Профілактика руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-

ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 625.004:625.768.5

Профілактика руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів

- Автомобільні шляхи та аеродроми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сєдов Андрій Віталійович

Харків 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі будівництва та експлуатації автомобільних доріг Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету Міністерства освіти України.

Захист дисертації відбудеться “ 7 ” жовтня 1999 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К64.059.01 Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університета (310002, Україна, м.Харків, вул. Петровського , 25).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету ( 310002, Україна, м.Харків, вул. Петровського , 25).

Автореферат розісланий “1” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Космін О.В.

АНОТАЦІЯ

Сєдов А.В. Профілактика руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів: - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11- “Автомобільні шляхи та аеродроми” - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 1999.

На основі системного підходу запропоновано досліджувати руйнівний вплив агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів на асфальтобетонні покриття з урахуванням напружньо-деформованного стану дорожньої конструкції. Результати експериментальних досліджень виявили, що хлориди сприяють проникненню агресивних середовищ в асфальтобетонні покриття, шари основи та земляне полотно. Визначені критичні концентрації агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів, при яких максимально прискорюються різні види руйнувань покриттів. За результатами досліджень закономірностей руйнувань покриттів в агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів обгрунтовано спосіб профілактики руйнувань регулюванням фізико-хімічних властивостей середовищ протиожеледних матеріалів у процесі боротьби із зимовою слизькістю.

Ключові слова: автомобільна дорога, асфальтобетонне покриття, хлористі протиожеледні матеріали, агресивне середовище, профілактика руйнувань.

асфальтобетонний покриття навантаження

SUMMARY

Sedov A.V. Preventive maintenance of destructions of road asphalt pavement in aggressive environments of chloristil anti-ice materials.- Manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.22.11 - “Highways and air stations”. -Kharkov State Automobile and Highway Technical University, Kharkov , 1999.

On the basis of the system approach to investigate a destroying influence of aggressive environments chloristil anti-ice materials on asphalt pavement with the account of stressedly-deformed condition of a road design is offered. Results of experimental researches have revealed, that chlorides layers of the basis and earth linen promote penetration of aggressive environments in asphalt pavement . Critical concentration of addressive environments of chloristil anti-ice materials, at which different kinds of pavement destructions are maximally accelerated are determined. By researches results of laws of asphalt pavement destructions in aggressive environments of chloristil anti-ice materials a way of preventive maintenance of destructions by regulation of anti-ice materials phisical and chemical properties during struggle with winter sliding is justified.

Key words: a highway, asphalt pavement, chloristil anti-ice materials, aggressive environment, preventive maintenance of destructions.

АННОТАЦИЯ

Седов А.В. Профилактика разрушений дорожных асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах хлористых противогололедных материалов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - “Автомобильные дороги и аэродромы”. - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999.

На основе системного подхода предложено исследовать разрушающее влияние агрессивных сред хлористых противогололедных материалов на асфальтобетонные покрытия с учетом напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции.

В системе факторов определены и проанализированы подсистемы, в которых действие агрессивных сред противогололедных материалов на процессы разрушения покрытий проявляется в наибольшей степени.

Установлено, что действие водных растворов хлоридов определяется, в основном, физико-химическими процессами смачивания асфальтобетона как капиллярно-пористого тела и накоплением гигроскопических солей в верхнем слое земляного полотна с последующим повышением содержания влаги в грунте, снижением его устойчивости и прочности дорожной конструкции.

Анализ закономерностей изменения физико-химических свойств водных растворов хлоридов позволил обосновать гипотезу о существовании их критической концентрации, при которой разрушение покрытий будет максимальным.

Экспериментальные исследования подтвердили эту гипотезу. Установлены критические концентрации агрессивных сред противогололедных материалов: для хлорида натрия - 5 мас.%, для хлорида кальция - 3 мас.%. Полученные результаты показывают, что при 5% концентрации NaCl краевой угол смачивания на граните уменьшается на 21%, на битуме - на 6%, на стекле - на 27%. Вследствие этого насыщение асфальтобетона раствором NaCl и набухание в нем больше, чем в воде, соответственно на 31% и 58%. Под влиянием агрессивных сред хлоридов прочность асфальтобетона при сжатии уменьшается на 26%, при растяжении на изгиб на 14%. Определено, что для критической концентрации раствора износ асфальтобетонных покрытий на 32% больше, чем в воде. Устойчивость асфальтобетона к действию циклических нагружений уменьшается в 6 раз.

