Прогнозування тріщиноутворення нежорстких дорожніх одягів

В практиці проектування, будівництва і експлуатації автомобільних доріг досить часто виникає задача по визначенню терміну служби і залишкового ресурсу дорожніх покриттів.

Проектний термін служби покриттів капітального типу прийнято оцінювати в 15 – 30 років в залежності від інтенсивності і складу руху, кліматичної зони і грунтово-геологічних умов. Вітчизняний і зарубіжний досвід показує, що в нормальних умовах експлуатації і при високій якості будівництва необхідність в капітальному ремонті асфальтобетонних покриттів виникає через 10 – 15 років. На ці терміни орієнтуються спеціалісти по розрахунку і конструюванню дорожніх одягів, при визначенні загальної кількості впливу колісних навантажень, перевіряючи матеріали покриття на втомленість. На основі цих термінів встановлюються вимоги державних стандартів до будівельних матеріалів, використовуємих в конструкціях дорожніх одягів. Ці терміни служать орієнтирами при виборі критеріїв по оцінці і контролю якості будівництва земляного полотна і шарів дорожніх одягів.

Ресурси на ремонт і утримання дорожніх покриттів планують, також керуючись у більшості випадків вказаними термінами. Однак, як показує практика, існує велика кількість прикладів того, що задовго до спливу цих термінів на поверхні проїзної частини з’являються тріщини, вибоїни, уступи і інші пошкодження.

Це може виникнути за багатьма причинами, які розподіляють на чотири групи: відхилення в інтенсивності та складі руху в процесі експлуатації від значень, прийнятих при проектуванні; фактичні відхилення параметрів побудованих конструкцій від передбачених проектом, включаючи неоднорідність ґрунтів земляного полотна і матеріалів для дорожніх одягів; відхилення реальних параметрів атмосферних процесів в період роботи конструкції від середніх багаторічних значень, прийнятих при розрахунку і конструюванні; відхилення фактичних виконуємих заходів по утриманню в процесі експлуатації дороги від передбачених вказівками та правилами.

Розглядаючи першу групу причин, слід звернути увагу на те, що технічних прогрес в галузі автомобільного транспорту частіше всього пов’язують з підвищенням осьових навантажень, так як в цьому випадку вдається найбільш суттєво і з найменшими витратами підвищувати вантажепід’ємність транспортних засобів і їх економічність. Але навіть при обмежених осьових навантаженнях, збільшуючи кількість осей, створюються багато осьові автомобілі і авто потяги вантажепід’ємністю більше 50 т. Суттєві зміни вантажних і пасажирських потоків виникають або можуть виникати багаторазово на протязі 25 – 30 років, що призводить до великих відхилень у фактичній інтенсивності і складі руху в порівнянні з тими величинами, що були прийняті при розрахунку покриттів.

Досить важливу роль мають зміни інтенсивності і складу руху по рокам, місяцям на протязі року, дням тижня і по годинам доби. Для доріг різного призначення ці зміни можуть бути суттєво різними.

Друга група причин включає можливі відхилення в конструкції земляного полотна і дорожнього одягу в порівнянні з параметрами, прийнятими в проекті. Це відноситься, перш за все, до відхилення у товщині окремих конструктивних шарів і суттєвої неоднорідності застосовуємих ґрунтів і будівельних матеріалів. При цьому важливо підкреслити, що велика частина цих відхилень являється природнім і визначається природними особливостями вихідних матеріалів, конструкціями і можливостями дорожньо – будівельних машин і обладнання для виробництва матеріалів і технологій будівництва.

В результаті існують регламентовані допуски відхилень фактичних параметрів конструкцій і фізико – механічних властивостей закладених в них матеріалів. Не можна також виключати нерегламентованих і недопустимих відхилень, які являються наслідком порушень технології, застосуванням неякісних матеріалів і обмеженістю фінансування, отримуємої в процесі контролю якості будівництва.

В результаті параметри реалізованого об’єкту відрізняються від передбаченого проектом і відповідно слід очікувати відхилення від норми в процесі його експлуатації.

Третя група причин включає комплекс атмосферних впливів, викликаючих зміну температури і вологості ґрунтів земляного полотна і матеріалів в шарах конструкції дорожнього одягу. Від того, яким чином змінюється температура і вологість, залежать температура і усадочні напруги в шарах з використанням цементу, а також жорсткість шарів з використанням бітуму.

Слід також відмітити суттєву залежність міцності матеріалів від їх вологості. Об’єктивна оцінка працездатності матеріалу повинна бути заснована на аналізі відносної тривалості його роботи в конструкції в сухому, помірно зволоженому і водонасиченому стані.

