окремих фізико-механічних показників, що не дають можливість пересвідчитися в доцільності їх застосування. А відсутність методики розрахунку асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу не дозволяє прогнозувати довговічність дорожнього одягу в цілому.

Таким чином, актуальність роботи обумовлена необхідністю рішення важливої практичної задачі - підвищення довговічності асфальтобетонних шарів за рахунок використання полімерних латексів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Теоретичні основи забезпечення довговічності дорожнього полімерасфальтобетонного покриття транспортних споруд" (д/б № 23 РК 01031U03173); з тематичним планом науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України „Розробити рекомендації з контролю якості щебенево-мастикової асфальтобетонної суміші і асфальтобетону та прилад для виготовлення зразків із щебенево-мастикового асфальтобетону” (д/б № 72-05РК0105U001108); “Розробити метод розрахунку асфальтобетонного покриття залізобетонних мостів та шляхопроводів на температурну тріщиностійкість” (д/б № 166/119 РК 010ЗU008562).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення довговічності асфальтобетонних шарів при використанні полімерних латексів з комплексом заходів щодо їх застосовування як основи для підвищення довговічності нежорсткого дорожнього одягу автомобільних доріг.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

провести аналіз сучасного стану застосування конструктивних шарів нежорсткого дорожнього одягу з асфальтобетону модифікованого полімерами для підвищення його довговічності;

встановити аналітичні залежності для розрахунку довговічності за тріщиностійкістю асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу підвищеної довговічності з урахуванням термо-реологічної поведінки асфальтобетону модифікованого полімерними латексами;

встановити термо-реологічні характеристики асфальтобетону модифікованого полімерними латексами (фізико-механічні властивості, показники довговічності, функцію релаксації, функцію температурно-часового зсуву та ін.) для оцінки напруженого та граничного станів асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу;

виконати аналіз впливу полімерних латексів на підвищення довговічності конструктивних шарів нежорсткого дорожнього одягу з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами з урахуванням транспортних, кліматичних та матеріалознавчих факторів;

розробити методику розрахунку на довговічність за тріщиностійкістю конструктивних шарів нежорсткого дорожнього одягу асфальтобетону модифікованого полімерними латексами для підвищення його довговічності;

розробити рекомендації щодо підвищення довговічності конструктивних шарів нежорсткого дорожнього одягу з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами.

Об'єкт дослідження - шари нежорсткого дорожнього одягу з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами.

Предмет дослідження - довговічність за тріщиностійкістю, від дії транспортних засобів, шарів дорожнього одягу з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами.

Методи дослідження - методи теорії пружності, теорії в'язкопружності та кінетичної теорії міцності твердих тіл, стандартні та спеціальні методики дослідження властивостей бітумів та асфальтобетонів; статистичний аналіз обробки результатів експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше встановлені аналітичні залежності для оцінки граничного стану за тріщиностійкістю асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу модифікованих полімерними латексами в залежності від кількості і виду полімерного латексу з урахування змінного навантаження транспортних засобів та кліматичних умов для прогнозування довговічності дорожнього одягу;

вперше отримано нові експериментальні закономірності термо-реологічних показників властивостей асфальтобетону модифікованого полімерними латексами в залежності від кількості та виду полімеру з урахуванням температури, що дозволяють прогнозувати напружений та граничний стани нежорсткого дорожнього одягу при дії транспортних засобів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику розрахунку на довговічність конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. Визначені термо-реологічні показники властивостей асфальтобетону модифікованого полімерними латексами, що дозволяє проектувати дорожні одяги на етапах будівництва та реконструкції автомобільних доріг. Удосконалено технологію приготування асфальтобетонних сумішей модифікованих полімерними латексами. Результати роботи використані: при розробці рекомендацій щодо будівництва, реконструкції та ремонту автомобільних доріг, вулиць і міських доріг; при конструюванні дорожніх одягів; при визначенні оцінки економічної ефективності проведення будівельних робіт автомобільних доріг; при проектуванні складів полімерасфальтобетону підвищеної довговічності.