Насыщение верхнего слоя грунта земляного полотна приводит к снижению модуля упругости грунтового основания на 50% для суглинка и 37% для супеси. Для различных конструкций дорожной одежды это приводит к уменьшению модуля упругости на 12-15% и, соответственно, можно прогнозировать увеличение относительной площади разрушений дорожных асфальтобетонных покрытий на 2-3,5%.

По результатам исследований закономерностей разрушений покрытий в агрессивных средах хлористых противогололедных материалов обоснован способ профилактики разрушений регулированием физико-химических свойств сред противогололедных материалов в процессе борьбы с зимней скользкостью добавками - ингибиторами разрушений.

В качестве таких добавок предложено использовать соли фосфорной кислоты. Введение этих добавок позволило снизить насыщение асфальтобетона на 50%, увеличить износостойкость на 26%, устойчивость к воздействию циклических нагрузок на 50-60%.

Опытно-производственная проверка подтвердила результаты теоретических и экспериментальных исследований. Объем разрушений на опытных участках, где для борьбы с зимней скользкостью в течение двух сезонов применялись ингибиторы разрушения, оказался значительно меньшим, по сравнению с контрольными участками, на которых использовалась стандартная технология борьбы с зимней скользкостью. Добавление к составу противогололедных материалов ингибиторов разрушения в количестве 1% от массы соли позволило уменьшить площадь шелушения на 25-50%, площадь выкрашивания на 21%, ямочность - на 13%.

По результатам исследований разработаны и введены корпорацией “Укравтодор” “Рекомендации по повышению работоспособности дорожных асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах хлористых противогололедных материалов”(1996). Предложены коэффициенты межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий под действием агрессивных сред противогололедных материалов. Определены нормы расхода противогололедных материалов, содержащих ингибиторы разрушений.

Экономический эффект от применения ингибиторов разрушения составляет в ценах 1998 года 1321 грн. на 1 км. дороги II категории.

Ключевые слова: автомобильная дорога, асфальтобетонное покрытие, хлористые противогололедные материалы, агрессивная среда, профилактика разрушений.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ефективність експлуатації автомобільного транспорту та безпека руху в значній мірі залежать від стану автомобільних шляхів і, особливо, дорожніх покриттів. Найбільше поширення на автомобільних шляхах України отримали асфальтобетонні покриття і у найближчому майбутньому частка обсягу дорожніх одягів з покриттями цього типу буде складати не менш 90% обсягу усіх удосконалених капітальних покриттів. Під дією комплексу транспортних навантажень і факторів зовнішнього середовища на асфальтобетонних покриттях зароджуються, розвиваються та накопичуються пошкодження: деформації та руйнування.

Аналіз тенденцій розвитку методів боротьби із зимовою слизькістю в Україні та в світі (за матеріалами Міжнародних конгресів з зимового утримання автомобільних доріг(1990,1994,1998 рр.) свідчить, що найбільш поширенним залишається хімічний спосіб боротьби із зимовою слизькістю. При хімічному способі по обмерзлому покриттю розподіляють хлориди натрію, кальцію або магнію, які розтоплюють льод. Вплив агресивних середовищ протиожеледних матеріалів на руйнування асфальтобетонних дорожніх покриттів зараз досліджено недостатньо. Одним з основних недоліків виконаних досліджень є неповний облік комплексного впливу транспортних навантажень, природних факторів і агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів на дорожні асфальтобетонні покриття в реальних умовах експлуатації. Це не дозволяє розробити ефективні способи профілактики руйнувань асфальтобетонних покриттів при зимовому утриманні шляхів. Якщо врахувати, що на усунення руйнувань при ремонті покриттів щорічно витрачаються дуже великі матеріальні, фінансові і трудові ресурси, то можна зробити висновок щодо актуальності вирішуємої наукової задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до плану науково-дослідних робіт корпорації “Укравтодор” на 1996 р., тема № 14 “Підвищення роботоздатності дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів”.

Метою дослідження є обгрунтування способу зменшення руйнівної дії агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів на асфальтобетонні покриття при зимовому утриманні автомобільних шляхів на підставі встановлення закономірностей руйнувань покриттів при комплексній дії транспортних навантажень та природних факторів.

Задачі досліджень:

1 Визначення особливостей руйнувань асфальтобетонного покриття як частини дорожньої конструкції при комплексній дії транспортних навантажень, природних факторів і агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів.

2 Визначення критичної концентрації хлористих протиожеледних матеріалів, як агресивних середовищ, за критеріями розвитку руйнувань покриттів (знос, втомленість, міцність).

