Бесплатный по России: 8 (800) 500-28-01
Пн-Пт, с 9:00 до 18:00 (Мск)

Долговечность геоматериалов в составе дорожной конструкции

 

Принципы прогнозирования прочности

Долговечность геоматериалов в составе дорожной конструкции, согласно ПНСТ 318-2018, определяется их длительной прочностью, которая зависит от воздействия комплекса из восьми основных факторов:

  • механические повреждения при транспортировке и укладке, коэффициент учета К1х: в песок (К11); в щебень фракции от 4 до 8  мм  (К12); в щебень фракции от 31,5 до 63,0 мм (К13);
  • воздействие длительной статической нагрузки (ползучесть), коэффициент учета К2;
  • атмосферные воздействия (УФ), коэффициент учета К3;
  • воздействие агрессивной среды грунта, коэффициент учета К: кислой среды (К41); щелочной среды (К42);
  • микробиологическое воздействие грунта, коэффициент учета К5;
  • воздействие температуры: многократное замораживание и оттаивание (морозостойкость), коэффициент учета К6;
  • воздействие повышенных температур (теплостойкость), коэффициент учета К7;
  • влияние прочности швов геосотовых материалов, коэффициент учета К8.

Коэффициент учета определяется как отношение фактической прочности материала до Т0 и после воздействия Тi (i = 1, 2, ..., 8), кН/м:

Кi = Т0 / Тi ≥ 1,   (1)

Общий коэффициент Кобщ учитывающий влияние все-го комплекса определяющих независимых факторов окружающей среды за срок службы геоматериала в дорожной конструкции, определяется в виде произведения отдельных коэффициентов учета:

Кобщ = К1· К2· К3· К4· К5· К6· К7· К8,   (2)

График 1

Таким образом, в конце проектного срока службы материала его прочность уменьшается по сравнению с исходной (нормативной). По нашим оценкам, выполненным на основе многолетних испытаний на ползучесть продукции различных фирм, отличающейся составом сырья и структурой, прочность геосинтетиков от воздействия каждого из факторов уменьшается в среднем на 10–30%, не более. Исключением является   воздействие длительной статической нагрузки, приводящей к деформации ползучести геоматериала. При этом прочность его может уменьшиться в 1,3–4 раза по сравнению с исходной. Особенно ползучесть характерна для материалов из полиолефинового сырья (полиэтилен, полипропилен и др.). Поэтому важно правильно определять коэффициент учета ползучести К2 при оценке длительной прочности, особенно для армирующих геоматериалов.

Принятые методики испытаний

Испытания геосинтетиков на ползучесть при одноосном растяжении выполняют на специальных стендах. Основными элементами их являются зажимы для закрепления образцов и нагружающее устройство, обеспечивающее приложение к образцу требуемой статической нагрузки. Нагружающее устройство может быть гравитационным, представленным набором грузов, подвешенным к образцу. Однако для высокопрочных геоматериалов (прочностью  500–2000  кН/м) такое оборудование будет слишком громоздким, с ним неудобно работать. Поэтому применяют и другие типы нагружающих устройств: механические, гидравлические,  пневматические.

На рис.1 показан стенд для испытания на ползучесть геосинтетических материалов РСЦ-25, в состав которого входит три типа механических нагружающих устройств. Действующие в нашей стране методы учета ползучести при оценке длительной прочности геоматериалов (ОДМ 218.2.047-2014, ОДМ 218.5.006-2010, ГОСТ Р 56339-2015) разработаны на базе международных стандартов ISO 13431:1999.ГОСТ Р 56339-15 предполагает испытания геосинтетических материалов на ползучесть при одноосном растяжении длительной (статической) нагрузкой. Методика 1 предусматривает длительное растяжение образца постоянной растягивающей нагрузкой, не приводящей к его разрушению и выбираемой, как правило, в диапазоне 5–60% от прочности геоматериала по ГОСТ Р 55030. Испытание длится 1000 ч (42 сут).

