Научная конференция о применении геосинтетических

1. НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Комитета Наземной и Водной Инженерии ПАН и Комитета Науки PZITB «Крыница 2004»
Варшава-Крыница 12-17 сентября
т. V, стр. 265-272
Януш Завадзки1
ЭФФЕКТ УКРЕПЛЕНИЯ АСФАЛЬТОВЫХ СЛОЕВ ГЕОМАТЕРИАЛАМИ В ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ И ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ
ТЕМПЕРАТУРЕ
1. Вступление
Представленные в технических одобрениях на геопродукт2, применяемый для укрепления
асфальтовых слоев, основные свойства, такие как устойчивость к растяжениям и удлинениям при
разрывах, а также физически не решают проблемы выбора геопродукта, который бы оправдал
ожидания самого подходящего для данного использования, так как не менее важную роль играет
его связь с соседними асфальтовыми слоями. Соответствующие указания приводимые
производителями геопродукции относитьно данной тематики обычно не учитывают всех
взможных случаев, которые могут встретится в практике. Отсутсвует соответствующий
лабораторный метод исследования, который мог бы комплексно оценивать эффект укрепления
асфальтовых слоев при помощи геопродукции. Предложенный метод, основанный на статическом
исследовании может быть полезен при принятии оптимальных решений относительно выбора и
способа установки геопродукции между асфальтовых слоев.
2. Метод исследований
2.1 Обоснование метода
Свойства асфальтовых вяжущих веществ и минерально-асфальтных смесей (МАС) существенно
изменяются в зависимости от температур окружающей среды, в условиях нашего климата. При
отрицательной температуре их свойства делают их похожими на упругие тела, а при
положительной температуре они являются телами вязкопластичного характера. Свойства
геопродукции используемой для укрепления асфальтовых слоев не подвергаются таким резким
изменениям как МАС, а даже если подвергаются изменениям, то в минимальной степени.
Отсутствие стабильности свойств МАС в зависимости от температуры дает основание полагать, что
соединение МАС с геопродукцией, и возникающий в свзяи с этим эффект укрепления асфальтовых
слоев может быть разный при положительной и отрицательной температуре. Очень важеным
является эффект укрепления асфальтовых слоев оцениваемый при отрицательных температурах,
так как не смотря на то, что модуль упругости МАС возрастает, то его подверженность к
удлинению под нагрузкой резко уменьшается. Это является одной из причин, по которой
большинство трещин асфальтового покрытия появляются зимой или ранней весной.
1
2
Инж. Канд. Техн. Наук, ДНИИ, Варшава
Данное определение использовано вместо «геосинтетики», с целью охватить данным понятием продукты,
выполненные из разного сырья.
При положительной температуре удлинение МАС при разрыве значительно больше, чем при
отрицательной температуре. Оно также зависит от вида МАС и содержания в ней асфальта, а
также от вида этого асфальта. Предельное качество удлинения МАС не превышает 3% при
температуре +25˚С [1], тогда как удлинение геосеток из стекловолокна составляет 3 + 3,5%, а
других в несколько раз больше.
Определение температуры исследования:
а) При отрицательной температуре:
Используя номограмм Асфальтового Института (США), помещенного в [2], была установлена
температура исследования, соответствующая зимним условиям, неблагоприятным для работы
асфальтовых слоев по причине их наибольшей усадки [3]. Для предполагаемых зимних условий
номограмм показал, что на глубине 10 см температура асфальтового слоя составит 100С; принято,
что в данной температуре балки будут прогибаться.
б) При положительной температуре:
Из швейцарских измерений следует, что средняя температура в слое асфальтового основания, то
есть там, где должен быть установлен геосинтетик для его растяжки, составляет в летний период
около + 250С [4].
Согласно [5], средняя температура в слое асфальтового основания целой системы асфальтовых
слоев покрытия в Польше составляет в летний период +230С. Для целей данного исследования
была принята температура + 230С.
В описанных исследованиях пробные образцы из асфальтового бетона (АБ) в виде балок,
соединенных со стальной плитой, были нагружены в отрицательной температуре (-100С)
возрастающей силой, а в положительной температуре (+230С) постоянной силой 4 kN.
2.2 Пробный образец
Пробные образцы для исследования были в виде балок из асфальтового бетона (АБ),
соединенные со стальной плитой толщиной 5 мм, из пружинной стали (рис. 1), со 100 процентной
упругой отдачей. Благодаря этому получено перемещение нейтральной оси х-х балки из АБ
высотой 100 мм ближе к плите, посредством чего геоминерал, установленный в 40 мм от дна
балки, переместился в область растяжки. Величина еl определяющая нахождение нейтальной оси
х-х сечения соединенной балки была подсчитана при помощи статистических примеров [6], исходя
из предположения, что АБ в температуре исследования -100С является упругим телом. На основе
принятых модулей упругости стали и жесткости для АБ в -100С, показатель замещающего сечения
составил 10,5.
Исследуемая балка из АБ уплотнена в форме 500х180х100 мм, служащей для составления
образцов для исследования колейности методом LCPC. Уплотнение производилось механически.
Степень уплотнения слоя (слоев) равнялась стандартному уплотнению образцов Маршалла (2х75
ударов). Асфальтовые слои, между которыми укладывались геоминералы, согласно
технологическим рекомендациям призводителей этих минералов, состояли из АБ 20Г50 до
основания, согласно ГОСТ-96025:2000.
Боковые части балки из АБ были приняты после вырезки с целью создать однородный разрез.
После данной обработки ширина балки составила 150 мм.
Стальная плита была соединена с балкой из АБ при помощи синтетической смолы Devcon с
большой стойкостью. Соединение этих двух элементов находилось на уровне сжатия.
Под линиями подпора и нажима были приклеены рейки из стального полотна. Ширина подпора
составила 400 мм (рис. 1).
Объяснения
1 – стальная плита, 2 – нейтральная ось, 3 – слой из АБ
4 – геопродукт, 5 – слой из АБ, 6 – клей
h = 105,0; h1 = 100,0; h2 = 5,0; h3 = 40,0; e1 = 36,9; e2 = 68,1; L = 500,0; l = 400,0.
Рис. 1. Схема модели балки для исследования слоев из АБ на растяжение при изгибе, укрепленных
геопродуктом (размер в мм)
Измеряемые параметры:
a) При температуре исследования – 100С
В интервалах увеличения силы прогиба каждые 4 kN прогиб балки измерялся в ее середине
двумя датчиками с точностью до 0,01 мм, вплоть до момента перелома балки.
b) При температуре исследования +230С
При постоянной нагрузке балки в 4 kN измерялся ее прогиб с точностью до 0,01 мм, в
промежутках времени каждые 15 секунд, с интервалом от 0 до 4 минут, а далее каждую 1
минуту вплоть до получения ее прогиба не более 3,5 мм.
Для получения температуры исследования, образцы (балки) были термостатированы в
воздухе в течение 18 часов. Во время исследования в температуре -100С и +230С балки были
покрыты термоизолирующим материалом. Исследование производилось при использовании
пресса EDZ 100.
3. Результаты исследований
Предметом исследования послужило 5 балок, соединенных с АБ; одна без укрепления и 4
укрепленные следующими, стандартными геопродуктами:
- кладочная сетка из стальной проволоки, с устойчивостью к растяжению 40 kN/м,
- базальтовая геосетка, тип легкий, с устойчивостью к растяжению 50 kN/м и удлинению 4%,
- базальтовая геосетка, тип легкий, с устойчивостью к растяжению 20 kN/м и удлинению 5%,
- геокомпозитом (полипропиленовая сетка с литыми нитями и жесткими
узлами+полиэстеровая лента), с устойчивостью к растяжению 20 kN/м и удлинению 9%.
Результаты исследвания балок в температуре -100С представлены на рисунке 2, в температуре
+250С на рисунке 3.
СИЛА ПРОГИБА, kN
серии 1
серии 2
серии 3
серии 4
серии 5
ИЗГИБ, мм
ПРОГИБ, мм
ПРОГИБ, мм
Рисунок 2. Зависимость прогиба балки, соединенной с АБ, от силы прогиба, в температуре -100С
1 – балка без геопродукта, 2 – балка с кладочной стальной сеткой, 3 – балка с базальтовой
геосеткой, тип тяжелый, 4 – балка с базальтовой геосеткой, тип легкий, 5 – балка с
полипропиленовым геокомпозитом
1
2
3
4
5
ВРЕМЯ НАГРУЗКИ, мин:с
Рисунок 3. Замисимость прогиба соединенной с АБ балки от времени нагрузки силой в 4 kN, в
температуре +230С
1 – балка без геопродукта, 2 – балка с кладочной стальной сеткой, 3 – балка с базальтовой
геосеткой, тип тяжелый, 4 – балка с базальтовой геосеткой, тип легкий, 5 – балка с
полипропиленовым геокомпозитом
На рисунке 4 представлены относительные результаты исследования балок в температуре -100С.
4. Анализ результатов
4.1. Температура исследования -100С
Исследование балки из АБ на прогиб, укрепленной геопродуктом, является практической проверкой
эффекта данного укрепления, так как результат исследования отражает основные свойства
геопродукта и способ его установки между слоями.
Регистрирование прогиба балок в температуре исследования -100С проводилось вплоть до момента
перелома нижнего слоя, прикрывающего геопродукт. При данной температуре максимальный прогиб
исследуемых балок находился в границах от 0,41 мм, при силе износа в 20,0 kN (балка с
полипропиленовым геокомпозитом) до 0,67 мм, при силе износа 27,5 kN (балка с базальтовой
геосеткой, легкий тип). Прогиб балки без укрепления составил 0,46 мм, при силе износа 23,5 kN (рис.
2).
В данной ситуации имеет место соответствующее наблюдение, что наилучший эффект укрепления
появится в том случае, если максимальный прогиб балки будет незначительный, а сила износа
прогиба будет большая. Однако в натуральных условиях на дороге, граничная величина данных
параметров очень редко играет непосредственную роль, но это может произойти при конструкции со
слабым основанием из несклеенной крошки либо ее подверженности на влияние воды и мороза.
Чаще всего возникают прогибы асфальтных слоев значительно меньшие, чем граничные прогибы. В
таком случае оценка укрепления может быть совершена при меньшей величине прогиба, чем
граничная величина. Такая оценка применяется с целью отличить реакцию разных видов геопродукта
также в начальной фазе нагрузки. Для этого используются два способа:
Способ 1:
Оценка основывается на действительной величине прогиба, соответствующего условной, постоянной
величине силы прогиба в начальной фазе нагрузки равной, например 8 kN, т.е. 1/3 средней
максимальной силы прогиба исследуемых балок. Для данной величины силы прогиба, прогиб
исследуемых балок имеет следующие параметры:
- балка без укрепоения – 0,24 мм,
- балка с кладочной стальной сеткой – 0,18 мм,
- балка с базальтовой геосеткой, тип тяжелый – 0,21 мм,
- балка с базальтовой геосеткой, тип легкий – 0,41 мм,
- балка с полипропиленовым геокомпозитом – 0,23 мм.
Положительный эффект укрепления наступит в том случае, если геопродукт, установленный между
асфальтными слоями, будет генерировать их меньший прогиб по сравнению с неукрепленными
слоями. Из вышеприведенного сравнения можно сделать вывод, что для силы прогиба меньше
максимальной, данное условие соблюдает кладочная стальная сетка и базальтовая геосетка тяжелого
типа. Характеристика прочности балки с полипропиленовым геокомпозитом похожа на
характеристику балки без укрепления (графики № 1 и 5 на рис. 2). Базальтовая геосетка легкого типа
данного условия не соблюдает, не смотря на то, что максимальная сила прогиба балки с такой сеткой
намного выше, чем балки без укрепления. Однако это не имеет значения, так как возможности
удлинения АБ ограничены в отрицательной температуре и в условиях повторяющихся нагрузок, какие
имеют место на дороге. Это означает ускоренное появление трещин в слое из данной смеси, даже
если в нем установлен геопродукт, который в свою очередь не редуцирует прогибов по сравнению с
неукрепленным слоем.
Способ 2:
Если прогиб и сила прогиба будет выражена в относительных величинах, т.е. по отношению к их
максимальным величинам, а именно независимо от их абсолютной величины, то это позволит
создать образ мобилизации геопродукта в определенной фазе нагрузки балки.
Относительная сила прогиба, %
Для условно принятой силы прогиба равной 20% максимальной силы, процентный прогиб бакли (по
отношению к максимальному прогибу), является следующим (рис. 4):
Относительный прогиб, %
Рис. 4 Зависимость относительного прогиба балки, соединенной с АБ, от относительной силы прогиба
в температуре -100С
1 – балка без геокомпозита, 2 – балка со стальной кладочной сеткой, 3 – с базальтовой
геосеткой тяжелого типа, 4 – балка с базальтовой геосеткой легкого типа, 5 – балка с
полипропиленовым геокомпозитом
- балка без укрепоения – 40,0 %,
- балка с кладочной стальной сеткой – 28,0 %
- балка с базальтовой геосеткой, тип тяжелый – 40,0 %,
- балка с базальтовой геосеткой, тип легкий – 52,0 %,
- балка с неопропиленовым геокомпозитом – 50,0 %.
Вышеприведенные результаты показывают, что только балка, укрепленная стальной кладочной
сеткой, отличается лучшей характеристикой прочности, так как 20 %-ая сила прогиба вызывает
28 %-ый ее прогиб, что соответственно меньше, чем в случае балок без укрепления и остальных
балок. Меньший прогиб означает большую устойчивость к трещинам при повторяющейся нагрузке в
лабораторных условиях износа либо к движению на дороге. Пример балки с полипропиленовым
геокомпозитом, характеризующейся наименьшей устойчивостью на прогиб в температуре -100С, в
сравнении с остальными исследуемыми балками, (рис. 2) свидетельствует о том, что кроме оценки,
основанной на абсолютных величинах силы прогиба и прогиба, необходимо также принимать во
внимание относительную оценку эффекта укрепления. Обльшая относительная величина прогиба при
малой максимальной прочности говорит об исчерпании укрепляющих возможностей данного
геопродукта.
4.2. Температура исследования +230С
Прогиб балок в зависимости от времени нагрузки в температуре исследования +230С регистрировался
до величины 3,1÷3,6 мм (рис. 3). Форма графиков, касающихся укрепленных балок, свидетельствует о
том, что исследование носит характер ползучести, а также, что геопродукты имеют влияние на
результат исследования. Это хорошо просматривается на примере балки, укрепленной стальной
кладочной сеткой. Время нагрузки до достижения данной балкой деформации в 3,1 мм
увеличивается почти в 2,5 раза (составляет 13 минут), как это проявляется на примере балок,
укрепленных базальтовой геосеткой тяжелого типа и полипропиленовым геокомпозитом. Время
нагрузки балок, неукрепленных и укрепленных базальтовой геосеткой легкого типа, одинаковое и
составляет только 3 минуты 20 с.
На начальном периоде нагрузки, составляющим около 1 минуты, кривые ползучести укрепленных
балок характеризуются большим ростом прогиба. По истечении этого времени такой рост становится
постоянным (до наблюдаемой величины прогиба 3,1÷3,6 мм) (рис. 3). Наклон конечных отрезков
кривых ползучести показывает скорость роста прогиба. Больший наклон означает большую скорость
роста прогиба, что является нежелательным (примеры балки неукрепленной и укрепленной
базальтовой геосеткой легкого типа).
Сравнение результатов исследования балок в положительной и отрицательной температуре
показывает, что ограничиваясь вторыми результатами, могут они оказаться недостаточными для
полной оценки эффекта укрепления асфальтных слоев данным видом геопродукта. Среди
исследуемых балок, примером может послужить балка с полипропиленовым геокомпозитом,
которая при исследовании в положительной температуре поддается меньшему прогибу (в фазе
установленной ползучести), чем балка без укрепления (рис. 3), в то время как при исследовании в
отрицательной температуре характеристика прочности этих двух балок почти одинаковая (рис. 2). В
основном, причина исходит из характеристики прочности АБ в положительной и отрицательной
температуре, но также причиной может быть определенная подверженность некоторых
геопродуктов из синтетического сырья на изменения температуры.
5. Выводы
1) Метод исследования прогиба соединенной балки, но только под статической нагрузкой, дает
возможность оценить эффект укрепления слоев из АБ разными геопродуктами,
предусматривая их вид и способ установки.
2) Оценка эффекта укрепления геопродуктами асфальтных слоев на основе исследования
соединенной балки в температуре -100С является более точной и достоверной, чем оценка на
основе исследования такой балки в температуре +230С.
3) Исследования балок из АБ с установленными 4 видами геопродуктов показали, что
наилучший эффект укрепления в температуре – 100С (оцененный абсолютной величиной
прогиба, в сравнении с прогибом балки без геопродукта), был получен при использовании
стальной и базальтовой сетки тяжелого типа. Оценка данного эффекта на основе
относительной величины прогиба (по отношению к максимальному прогибу) показала, что
лучше всего укрепляет стальная сетка.
4) Исследования балок с АБ в температуре +230С показали, что балка без геопродукта и балка с
базальтовой сеткой легкого типа характеризуется прежде всего одинаковым временем
нагрузки до достижения предусмотренного в данном исследовании прогиба. В случае балок с
остальными геопродуктами период времени значительно увеличен, что положительно
отражается на ситуации, особенно в случае балки со стальной геосеткой.
5) Большие размеры балок, использованных в данном исследовании, дают возможность
исследовать геопродукты с более крупными ячейками (50х50 либо 80х80 мм).
БИБЛИОГРАФИЯ
[1] В. Данилецки, М. Мачински – Покрытие на плитах ортотропных мостов, Дорожное
строительство, № 1, 1974 г.
[2] Е. Юдицки – Влияние температуры на прогибы битумных покрытий, Дорожное строительство,
№ 7-8, 1973 г.
[3] Х. Борковски, Е. Юдицки, В. Милковски – Устойчивость асфальтного бетона к трещинам при
пониженной температуре, Дорожное строительство, № 12, 1983 г.
[4] С. Сухенек - Evaluation of Rutting due to Viscous Flow in Asphalt Pavements, Proceedings of 4th Ann
Arbor Conference, USA 1977.
[5] Каталог Стандартных Конструкций Восприимчивых и Полужестких Покрытий, издание Гл. Упр.
Гос. Дорог, ДНИИ, Варшава, 1997 г.
[6] Е. Чиж – Количественные образцы и примеры статистических расчетов, том 1 и 2, изд. Arkady,
Варшава 1964 г.