3 Дослідження дії агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів на несучу здатність грунтової основи дорожніх одягів.

4 Обгрунтування способу профілактики руйнувань асфальтобетонних покриттів у процесі боротьби із зимовою слизькістю хлористими протиожеледними матеріалами.

5 Розробка та дослідно-виробнича перевірка в дорожньо-експлуатаційних організаціях рекомендацій щодо удосконалення технології боротьби із зимовою слизькістю.

Наукова новизна отриманих результатів:

-запропоновано новий підхід до оцінки руйнівного впливу агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів на асфальтобетонні покриття з урахуванням напружньо-деформованого стану дорожньої конструкції;

-уточнено закономірності процесів руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів при комплексній дії транспортних навантажень, природних факторів і агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів;

-визначено критичні концентрації агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів, при яких максимально прискорюються різні види руйнувань покриттів: лущення та викришування матеріалу поверхні, утворення тріщин та вибоїн;

-обгрунтовано спосіб профілактики руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів регулюванням фізико-хімічних властивостей агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів у процесі боротьби із зимовою слизькістю.

Практичне значення отриманих результатів:

- удосконалено технології боротьби із зимовою слизькістю, впровадження якої забезпечує зменшення руйнівного впливу хлористих протиожеледних матеріалів на дорожні асфальтобетонні покриття та підвищує довговічність покриттів;

- на замовлення державної корпорації “Укравтодор” розроблені та уведені до дії “Рекомедації по підвищенню роботоздатності дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів”;

-дослідно-виробнича перевірка запропонованої технології боротьби із зимовою слизкістью здійснена на протязі 1997-1999 років в Артемівському райШРБУ Донецької області та Харківському обласному підрядному спеціалізованому підприємстві з ремонту, будівництва, експлуатації автошляхів і мостів на 116,5 км автомобільних шляхів з асфальтобетонними покриттями. Використано 723,5т протиожеледних матеріалів із запропонованими домішками. Економічний ефект від впровадження становить 71,6 тис.грн.

Особистий внесок здобувача:

- визначені особливості руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів як частини дорожньої конструкції при комплексній дії навантажень, факторів зовнішнього середовища та агресивних середовищ протиожеледних матеріалів;

-разом з науковим керівником обгрунтовано спосіб профілактики руйнувань асфальтобетонних покриттів у процесі боротьби із зимовою слизькістю хлористими протиожеледними матеріалами;

- запропоновані домішки до протиожеледних матеріалів для зменшення руйнівної дії агресивних середовищ;

-в розробці “Рекомендацій по підвищенню роботоздатності дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів” в рівній мірі приймали участь всі співавтори.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Удосконалення транспортно-експлуатаційних якостей автомобільних доріг” (м. Мінск, 1996 р.), “Промисловість будівельних матеріалів та будівельна індустрія, енерго- та ресурсозбереження в умовах ринкових відношень” (м. Белгород, 1997 р.). “Розвиток технічної хімії в Україні” (м. Харків, 1997 р.), “Проблеми транспортного будівництва і транспорту ”(м. Саратов, 1997 р.), республіканській конференції “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку” (м. Київ, 1998 р.), науково-технічній раді ДержшляхНДІ (м. Київ, 1996 р.), науково-методичних сесіях ХДАДТУ (м. Харків, 1997-1998 р.р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових робіт (в тому числі 6 статей в журналах і збірках наукових праць, 3 тези доповідей в матеріалах науково-технічних конференцій, рекомендації корпорації “Укравтодор”).

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 143 найменувань на 11 сторінках і 11 додатків на 40 сторінках. Містить 138 сторінок основного тексту, серед них 53 малюнка ( 44 сторінки) і таблиць 9 (11 сторінок).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні наукові результати, які отримані автором, віддзеркалено їхнє практичне значення і реалізація.

