Вступ

При будівництві доріг широко використовуються  георешітки, які служать виконанню функцій посилення та армування:

1. Зменшують товщину шару, зберігаючи, таким чином, природні ресурси та навколишнє середовище.
2. Зменшують обсяг робіт з екскавації, заміни та утилізації слабкого ґрунту.
3. Надають можливість необхідного ущільнення конструктивних шарів.
4. Збільшують проектні терміни експлуатації покриття та міжремонтні терміни служби.
5. Допомагають уникнути нерівномірних просадок над карстовими або неоднорідними природними основами.
6. Запобігають появі тріщин в асфальтобетонних покриттях, що утворюються на блочно-тріщинуватих основах.

Для забезпечення довговічності та прогнозування терміну служби геотекстильних матеріалів, що використовуються у дорожньому та аеродромному будівництві, необхідно знати не тільки їх вихідні властивості, а також зміни характеристик у процесі будівництва та експлуатації.

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Вплив температури на механічні властивості різних видів полімерів, волокон та решіток з них досліджено недостатньо. Незважаючи на відхилення для різних волокон і решіток з однакових волокон, спостерігається загальна закономірність, що полягає у зменшенні напруги (міцності) і збільшення деформацій – як розривних, так і нерозривних, при підвищенні температури. При будівництві доріг широко використовуються  георешітки., які служать виконанню функцій посилення та армування. Якість матеріалів характеризується в основному міцністю георешіток та подовженням при розтягуванні. Дистриб’ютори пропонують решітки як для армування ґрунтових та штучних основ, так і армування асфальтобетонних покриттів. Відсутній показник опади при зміні температури. З практики видно, що таких характеристик недостатньо для оцінки повної міри якості георешіток. Це підтверджується випадками швидкого руйнування доріг через неврахування термостійких властивостей георешіток.

Постановка проблеми

Відповідно до міжнародного досвіду та вимог будівельних норм для армування асфальтобетонних покриттів рекомендується використовувати армуючі синтетичні матеріали (АСМ) з міцністю не менше 50 кН/м для доріг I та II категорій та не менше 40 кН/м для доріг III-IV категорій. При відповідному техніко-економічному обґрунтуванні може використовуватися АСМ із міцністю понад 100 кН/м. Для забезпечення ефективного використання АСМ його подовження при розтягуванні не повинно перевищувати максимального подовження при розриві композиту (асфальтобетон та АСМ), що становить 6-12% залежно від температури випробування. Робота асфальтобетонного покриття на пружній стадії забезпечується при подовженні АСМ в межах 3-6%.

У процесі будівництва при укладанні асфальтобетонної суміші та ущільнення асфальтобетону,  геотекстильні матеріали піддаються впливу підвищених температур та механічним навантаженням. Постачальники геосинтетичних матеріалів на ринок України пропонують такі характеристики, як міцність, подовження та поверхнева щільність. Як видно на практиці, цих характеристик недостатньо для оцінки повної міри якості георешіток. Це підтверджується випадками швидкого руйнування доріг через не врахування термостійких властивостей георешіток та зміни їх лінійних розмірів при технологічних операціях. Досвід використання решіток з поліпропілену дозволяє зробити висновок: через значний коефіцієнт лінійного розширення при нагріванні шаром гарячого асфальтобетону відбувається значне подовження решіток, що в свою чергу призводить до появи на поверхні покриття, а при охолодженні відбувається зменшення їх лінійних розмірів,Наприклад, результати руйнування конструкції на 175 км автодороги Копті – Глухів – Бачевськ, наведеної на рис. 1, видно на наведених нижче фото. Реконструкція дороги полягала у віброрезонансному руйнуванні цементобетонної плити товщиною 22 см та влаштуванні поверхневого шару вирівнювання. На ділянках із слабкою основою руйнування плити не проводилося; було рекомендовано використання нежорстких решіток армуючих для зменшення ймовірності прояву відбитих тріщин над швами бетонних плит. Зверху шару, що вирівнює, вкладено 10 см крупнозернистого асфальтобетону. На ділянці 175 км конструкція покриття товщиною 6 см влаштовувалась з дрібнозернистого асфальтобетону поверх решітки з поліпропілену з підкладкою на підґрунті з бітумною емульсією. Ґрати пришпилювали дюбелями до поверхні досить часто. Усі роботивиконувались якісно за дотримання існуючих норм щодо технології влаштування армованого покриття. Роботи виконувались у вересні 2008 року. З початку настання спекотного періоду в середині травня 2009 року внизу спуску виникла перша тріщина, розкриття якої становило 1,5-2 см. Через кілька тижнів зверху ділянки довжиною 350 м, якраз над межею укладання решітки, виникла поперечна тріщина. На 7 липня 2009 року ширина розкриття тріщини розриву становила близько 20 см. У поздовжньому напрямку посередині і на краю пішохідної частини також утворилася тріщина шириною 7-8 см, і відбулося сповзання асфальтобетону над ґратами. Якість виконання робіт з влаштування покриття була гарною і задовільною. Єдина невідповідність при будівництві – поздовжній ухил 45 проміле, що вище за рекомендовані нормами значень (45 проміле). Основна причина розшарування між покриттям та основою – результат температурних деформацій решітки. При контакті з гарячим асфальтобетоном відбулося нагрівання решітки, в результаті чого матеріал змінив свої лінійні розміри, і при нагріванні сталося нерівномірне подовження, а при охолодженні – зменшення довжини (усадка). Після руйнувань здійснено зняття покриття та решітки та перекриття новим шаром крупнозернистого асфальтобетону та покриття із щебенево-мастичного асфальтобетону ЩМА-20.