Особистий внесок здобувача. Автором встановлені аналітичні залежності для оцінки граничного стану за тріщиностійкістю конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами в залежності від кількості і виду полімерного латексу з урахування змінного навантаження транспортних засобів та кліматичних умов. Отримано нові експериментальні закономірності термо-реологічних показників властивостей асфальтобетону модифікованого полімерними латексами в залежності від кількості та виду полімеру з урахуванням температури, що дозволяють прогнозувати напружений та граничний стани нежорсткого дорожнього одягу при дії транспортних засобів. Розроблені практичні рекомендації .

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету №№ 59-64 в 2003-2008 рр.; на міжнародній науково-технічній конференції „Застосування латексів серії Butonal® у будівництві та ремонті автомобільних доріг в Україні” 11 квітня 2006 р., Київ, Україна. „Сучасні проблеми автодорожнього комплексу”, 12-14 квітня 2006 р., Київ, Україна. „Сучасні технології і матеріали в дорожньому будівництві”, 16-17 листопада 2006 р., Харків, Україна. ”Композиционные материалы в промышленности”, материалы Двадцать седьмой международной конференции и выставки, 28 травня - 1 квітня 2007 р., м. Ялта, Крим. „Сучасні технології та матеріали для влаштування і ремонту дорожніх покриттів”, 19-20 червня 2007 р. м. Київ.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 11 друкованих робіт (у тому числі 10 статей у збірниках наукових праць та 1 публікація в працях і матеріалах наукових конференцій). За матеріалами дисертації отримано 1 патент України.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 234 найменувань. Основний текст викладений на 157 сторінках. Текст ілюструється 77 рисунками, містить 11 таблиць і 6 додатків.

асфальтобетон модифікований латекс

2. Основний зміст роботи

У вступі викладено актуальність обраної теми, критично проаналізовано стан справ з даного предмету дослідження, показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено існуючий досвід застосування полімерів для підвищення довговічності бітуму та асфальтобетону, основні теорії міцності, що використовуються для оцінки довговічності асфальтобетону, критичний аналіз існуючих підходів застосування полімерів.

Як модифікатори бітуму в останній час знайшли застосування наступні полімери: термопласти (поліетилен, поліпропілен, полівінілацетат та ін.); еластоміри (полібутадіен, поліізопрен, бутадіен-стирольні синтетичні каучуки та ін.); термоеластопласти (стирол-бутадієн-стирол (SBS), ДСТ та ін); термореактивні смоли (епоксидні та ін.)

З кінця 1960-х рр. в США і Швеції, однією з перших добавок, що масово почала застосовуватися в асфальтобетонних сумішах була гумова крихта. На основі позитивних результатів застосування гуми її почали використовувати у 35 штатах США. На сьогодні в США найбільшого поширення набули полімери класів еластомерів, термопластів, а особливо термоеластопластів. В цілому досвід застосування полімерів в США показав, що збільшення довговічності асфальтобетону тільки на 1 рік дозволить щорічно економити - 500 млн. дол. на будівництві асфальтобетонних покриттів. У Франції споживається близько 250 тис. т модифікованого бітуму, яким до цього часу є постійним об'єктом досліджень. У Франції ці дослідження виконуються Центральною і регіональними державними лабораторіями. У цій роботі беруть участь лабораторії університетів, Вузів (ENPC, ENTRE), а також об'єднання: SHELL-COLAS, Mobil-Jean Lefebvee, BР-Gerland і BР-Morin, Esso-Viafrance, ESSO-Beugnet, TOTAL-Societe Chimique di la ROUTE, ELP-Cochery Bourdin Chaussee. Подібними задачами займалися вчені таких країн: Німеччини, Нідерландів, Італії, Австрії, та ін. Детальні дослідження та узагальнення 13-річного досвіду роботи робочої групи в Європейському Комітеті із Стандартизації в області методів випробування і специфікації модифікованих бітумів дозволив в 2003 році видати стандарт на 9 методів випробувань, до кінця 2003 р. опубліковано близько 40 стандартів в Європейському Союзі.

