Определение долговечности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд

строительные материалы и конструкции

Определение долговечности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд

Д.В. Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев

За последние 15 лет произошло резкое повышение темпов автомобилизации страны. По прогнозам Минтранса РФ в 2010 г. парк автомобилей страны составит примерно 36—39 млн единиц. Интенсивность движения на дорожной сети страны возросла в среднем на 5%, а на основных автомагистралях этот показатель составил 26,2% [1]. В связи с ростом интенсивности транспортного движения и увеличением веса автомобилей, резко проявляется зависимость срока службы (долговечности) дорожных одежд от их прочности.

Как известно, нежесткие дорожные одежды с усовершенствованными покрытиями рассчитываются по следующим критериям: допускаемому упругому прогибу; сдвигоустойчивости грунтов и слабосвязных слоев основания; сопротивлению монолитных материалов разрушению от растяжения при изгибе; морозоустойчивости грунтов земляного полотна. Любой из указанных критериев может оказаться определяющим при подборе оптимальной конструкции дорожной одежды. Это зависит от прочности несущего слоя основания (роль которого обычно выполняет щебень), от физико-механических характеристик подстилающего грунта (грунта земляного полотна) и, наконец, от интенсивности движения и величины осевых нагрузок автотранспорта [1, 2].

В периоды переувлажнения грунтового основания прочность грунта существенно уменьшается. В условиях переменного водно-теплового режима грунтов земляного полотна и слоев дорожных одежд, определяющим критерием зачастую становится сдвиг в подстилающем грунте или слабосвязном слое искусственного основания, а также потеря несущей способности основания. На практике для обеспечения требуемой прочности дорожных одежд проектные организации увеличивают толщину покрытия из асфальтобетона или применяют конструктивный слой из тощего бетона. Это с нашей точки зрения является не-

рациональным, поскольку слои покрытия дорожной одежды являются наиболее дорогостоящими.

Улучшение условий работы дорожной одежды и более рациональное использование ее по прочности во времени можно достичь путем регулирования водно-теплового режима грунтового основания — уменьшения влажности в расчетный период и выравнивания ее сезонного изменения за счет различных технологических и конструктивных мероприятий (устройство дренирующих и морозозащитных слоев) [3].

Применение пенополистирольных плит в качестве теплоизолирующего слоя позволяет улучшить водно-тепловой режим в земполотне и, снижая расчетную влажность, достигнуть повышения прочности грунтового основания и тем самым уменьшить толщину дорожной одежды.

На рисунке 1 приведен пример эффективного применения экструзионного пенополистирола в конструкции нежесткой дорожной одежды для дороги III категории, запроектированной для наиболее неблагоприятных условий Тамбовской области (3 тип местности по условиям увлажнения, в основании применен третий по степени пучинистости грунт — супесь легкая). Конструкция дорожной одежды запроектирована в соответствии с требованиями [4, 5].

В результате использования пенополистирольных плит существенно снижается годовая амплитуда колебаний температуры и влажности и, как следствие, изменение прочности дорожной конструкции находиться в допустимых пределах. Становится возмож-

1. Асфальтобетон горячий плотный тип А на вязком битуме БЦД /и

Асфальтобетон горячий пористый мелкозернистый на вязком битуме БНД /„ 16см

Щебенно-гравийная-песчаная смесь, обработанная неорганическим вяжущим марки 40 20см

Песок мелкий с содержанием глинистой фракции 5% 30см

Пенололистирольные плиты ТЕХНОПЛЕКС 45 4см

Супесь легкая

Рисунок. 1. Конструкция нежесткой дорожной одежды с применением экструзионного пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС 45 для дороги III категории

строительные материалы и конструкции

ным пропуск современного грузового транспорта по автомобильным дорогам в течение всего года, в том числе и в весенне-осенний период, без каких-либо ограничений по осевым нагрузкам. Кроме того, за счет применения теплоизоляции из экстру-зионного пенополистирола позволяет сократить толщину дорожной конструкции для III технической категории со 100 до 79 см (таблица 1).