Четверта група причин включає відхилення від регламентних заходів по утриманню автомобільної дороги в процесі експлуатації. Нормальні умови експлуатації передбачають виконання достатньо великої кількості заходів, влючаючих очищення проїзної частини від пилу і снігу, рівномірне розподілення протиожеледних матеріалів по поверхні проїзної частини, своєчасне відновлення шорсткості, заливку швів і тріщин мастикою або бітумом, заробку окремих нерівностей і вибоїн і інші. Затримка у виконанні цих заходів суттєво ускладнює умови роботи конструкцій, підвищує рівень напруженості і збільшує інтенсивність руйнувань. Наявність нерівностей збільшує навантаження на конструкцію за рахунок вертикальних коливань транспортних засобів.

З приведеного видно, що існує комплекс об’єктивних причин, які не дозволяють реально розраховувати на досягнення проектних термінів служби на більшості існуючих автомобільних доріг. Важливо підкреслити, що міра відповідальності за передчасне руйнування на кожній стадії інвестиційного циклу: проектування, будівництво, експлуатація являється невизначеною, що не може бути визнано задовільним, так як не дозволяє цілеспрямовано усувати причини, викликаючи руйнування.

Отримавши в останні роки широке розповсюдження роботи по діагностиці автомобільних доріг покликані фіксувати поточний стан об’єктів і лише край обмеженому обсязі отримувати інформацію про процеси в конструкції.

Для усунення невизначеності необхідні нові підходи, які дозволятимуть розрізняти де причини в сполученні несприятливих природних факторів, а де в порушенні технології будівництва, в нехтуванні вимог державних стандартів на матеріали, в не дотриманні нормативних умов експлуатації або порушенні правил руху транспортних засобів з осьовими навантаженнями, перевищуючими гранично допустимі для доріг загального користування.

Все це стає особливо важливим в умовах ринкової економіки, коли любі додаткові витрати по усуненню передчасних пошкоджень повинні фінансуватися за рахунок фактичних винуватців, а не списуватись за рахунок загальнодержавних витрат.

Таким чином, виникає потреба в новій методології оцінки впливу самих різноманітних відхилень технічних рішень, технологій і якості будівництва, нормальних умов експлуатації і усереднених атмосферних впливів на інтенсивність процесу руйнування покриття. Саме дорожнього покриття, так як пошкодження земляного полотна, основи або дренуючих шарів являються в більшості випадків лише прискорювачами процесу руйнування покриття і чинять безпосередній вплив на погіршення умов руху автомобілів.

Додатковим аргументом на користь такої постановки задачі являється постійно виникаюча необхідність розглядати пропозиції по удосконаленню конструкції дорожніх одягів і земляного полотна, позастосуваннюнових нетрадиційних матеріалів або впровадженню нових технологій.

Як правило, всі ці заходи вимагають додаткових витрат і їх тривалий ефект полягає в сповільненні процесу накопичення пошкоджень і відповідно в збільшенні терміну служби. Для обґрунтування ефективності інвестицій або техніко-економічного порівняння і вибору варіантів потрібна кількісна оцінка позитивних якостей, тобто необхідні кількісні показники ступеня сповільнення процесу накопичення пошкоджень і на цій об’єктивній основі визначення економічного ефекту.

Розглянемо які явища і зміни мають або можуть мати місце в системі “дорожній одяг – земляне полотно” на протязі терміну служби в процесі експлуатації.

Земляне полотно в залежності від конструкції суттєво змінює свої важливі характеристики: модуль пружності, кут внутрішнього тертя і зчеплення внаслідок зміни вологості, щільності і стану (мерзлий, відталий) ґрунту. Однак розвиток методів розрахунку привів до необхідності враховувати накопичення деформацій і постала задача оцінювати і інші стани.

Розвиток теорії тепловологопереносу в шарованих капілярно-пористих системах дозволяє отримувати кількісне описання процесів зміни вологості ґрунту, глибини промерзання і відтавання земляного полотна в залежності від зміни атмосферного впливу. Враховуючи, що величина залишкових деформацій залежить також від навантаження і часу його дії потрібне накладення процесу зміни параметрів транспортного потоку на процес зміни фізико-механічних властивостей конструкції системи.