У першому розділі наведений огляд і аналіз досліджень впливу транспортних навантажень і факторів зовнішнього середовища на дорожню конструкцію в цілому і без-посередньо на асфальтобетонне покриття. Оглянуті основні види руйнувань та причини їх утворення, а також визначені фактори, які мають найбільший руйнівний вплив на покрит-тя. Дослідженню процесів розвитку руйнувань дорожніх покриттів та причинам їх утворен-ня присвячені роботи О.К.Біруля, В.І. Братчуна, М.В. Буніна, Д.І. Гегелія, Л.Б. Гезенцвея,

В.А.Головка, С.О.Гордєєва, В.І. Заворицького, В.О. Золотарьова, М.М.Іванова, С.С. Кизими, В.К. Курінова, Б.І. Ладигіна, І.І. Леоновича, О.П. Матросова, С.Г. Миховича, В.В. Мозгового, Б.Г. Печеного, Є.Д. Прусенка, В.С. Титаря, Б.С. Радовського, В. М. Сіденка, А. В. Руденського, О.В. Смірнова, І. К. Яцевіча, В.К. Грабовського, І. Шваба, В.Венца, Р. Брента та інших вчених.

За результатами аналізу досліджень виявлено, що вплив факторів зовнішнього середовища значно інтенсифікує процеси руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів. Одним з таких факторів є агресивні середовища протиожеледних матеріалів, які використовуються при боротьбі із зимовою слизькістю.

Дослідженнями Б.С. Курінова доведено, що в агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів змінюється груповий склад бітуму в асфальтобетоні, зростає частка асфальтенів та зменшується частка смол та масел. Це може викликати зниження корозійної стійкості асфальтобетону, розвиток лущення та викришування покриттів.В роботах кафедри технології дорожньо-будівельних матеріалов ХДАДТУ під керівництвом професора В.О.Золотарьова визначено вплив агресивних середовищ протиожеледних матеріалів на довготривалу міцність асфальтобетону, процеси змочування та розтікання середовищ по поверхні кам'яних матеріалів та бітуму.

Деякі закономірності руйнування асфальтобетонних покриттів визначені за результатами досліджень Є.Д. Прусенка. Аналіз результатів досліджень показав, що агресивні середовища протиожеледних матеріалів прискорюють руйнування покриттів. Але отримані закономірності не враховували в повній мірі умови роботи асфальтобетонного покриття як частини дорожньої конструкції при комплексній дії транспортних навантажень, природніх факторів та агресивних середовищ протиожеледних матеріалів. Це, в свою чергу, не дозволяє розробити ефективні методи попередження руйнувань асфальтобетонних покриттів при зимовому утриманні доріг. За результатами аналізу стану питання сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі виконано теоретичний аналіз комплексної дії транспортних навантажень, природних факторів та агресивних середовищ протиожеледних матеріалів. На основі системного підходу запропоновано дослідити закономірності руйнування асфальтобетонних покриттів у агресивних середовищах протиожеледних матеріалів з урахуванням напружньо-деформованого стану дорожніх конструкцій при комплексній дії транспортних навантажень та факторів зовнішнього середовища (рис.1). Такий підхід дозволив визначити закономірності руйнувань, які в більшій мірі відповідають реальним умовам експлуатації.

В системі факторів визначені та проаналізовані підсистеми, в яких дія агресивних середовищ протиожеледних матеріалів на процеси руйнування покриттів виявляється у найбільшому ступені. Для створення моделі комплексного впливу транспортного навантаження, природних факторів і агресивних середовищ протиожеледних материалів на процеси руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів були визначені найбільш впливові фактори (рис.2). До таких факторів належать: навантаження на вісь: інтенсивність руху, горизонтальні зусилля, температурний та вологісний режим дорожньої конструкції, розчини хлоридів.

Під впливом транспортних навантажень у дорожньому одязі та земляному полотні утворюються напруги і деформації, які призводять до руйнування асфальтобетонних покриттів. Процеси руйнування залежать не тільки від величини транспортних навантажень, але й від фізико-механічних властивостей асфальтобетонних покриттів і дорожньої конструкції в цілому, на які впливають природні фактори і агресивні середовища протиожеледних матеріалів

(1)

де R - фізико-механичні властивості матеріалу покриття;

Ез.п. - модуль пружності земляного полотна;

t - температура повітря;

W - вологість;

С - концентрація розчинів хлоридів.

Розчини хлоридів не виявляють високої хімічної активності по відношенню до асфальтобетону. Але наявність у воді протиожеледних солей змінює властивості рідини, що полегшує її проникнення до покриття.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що агресивний вплив водних розчинів хлоридів визначається фізико-хімічними процесами змочування асфальтобетону і накопичуванням гігроскопичних солей у верхньому шарі земляного полотна.