В результате получают графики зависимости относительного удлинения образца от времени воздействия нагрузки (рис.  2). Используя кривые ползучести при растяжении, по методике ОДМ 218.5.006-2010 строят изохронную кривую «статическая нагрузка — относительное удлинение» для момента времени 1000ч (рис.  3).;

График 2

На изохронной кривой проводят касательные на участке стабилизации деформаций и на участке прогрессирующих деформаций. Точка пересечения касательных определяет длительную прочность геоматериала на проектный срок службы дорожной конструкции по ползучести. Для приведенного на рис. 3 примера Т2= 89% от Т0, а коэффициент учета ползучести К2 = 100: 89 = 1,12, что соответствует требованиям СП 34.13330.2012 (табл. Д.2 приложения Д: К2 ≤ 2) и ОДМ 218.2.046-14 (табл. 6.11: К2 4,5). Этот метод хорошо отработан, применяется на протяжении многих лет. Однако он предполагает экспозицию образцов геоматериала на сравнительно небольшой срок — около двух месяцев, что может снизить достоверность результатов при прогнозировании долговечности на большой период времени (50–100 лет).

Методика 2  предусматривает длительное растяжение образца постоянной растягивающей нагрузкой, приводящей к его разрушению и выбираемой, как правило, в диапазоне 60–100% от прочности геоматериала Т0 по ГОСТ Р 55030. В результате определяется линейная зависимость длительной прочности Т от логарифма времени воздействия нагрузки до разрыва (рис. 4). Для получения этого показателя рекомендуется в соответствии с ПНСТ 318-2018 подобрать уровни статической нагрузки, обеспечивающие разрушение образцов в диапазоне времени: до 100 ч — четыре результата, от 100 (4,2 сут) до 1000 ч (42 сут) — четыре результата, от 1000 (42 сут) до 10000 ч (417 сут) — четыре результата. В том числе один результат должен иметь время до разрушения образца в диапазоне от 4000 (167 сут) до 10000 ч (417 сут). Таким образом, в ПНСТ 318 рекомендовано выполнять экспозицию образцов сроком на 1,14 лет. Расчетный срок службы геоматериала рекомендовано принять равным 1 млн ч (примерно 114 лет). Значение длительной прочности при этом определяют методом экстраполяции полученной линейной зависимости на две декады.

Для приведенного на рис. 4 примера: Т2 = 86% от Т0, а коэффициент учета ползучести К2 = 100 : 86 = 1,16, что близко к значениям, полученным по методике 1.Этот метод позволяет получить линейную зависимость длительной прочности геоматериала на период времени до 1 года с возможностью экстраполяции на 114 лет. Недостатки методики 2: большой срок ис-пытаний (6–12 месяцев), большие ошибки экстраполяции на срок до 114 лет (до 100%, по данным ISO 13431:1999). Также сложно и затратно по времени определение уровней статической нагрузки для четырех тестов в диапазоне времени от 1000 (42 сут) до 10000 ч (417 сут). Таким образом, по методикам 1, 2 ГОСТ Р 56339 испытание на ползучесть длится от двух месяцев до одного года, что не всегда приемлемо.

График 3

Способы ускорения

Время испытаний можно существенно сократить, используя ускоренные методы учета ползучести геоматериалов. Сущность метода температурновременной аналогии (ОДМ 218.2.047-2014, ОДМ 218.5.006-2010) заключается в измерении ползучести геосинтетического материала при одном уровне заданной растягивающей нагрузки, но при различных температурах для получения единой обобщенной кривой. При этом проводятся серии отдельных испытаний при одном уровне растягивающей нагрузки и при различных температурах с интервалом 10–20 °С. Кривые ползучести для разных температур строятся на одном графике в полулогарифмической шкале (рис. 5а). Кривая ползучести, полученная при самой низкой температуре эксперимента, берется в качестве исходной.