Нежесткие Жесткие

дорожные одежды дорожные одежды

Категория дороги С применением пенопласта Без применения пенопласта С применением пенопласта Без применения пенопласта

I 89 100 82 128

II 84 100 74 115

III 79 100 74 115

Таблица 1. Сравнение толщин дорожной одежды с применением экструзионного пенополистирола и без его использования

Однако необходимо отметить, что асфальтобетонное покрытие резко меняет свойства от температуры: при положительной температуре он обладает свойствами вязко-пластичного материала, при отрицательных — упругого и даже жесткого. Изменение температуры резко влияет на деформационные свойства, состояние и работоспособность таких покрытий [6].

В последние 5—7 лет около 40% протяжения федеральных дорог с нежесткими одеждами имеют заметную колею, что является одним из признаков исчерпания несущей способности дорожной конструкции, не обеспечена также требуемая ровность нежестких дорожных одежд в продольном направлении. Постоянно растут объемы недо-ремонта нежестких дорожных одежд [1].

Возрастающим требованиям движения, особенно на грузонапряженных магистралях, как показывает отечественный и мировой опыт, в наибольшей степени отвечают цементобетонные покрытия. Стабильные транспорт-но-эксплуатационные показатели и высокая долговечность дают им преимущества пе-

ред покрытиями, построенными с применением органических вяжущих средств [7].

Одним из важнейших положительных отличий цементобетона является то, что его физико-механические свойства практически не изменяются от температуры окружающей среды и скорости на-гружения. Тогда как прочность на сжатие и растяжение при изгибе увеличивается в течение всего срока эксплуатации, что весьма важно при постоянно возрастающих нагрузках [7].

Однако, если покрытие из цементобетона обладает определенной стабильностью свойств под действием климатических факторов и нагрузок, то на прочность незащищенного грунтового основания по-прежнему влияют сезонные колебания водно-теплового режима, для чего приходится устраивать значительные по толщине и стоимости теплоизолирующие слои. Приведенная ниже конструкция дорожной одежды жесткого типа с применением теплоизолирующего слоя из экструзионного пенополистирола наглядно демонстрируют эффективность использования пенопласта для регулирования водно-теплового режима земполотна и обеспечения устойчивости свойств основания. На рисунке 2 приведена конструкция жесткой дорожной одежды, с применением экструзионного пенопо-листирола, для III технической категории при аналогичных природно-климатических и грунтово-геоло-гических условиях приведенных выше.

Расчет показывает, что применение пенополи-стирола в конструкциях жестких дорожных одежд несет больший эффект, по сравнению с нежесткими. Так применение данного материала в качестве морозозащитного слоя, в жесткой дорожной одежде позволило уменьшить толщину конструкции в данном случае со 115 до 74 см.

При этом оптимальная глубина заложения утеп-

1. Асфальтобетон горячий плотный тип А на вязком битуме БНД №/п

Асфальтобетон горячий пористый мелкозернистый на вязком битуме БН^^^^^ 16см

Щебенно-гравийная-песчаная смесь, обработанная неорганическим вяжущим марки 40 20см

Песок мелкий с содержанием глинистой фракции 5% 30см

Пенополистирольные плиты ТЕХНОПЛЕКС 45 4см

Супесь легкая

Рисунок 2. Конструкция жесткой дорожной одежды с применением экструзионного пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС 45 для дороги III категории

строительные материалы и конструкции

ляющего слоя должна определяется действующими напряжениями и температурой и, соответственно, долговечностью (сроком службы) данного материала.

Долговечность экструзионного пенополистиро-ла в таких конструкциях, возможно определить с точки зрения термофлуктуационной концепции прочности [8, 9].

