Введение

При строительстве дорог широко используются георешетки, которые служат выполнению функций усиления и армирования:

1. Уменьшают толщину слоя, сохраняя, таким образом, природные ресурсы и окружающую среду.
2. Уменьшают объем работ по экскавации, замены и утилизации слабого грунта.
3. Оказывают возможность необходимого уплотнения конструктивных слоев.
4. Увеличивают проектные сроки эксплуатации покрытия и межремонтные сроки службы.
5. Помогают избежать неравномерных просадок над карстовыми или неоднородными природными основаниями.
6. Предотвращают появление трещин в асфальтобетонных покрытиях, образующихся на блочно-трещиноватых основаниях.

Для обеспечения долговечности и прогнозирования срока службы геотекстильных материалов, используемых в дорожном и аэродромном строительстве, необходимо знать не только их исходные свойства, а также изменения характеристик в процессе строительства и эксплуатации.

Анализ последних исследований и публикаций

Влияние температуры на механические свойства различных видов полимеров, волокон и решеток из них, исследован недостаточно. Несмотря на отклонение для различных волокон и решеток с одинаковых волокон, наблюдается общая закономерность, заключающаяся в уменьшении напряжений (прочности) и в увеличении деформаций – как разрывных, так и неразрывных, при повышении температуры. При строительстве дорог широко используются георешетки, которые служат выполнению функций усиления и армирования. Качество материалов характеризуется в основном прочностью георешеток и удлинением при растяжении. Дистрибьюторы предлагают решетки как для армирования грунтовых и искусственных оснований, так и армирования асфальтобетонных покрытий. Отсутствует показатель осадки при изменении температуры. Из практики видно, что таких характеристик недостаточно для оценки полной меры качества георешеток. Это подтверждается случаями быстрого разрушения дорог из-за неучета термостойких свойств георешеток.

Постановка проблемы

В соответствии с международным опытом и требований строительных норм для армирования асфальтобетонных покрытий рекомендуется использовать армирующие синтетические материалы (АСМ) с прочностью не менее 50 кН/м для дорог I и II категорий и не менее 40 кН/м для дорог III-IV категорий. При соответствующем технико-экономическом обосновании может использоваться АСМ с прочностью более 100 кН/м. Для обеспечения эффективного использования АСМ его удлинение при растяжении не должно превышать максимального удлинения при разрыве композита (асфальтобетон и АСМ), которое составляет 6-12% в зависимости от температуры испытания. Работа асфальтобетонного покрытия в упругой стадии обеспечивается при удлинении АСМ в пределах 3-6%.

В процессе строительства при укладке асфальтобетонной смеси и уплотнения асфальтобетона, геотекстильные материалы подвергаются воздействию повышенных температур и механическим нагрузкам. Поставщики геосинтетических материалов на рынок Украины предлагают такие характеристики, как прочность, удлинение и поверхностная плотность. Как видно на практике, этих характеристик недостаточно для оценки полной меры качества георешеток. Это подтверждается случаями быстрого разрушения дорог из-за не учёта термостойких свойств георешеток и изменения их линейных размеров при технологических операциях. Опыт использования решеток из полипропилена позволяет сделать вывод: через значительный коэффициент линейного расширения при нагреве слоем горячего асфальтобетона происходит значительное удлинение решеток, что в свою очередь приводит к их появлению на поверхности покрытия, а при охлаждении происходит уменьшение их линейных размеров, и это вызывает внутренние напряжения и образования трещин на слое асфальтобетона. Например, результаты разрушения конструкции на 175 км автодороги Копти – Глухов – Бачевск, приведенной на рис. 1, видно на приведенных ниже фото. Реконструкция дороги заключалась в виброрезонансном разрушении цементобетонной плиты толщиной 22 см и устройстве поверхностного слоя выравнивания. На участках со слабой основой разрушения плиты не проводилось; было рекомендовано использование нежестких армирующих решеток для уменьшения вероятности проявления отраженных трещин над швами бетонных плит. Сверху выравнивающего слоя вложено 10 см крупнозернистого асфальтобетона. На участке 175 км конструкция покрытия толщиной 6 см устраивалась из мелкозернистого асфальтобетона этаж решетки из полипропилена с подкладкой на подпочве с битумной эмульсией. Решетка пришпиливалась дюбелями к поверхности достаточно часто. Все работы выполнялись качественно при соблюдении существующих норм в отношении технологии устройства армированного покрытия. Работы выполнялись в сентябре 2008 года. С начала наступления жаркого периода в середине мая 2009 внизу спуска возникла первая трещина, раскрытие которой составляло 1,5-2 см. Через несколько недель сверху участка длиной 350 м, как раз над чертой заключения решетки, возникла поперечная трещина. На 7 июля 2009 ширина раскрытия трещины разрыва составляла около 20 см. В продольном направлении посередине и на краю пешеходной части также образовалась трещина шириной 7-8 см, и произошло сползание асфальтобетона над решеткой. Качество выполнения работ по устройству покрытия было хорошим и удовлетворительным. Единственное несоответствие при строительстве – продольный уклон 45 промилле, что выше рекомендованных нормами значений (45 промилле). Основная причина расслоения между покрытием и основанием – результат температурных деформаций решетки. При контакте с горячим асфальтобетоном произошел нагрев решетки, в результате чего материал изменил свои линейные размеры, и при нагревании произошло неравномерное удлинение, а при охлаждении – уменьшение длины (усадка). После разрушений осуществлено снятие покрытия и решетки и перекрытия новым слоем крупнозернистого асфальтобетона и покрытие с щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-20.