Результати вітчизняних досліджень проведених в середині 1990-х р. проф. В.І. Братчуном засвідчили, що використання комплексних в'яжучих дозволяє суттєво підвищити довговічність асфальтобетону. В середині та кінці 1990-х р. проф. В.О. Золотарьовим були проведені широкомасштабні дослідження полімерів різних класів для оцінки можливості їх застосування в умовах України, а на початку 2000-х р. разом з ДерждорНДІ були розроблені перші нормативні документи України. В середині та кінці 1990-х років в НТУ під керівництвом проф. В.В. Мозгового та проф. В.Я. Савенка були проведені дослідження полімерів типу SBS та комплексних в'яжучих, а проф. В.К.Жданюком крім випробування зарубіжних модифікаторів проводилися ґрунтовні дослідження першого українського полімеру Мобіт.

Однак, як показує світовий та вітчизняний досвід застосування полімерів не завжди підвищує показники властивостей, а в деяких випадках призводить до зворотного ефекту. Тому питання модифікації бітумів та асфальтобетонних сумішей до сьогодні є актуальними і вимагають нових досліджень.

Питанням оцінки напружено-деформованого стану (НДС) і методів розрахунку асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу при дії транспортних навантажень займалися: А.К. Біруля, Д. Бурмістер, І.П. Гамеляк, Н.Н. Іванов, Б.І. Коган, М.С. Коганзон, В.М. Кононов, М.Б. Корсунський, В.Д. Кривіський, С.І. Міховіч, В.В. Мозговий, В.В. Плевако, А.К. Приварніков, Є.Д.Прусенко, Б.С. Радовський, Р.М. Раппопорт, О.О. Рассказов, В.М. Ряпухін, В.Я.Савенко, А.О. Салль, П.І. Теляєв, О.Є.Шехтер та ін. На основі проведених досліджень створений розрахунковий апарат, що дозволяє виконувати розрахунки напружено-деформованого стану шарів дорожнього одягу. Питанням врахування в'язко-пружних властивостей матеріалів на основі органічних в'яжучих для оцінки НДС та їх довговічності займалися такі вчені А.М.Богуславський, М.І. Волков, Л.Б. Гезенцвей, Г.І. Глушков, В.О. Золотарьов, А.А. Іноземцев, В.Н. Кононов, В.В. Мозговий, А.В. Руденський, А.О. Саль, А.С.Супрун, П.І. Тєляєв, Моносміт, Шеппері та ін.

У другому розділі наводяться теоретичні положення: опис термо-в'язко-пружної поведінки асфальтобетону, обґрунтування вибору аналітичних умов для розрахунку довговічності та вибір граничного стану; визначення міри пошкодженості та граничної кількості прикладання навантажень асфальтобетонних шарів; розроблена методика розрахунку асфальтобетонних шарів на довговічність.

Виходячи із існуючих експериментальних даних про властивості асфальтобетону, відомо, що для забезпечення цілісності зв'язків між частинками необхідно мати іншу умову міцності, що враховує часовий характер руйнування зв'язків при змінному напруженні і змінній температурі. Тобто, для забезпечення суцільності асфальтобетону, що має в'язко-пружні властивості, недостатньо вимог - напруження в будь-який момент повинні бути менші межі міцності матеріалу. Тому в роботі використовували умову граничного стану та умову довговічності, яка враховує часовий характер руйнування при змінному в часі напруженні у(t,Т,q), зміну коефіцієнта Пуассона м(t Т,q), та Т(t)-температури. Граничний стан описували критерієм Бейлі, визначаючи на його основі міру пошкодженості структури асфальтобетону:

(1)

де tp - час до руйнування (розтріскування);

- функція довговічності асфальтобетону;

у(t,Т,q) - напруження, які залежать від часу дії навантаження температури і кількості полімеру;

м(t,Т,q)- коефіцієнт Пуасона, який залежать від часу дії навантаження, температури і кількості полімеру;

Т(t) - температура асфальтобетону, що змінється з часом.

Функцію довговічності використовували у вигляді удосконалених:

степеневої залежності Бартенєва

, (2)

де , -постійні, що визначаються експериментально в залежності від температури.