Кривые ползучести, полученные при более высоких температурах, сдвигаются вдоль оси времени, пока не совпадут, частично перекрывая друг друга. Полученный обобщенный показатель является прогнозируемой долгосрочной кривой ползучести при нормальной температуре (рис. 5б). В результате временной интервал ползучести увеличивается от 103 до 106 ч. Недостатком метода является необходимость иметь три-четыре помещения, оснащенные испытательным оборудованием, и поддерживать в каждом из них постоянную температуру в диапазоне 20–90 °С. Сущность метода ступенчатых изотерм (ОДМ 218.2.047-2014, ОДМ 218.5.006-2010) заключается в том, что при испытании одиночного образца геосинтетического материала его температуру увеличивают ступенями для ускорения ползучести. После чего секции кривой ползучести, измеренной при каждом уровне температуры, объединяют для получения единой обобщенной кривой, по которой можно прогнозировать долговременную прочность геоматериала.

Использование метода ступенчатых изотерм уменьшает время, требуемое для проявления ползучести и получения соответствующих данных. При проведения испытаний образец закрепляется в зажимах внутри камеры искусственного климата. Устанавливается необходимая статическая нагрузка, рассчитанная в процентах от прочности при растяжении. Образец выдерживается при начальной температуре в течение установленного периода времени t = 180мин. Затем температура увеличивается на одну ступень и образец выдерживается при второй температуре t =180 мин. Рекомендуемый шаг температуры составляет 10–20°С. Далее описанные ступени измерений повторяются определенное количество раз, которое зависит от величины необходимого периода прогнозирования ползучести материала на расчетный срок службы. Рекомендуемая максимальная температура испытаний: 60°С для полиэтилена; 70 °С для полипропилена; 90 °С для полиэфира.

График 4

По результатам строят кривые  ползучести для разных температур на одном графике в полулогарифмической системе координат (рис. 6а)

ε (t) = ∆l/l0 · 100, %,

где: ∆l— приращение длины растягиваемого образца,  мм; l0 — начальная длина образца, мм. Затем строят графики модуля ползучести для разных температур (рис. 6б)

Ef(t) = T/ ε (t), кН/м,

где T — длительная статическая нагрузка, кН/м. Кривые модуля ползучести, полученные при разных температурах, смещаются вдоль оси времени, пока они не совпадут, частично перекрывая друг друга (рис. 6в). Обобщенная кривая модуля ползучести обратно перестраивается в кривую ползучести (рис. 6г). Она затем используется для прогнозирования длительной прочности и деформации ползучести геоматериала. Метод  ступенчатых изотерм также позволяет увеличить временной интервал ползучести от 103 до 106 ч. Следует отметить, что точность методов температурно-временной аналогии и ступенчатых изотерм, однако, пока не определена и не известны исследования по ее оценке.

Выводы

1. Существующие методы оценки ползучести геоматериалов позволяют получить численные значения долговременной прочности и коэффициентов долговечности К2. Однако нормированные методики (ГОСТ Р 56339-2015, ПНСТ 318-2018) трудоемки и затратны по времени испытания (от 2 до 12 месяцев).2. Анализ многолетних исследований ползучести, выполненных РСЦ  «Опытное» и другими организациями, позволяет оптимизировать существующие методы и на их основе разработать инженерную методику оценки коэффициента долговечности К2со сроком экспозиции образцов до 3 месяцев. При этом долговременная прочность геоматериалов определяется на проектный срок службы дорожной конструкции (30–50 лет).

 

А. А. ДАЙЛОВ, к. т. н., директор МООУ «РСЦ «Опытное»; Ю. А. АЛИВЕР, эксперт, член IGS, начальник лаборатории МООУ «РСЦ «Опытное»

10 марта 2020 г.
ООО «Геополитекс» 660004, г. Красноярск, Заводской проезд, д.2г 8 (800) 500-28-01 8 (800) 500-28-01
Приложить файл: