Прочность и разрушение материалов битумных дорожных покрытий

Структура битумных дорожных покрытий

Гибкая дорожная конструкция представляет собой комбинацию нескольких слоев, которая служит для распределения нагрузок от движения (как динамических, так и статических) на нижележащие слои на таком уровне, чтобы слои могли выдерживать их без разрушения.
Напряжение максимально на верхней поверхности дорожного покрытия. Это значение напряжения уменьшается с глубиной сверху вниз. Таким образом, критерий прочности и коэффициент экономичности определяются на основе одной и той же концепции.
То есть верхний материал покрытия должен обладать большей прочностью, а нижний слой может быть менее прочным, что обеспечивает экономию при строительстве.

Режимы разрушения в структуре битумных дорожных покрытий

Существует два основных способа, с помощью которых дороги могут выйти из строя:

Функциональное разрушение конструкций битумных дорожных покрытий

Ухудшение состояния поверхности дорожного покрытия со временем приводит к образованию деформации, что свидетельствует о функциональном отказе. Основными причинами функционального разрушения являются сгребание, при котором происходит потеря камня, или фреттинг, или уменьшение текстуры поверхности из-за повышенного абразивного или полировочного эффекта, что, в свою очередь, снижает устойчивость дороги к заносу.

Структурное разрушение конструкций битумных дорожных покрытий

Непрерывное приложение колесной нагрузки к дорожному покрытию приводит к разрушению структуры. На ранних стадиях измерение повреждений было очень сложным, так как скорость разрушения была очень мала.
Со временем интенсивность движения и нагрузка увеличиваются, что приводит к ускорению процесса разрушения. Это сделало структурные изменения более четкими и измеримыми. Пробой может происходить в двух режимах. Это объясняется с помощью рисунка-1 и рисунка-2.
Режим 1 – это постоянная деформация, представленная на рисунке 1. Эти деформации наблюдаются в следах колес. Это приводит к образованию колеи под колесами.
Отсутствие нижней опоры или нестабильность нижнего слоя вызывают этот эффект. Эта колейность является структурным разрушением, которое отличается от других “неструктурных” типов постоянных деформаций.
Эти неструктурные постоянные деформации наблюдаются в битумных материалах из-за накопления небольших участков в результате приложения каждой колесной нагрузки, которые не могут быть восстановлены.

Режим 1 постоянной деформации, наблюдаемый в гибком дорожном покрытии

Способ 2 разрушения – растрескивание, как показано на рисунке 2. Эти режимы разрушения происходят через следы колес. Когда колесная нагрузка проходит в связанных слоях, возникает растягивающая деформация. Следовательно, скорость растрескивания будет зависеть от скорости деформации растяжения, усталостного разрушения и повторяющегося характера нагрузки.
Трещина образуется у основания связанного слоя, как показано на рис. 1. В этой точке растягивающее напряжение выше, как показано на рисунке-3. Это означает, что повреждение существовало в дорожном покрытии до появления трещины.

Режим 2- Усталостное растрескивание и критические напряжения

Изменение вертикального напряжения к радиальному напряжению ниже центральной линии приложения колеса (с нагрузкой на колесо 40 кН) на круговой площади радиусом 160 мм при постоянной скорости давления 0,5 Н/мм2 (согласно Peattie, 1978).

Повторяющийся характер нагрузки и чрезмерная деформация, возникающая в конструкции, являются основными причинами обоих вышеупомянутых разрушений. Следовательно, срок службы дороги определяется через определение типа разрушения. Это также поможет оценить нагрузки, приходящиеся на дорожное покрытие, и провести оценку эксплуатационных характеристик.
Необходимо рассмотреть неисправность дороги с точки зрения ремонтопригодности или пригодности к эксплуатации. Это обеспечит состояние дороги, приемлемое для безопасной езды водителей.
На основе трех условий исправное, критическое и аварийное определяется состояние дорожного покрытия. В таблице-1 показаны критерии, на основании которых можно объяснить состояние дорожного покрытия.

Таблица.1: Состояние дорожного покрытия определяется по появлению трещин на поверхности

Усталостные характеристики битумных дорожных покрытий

В результате многократного приложения растягивающего напряжения или деформации растяжения битумный материал подвергается разрушению. Такое растрескивание называется усталостным растрескиванием. Количество нагрузок, приложенных до появления трещин, меньше, если интенсивность или величина каждой нагрузки выше. Количество циклов, которое может произойти до образования трещины, зависит от:

• уровня напряжения и деформации
• пропорции смеси всего материала
• Природа битума

Методы испытания усталостной прочности битумных материалов

Усталостные характеристики битумных материалов могут быть проведены с помощью различных испытаний. На рисунке 4 показаны испытания на изгиб. Здесь моделируется повторяющееся изгибающее воздействие в жестком связанном слое данного дорожного покрытия. Изгибающее воздействие здесь вызвано прохождением каждого колеса (нагрузка на колесо). До разрушения зависит диапазон циклов, которые может выдержать покрытие:

Условия деформации при напряжении в битумных конструкциях

Испытания на усталость, проводимые на образцах битумных конструкций, могут быть двух типов. К ним относятся:

Эти два метода являются двумя альтернативами для определения усталостных свойств битумных материалов, которые дают совершенно разные результаты. На рисунке 5 показана схема результатов, которые получаются в случае испытаний с постоянным напряжением. Разница температур испытаний представлена разными линиями. Это означает, что получены значения испытаний для различной жесткости. Из графика ясно видно, что чем больше жесткость, тем больше срок службы.