2) та у вигляді експоненційної залежності Журкова:

(3)

У цій формулі і - коефіцієнти, що характеризують міцнісні властивості тіла; - постійна Больцмана

Оскільки характеристики міцності асфальтобетону залежать, як від температури, так і від часу дії навантаження та проявляючи кінетичний характер руйнувань, то граничне прикладання навантажень до асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу визначали з використанням феноменологічного підходу, у вигляді сумарної міри тріщиноутворення М за час t зміни напруження, що відповідають певному рівню напружень для розрахункової схеми (рис. 1).

В цьому випадку граничний стан записували у вигляді:

, (4)

де - міра пошкодження структури асфальтового бетону і-го шару покриття від дії транспортного навантаження;

- гранично допустиме значення міри пошкодження.

Таким, чином для оцінки довговічності шарів модифікованих полімерними латексами за формулою (4), необхідно знати аналітичні залежності, що входять у вирази (1-3).

Для визначення напружень можна використовувати точні рішення як для багатошарового в'язко-пружного безінерційного напівпростору. Однак, зважаючи на велику громіздкість формули, пропонується використання наближених формул для визначення напружень які і до сьогоднішнього дня використовуються в нормативних документах для розрахунку дорожнього одягу. Наприклад, відповідно формули Корсунського та Горбунова-Посадова. Які удосконалені за рахунок характеристик, що реально відображають поведінку асфальтобетону модифікованого полімером.

(5);

, (6)

де - тиск;

- діаметр відбитку колеса на покритті;

і - коефіцієнти Пуасона і модулі пружності матеріалів верхнього шару, що залежать від часу дії навантаження, температури та кількості полімеру;

- товщина монолітних шарів;

аz - параметр, який визначає умову подальшого розрахунку;

- циліндрична жорсткість плити.

Причому враховуючи, що асфальтобетон є не пружним матеріалом, для точнішого визначення напружень застосовували квазіпружній метод апроксимації, як при застосуванні точних так і наближених рішень. Тобто, в'язко-пружне рішення знаходили із пружного рішення заміною всіх пружних характеристик матеріалу відповідними функціями релаксацій і іншими функціями, що прогнозують поведінку матеріалу. Такий підхід цілком задовольняє інженерним вимогам. Для опису поведінки асфальтобетону з достатньою точністю можна використовувати функції релаксації у вигляді відповідно модифікованого степеневого закону та суми експонент

(7), (8)

де m і r - постійні;

Н і В - відповідно довготривалий і миттєвий модулі пружності;

, - постійні.

Для опису зміни коефіцієнта Пуасона в залежності від часу дії навантаження (рис. 2), на основі гіпотези В.В. Мозгового було запропоновано використання степеневого закону у вигляді суми експонент:

(9),, (10)

де Д, zi , xi в і ш - постійні, що визначаються в результаті експериментальних випробувань.

Крім того, для опису зміни коефіцієнта Пуасона від температури застосували температурно-часову суперпозицію. Функція температурно-часового зсуву представляє собою зсув за шкалою lgt функції зміни коефіцієнта Пуасона (рис. 2). Залежність від температури Т встановлюється експериментально для кожного конкретного матеріалу. Враховуючи властивості експериментальної залежності , при підборі аналітичного виразу задовольнила залежність

, (11)

де - експериментальний параметр з розмірністю [1/оС];

- фактична температура;

- приведена температура.

Результати досліджень також дозволили вияснити особливість зміни функції релаксації в залежності від кількості полімеру. Так, загальна схема зміни функції релаксації при зміні кількості полімеру має такий вигляд (рис. 3).

Тобто, для опису зміни функції релаксації від кількості полімеру можна застосувати так звану полімерно-часову суперпозицію подібну до функції релаксації. Функція полімерно-часового зсуву представляє собою зсув за шкалою lgt функції релаксації:

Залежність від температури Т встановлюється експериментально для кожного конкретного матеріалу і вона має вигляд

, (12)

де в - експериментальний параметр;

- фактична кількість полімеру;

- приведена кількість полімеру.