В [10] был исследован экструзионный пенополи-стирол ТЕХНОПЛЕКС 45 при изгибе и сжатии диапазоне различных температур и напряжений по методике изложенной [9]. Полученные в [10] зависимости описываются уравнениями ниже:

т = т*ехр—ехр(-Ро), RT

т = ттехр

/ \

1 1

R т Тт

К m J -

где Тт — период колебания кинетических единиц, и0 — энергия активации, и — эффективная энергия активации, у — структурно-механический фактор, в — аналог структурно-механической константы, Тт — предельная температура существования материала, О — напряжение, ГИ^ температура, R — универсальная газовая постоянная, Т — время до разрушения (долговечность).

Значения констант приведены в таблице 2.

По уравнениям (1) и (2) можно прогнозировать срок службы (долговечность) экструзионного пе-нополистирола в конструкциях дорожных одежд, если известны действующие на этот материала напряжения (О) и температура (Г).

Для определения действующих на материал напряжений можно воспользоваться методикой, изложенной в [11]. В этом случае для определения напряженно-деформированного состояния, возникающего в земляном полотне и слоях дорожной одежды, многослойную конструкцию с неоднородными свойствами слоев приводят к эквивалентному однородному массиву.

Эквивалентная толщина дорожной одежды определяется зависимостью:

ниж 1

где г — толщина слоя покрытия, ЕЕ — соот-

1 верх, ниж

ветственно модули упругости вышележащего и нижележащего слоя.

Значения напряжений можно определить по формуле М.И. Якунина [11]:

Ро

1 +

где р0 — давление колеса на покрытие, гэ — эквивалентная толщина дорожной одежды, й — диаметр круга, равновеликого площади контакта колеса с покрытием.

Кроме внешней нагрузки на материал действуют собственный вес грунта и вес дорожной одежды. Напряжения от собственного веса грунта пропорциональны глубине. Пример расчета распределения напряжений приведен на рисунке 3.

Однако жесткие дорожные одежды представляют собой плиты, лежащие на упругом грунтовом основании, причем разница между жесткостью плиты и основанием весьма значительна. Это позволяет сказать, что в таких дорожных одеждах, возникающий изгибающий момент в полной мере поглощается плитой, и при расчете напряженно-деформированного состояния земляного полотна, будут учитываться только напряжения от собственного веса конструкции, рисунок 3.

Методика, предложенная в [12] позволяет определить температуру в земляном полотне, зная температуру поверхности грунтов открытого поля. Уравнение для вычисления температуры в любой плоскости п дорожной конструкции или открытого поля имеет следующий вид:

=к +

к-к

Вид нагружения Константы

^ i ^т» С Tmi К и, и0, кДж/моль Р, 1/МПа, у, кДж/

Изгиб 2,9-Ю"10 - 90,16 16

Сжатие до 10% , 0-0.85 371,74 325 6500

где Y,Rn — суммарное тепловое сопротивление вышележащих п-х слоев, R — тепловое сопротивление дорожной конструкции, / — температура воздуха, ^ — температура грунта, tn — температура в рассматриваемом слое.Температу-ра грунта определяется с определенной вероятностью по климатическим данным региона. Среднегодовая темпе-

Таблица 2. Значения физических констант экструзионного пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС 45 при изгибе и сжатии

строительные материалы и конструкции

t=2 3,2°С / =-25°С

t=23,2°C t =-25°С

Рисунок 3. Распределение напряжений от собственного веса и внешней нагрузки. Распределение температуры на поверхности пенополистирольных плит ТЕХНОПЛЕКС 45

а — для нежесткой дорожной одежды; б — для жесткой дорожной одежды

ратура участков естественной поверхности рассчитывается по формуле [13]:

К =t +-

В-LE

+ 0f07AM

где — температура поверхности грунта, tB — температура воздуха, B — радиационный баланс, ккал/м2-мес, LE — затраты тепла на испарение, ккал/м2-мес, Ам — годовая амплитуда колебаний температуры воздуха, град, £сн — термическое сопротивление снега, м2ч-град/ккал, ak — коэффициент теплоотдачи, ккал/м2-ч-град.