График, показывающий линии усталости в соответствии с условиями испытания при постоянном напряжении; Nf – количество циклов до разрушения, S – жесткость для различных условий испытания

Результаты испытаний на постоянную деформацию приведены на рисунке 5. Здесь, в отличие от результатов испытаний при постоянном напряжении, результаты обратные, т.е. смесь показала меньший срок службы при более высокой жесткости. Все остальные показатели аналогичны приведенному выше рисунку 5.

График, показывающий линии усталости в соответствии с условиями испытаний при постоянной деформации; Nf – количество циклов до разрушения, S – жесткость для различных условий испытаний

Такой контраст между результатами двух испытаний можно объяснить с помощью механизма разрушения. В месте концентрации напряжений зарождается трещина. Она будет распространяться по материалу до тех пор, пока не произойдет разрушение.
Приведение значения напряжения к постоянному значению приведет к тому, что напряжение в вершине трещины будет выше, что сделает распространение трещины быстрым. Но в случае испытаний с постоянной деформацией, поскольку распространение трещины способствует увеличению деформации, уровень напряжения снижается. Это уменьшит напряжение на вершине трещины и сделает распространение трещины медленным. Таким образом, выбор испытаний для понимания поведения данного дорожного покрытия является важным фактором.
Проведенные исследования показали, что испытание на постоянную деформацию применяется для тонких слоев дорожного покрытия (поверхностных слоев). Эти тонкие слои перемещаются с нижними структурными слоями, и они эффективно подвергаются контролю деформации.
В то время как для толстых структурных слоев подходящим выбором является испытание на постоянное напряжение. Этот критерий обусловлен тем, что слои дорожного покрытия в большей степени подвержены системам нагрузки, контролируемым по напряжению, и основные структурные слои дорожного покрытия, которые в основном имеют большую толщину, будут контролироваться по напряжению.

Критерии деформации

Как показано на рисунке 5(b), логарифмическая диаграмма деформации, построенная против циклов нагрузки, показывает единственную линейную зависимость, для всех условий испытаний. Это выполняется для смеси. Или мы можем сказать, что зависимость не зависит от жесткости смеси.
Это показывает, что деформация является главным критерием, определяющим разрушение вследствие усталости. Это было подробно объяснено в статье Купера и Пелла в 1974 году. Они также показали, что уникальные линии усталости даются широким диапазоном смесей, которые были подвергнуты испытанию на прочность при изгибе. Линия усталости дает зависимость, как указано ниже:
Здесь Nf – количество циклов нагрузки, при которых зарождается усталостная трещина. Максимальная приложенная деформация растяжения составляет ?, C и m – константы. Константы зависят от состава и свойств асфальтовой смеси. На рисунке 5 показаны линии усталости для ряда асфальтовых смесей.

Влияние переменных параметров смеси

Существуют определенные переменные, которые влияют на линию усталости, связанную с асфальтовой смесью. Исследования, проведенные Купером и Пеллом в 1974 году, показали, что переменные параметры имеют первостепенное значение. Этими параметрами являются объем битумной смеси, а также температура размягчения битума. Вязкость здесь является мерой температуры размягчения.
При увеличении объема битума (до 15%) срок службы увеличивается. При увеличении температуры размягчения битума до 60 градусов Цельсия увеличивается усталостная прочность.
Существует множество факторов, которые влияют на вышеупомянутые переменные. Одним из них является содержание пустот, которые влияют на объем битума. Форма частиц, а также сорт заполнителя являются факторами, которые влияют на общее содержание пустот в объеме.
Следовательно, содержание битума будет контролировать связь между обрабатываемостью, содержанием пустот и усилием уплотнения.
Читать далее:
Виды разрушений в битумных покрытиях и их причины
Виды разрушений в гибких дорожных покрытиях, их причины и методы ремонта
Виды битумных смесей для строительства дорожных покрытий и их применение
Долговечность битумных покрытий и факторы, влияющие на нее
Битумные материалы – виды, свойства и применение в строительстве

• Градация битума – различные методы градации битума.
• Виды битумных материалов в строительстве – применение и свойства.
• Почему битум используется в дорожном строительстве? Свойства и преимущества битума для дорожных покрытий.
• Долговечность битумных покрытий и факторы, влияющие на нее.
• Проектирование битумной смеси для дорожного покрытия – типы, материалы и свойства.
• Виды битумных смесей для строительства дорожных покрытий и их применение.
• Виды разрушений в гибких дорожных покрытиях, их причины и методы ремонта.