Після проведення аналогічних викладок ми отримали функцію полімерно-часового зсуву для коефіцієнта Пуасона, яка має вигляд

, (13)

де с-експериментальний параметр.

Таким чином, маючи всі вихідні дані можна прогнозувати довговічність конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. Наведемо деякі з них.

Нехай через смугу автомобільної дороги рухається потік n транспортних засобів, які викликають розтягуючі напруження в покритті , , ….. (рис. 5).

Час дії напружень: , , ….. .

Використовуючи удосконалену умову тривалої міцності (3) кількість циклів до руйнування від транспортних засобів (N) визначається за наступною формулою

. (14)

У випадку коли різні види навантажень привести до деякого розрахункового, вважаючи ==, а час дії напруження ===, то (14) з урахуванням (5) можна переписати

. (15)

Результати теоретичних досліджень дали змогу розробити методику розрахунку асфальтобетонних шарів на тріщиностійкість при використанні полімерних латексів (рис. 5).

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень, приведені методики, матеріали, прилади та обладнання, що використовувалися для досліджень.

При проведенні експериментальних досліджень застосовували стандартне обладнання, що дозволило визначити фізико-механічні властивості та показники деформативності різних складів асфальтобетонів модифікованих полімерними латексами. Для визначення показників довговічності асфальтобетону за різних температур використовували спеціальне обладнання (важільний прилад типу Міхаеліса), а також власні розроблені прилади. Так, наприклад, для виготовлення бітуму модифікованого полімерами була розроблена спеціальна мішалка, що моделює приготування полімербітуму аналогічно закордонним (рис. 6).

Для виготовлення асфальтобетонної суміші була розроблена лабораторна мішалка (рис.7), що відтворює умови приготування суміші на асфальтобетонних заводах.

Для визначення функції релаксації записували сигнали деформації при досліді на пряму і зворотнью повзучість ( рис. 8) асфальтобетонних зразків (рис. 9).

Типовий запис деформації в досліді на пряму і зворотну повзучість приведений на (рис. 8). для різних складів асфальтобетону модифікованого полімерними латексами.

На основі цих записів, як приклад показана експериментальна крива повзучості (рис. 10).

Крім того була виконана перевірка використання температурно-часової аналогії (ТЧА) для асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. Для цього були виконані випробування на повзучість при різних температурах. Потім на основі співвідношення були побудовані криві релаксації (рис. 11). Як приклад, в табл. 1 наведені параметри функції релаксації для деяких досліджуваних складів асфальтобетону модифікованого полімерними латексами.

Паралельне зміщення кривих релаксації, отриманих при різних температурах, вздовж горизонтальної осі часу дозволяє поєднувати їх в єдину загальну криву.

Можливість поєднання кривих релаксації отриманих при різних температурах при паралельному перенесенні, підтверджує застосування принципу температурно-часового зміщення до асфальтобетону модифікованого полімерними латексами. На основі кривих релаксацій, отриманих при різних температурах, були графічно встановлені значення lnaт(Т) для різних температур. Графік функції lnaт(Т) (рис. 12 а, б) при температурах нижче 20°С в межах експериментального розкиду має характер близький до лінійного.

Це підтверджує правомірність апроксимації функції температурно - часового зміщення даними залежностями. На основі проведення лабораторних досліджень були визначені необхідні розрахункові характеристики та показники довговічності різних асфальтобетонів для виконання розрахунків з оцінки довговічності асфальтобетонних шарів модифікованих полімерними латексами.

Для детального з'ясування особливостей впливу полімеру на тріщиностійкість асфальтобетонних шарів був виконаний чисельний аналіз. Вплив різних факторів оцінювали за допомогою аналізу напруженого стану асфальтобетонних шарів та їх граничного стану на основі отриманих аналітичних залежностей з використанням даних про термореологічні характеристики матеріалів. Результати визначення кількості проїздів розрахункового автомобіля до руйнування для конструкцій нежорсткого дорожнього одягу наведено на рис. 13.

