Формирование и оценка состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на основе термодинамической теории: от проектирования до ремонта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, доктор технических наук Завьялов, Михаил Александрович

• Завьялов, Михаил Александрович
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Завьялов, Михаил Александрович

тр =т0 ехр

0-уст кТ

1.68) ер =£0 ехр

С Т Т \ уст-ио кТ

1.69)

В уравнениях (1.68) и (1.69) и = £/0 - уст имеет смысл энергии активации процесса разрушения; £/0 - представляет собой начальную энергию активации процесса разрушения при о = 0; т0 - параметр, совпадающий по величине с периодом собственных тепловых колебаний атомов твердого тела; а - напряжение материала, обусловленное механической нагрузкой; у - структурный коэффициент, определяющий степень уменьшения начального энергетическовследствие больших значений величины а). В то же время покрытия из материалов на основе органических вяжущих (вследствие меньших значений а) значительно лучше противостоят воздействию случайных перегрузок. Наряду с этим повторная нагрузка вызывает более быстрое накопление пластических повреждений в покрытиях из материалов на основе органических вяжущих. Следует отметить, что в ряде работ применение получила эмпирическая связь между долговечностью асфальтобетонов г и величиной постоянно действующего напряжения а [259, 274]: т = Аст-1/ь, (1.78) где А - постоянная зависящая от структуры материала; Ъ — показатель, характеризующий пластичность асфальтобетона (0<6<1).

Воздействие потока автомобильного транспорта на покрытие в течение всего срока службы является одним из важнейших эксплуатационных факторов. В результате движения автомобилей покрытие подвергается многократным циклическим деформациям, приводящим к развитию в материале покрытия, как формулирует А. В. Руденский, явлений усталости. Эти явления характерны для всех материалов, которые используются при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд [234]. А. В. Руденский предлагает оценивать усталостную долговечность асфальтобетона. Автор пишет [309]: «явление усталости заключается в развитии постепенных изменений структуры материала, начиная с роста микродефектов и кончая образованием трещин под действием многократно прилагаемых напряжений».

На практике, как правило, проводят испытания на прочность при возрастающем напряжении и фиксируют максимальное напряжение, достигнутое в момент разрушения, которое называют пределом прочности, или просто прочностью. Определяемый таким образом показатель прочности зависит от скорости роста напряжений, то есть от скорости деформирования и соответственно длительности пребывания материала покрытия в напряженном состоянии. Влияние скорости деформирования на характеристики прочности покрытия весьма существенно, поэтому важно, чтобы режим испытания соответствовал эксплуатационным условиям работы дорожного покрытия.

Для оценки сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий А. М. Богуславский предложил кинетическую характеристику, обозначаемую индексами Р\/Р2 и представляющую собой совокупность основных реологических свойств асфальтобетона [44]:

Р1 -2в + Л + 2вЛ^((2в + Л)/2вЛ)2 - ((9Л)~1 — =-1 > (1.80)

2 - 26> + Я - 2вЦ{(2в + Л)/2вЛ)2 - (вЛ)' где 0 - время релаксации напряжений, сек; Л - время ретардации деформации, сек. Величина Р\ характеризует скорость убывания относительной жесткости. Чем меньше Р\, тем дольше сохраняется жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям, и тем меньшая будет достигнута деформация в момент разрушения. Величина Р2 характеризует скорость роста упруго-вязкой деформации, и в частности, скорость включения упругой составляющей. Чем больше Р2, тем скорее включается упругая составляющая деформации, и тем дольше материал работает в упругой зоне. А. М. Богуславский пишет [44]: «для того, чтобы асфальтобетон при отрицательной температуре был трещиностойким, он должен быть максимально вязко-упругим, а не жестким. Чтобы асфальтобетон при высокой температуре не изменял свою форму в условиях эксплуатации, он должен быть максимально жестким». Предельные значения кинетической характеристики Р\/Р2, которую автор предложил называть показателем деформативности, при высокой и низкой температурах соответствуют оптимальным значениям параметров механических свойств асфальтобетона. Для определения показателя деформативности при +50 и — 10°С выполняют дополнительные операции при испытании образцов асфальтобетона при сжатии.

Анализируя характер разрушения асфальтобетона, Л. С. Губач показывает, что в зависимости от фактора времени, скорости нагружения или деформирования, для одного и того же материала возможен различный механизм разрушения [98, 100]. Так при малых скоростях деформирования главной особенностью процесса является постепенное накопление внутриструктурных разрушений, сопровождающихся развитием пластических деформаций. При больших скоростях деформирования асфальтобетон разрушается хрупко с минимальными деформациями, а при средних скоростях - решающее влияние оказывают релаксационные процессы. Соответственно, для первого случая более приемлемым представляется деформационный критерий (например, предельная относительная деформация), для второго - силовой (например, предельное напряжение при больших скоростях), а в третьем случае в качестве критерия должен использоваться показатель, учитывающий релаксационные эффекты. Л. С. Губач заключает: «физической величиной, связывающей воедино деформационные, силовые показатели и время является энергия или ра

В 1980 г. в статье «К вопросу долговечности материалов с позиций термодинамики необратимых процессов» Е. С. Переверзев пишет [269]: «для обоснованного назначения режимов ускоренных и эквивалентных испытаний, а также для разработки методов прогнозирования долговечности на большие сроки целесообразно, чтобы эти модели были связаны с основными параметрами, характеризующими протекание определяющих физико-химических процессов. По-видимому, в настоящее время в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют термодинамические методы. Именно термодинамический подход обладает наибольшей общностью и в то же время позволяет выразить термодинамические характеристики через конкретные физические параметры».