Процес руйнування покриттів тісно пов'язаний з міграцією розчинів по мікротріщинам та відкритим порам в асфальтобетонному покритті, механізм якого можна розглядати у зв'язку з капілярними явищами. Відповідно до теорії підняття рідини у капилярі, глибину насичування асфальтобетону запропоновано характерізувати залежністю

(2)

де h - висота підняття рідини по капіляру; - час підняття рідини по капіляру;

- поверхневий натяг рідини; - крайовий кут змочування;

r - радіус капіляра; - щільність рідини ; - в'язкість рідини .

Глибина проникнення агресивного середовища в покриття залежить від співвідношення інтенсивностей змінення , , в залежності від концентрації хлоридів. Виходячи з цього, визначаємо, що існує критична(екстремальна) концентрація хлоридів в розчині Cext , при якій руйнівний вплив агресивного середовища буде максимальним.

Під дією транспортних навантажень в асфальтобетонних покриттях виникають розтягуючі напруги, які сприяють їх руйнуванню. Особливо це стає небезпечним у холодний період року, коли під дією низької температури покриття стає крихкім, також в ньому виникають додаткові розтягуючі напруги, що сприяють найбільш швидкому розвитку руйнувань.

Крім цього, в процесі багаторазового заморожування-розморожування асфальтобетону, в асфальтов'яжучому та в зоні його контакту з мінеральними матеріалами виникають мікротріщини, через які розчини хлоридів проникають до покриття. Внаслідок цього в асфальтобетоні зростає насичення і зменшується міцність.

В процесі експлуатації розчини хлоридів проникають в дорожню конструкцію. Накопичування їх в грунті земляного полотна, особисто в його робочій зоні, сприяє зниженню його несучої здатності. В результаті цього знижується міцність дорожнього одягу, збільшуються прогини дорожнього покриття під дією транспортних навантажень і, як наслідок, відбувається інтенсивний розвиток руйнувань.

Оскільки протиожеледні матеріали, які використовують для боротьбі із зимовою слизькістю, інтенсифікують процеси руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів, то найбільш ефективним способом профілактики руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів є регулювання фізико-хімічних властивостей агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів у процесі боротьби із зимовою слизькістю. Зменшення агресивності середовища протиожеледних матеріалів по відношенню до асфальтобетонних покриттів забезпечується введенням в суміші інгибітору руйнування - солей фосфорної кислоти. Інгібітори руйнування змінюють структуру водного розчину хлоридів, який утворюється під час розтавання льоду. Внаслідок цього зменшується змочування та глибина просочування асфальтобетону водним розчином хлоридів, що зменшує їх руйнівний вплив на асфальтобетонні покриття.

У третьому розділі наведені методика та результати експериментальних досліджень процесів проникнення агресивних рідких середовищ в асфальтобетонне покриття, процесів руйнування асфальтобетону у агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів та впливу хлоридів на розрахункові характеристики грунтів основи.

Для проведення досліджень використовувався дрібнозернистий асфальтобетон (ГОСТ 9128-84), хлориди натрію (ТУ 4234-77) і кальцію (ГОСТ 460-70), фосфат калію (ТУ 10075-75), однозаміщений фосфат кальцію (ТУ10091-75).

У даній роботі, крім стандартних, прийнято низку спеціальних методів досліджень: визначення крайового кута змочування розчинів, зносостійкості асфальтобетону, руйнування асфальтобетону від циклічних навантаженнь виконані на приладах, розроблених у Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті.

Теоретичними долідженнями виявлено, що вплив розчинів хлоридів на асфальтобетонні покриття залежить від насичення ними покриття. На цей процес впливає концентрація розчину протиожеледного матеріалу.

Як виявили результати експериментальних досліджень, висота капілярного підняття розчинів хлоридів більша, ніж у воді. Найбільш небезпечною є п'ятивідсоткова концентрація NaCl. Для цієї концентрації висота капілярного підняття рідини збільшується на 29%, у порівнянні з водою. Результати експериментальних досліджень по визначенню крайового кута змочування на підложках - кварцове скло(1), граніт(2), мармур(3), кварц (мінерал) (4); бітум(5) - дозволяють встановити, що при п'ятивідсотковій концентрації розчину NaCl крайовий кут змочування зменшується на 21-27% на кам'яному матеріалі, на 6% - на бітмі (рис.3)

Таким чином, підтверджується теоретичний висновок щодо існування критичной концентрації, при якій проникнення розчину буде максимальним. Дослідження насичення і набрякання асфальтобетону проводилися у воді та водних розчинах хлориду натрія. В результаті досліджень визначено, що насичення та набрякання асфальтобетону у п'ятивідсотковому розчині NaCl більші, ніж у воді, на 31% і 58% відповідно (рис. 3). 6% - на бітумі (рис.3)

Рисунок 3 - Заледність крайового кута змочування (O), насичення (W) та набрякання (Н) асфальтобетонних зразків від концентрації розчину NaCl (C).