Вони свідчать, що використання в основах шарах покриття асфальтобетонів модифікованих полімерними латексами значно збільшує довговічність дорожнього одягу. Так, при модифікації тільки верхнього шару покриття в кількості 1-4 % полімеру їх довговічність зростає в 1,3-3 рази, а при застосуванні у верхньому шарі покриття нових видів асфальтобетону (ЩМА) в 2-4 рази.

Четвертий розділ присвячений практичним аспектам теоретичних та експериментальних досліджень. Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили розробити методику розрахунку на тріщиностійкість асфальтобетонних шарів модифікованих полімерами. Були розроблені напрямки підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів модифікованих полімерами. Вони полягають в забезпечення довговічності на рівні виконання проектних робіт (при проектуванні регулювати властивості асфальтобетону і його компонентів з метою підвищення міцності і витривалості на різних ділянках; застосовувати якісно нові матеріали для підвищення тріщиностійкості; застосовувати раціональне проектування дорожнього одягу з метою зниження розтягуючих напружень в асфальтобетонному покритті).

Результати дисертаційних досліджень реалізовані при влаштуванні покриття з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами на декількох об'єктах України.

Висновки

1. Проведений аналіз сучасного стану застосування асфальтобетону модифікованого полімерами для підвищення довговічності дорожнього одягу нежорсткого типу виявив недостатність в існуючих підходах оцінки довговічності не врахуванням реальних термо-реологічних властивостей асфальтобетону модифікованими полімерами разом з погодно-кліматичними умовами та умовами навантаження. Відсутність методики розрахунку конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерами не дозволяє на єдиній методологічній основі застосовувати полімери для підвищення довговічності дорожнього одягу.

2. Обґрунтовано вибір та удосконалено умови тривалої міцності та умови граничного стану за тріщиностійкістю асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу при використанні полімерів, а також аналітичних залежностей для визначення напруженого стану. Враховуючи термо-в'язкопружні властивості асфальтобетону модифікованого полімером передбачено визначати напруження на основі відомих точних рішень теорії термо-в'язко-пружності або застосовуючи методи квазіпружної апроксимації на основі наближених рішень теорії пружності з урахуванням кількості полімеру. Для визначення напруженого стану використовувалась функція релаксації у вигляді модифікованого степеневого закону та суми експонент, функція температурно-часової аналогії та функція полімерно-часового зсуву у вигляді експоненційної залежності. Удосконалена умова граничного стану за тріщиностійкістю базувалася на використанні функцій тривалої міцності у вигляді модифікованої степеневої залежності Бартенєва та Журкова та умова граничного стану у вигляді критерію Бейлі, що відображають термореологічну поведінку асфальтобетону при його руйнуванні.

3. Експериментально встановлено термо-реологічний паспорт асфальтобетону модифікованого полімерними латексами (фізико-механічні характеристики, показники довговічності, функцію релаксацію, функцію температурно-часового зсуву, функцію полімерно-часового зсуву та ін.) для оцінки напруженого та граничного станів нежорсткого дорожнього одягу. На основі проведених лабораторних досліджень була показана можливість підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок застосування полімерних латексів та нових видів асфальтобетону (щебенево-мастикового асфальтобетону (ЩМА). Зміна фізико-механічних властивостей асфальтобетону модифікованого полімерами в досить широких межах (в 2-3 рази) в залежності від кількості полімеру говорить про можливість активного регулювання його властивостей для досягнення необхідного ефекту. Підвищена водостійкість та збільшена довговічність параметрів довговічності у порівнянні із традиційними асфальтовими бетонами дає передумови для їх використання з метою підвищення загальної довговічності дорожнього одягу.

4. На основі теоретичних аспектів та експериментальних результатів виконано аналіз впливу полімерних латексів на підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів модифікованих полімерними латексами з урахуванням транспортних, кліматичних та матеріалознавчих факторів. Аналіз результатів розрахунків підтвердив попередні дослідження стосовно збільшення довговічності асфальтобетонних шарів модифікованих полімерами. В середньому для дорожніх одягів нежорсткого типу при навантаженні на вісь 60 кН довговічність дорожнього одягу при використанні полімерних латексів в 3-5 разів більша ніж при використанні традиційного асфальтобетону, при навантаженні 100 кН в 3-4 рази, при навантаженні 115 кН в 2-3 рази.