При помощи данной методики была определена температура на поверхности пенополистирольных плит в летний и зимний периоды эксплуатации (см. рисунок 3).

С учетом вышеизложенного в таблице 3 приведены результаты расчета долговечности экструзи-онного пенополистирола для конструкций дорожных одежд, показанных на рисунках 1 и 2.

Литература

1. Гунин С.О., Зайченко П.А.,Стрельцов A.B. Высокопрочные синтетические георешетки в основаниях дорожных одежд / / Технический текстиль № 9, 2004.

2. Коганзон М.С. Автомобилизация требует жестких дорожных одежд. Современные возможности применения цементобетона при строитель-

стве дорожных одежд в России / / газета «Строительный эксперт». 2004. № 6.

3. Автомобильные дороги (совершенствование методов проектирования и строительства) / Ред. В.М. Сиденко. Киев: Буд1вельник, 1973. 278 с.

4. ОДН 218 046-01 Проектирование нежестких дорожных одежд Государственная служба дорожного хозяйства министерства транспорта Российской Федерации. М., 2001.

5. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит «Пе-ноплэкс» (введены в действие с 01.01.01 распоряжением № 00-35-р от 20.12.2000 г. Министерством транспорта Российской Федерации). М., 2000.

6. Горелышев Н.В. Технология и организация работ строительства автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1992.

7. Ушаков В.В. Современные методы строительства, ремонта и содержания цементобетонных покрытий автодорог. М.: МАДИ. По материалам сайта http: //www.expert74.com/nomer.php?art=51

8. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

9. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.: Химия, 1992. 320 с.

10. Иванов Д.В., Андрианов К.А., Ярцев В.П. Исследование долговечности и теплофизических характеристик экструзионного пенополистирола в стро-

строительные материалы и конструкции

ительстве / / Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 559-560.

11. Бируля А.К. Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1. Изд. 4-е, доп. и перераб. М.: Научно-техническое издательство министерства автомобильного транспорта и автомобильных дорог, 1961.

12. Пугачев И.Н. Анализ данных влияния температуры воздуха на температуру промерзания и оттаивания грунта земляного полотна на глубинах и использование их для назначения сроков ограничения пропуска автомобильной нагрузки разной грузоподъемности. Хабаровск: Изд-во Хабаров. унта. 2001. 9 с.

Определение долговечности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд

Отражена проблема регулирования водно-теплового режима земляного полотна, описана взаимосвязь между влажностью и прочностью грунтового основания. Рассмотрено решение данной проблемы при помощи использования экструзионного пенополистирола в качестве утепляющего слоя. Приведены конструкции дорожных одежд различных типов с использованием экструзионного пенополис-тирола. К процессам разрушения и деформирования применен термофлуктуационный подход. Изложена методика определения действующих напряжений и температур. Произведен прогноз долго-

вечности экструзионного пенополистирола в дорожной конструкции.

Definitiond of extruded penopolystyrene in various types of road clothes

by D.V.Ivanov, K.A. Andrianov, V.P. Yartsev

The problem of regulation of a water-thermal mode of an earthen cloth is reflected, the interrelation between humidity and durability of the soil basis is described. The decision of the given problem by means of use extruded penopolystyrene as a warming layer is considered. Designs of road clothes of various types with use экструзионного expanded polystyrene are resulted. To destruction and deformation processes it is applied the thermofluctuation approach. The technique of definition of operating pressure and temperatures is stated. The durability forecast extruded penopolystyrene in a road design is made.

Ключевые слова: водно-тепловой режим, экст-рузионный пенополистирол, нежесткие дорожные одежды, жесткие дорожные одежды, термофлук-туационная концепция прочности твердых тел, прогноз долговечности

Key words: a vodno-thermal mode, extruded penopolystyrene, nonrigid road clothes, rigid road clothes, the thermofluctuation concept of durability of firm bodies, the durability forecast.