Для визначення впливу агресивних середовищ протиожеледних матеріалів на процеси руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів виконані експериментальні дослідження щодо виявлення межі стійкості асфальтобетону до розтягу при згині, стиску, зносостійкості, руйнування асфальтобетону від знакозмінних температур і циклічних навантажень у розчинах хлоридів різної концентрації. Перед випробуваннями зразки зазнавали насичення у воді і водних розчинах хлоридів різної концентрації.

На підставі аналізу результатів експеріменту виявлено, що внаслідок впливу агресивних середовищ хлоридів знижується стійкість асфальтобетону до стиску і розтягу при згині. Найбільш небезпечною є п'ятивідсоткова концентрація NaCl, при якій стійкість асфальтобетону до стиску знижується на 26%, стійкість до розтягу - на 14%. Зносостійкість асфальтобетону було запропоновано характеризувати питомою енергією зносу

(3 )

де r -радіус зразка; q -тиск в зоні контакту зразка з поверхнею кругу; - коефіцієнт тертя; R - радіус доріжки на кругу стирання, по якій зразок контактує з поверхнею кругу; n - кількість обертів кругу.

Визначено, що при критичної концентрації знос асфальтобетонних покриттів на 32% більший, ніж у воді (рис. 4).

В процесі експлуатації асфальтобетонні покриття зазнають одночасну дію транспортних навантажень та знакозмінних температур. У відповідності із задачами дослідження визначені фактори, які найбільш впливають на руйнування покриттів у зимовий період експлуатації: температура та концентрація хлоридів. Дослідження проводилось за допомогою приладу для випробування асфальтобетонних зразків циклічними навантаженнями. Отримані результати вказують, що сумісна дія розчинів хлоридів і знакозмінних температур істотно впливає на процеси руйнування асфальтобетонних покриттів. Вплив агресивних середовищ протиожеледних матеріалів в значній мірі залежить від концентрації розчинів.

Ступінь впливу циклів заморожування-відтавання на процеси руйнування залежить від концентрації розчинів хлоридів. Із збільшенням концентрації хлоридів зменшується морозостійкість асфальтобетону (рис. 5б).

Експериментальними дослідженнями також виявлено, що насичення грунтів розчинами хлоридів призводить до зниження їх модуля пружності на 37-50%.

Оскільки найбільш небезпечною є п'ятивідсоткова концентрація розчину NaCl, то для неї були виконани дослідження щодо впливу солей фосфорної кислоти на процеси проникнення агресивних середовищ у асфальтобетонні покриття. Наявність цих домішок дозволила знизити насичення асфальтобетону на 50% (рис. 6)

Експериментальними дослідженнями встановлено, що додавання цих речовин збільшує на 26% зносостійкість покриття (рис.4) та його стійкість до дії циклічних навантажень у середньому на 50-60%.

В четвертому розділі наведені результати дослідно-виробничої перевірки застосування хлористих протиожеледних матеріалів з домішками фосфатів. Для цього у 1996 році були визначені дослідні і контрольні ділянки на автомобільних шляхах загального користування та міських вулицях у різних дорожньо-кліматичних умовах: в Харківськой та Донецькой областях. В якості протиожеледного матеріалу застосовувалась суміш фрікційного матеріалу з хлоридом натрія. Інгібітори руйнування додавались у підготовлену суміш. Норма витрат - 1% від маси солі.

Результати порівняльної оцінки стану покриття дослідних і контрольних ділянок довели, що при використанні як інгібітора руйнування однозаміщеного фосфату кальція (Ca(H2PO4)2) відносна площа лущення менше, ніж на контрольних ділянках на 25-54%, відносна площа викришування на 12-21%, ямковість - на 10-13%. При застосуванні в якості інгібітора руйнування фосфорнокислого калію (К3РО4) на дослідній ділянці відносна площа лущення і викрошування виявилась на 16% меншою, ніж на контрольній, ямковість - на 14% менше.

У 1998 та 1999 р.р. були проведені повторні дослідження контрольних і дослідних ділянок. Об'єми руйнувань на дослідних ділянках на 13-30% менш, ніж на контрольних.

Таким чином, дослідно-виробнича перевірка результатів досліджень підтвердила теоретичні висновки щодо запропонованного способу зменшення руйнівної дії агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів.