Дренуючий шар в процесі експлуатації втрачає початкові властивості завдяки комплексу причин, основними з яких є:

1. Зниження фільтруючої здатності матеріалу в результаті кольмутації пор глинистими частинками, змиваними з поверхні дороги і проникаючими в дренуючи шари; взаємне проникнення матеріалу дренуючого шару і ґрунту земляного полотна; зменшення розміру частинок матеріалу дреную чого шару в результаті перетирання під впливом динамічних навантажень від транспортних засобів.

2. Збільшення притоку вологи в дренуючий шар через тріщини, зруйновані і розгерметизовані деформаційні шви, не зміцнені обочини, в результаті незадовільного поверхневого водовідводу і надходження води із земляного полотна.

3. Зниження фільтраційної здатності матеріалів і ґрунтів для зміцнення укосів земляного полотна і забруднення дренажних труб і вихідних влаштувань дренажної системи, перешкоджаючий видаленню вологи з дреную чого шару.

Щебеневі шари в основі дорожніх одягів, не дивлячись на високі вимоги стандартів до щебеню, з часом суттєво змінюються завдяки стиранню, внаслідок високих контактних напруг між зернами, внаслідок багаторазового заморожування та відтавання в водонасиченому стані і внаслідок взаємопроникнення дрібних частинок нижче розташованого дренуючого шару. В результаті збільшення удільного вмісту пісчаних і глинистих частинок спостерігається зниження модуля пружності щебеневого шару і відповідно всієї конструкції. Очевидно, що ці явища будуть сказуватись в великій мірі в періоди підвищеної вологості конструкції. Для кількісної оцінки цих процесів необхідно враховувати співвідношення рівня контактних напруг з їх повторюваністю.

Шари з застосуванням органічних в’яжучих частіше за все у вигляді верхніх шарів покриття і шарів зносу суттєвим чином змінюють свої властивості при зміні температури. Оцінюючи виникнення утомлених або температурних тріщин, необхідно приймати до уваги процес зміни температури полів і на цій основі тривалість температурних станів різного рівня.

Важливу роль при прогнозуванні процесу розтріскування на певному етапі грає старіння бітуму, як наслідок процесів окислення і полімеризації, збільшуючи долю асфальтенів і смол і зменшуючи долю масел на основі бітуму. Це стало особливо важливим в останні роки, коли для сповільнення цього процесу стали широко застосовуватися спеціальні модифікатори. Слід підкреслити, що таке атмосферне явище як сонячне опромінення суттєво інтенсифікує цей процес і важливо оцінювати тривалість часу, на протязі якого верхній шар піддається цьому явищу в тих чи інших регіонах.

Виключно важко прогнозувати виникнення тріщин в результаті дії розтягуючих зусиль в дорожньому покритті для будь-якого сорту асфальтобетону, внаслідок того, що на утворення цих тріщин впливає велика кількість змінних складу суміші та умов будівництва дороги.

Для підвищення тріщиностійкості та стійкості в суміш необхідно добавляти волокнисті матеріали або полімери.

Розтріскування є результатом дезінтеграції структури асфальтобетону як крихкого матеріалу – тобто явище, яке протікає при низьких навколишніх температурах.

В місцях наявності тріщин на перезволожених ділянках під динамічною дією важкого транспорту можуть виникати просадки. Тому дуже важливим являється, особливо в весінній період, покращення водно-теплового режиму земляного полотна. В деяких випадках доцільно прибігати до обмеження швидкості та інтенсивності руху, закриття руху для важких автомобілів.

Багаторазові навантаження від коліс проїжджаючих транспортних засобів викликають в шарі асфальтобетону певний напружений стан. Радіальні напруження в верхніх „волокнах” шару зносу (стирання) викликають стиск. Якщо ми приймемо, що колеса, які навантажують покриття силами Р, знаходяться близько один до одного, то напружений стан у верхньому шарі покриття, в його верхніх і нижніх волокнах, можна представити так, як схематично показано на схемі в графічній частині роботи (лист 2).

В двох сусідніх перерізах, взаємно віддалених на малу відстань l, будуть почергово виникати розтягуюче та стискаюче напруження (при припущені, що розлядаємий шар не скріплений нижче лежачими та покоїться на пружному на півпросторі). Частота зміни напруження в сусідніх перерізах буде залежати від швидкості руху транспортних засобів і може суттєво впливати на механічну роботу асфальтобетонного шару, особливо на його втомленосну міцність та довговічність. Можна також прийняти, що швидкопротікаючі зміни напруження (по величині та знаку) здатні суттєво впливати на хід зміни структури асфальтобетону під час експлуатації дорожнього покриття.