Цель исследования – определение термостойкости жестких и гибких геосинтетических решеток с различным сырьевым составом по стандартным и лабораторным методам, которые моделируют условия теплового воздействия на опытные образцы при заключении асфальтобетона при строительстве дорог.

Обоснование методики исследования

Влияние температуры на эксплуатационные характеристики технических текстильных материалов определяется по ГОСТ 29104.14-91, суть которого заключается в определении устойчивости испытуемых материалов к воздействию высоких температур и сравнении показателей качества до и после воздействия на материал определенной температуры в выбранный период времени. Условия испытания не моделируют реальные условия тепловых влияний на решетки при устройстве покрытий, поэтому характеристики, полученные по стандартному методу, не в полной мере соответствуют изменениям во время реального использования. Для моделирования в лабораторных условиях температурных влияний при использовании георешеток было определено распределение температурных полей при заключении и остывании асфальтобетонных слоев. Данный раздел определен с помощью тепловизора. По результатам исследований получены теоретические зависимости для расчета времени остывания в соответствии со скоростью охлаждения смеси при переменной температуре смеси, которую доставили на стройку, где Т0 – температура смеси, ТВ – температура окружающей среды, Н0 – толщина слоя асфальтобетона, VB – скорость ветра (рис. 3). Полученные данные являются основой для обоснования температурных режимов выдерживания образцов геосинтетики в лабораторных условиях для испытания на термостойкость.

Объекты исследований. Характеристики армирующих геосинтетических материалов, взятых для исследования, приведены в табл. 1. Использовали георешетки полипропиленовые жесткие: количество продольных ребер – 16 реб./М, количество поперечных ребер – 18 реб./М. Исследовано также изменение физико-механических свойств армирующих геосинтетических материалов (АСМ) при воздействии температурных влияний и установлены показатели термостойкости геотекстильной решетки, изготовленной из полиэфирных, поливинилспиртовых и стеклянных волокон и полипропиленовых ребер.

Результаты исследования и их анализ

Эксперимент проведен по следующему плану:

1. Определения термостойкости по стандартному методу;
2. Определения термостойкости в лабораторных условиях, для чего создавали такие условия теплового воздействия на решетку, приближенных к тепловому воздействию при заключении асфальтобетона при строительстве дорог.

По критерию термостойкости георешеток выбраны: изменение линейных размеров после теплового воздействия, изменение прочности и удлинение при растяжении. По стандартному методу георешетки выдерживали в термошкафу в течение двух часов при температуре t = 160°С, затем определяли их характеристики. Проведены также испытания на термостойкость георешетки в термошкафу при t = 120°С и t = 100°С в течение 10 минут. Примеры результатов определения термостойкости приведены в табл. 2, 3. Как следует из данных испытаний, по стандартной методике прочность по длине уменьшается

на 20,8%, по ширине – на 31,6%. Еще больше меняется удлинение при предельной прочности, возрастая по длине в 3,08 раза, а по ширине – 1,28 раза. Процесс остывания решеток фиксировался с помощью термопар и тепловизионным методом. Пример остывания полипропиленовой решетки приведен на рис. 3. Для создания условий теплового воздействия на георешетки при заключении асфальтобетона в лабораторных условиях проведены следующие опыты: в термошкафу разместили металлический контейнер с песком и металлическую пластину, которую нагревали до определенной температуры. Георешетки размещали в деревянный контейнер, закрепляли на дне контейнера в каждой ячейке. Прикрепляли к георешеткам датчики для определения температуры нагрева георешеток, после чего засыпали песком, нагретым до определенной температуры, сверху размещали нагретую пластину и грузы для моделирования нагрузки асфальтобетона на георешетки при заключении. При контакте с песком фиксировалась температура нагрева георешетки и ее температура остывания во времени. Приведено сравнение изменения температуры от времени остывания песка для некоторых опытов при испытании решеток и изменение температуры поверхности покрытия от времени остывания асфальтобетонной смеси различной толщины от 2 до 7 см. Влияние температуры на свойства жесткой георешетки при растяжении в виде графика «нагрузка – деформация» приведены на рис. 4. Для правильного выбора ГМ с позиций теплостойкости должно выполняться условие:

где Тплавл – температура плавления полимера, из которого изготовлена решетка, Тукл – температура начала уплотнения, которая зависит от температуры размягчения битума Т.разм, для традиционного асфальтобетона Тукл = 92 + Т.разм, здесь Т.разм – температура размягчения битума, Δ – запас на температуру, 15-25°С. По результатам исследований для полиэфирных решеток при температуре 160°C установлено: разрывная нагрузка уменьшается незначительно (всего на 7%) (рис. 5). Однако при этом удлинение при разрыве увеличивается в 2,44 раза. Для расчетов армирования необходимо учитывать, что коэффициент уменьшения прочности при деформации 2% и 5% составляет соответственно 1,58 и 2,11. Как видно из рис. 4, удлинение образцов после нагрева значительно увеличилось – это произошло в результате исчезновения эластичной деформации нитей, из которых состоит полотно, предварительно растянутых в процессе формирования АСМ; то есть при тепловом воздействии произошел обратный релаксационный процесс, который вызвал усадку полотна и увеличения его удлинения во время нагрузок. Коэффициент изменения свойств решетки после термообработки приведены в табл. 4. Расчетное значение модуля упругости полиэфирных решеток следует принимать для материала к термообработке 560,3 кН/м и 533,7 кН/м при деформации соответственно 2% и 5%. После термообработки расчетные значения модуля упругости полиэфирных решеток более чем вдвое уменьшаются и составляют 331,5 кН/м и 268,1 кН/м при деформации соответственно 2% и 5%. Результаты исследований могут быть учтены при использовании полимерных геосинтетических материалов для армирования асфальтобетонных слоев дорожной и аэродромной одежды.

Выводы

Материалы для армирования асфальтобетонных покрытий должны быть тепло- и термостойкими, сохраняя свои свойства после воздействия температурных влияний в диапазоне 130-175°C при устройстве слоев основания и покрытия и 180-240°C при ремонте покрытий литым асфальтобетоном. На этапе проектирования и расчетов надежности и долговечности конструкций дорожной одежды автомобильных дорог необходимо учитывать изменения физико-механических свойств АСМ, которые происходят при устройстве асфальтобетонных покрытий. Разработанная методика моделирует условия нагрева жестких решеток при заключении асфальтобетона, позволяет выбирать их по показателю «термостойкость» в соответствии с действующими температурными режимами устройства асфальтобетонных слоев дорожной одежды. Как видно из сравнения характеристик полимеров для производства АСМ, полипропиленовые волокна имеют низкую температуру плавления (160°С), что может приводить к их деструкции при использовании горячих асфальтобетонных смесей, температура которых при производстве должна составлять от 140 до 165°С, в зависимости от состава смеси и марки битума, используемого. Кроме того, температура хрупкости полипропиленовых волокон – около – 10°С, что можете быть причиной их термического растрескивания в зимнее время при совместном действии напряжений от перепада температуры и нагрузки. Полипропиленовые решетки можно использовать в условиях, когда температура их нагрева находится в пределах 100… 120°С, а время остывания до 50°С не превышает 30 мин. Для получения положительных результатов при использовании полипропиленовых решеток при армировании асфальтобетонных покрытий необходима их модификация с целью обеспечения теплостойкости или изменения технологии устройства асфальтобетонного покрытия. Проведение входного контроля по разработанной методике, при выборе решеток, позволит избежать преждевременных разрушений армированных асфальтобетонных покрытий. Важные для выбора армирующих синтетических материалов, а именно изменения линейных размеров (усадка) при контакте с асфальтобетоном, не предоставляются производителями продукции и требуют нормирования в государственных стандартах и ​​строительных нормах. По результатам исследований для полиэфирных решеток при температуре 160°C установлено, что разрывная нагрузка уменьшается ненамного (всего на 7%). Однако при этом удлинение при разрыве увеличивается в 2,44 раза. Для расчетов армирования необходимо учитывать, что коэффициент уменьшения прочности при деформации 2% и 5% составляет соответственно 1,58 и 2,11. Расчетное значение модуля упругости полиэфирных решеток следует принимать для материала к термообработке 560,3 кН/м и 533,7 кН/м при деформации соответственно 2% и 5%. После термообработки расчетные значения модуля упругости полиэфирных решеток более чем вдвое уменьшаются и составляют 331,5 кН/м и 268,1 кН/м при деформации соответственно 2% и 5%. Необходимо продолжить исследования с использованием других типов волокон, и разработать дополнения в нормативные документы относительно испытания геосинтетических материалов на термо- и теплостойкость. Также необходимо в расчетах по имеющимся нормам [5] учитывать коэффициенты уменьшения прочности и увеличение относительного удлинения геосинтетиков после температурных влияний при армировании асфальтобетона.