Как известно, моменту отказа любого технического устройства предшествуют необратимые изменения. Накопление необратимых изменений можно описывать термодинамическим параметром - энтропией. В общем случае изменение энтропии определяется как ds-dse+dsf, (1-87) где dse - изменение энтропии, обусловленное обменом с окружающей средой; dS{ - производство энтропии, вызванное необратимыми процессами внутри системы. Величина ds^/dt, здесь t - время, является скоростью накопления необратимых изменений. Поэтому, Е. С. Переверзев предлагает через данную величину выражать скорость накопления повреждений. При вероятностном описании процесса разрушения наиболее полной его характеристикой является вероятность безотказной работы P(t).

В некоторых работах рассматривается критическая величина энтропии 5кр, представляющая собой произведение средней скорости роста энтропии на среднее время безотказной работы [269]. В общем случае sKp равно математическому ожиданию приращения энтропии, обусловленного протеканием необратимых процессов. По мнению некоторых исследователей, параметр sKp представляет собой константу материала. Оценку этого параметра производят по следующей формуле [269]:

- создание методики эффективного прогнозирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на любом этапе его жизненного цикла с учетом динамического воздействия транспортных средств;

- экспериментальная апробация и внедрение используемых методов диагностирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия.

Выход подразумевает:

- алгоритм, впервые позволяющий аналитически определить предельное значение коэффициента пластичности дорожной одежды, а также проследить динамику накопления остаточной деформации в зависимости от числа нагру-жений и значения величины упругой деформации;

- методику эффективного прогнозирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на любом этапе его жизненного цикла с учетом динамического воздействия транспортных средств. Методика позволяет назначать обоснованные межремонтные сроки службы дорожных покрытий и типы ремонтных работ.

Метод математического моделирования позволяет формализовать объект исследования, создав его модельное описание в виде совокупности математических объектов и их взаимосвязей. Анализ математических моделей дает возможность проникнуть в сущность изучаемых явлений [46]. Таким образом, математическое моделирование является методической основой настоящей работы и позволяет решать поставленные в ней задачи.

Основные этапы достижения поставленных в работе задач представлены на рис. 2.2. Функциональная схема исследования содержит реализацию последовательности, использованной в ходе выполнения научной работы: задача -методика - результат.

В то же время, методология системного анализа предполагает комплексный подход в научных исследованиях и в решении поставленных задач. Применительно к данной работе, комплексный подход обусловливает необходимость проведения экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математических моделей. Математическая модель - это приближенное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженная с помощью математической символики [267]. Анализ математических моделей позволяет проникнуть в сущность изучаемых явлений. ни уплотняемости играет важную роль при определении удобоукладываемости асфальтобетонной смеси, а, как известно, операция укладки предшествует операции уплотнения, остановимся на показателе степени уплотняемости смеси - bt.

Применяя формулы (ЗЛО) и (3.12) и выражая модуль упругости через величину bh получим

Ei^TolaQ-bi)]-1. (3.49)

Воспользовавшись формулой (3.12), получим для /-ого прохода

A Si =ha{\- b¿). (3.50)

Время (продолжительность) ti прохода определим как отношение величины Li, которую можно считать константой к величине 3, то есть ti=Li/&Pi. (3.51)

Величина &р. - являясь решением уравнения (3.45), также выражается через b¡. В свою очередь, как показано выше

E^Ci+D^, (3.52) где Ci и Д - величины, зависящие от bt. Тогда из формулы (3.49) получим зависимость т0 также от величины b¡ т0.=Е&(1-Ь). (3.53)

Наконец, связь величин B¡ и bi найдем, воспользовавшись формулами (3.17) и (3.26)

3.54) du¿ = 2Rt arceos (l - ha{ 1 - b¿)R), (3.55) здесь R¡ - радиус вальца, dui - длина дуги окружности вальца, которая погружена в смесь при контакте, Qi - вес катка, приходящийся на валец. Действительно, установив, например, зависимость между величинами абсолютной деформации и контактных напряжений в режиме нагрузка-разгрузка, при соблюдении релаксационного периода для данного типа смеси можно, реализуя полученные здесь зависимости, определить технологические параметры процесса уплотнения, энергоемкость уплотнения при каждом проходе катка, а также энергоемкость операции уплотнения в целом.

Ниже на распечатках (с. 271 - 274):

Е - модуль упругости слоя дорожного асфальтобетонного покрытия; 11 -толщина слоя покрытия; Ст - значение удельной теплоемкости асфальтобетона; р - плотность асфальтобетона; к - коэффициент кт, у, t - время; Мр - суммарное расчетное число приложений нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы дорожной одежды; Е1 - значение минимального требуемого общего модуля упругости конструкции.

Расчетные данные для рис. 5.6 (с. 210):

Е := 2р

§-Ь - к

I := 0.

§ := 9.

0 3.846*

3.796'Ш

3.562*

3.111*

2.753*

5 2.33

1.502*

17.' 926.

8 298.

41 0.

01 1.071*

1 1.065* щ. 1.074*

13:1 1.099* щ 1.14* ш 1.196* м 1.268* т 1.356*

Ж 1,459*

0 2.45*103 0 0.

Ш: 2.55*103 1 0. т 2.5*103 2:: 0.

2.45*103 .3. 0.

4° 2.4*103 4 0.

Ш 2.35*103 5 0.

6 2.3*103 6 0.

7 2.25*103 ;7 0.

8 2.2*103 8 0.

Нр 0.7-10000

1 *) 1 1п « (л

Кр - 1.186 х 9S.65llogvl.lS6 х 10 ,10. Ег = 347.