Спостерігались циклічні зміни неоднорідності щільності, виміряної при низьких температурах (зимою) і при високих температурах (літом). Після приросту неоднорідності, викликаного дезінтеграцією структури при низьких температурах, настав період зниження рівня неоднорідності (консолідація структури) при високих, літніх температурах. Можна замітити, що в залежності від умов (температура, навантаження) процес консолідації в різній степені приводить до змикання тріщин, і структура має „дефекти”, хоча на нижчому рівні.

Відносне подовження асфальтобетону при розтязі, особливо при від’ємних температурах, називаєме в подальшому деформативністю, визначає тріщиностійкість покриття.

Механізм тріщиностійкості полягає в тому, що напруження, яке росте в безкінечній стрічці асфальтобетонного покриття при різкому падінні температури, зменшується внаслідок релаксації цього матеріалу. Якщо релаксація напруження протікає швидше, ніж їх ріст, то виникнення тріщин стає неможливим, і навпаки, при більш швидкому рості напруження тріщиноутворення неминуче. Чим менше в’язкість бітуму та асфальтобетонної в’яжучої речовини, тим релаксація протікає швидше.

В каркасному асфальтобетоні концентрація (а внаслідок, і в’язкість) асфальтобетонної в’яжучої речовини менша, ніж в асфальтобетоні з коагуляційними контактами, тому і деформативність першого більша ніж другого. Нормативні значення тріщиностійкості можуть бути отримані тільки на основі вивчення реологічних властивостей асфальтобетону, однак якісна сторона цього питання зрозуміла та полягає втому, що швидкість росту температурних напружень в покритті при падінні температури повинна бути менша швидкості релаксації цих напружень в асфальтобетоні.

В теперішній час недостатнє вивчення деформативності асфальтобетону не дозволяє використовувати в практичній діяльності закони реології для характеристики тріщиностійкості покриття.

При визначенні тріщиностійкості дорожнього одягу від зниження температури звичайно припускають, що товщина його по довжині ділянки однакова і при відсутності поперечних швів або тріщин температурні напруження дорівнюють

σ = ΔtcE, (6.1)

де Δt – величина зниження температури (в середині шару);

с – коефіцієнт температурного розширення або стиску;

Е – модуль пружності.

Це призводить до того, що на більш тонких ділянках (дана схема приведена в графічній частині роботи на листі 3) результуюча розтягуюча сила від зниження температури, дорівнює Р₁ = σh₁, буде меншою, ніж на більш товстих ділянках (рівна Р₂ = σh₂). Це викличе перерозподілення напруження до положення, коли Р₁ = Р₂. В підсумку, на більш тонкій ділянці напруження зростуть до σ₁, а на більш товстій зменшиться до σ₂. Величина таких змін залежить від співвідношення довжин більш тонких і більш товстих ділянок.

Щоб визначити підсумкові температурні напруження за ділянками – l₁ і l₂ – скористуємося рівнянням сумарних невідбувшихся температурних деформацій і невідбувшихся сумарних деформацій від розтягуючих напружень σ₁ і σ₂, вважаючи, що по ділянкам можуть бути і різні модулі пружності Е₁ і Е_2.

 

 (6.2)

 

Врахуємо також, що з рівності сил Р₁ = Р₂

 

 (6.3)

 

Після підстановки отримаємо

 

 (6.4)

 

Відношення σ₁ і σ₂ з формули (6.1) дасть коефіцієнт перевантаження (К), який потрібно враховувати при визначенні тріщиностійкості.

З умови міцності (тріщиностійкості) допускаємий коефіцієнт перевантаження К для бетонної основи 1,05-1,1, для асфальтобетонного покриття – 1,1-1,3. З цього слідує, що при довжині тонкої ділянки 20 м h₁/h₂ повинно бути не менше, ніж 0,89 для бетону і 0,72 для асфальтобетону. При довжині тонкої ділянки 5 м граничне відхилення повинно бути відповідно не менше 0,92 і 0,75.

Тріщиностійкість на морозі дорожнього одягу в цілому характеризується по Р. К. Хаасу допустимою кількістю тріщин в дорожньому покритті за певний строк його експлуатації (даний графік приведений в графічній частині роботи на листі 3). За розрахункові при цьому приймаються повні тріщини плюс половина напівпоперечних на ділянці двошляхової дороги довжиною 150 м. При цьому не враховуються тріщини, які мають протяжність менше половини ширини дороги.