За результатами лабораторних і польових досліджень розроблені та запроваджені рекомендації щодо профілактики руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів у агресивних середовищах хлористих протиожеледних матеріалів. Запропоновані коефіцієнти зменшення міжремонтних термінів служби дорожніх одягів і покриттів(табл. 1), що враховують руйнівний вплив агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів.

Таблиця 1 Значення коефіцієнтів міжремонтних термінів служби дорожніх асфальтобетонних покриттів

Інтенсивність руху авт/добу	Значення коефіцієнтів міжремонтних термінів служби асфальтобетонних покриттів S для кількості днів з ожеледдю за зиму
	до 5	5-10	10-20	20-30	більш 30
Менш 1000 1000-3000 3000-7000 Більш 7000	1,00(1,00) 1,00(0,95) 1,00(0,90) 1,00(0,85)	1,00(1,00) 1,00(0,93) 1,00(0,88) 1,00(0,83)	1,00(0,97) 1,00(0,90) 0,95(0,85) 0,90(0,80)	1,00(0,95) 0,98(0,88) 0,93(0,80) 0,85(0,75)	1,00(0,90) 0,95(0,85) 0,90(0,75) 0,80(0,70)

Примітка: у дужках наведені значення коефиціентів для небезпечних ділянок шляхів

Пропонується зменшувати агресивний вплив хлористих протиожеледних матеріалів на асфальтобетонне покриття додаванням до протиожеледної суміші інгібіторов руйнування покриттів. Визначені норми застосування протиожеледних матеріалів, які вміщують інгібітори руйнування.

Розроблена методика визначення економічного ефекту від впровадження запропонованого способу боротьби із зимовою слизькістю. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень в 1997-1999 роках становить 71,6 тис.грн.

ВИСНОВКИ

Аналіз заходів боротьби із зимовою слизькістю виявив, що у найближчій перспективі відсутня альтернатива хімічному способу, при якому по поверхні обмерзлого покриття розподіляють хімічні протиожеледні матеріали. З таких матеріалів найчастіше застосовують хлориди NaCl, CaCl2, MgCl2. Водні розчини протиожеледних материалів, які утворюються при розтаванні льоду або снігу, прискорюють процеси руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів.

На підставі системного підходу визначені особливості процесу руйнування асфальтобетонних покриттів у агресивних середовищах протиожеледних матеріалів з урахуванням напружньо-деформованого стану дорожніх конструкцій при комплексній дії транспортних навантажень та факторів зовнішнього середовища. В системі факторів, що визначають процеси руйнування покриттів, виділені та проаналізовані підсистеми, у яких дія агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів виявляється у найбільшому ступені. Виявлено, що агресивна дія водних розчинів хлоридів визначається переважно фізико-хімічними процесами змочування асфальтобетону як капілярно-пористого тіла і накопиченням гігроскопічних солей у верхньому шарі земляного полотна з наступним підвищенням вологості грунту, зниженням його стійкості та загальної міцності дорожньої конструкції .

3.Теоретичними та експеримантальними дослідженнями підтверд-жено існування критичної концентрації агресивних середовищ протиоже-ледних матеріалів: для хлориду натрія вона складає 5 мас.%; для хлориду кальція - 3 мас.%. Виявлено, що при п'ятивідсотковій концентрації NaCl крайовий кут змочування на граніті зменшується на 21 %, на бітумі - на 6 %, на кварцовому склі - на 27 %. Внаслідок цього величини насичення асфальтобетону розчином NaCl та набрякання більші, ніж у воді, відповідно на 31 % та 58 %. Під впливом агресивних середовищ хлоридів стійкість асфальобетону до стиску знижується на 26% , на розтяг при згині на 14 %. Визначено, що для критичної концентрації агресивних середовищ хлоридів знос асфальтобетонних покриттів на 32% більшій, ніж у воді. Стійкість асфальтобетону до дії циклічних навантажень зменшується у 6 разів.

4. Насичення верхнього шару грунту земляного полотна розчинами протиожеледних матеріалів призводить до зниження модуля пружності грунтової основи на 50% для суглинку і 37% для супісі. Для різних конструкцій дорожніх одягів це призводить до зменшення загального модуля пружності на 12-15% і відповідно до цього можна прогнозувати збільшення відносної площі вибоїн на дорожніх асфальтобетонних покриттіях на 2-3,5%.