Мета дослідження  – визначення термостійкості жорстких та гнучких геосинтетичних грат з різним сировинним складом за стандартними та лабораторними методами, які моделюють умови теплового впливу на дослідні зразки при укладанні асфальтобетону при будівництві доріг.

Обґрунтування методики дослідження

Вплив температури на експлуатаційні характеристики технічних текстильних матеріалів визначається за ГОСТ 29104.14-91, суть якого полягає у визначенні стійкості випробуваних матеріалів до впливу високих температур та порівняння показників якості до та після впливу на матеріал певної температури у вибраний період часу. Умови випробування не моделюють реальні умови теплових впливів на решітки при влаштуванні покриттів, тому характеристики, отримані стандартним методом, не повною мірою відповідають змінам під час реального використання. Для моделювання в лабораторних умовах температурних впливів при використанні георешіток було визначено розподіл температурних полів під час укладання та охолодження асфальтобетонних шарів. Цей розділ визначено за допомогою тепловізора.Отримані дані є основою обґрунтування температурних режимів витримування зразків геосинтетики в лабораторних умовах для випробування на термостійкість.

Об’єкти досліджень. Характеристики армуючих геосинтетичних матеріалів, взятих на дослідження, наведено в табл. 1. Використовували георешітки поліпропіленові жорсткі: кількість поздовжніх ребер – 16 реб./М, кількість поперечних ребер – 18 реб./М. Досліджено також зміну фізико-механічних властивостей армуючих геосинтетичних матеріалів (АСМ) при впливі температурних впливів та встановлені показники термостійкості геотекстильних решіток, виготовлених з поліефірних, полівінілспиртових та скляних волокон та поліпропіленових ребер.

Результати дослідження та їх аналіз

Експеримент проведено за таким планом:

1. Визначення термостійкості за стандартним методом;
2. Визначення термостійкості в лабораторних умовах, для чого створювали такі умови теплового впливу на грати, наближених до теплової дії під час укладання асфальтобетону під час будівництва доріг.

За критерієм термостійкості георешіток обрані: зміна лінійних розмірів після теплового впливу, зміна міцності та подовження при розтягуванні. За стандартним методом георешітки витримували термошафу протягом двох годин при температурі t = 160°С, потім визначали їх характеристики. Проведено також випробування на термостійкість георешітки в термошафі при t = 120°С та t = 100°С протягом 10 хвилин. Приклади результатів визначення термостійкості наведено у табл. 2, 3. Як випливає з даних випробувань, за стандартною методикою міцність за довжиною зменшується

на 20,8%, за шириною – на 31,6%. Ще більше змінюється подовження при граничній міцності,зростаючи по довжині 3,08 разу, а, по ширині – 1,28 разу. Процес охолодження решіток фіксувався за допомогою термопар та тепловізійним методом. Приклад остигання поліпропіленової решітки наведено на рис. 3. Для створення умов теплового впливу на георешітки при укладанні асфальтобетону в лабораторних умовах проведено такі досліди: у термошафі розмістили металевий контейнер з піском та металеву пластину, яку нагрівали до певної температури. Георешітки розміщували у дерев’яний контейнер, закріплювали на дні контейнера у кожному осередку. Прикріплювали до георешіток датчики визначення температури нагрівання георешіток, після чого засипали піском, нагрітим до певної температури, зверху розміщували нагріту пластину і вантажі для моделювання навантаження асфальтобетону на георешітки при укладанні. При контакті з піском фіксувалася температура нагрівання георешітки та її температура остигання у часі. Наведено порівняння зміни температури від часу остигання піску для деяких дослідів при випробуванні решіток та зміна температури поверхні покриття від часу остигання асфальтобетонної суміші різної товщини від 2 до 7 см. Вплив температури на властивостіжорстких георешітки при розтягуванні у вигляді графіка «навантаження – деформація» наведено на рис. 4. Для правильного вибору ГМ з позицій теплостійкості має виконуватися умова:

де Тплавл – температура плавлення полімеру, з якого виготовлені грати, Тукл – температура початку ущільнення, яка залежить від температури розм’якшення бітуму Т.разм, для традиційного асфальтобетону Тукл = 92 + Т.разм, тут Т.разм – температура розм’якшення бітуму, Δ – запас на температуру 15-25°С. За результатами досліджень для поліефірних решіток при температурі 160°C встановлено: розривне навантаження незначно зменшується (всього на 7%) (рис. 5). Однак при цьому подовження при розриві збільшується у 2,44 рази. Для розрахунків армування необхідно враховувати, що коефіцієнт зменшення міцності при деформації 2% та 5% становить відповідно 1,58 та 2,11. Як видно із рис. 4, подовження зразків після нагрівання значно збільшилося – це сталося внаслідок зникнення еластичної деформації ниток, з яких складається полотно, попередньо розтягнутих у процесі формування АСМ; тобто при тепловому впливі відбувся зворотний релаксаційний процес, який викликав усадку полотна та збільшення його подовження під час навантажень. Коефіцієнт зміни властивостей грат після термообробки наведено в табл. 4. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. тобто при тепловому впливі відбувся зворотний релаксаційний процес, який викликав усадку полотна та збільшення його подовження під час навантажень. Коефіцієнт зміни властивостей грат після термообробки наведено в табл. 4. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. тобто при тепловому впливі відбувся зворотний релаксаційний процес, який викликав усадку полотна та збільшення його подовження під час навантажень. Коефіцієнт зміни властивостей грат після термообробки наведено в табл. 4. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. який викликав усадку полотна та збільшення його подовження під час навантажень. Коефіцієнт зміни властивостей грат після термообробки наведено в табл. 4. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. який викликав усадку полотна та збільшення його подовження під час навантажень. Коефіцієнт зміни властивостей грат після термообробки наведено в табл. 4. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Результати досліджень можуть бути враховані при використанні полімерних геосинтетичних матеріалів для армування асфальтобетонних шарів дорожнього та аеродромного одягу.

Висновки

Матеріали для армування асфальтобетонних покриттів повинні бути тепло-і термостійкими, зберігаючи свої властивості після впливу температурних впливів у діапазоні 130-175°C при влаштуванні шарів основи та покриття та 180-240°C при ремонті покриттів литим асфальтобетоном. На етапі проектування та розрахунків надійності та довговічності конструкцій дорожнього одягу автомобільних доріг необхідно враховувати зміни фізико-механічних властивостей АСМ, які відбуваються при влаштуванні асфальтобетонних покриттів. Розроблена методика моделює умови нагріву жорстких грат при укладанні асфальтобетону, дозволяє вибирати їх за показником «термостійкість» відповідно до діючих температурних режимів улаштування асфальтобетонних шарів дорожнього одягу. Як видно з порівняння характеристик полімерів для виробництва АСМ, поліпропіленові волокна мають низьку температуру плавлення (160°С), що може призводити до деструкції при використанні гарячих асфальтобетонних сумішей, температура яких при виробництві повинна становити від 140 до 165°С, залежно від складу суміші і марки бітуму, що використовується. Крім того, температура крихкості поліпропіленових волокон – близько – 10°С, що можете бути причиною їхнього термічного розтріскування в зимовий час при спільній дії напруги від перепаду температури та навантаження. Поліпропіленові грати можна використовувати в умовах, коли температура їх нагріву знаходиться в межах 100 … 120 ° С, а час остигання до 50 ° С не перевищує 30 хв. Для отримання позитивних результатів при використанні поліпропіленових решіток при армуванні асфальтобетонних покриттів необхідна їхня модифікація з метою забезпечення теплостійкості або зміни технології асфальтобетонного покриття. Проведення вхідного контролю за розробленою методикою, при виборі ґрат, дозволить уникнути передчасних руйнувань армованих асфальтобетонних покриттів. Важливі для вибору армуючих синтетичних матеріалів, а саме зміни лінійних розмірів (усадка) при контакті з асфальтобетоном, не надаються виробниками продукції та вимагають нормування у державних стандартах та будівельних нормах. За результатами досліджень для поліефірних решіток при температурі 160°C встановлено, що розривне навантаження зменшується ненабагато (загалом на 7%). Однак при цьому подовження при розриві збільшується у 2,44 рази. Для розрахунків армування необхідно враховувати, що коефіцієнт зменшення міцності при деформації 2% та 5% становить відповідно 1,58 та 2,11. Розрахункове значення модуля пружності поліефірних решіток слід приймати для матеріалу до термообробки 560,3 кН/м та 533,7 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Після термообробки розрахункові значення модуля пружності поліефірних решіток більш ніж удвічі зменшуються та становлять 331,5 кН/м та 268,1 кН/м при деформації відповідно 2% та 5%. Необхідно продовжити дослідження з використанням інших типів волокон та розробити доповнення до нормативних документів щодо випробування геосинтетичних матеріалів на термо- та теплостійкість.