Показано, що використання в покритті нових видів асфальтобетонів значно покращує довговічність дорожнього одягу (застосування ЩМА модифікованого полімерами в середньому збільшує довговічність в 2-6 разів у порівнянні з традиційними складами асфальтобетонів).

5. Результати теоретичних та експериментальних досліджень дозволили розробити методику розрахунку на довговічнісь конструктивних шарів з асфальтобетону модифікованого полімерними латексами для підвищення довговічності дорожнього одягу нежорсткого типу від дії транспортних навантажень. Були розроблені і впроваджені рекомендації для підвищення довговічності асфальтобетонних шарів.

Результати дисертаційних досліджень реалізовані при проектуванні, будівницві та реконструкції автомобільних доріг.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Бесараб О.М., Смолянець В.В., Онищенко А. М. Розробка раціональної технології застосування катіонного латексу Бутонал NS 198 для модифікації бітуму // Вісник ОДАБА.- 2006.- № 21.-С. 23-31.

2. Макарчев О.О., Мозговий В.В., Бесараб О.М., Онищенко А. М. Дослідження впливу полімерного латексу Бутонал NS 104 на властивості асфальтового бетону // Автошляховик України. - 2006. - № 4. - С. 36-39.

3. Макарчев О.О., Мозговий В.В., Бесараб О.М., Онищенко А. М. Оцінка впливу модифікатора бітуму Бутонал NS 198 на підвищення довговічності асфальтобетонного покриття // Дороги і мости. Збірник наукових статей. ДерждорНДІ. Київ.- 2006.- № 5. - C. 275-288.

4. Мозговий В.В., Бесараб О.М., Жуков О.О., Онищенко А. М. Підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів міських дорожніх одягів // Сучасне промислове та цивільне будівництво. том 3 , Макіївка. - 2006. - №2. - C. 82-88.

5. Онищенко А. М. Досвід застосування полімерів в дорожньому будівництві // Управління проектами, системний аналіз і логістика. Науковий журнал. - 2007. № 4. - С. 146-153.

6. Бесараб А.Н., Жуков А.А., Онищенко А. Н. Повышение долговечности асфальтобетонных покрытий городских дорожных одежд // Автомобильные дороги и мосты. Научно-технический журнал. - 2007. - № 1. - С. 18-23.

7. Бесараб О.М., Онищенко А.М., Смолянець В.В., Макарчев О.О. Сучасні технології і матеріали в транспортному будівництві. // Вісник ОДАБА. - 2007. - № 25. - С. 27-36.

8. Бесараб О.М., Смолянець В.В., Онищенко А. М. Підвищення довговічності асфальтобетонного покриття за рахунок використання полімерів в місцях підвищених експлуатаційних навантажень. // Вісник ОДАБА. - 2007. - № 26. - С. 54-65.

9. Бесараб О.М., Онищенко А.М., Макарчев О.О. Вплив бітуму, модифікованого полімерними латексами бутонал фірми БАСФ (США), на фізико - механічні властивості асфальтобетону. «Композиционные материалы в промышленности» // 27-мой международной конференции и выставки. г. Ялта - 2007.- С. 173-176.

10. Бесараб О.М., Онищенко А.М., Смолянець В.В., Макарчев О.О. Теоретичні основи термо - реологічної поведінки полімерасфальтобетонів на основі латексів Butonal // Автошляховик України. - 2007. - №6. - С. 37-40.

11. Бесараб О.М., Онищенко А.М., Смолянець В.В., Макарчев О.О. Експериментальні дослідження термо-реологічної поведінки полімерасфальтобетонів на основі латексів Butonal // Автошляховик України. - 2008. - № 1. - С. 36-39.

Патенти

12. Макарчев О.О., Онищенко А.М., Бесараб О.М. Щебенево-мастиковий полімерасфальтобетон. Патент № 25693. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі 10 серпня 2007 р.

Размещено на Allbest.ru

...