Асфальтобетон в конструкції дорожнього одягу абсолютно завжди знаходиться в напруженому стані, що зв’язано з тим, що виникаючі в ньому напруження (температурні, від транспорту, який рухається по покриттю, виникаючі в ньому при просадках основи, при статичному ущільнені в будівельний період, при формуванні структури і т. д.) ніколи повністю не релаксують.

Але при постійній наявності в системі (в асфальтобетоні покриття) залишкового напруження, покриття під дією даного напруження буде постійно руйнуватися. Буде повзти до тих пір, поки відносні деформації повзучості асфальтобетону не досягнуть граничного значення (ε_гр). Після чого покриття неминуче трісне. Причому, так як згідно принципу суперпозиції Больцмана, відбувається накладання деформацій, виникнення тріщин в покритті відбудеться не обов’язково в момент, коли його температура буде мінімальна. Воно відбудеться тоді і при тій температурі, коли сумарна (накопичена в покритті) деформація повзучості асфальтобетону прирівнюється до гранично тривалої для даного матеріалу в даний момент часу і при даній температурі його величині :

 

 (6.5)

 

тут - границя тривалої міцності (границя текучості) асфальтобетону при розтязі;

- модуль повзучості асфальтобетону при розтязі при одно секундному опорі;

(3,6·10³)ⁿ – емпіричний коефіцієнт, який має смисл часу.

Але на деформацію повзучості асфальтобетону в конструкції, яка визначається по залишковому його напруженню, будуть накладатися: температурні деформації асфальтобетону в покритті, деформації згину покриття при проїзді по ньому колеса автомобіля, деформації, зв’язані з пластичними деформаціями основи, з пучінням, з просадками ґрунту основи покриття. Все це прискорює появу тріщин у покритті, причому частина з них може бути наслідком появи в ньому миттєвих деформацій (наприклад, викликані проїздом по покриттю важко завантаженого автомобіля), додавання яких з тривалими деформаціями повзучості асфальтобетону в конструкції призводить по появи в ньому тріщин навіть тоді, коли покриття, з точки зору його деформацій, викликаних дією в ньому залишкових напружень, ще повністю тріщиностійке.

Відмічене дозволяє стверджувати:

1) не може бути тривало експлуатуємих дорожніх асфальтобетонних покриттів без тріщин. Інша справа, що їх кількість у покритті повинна бути обмежена і не повинна призводити до зниження експлуатаційної надійності роботи покриття;

2) для характеристики загальної тріщиностійкості асфальтобетонних покриттів, без обмежень їх тріщиностійкості лише на морозі, та для розробки вимог до конструкції дорожнього одягу і до матеріалів для її виконання при умові їх тріщиностійкості дозволяє використовувати співвідношення (6.5), при співставленні отриманих результатів з даними, яке дає можливість враховувати накопичення в дорожньому асфальтобетонному покритті залишкових деформацій, причому не тільки морозобійного характеру.

Обмежити кількість тріщин в асфальтобетонному покритті до допустимих кількісних показників можна:

– при підборі складу асфальтобетону по вимагаємим розрахунково-експлуатаційним показникам його властивостей та вимагаємій довговічності;

– при забезпеченні роботи асфальтобетону у покритті в усьому робочому інтервалі його температур в пружно-пластичній стадії формування;

– за рахунок зниження інтенсивності старіння асфальтобетону в конструкції.

Не може бути повністю тріщиностійких нежорстких дорожніх одягів. Тому їх тріщиностійкість повинна характеризуватися допустимою кількістю тріщин в покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації.

Таким чином:

1. Тріщиностійкість асфальтобетонних покриттів визначається, по-перше, тріщиностійкістю власне асфальтобетону і, по-друге, тріщиностійкістю дорожнього одягу в цілому. Тріщиностійкість асфальтобетону в покритті забезпечується, якщо його жорсткість при розтязі при мінімальній розрахунковій температурі покриття в кінці розрахункового терміну його експлуатації (16-20 років) при часі навантаження 20000 с буде не вище Мпа, а бітуму в його складі при часі навантаження 10000 с буде не більше Мпа, де K_t – коефіцієнт старіння асфальтобетону в покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації (1,4 і 0,6).

2. Не може бути повністю тріщиностійких нежорстких дорожніх одягів. Тому їх тріщиностійкість повинна характеризуватися допустимою кількістю тріщин у їх покритті в кінці розрахункового терміну його експлуатації.

3. Обмеження кількості тріщин в експлуатуємому покритті допустимим їх значенням забезпечується при підборі складів асфальтобетонів для їх виконання по потрібним значенням розрахунково-експлатаційних показників його властивостей і потрібної його довговічності в покритті.