5.Обгрунтовано спосіб профілактики руйнувань дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах регулюванням властивостей середовища додаванням до протиожеледних матеріалів інгібіторів руйнування - солей фосфорної кислоти в кількості 1-3 % від маси хлоридів. Солі фосфорної кислоти створюють на поверхні асфальтобетонних покриттів і стінках капілярів малорозчинні сполуки, які підвищують крайовий кут змочування їх водними розчинами та перешкоджають проникненню хлоридів у покриття та грунт земляного полотна. Експериментальні дослідження довели, що додавання цих речовин знижує насичення асфальтобетону розчинами на 50-56%, збільшує на 26% зносостійкість покриття, та його стійкість до дії циклічних навантажень у середньому на 50-60 %.

6 Дослідно-виробнича перевірка підтвердила результати теоретичних і експериментальних досліджень. Об'єми руйнувань на дослідних ділянках, де для боротьби із зимовою слизькістю два сезони застосовувалися інгібітори руйнування, були значно меншими, у порівнянні з контрольними ділянками, на яких використовувалась стандартна технологія боротьби із зимовою слизькістю. Додавання до складу протиожеледних матеріалів інгібітору руйнування у кількості 1% від маси солі дозволило зменшити площу лущення покриттів на 25-50%, площу викришування на 21%, ямковість - на 13%.

Розроблені та уведені до дії корпорацією “Укравтодор” “Рекомедації по підвищенню роботоздатності дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів”. Економічний ефект від впровадження інгібіторів руйнування складає у цінах 1998 року 1,3 тис. грн . на 1 км. дороги II категорії.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Работоспособность дорожных асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах противогололедных материалов и пути ее повышения // Автошляховик України. -1997. - № 4 . С.40-41.

2 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Закономерности разрушения дорожных асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах противогололедных материалов// Проблемы эксплуатации автомобильных дорог. Сб. науч. трудов ХГАДТУ . - Харьков: “Знание”, 1998. С. 72-77.

3 Седов А.В. Влияние свойств агрессивных сред противогололедных материалов на процессы разрушений дорожных асфальтобетонных покрытий // Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми та шляхи розвитку. Зб. наук. праць УТУ. - Киев: УТУ, 1998. С. 250-252.

4 Сєдов А.В. Руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів від багаторазових транспортних навантажень з урахуванням впливу агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів // Авто-шляховик України. - 1998. -№ 4. С. 39-40.

5 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Закономерности разрушения асфальто-бетонных покрытий в агрессивных средах противогололедных материалов и пути повышения их работоспособности// Сб. трудов по технической химии. - Киев, 1997. - ч.2. С.368 -371.

6 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Профилактика повреждений дорожных асфальтобетонных покрытий при борьбе с зимней скользкостью// Особенности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в Восточно- Сибирском регионе. Сб. науч. трудов.- Иркутск. 1998. С. 135-137.

7 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Повышение износостойкости асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах противогололедных материалов // Совершенствование транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог. Сб. докладов МНТК. - Минск, 1996. - ч.1.

С. 112-115.

8 Прусенко Е.Д., Седов А.В. Повышение работоспособности дорожных асфальтобетонных покрытий в агрессивных средах противогололедных материалов // Проблемы строительного материаловедения и новые технологии. Сб. докладов МНТК. - Белгород: Бел. ГТАСН, Крестьянское дело, 1997. - ч.5. С. 286-290.

9 Седов А.В. Влияние химических противогололедных материалов на асфальтобетонные покрытия и пути повышения их работоспособности // Проблемы транспортного строительства и транспорта. Сб. докладов МНТК. - Саратов: СГТУ, 1997. С. 26-27.

10 Рекомендації по підвищенню роботоздатності дорожніх асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів / Прусенко Є. Д., Михович С.Г., Сєдов А.В., Титар В.С. - Укравтодор. - Київ, 1996. - 19 с.

У спільних публікаціях особисто автором виконано: теоретичне дослідження закономірностей руйнування дорожніх асфальтобетонних покриттів від комплексного впливу транспортних навантажень, природніх факторів і агресивних середовищ хлористих протиожеледних матеріалів [2]; аналіз результатів експериментальних досліджень впливу хлоридів на процеси проникнення розчинів в асфальтобетонне покриття [5,8], на знос покриттів [1,8]; обгрунтування та розробка технології боротьби із зимовою слизькістю, що підвищує роботоздатність асфальтобетонних покриттів в агресивних середовищах протиожеледних матеріалів, результати дослідно-виробничої перевірки способу профілактики руйнувань [1,6,10].

Размещено на Allbest.ru