ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН

Введение

Пластические деформации покрытия являются причиной 30-40% случаев образования колеи на асфальтобетонных покрытиях, которые состоят в накоплении вертикальных остаточных деформаций вследствие повышения пластичности, то есть  снижения структурной вязкости асфальтобетона при высоких температурах, которое, в свою очередь, происходит из-за снижения вязкости битума или вязкого сопротивления битума сдвигу. [1]

Учитывая рост интенсивности движения на автомобильных дорогах, целесообразно было бы предотвращать вероятность образования колеи на этапе проектирования. К сожалению, в данный момент единственный способ устранить колею на дороге,  является очень затратным. Процесс колееобразования уже давно стал основным фактором, вызывающим преждевременное ухудшение транспортно-эксплуатационного состояния ниже предельно-допустимых значений на большинстве автомобильных и городских дорог с высоким уровнем загрузки.  Негативная тенденция состоит не только в том, что процесс образования колеи на проезжей части дорог общего пользования прогрессирует соразмерно увеличению интенсивности движения и увеличение осевых нагрузок, но и в том, что многие работники дорожной отрасли, считают данный процесс непредотвратимым. Другими словами, зачастую полагается, что колееобразование абсолютно неизбежно, и «победить» его можно только путем более частых ремонтных мероприятий, в том числе и внеплановых, проводимых ранее окончания нормативных сроков службы дорожных одежд и покрытий.

Объект исследования: пластическое колееобразование щебеночно-мастичного асфальтобетона в Республике Татарстан.

Предмет исследования: метод прогнозирования колеи пластичности.

Цели:

1. Изучение метода прогнозирования колееобразования в покрытии.
2. Соответствие методики прогнозирования к фактическим значениям образования колеи на дорогах в Республике Татарстан.

 Для решения поставленной цели требуется решение следующих задач:

1. Проведение лабораторных испытаний, анализ полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в выявлении наиболее сдвигоустойчивого образца щебеночно-мастичного асфальтобетона согласно методу прогнозирования колеи пластичности.

Определение характеристик сдвигоустойчивости асфальтобетона в лаборатории.

Испытания образцов проводились согласно нормативным документам [2].

Для проведения испытаний были выбраны образцы  щебеночно-мастичного асфальтобетона с номинальным максимальным размером зерен каменного материала в диапазоне от 5 до 20 мм. Вяжущим материалом являлись ПБВ 60 и БНД 60/90. В ходе испытаний при одноосном сжатии и при сжатии по методу Маршалла были получены следующие результаты:

Таблица 1.

Таблица 2.

Формулы для расчета  показателей из таблицы 2, на примере  ЩМА-15 на БНД 60/90.

тgφ= =0,98                                                           (1)

С_{л =}  = 0.24 МПа.                                         (2)

                                     (3)

                   (4)

Климатические параметры в расчетах сдвигоустойчивости дорожных покрытий.

Для Республики Татарстан (Казань) абсолютный максимум и минимум температуры воздуха Т_max  Т_min  и составляет:

Т_max = + 38°С   Т_min = – 33°С

Находим максимальную и минимальную расчетную температуру асфальтобетонного покрытия:

T_n+ = – 0,0306·T_max² + 3,8701·T_max – 39 = – 0,0306·38² + 3,8701·38 – 39 = 61,5°С (5)

Т _n– = 0,859 Т _min + 1,7 = – 26,7°С                                        (6)

Вычисляем вероятности работы покрытия при конкретных температурах:

              (7)

                (8)

 (9)

Расчет критерия сдвигоустойчивости дорожных покрытий.

В соответствии с ОДМ « Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах», утвержденным распоряжением Росавтодора № ОС-440-Р от 17.05.2002 г., суммарная остаточная деформация асфальтобетона, накапливаемая за расчетный период эксплуатации покрытия определяется по следующей зависимости:

                 (10)

где γ_п - остаточная относительная деформация асфальтобетона, накопленная в слое покрытия за срок эксплуатации;

К_кол - коэффициент, учитывающий вероятность прохождения колес автомобилей по одному следу;

t_p - расчетный срок службы асфальтобетонного покрытия, в ч;

N - интенсивность движения расчетных автомобилей по одной полосе, авт/ч;

t ₁ - среднее время действия колесной нагрузки на асфальтобетонное покрытие при проходе одного расчетного автомобиля, с;

  - градиент скорости необратимого сдвига при испытании асфальтобетонных образцов в лаборатории, с^-1;

t _max - максимальное касательное напряжение, МПа;

р - удельное давление от расчетной нагрузки, МПа;

tg j - коэффициент внутреннего трения асфальтобетона;

С_л - показатель сцепления асфальтобетона по ГОСТ 12801-98, МПа;

т - коэффициент пластичности;

Т_п-, Т_п+ - соответственно минимальная и максимальная расчетная температура покрытия, °С;

Р(Т) - частотное распределение или вероятность температуры покрытия в течение эксплуатации;

U - энергия активации вязкопластичного деформирования и разрушения асфальтобетона, кДж/моль;

R - газовая постоянная, 0,008314 кДж/°К моль;

Т, dT - переменная температура и приращение температуры покрытия, °С.

Т_л - абсолютная температура испытания образцов асфальтобетона в лаборатории, 323,15 °К = 50 °С.

р = 0,7 МПа. τ_max = 0,75 МПа. t₁ = 0,1 с. Приняты в соответствии с ОДМ [2]

Интенсивность движения расчетного автомобиля по одной полосе N назначают исходя из перспективной интенсивности движения по СП 34.13330.2012 N=150.

Градиент скорости необратимого сдвига γ_л^* при испытании цилиндрических асфальтобетонных образцов высотой 71,4 мм на сжатие при скорости 50 мм/мин принимается равным:

                                  (11)

Расчетный срок службы покрытия t_р определяется по формуле:

t_р = 4года·8760часов в году = 35040 часов

Коэффициент, учитывающий вероятность прохождения колес автомобилей по одному следу :К_кол = 0,2.

Для каждого вида асфальтобетона приведем расчеты пластической деформации для температур покрытия: 60°С, 10°С и -20°С.

         Рассмотрим пример для ЩМА-15 БНД:

(12)

(13)

(14)

 Находим сумму пластических деформаций:

=          (15)

Исходя из условия, что допустимая пластическая деформация определяется по формуле :

                                                          (16)

Ожидаемая глубина колеи пластичности к расчетному сроку службы для  ЩМА -15 БНД 60/90 составит :

для  ЩМА -20 БНД 60/90 составит :

для  ЩМА -15 ПБВ 60 составит :

для  ЩМА -20 ПБВ 60 составит :

Вывод: было выяснено, что на образование колеи очень сильно влияет коэффициент, учитывающий вероятность прохождения колес по одному следу и среднее время действия колесной нагрузки при проходе одного автомобиля. Эти величины могут сильно меняться при различных непредусмотренных факторах, которые, к сожалению, спрогнозировать не удается, например дорожно-транспортное происшествие или сильный затор. Методы одноосного сжатия и  Маршалла рассматривают накопление остаточных деформаций как следствие только свойств асфальтобетона, остальные используемые величины, имеющие сильноизменчивый характер должны быть приведены с большей точностью.

Применение битума, модифицированного полимером, способствует повышению устойчивости к образованию колеи. Однако при использовании метода Маршалла положительный эффект от введения полимера просматривается далеко не однозначно. В итоге, если ориентироваться только на результаты испытаний по Маршаллу, то применение полимерной добавки в данном случае нецелесообразно, что противоречит многочисленным испытаниям.

Список литературы:

1. ОДМ «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах».

2. СТО-ГК Трансстрой-007-2007 «Асфальтобетон. Метод оценки и устойчивости к образованию колеи пластичности».