ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЭКСТРУЗИОННОГО ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ

Аспирант Иванов Д.В., д.т.н, проф. Ярцев В.П.,

к.т.н. доц. Андрианов К.А.

Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ)

В 2010 году в России эксплуатационным нормам соответствовало примерно 15% автомобильных дорог. Сегодня дорожная сеть, построенная в 1960-70-х годах, продолжает разрушаться, общие экономические потери, вызванные плохим состоянием дорог в стране, составляют около 6% ВВП [1].

Одной из основных причин, приводящих к разрушению дорожной одежды, является недостаточная несущая способность грунтового основания в отдельные периоды года. Это связано с переувлажнением активной зоны земляного полотна в периоды неравномерного промерзания-оттаивания [2]. Скопившийся за зиму в линзах и прослойках лед в верхней части земляного полотна оттаивает весной, и поры грунта заполняются свободной водой, которая скапливается над еще не оттаявшим грунтом. Особенность данного периода в том, что снизу и с боков грунт находится еще в мерзлом состоянии. Неравномерность оттаивания обуславливает переувлажнение грунтов под дорожной одеждой, что вызывает резкое снижение ее прочности. В связи с этим постановлением Росавтодора каждый год с 25 марта вводится ограничение на проезд большегрузных транспортных средств по федеральным дорогам [1].

С целью снижения расчетной влажности грунтового основания и поддержания оптимального водно-теплового режима в различных методических рекомендациях и нормах на проектирование дорожных одежд [3,4] предлагается использовать различные материалы и конструктивные решения: использование непучинистых или слабопучинистых грунтов, находящихся в зоне промерзания; осушение рабочего слоя земляного полотна; устройство морозозащитного (теплоизолирующего) слоя; устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона) и т.д.

Применение того или иного варианта определяется на основании технико-экономического сравнения конструктивных решений. Однако зарубежный опыт [4] показывает, что применение экструзионного пенополистирола является оптимальным решением в данной ситуации. Этот материал обладает высокой прочностью (до 0,5 МПа при относительной деформации сжатия 10%, 0,7 МПа при изгибе), хорошими теплофизическими характеристиками (0,03 Вт/м·К), водонепроницаем, но паропроницаем [5].

При применении в конструктивных слоях дорожной одежды пенополистирол работает как тепло- и гидроизоляционный материал, рис 1. В результате инфильтрующаяся через слои покрытия влага не попадает в активную зону земляного полотна, а снижающийся температурный градиент позволяет снизить миграцию свободной влаги из более теплых слоев земляного полотна к поверхности дорожного покрытия и тем самым предотвратить морозное пучение [3,4,5].

Анализ проведенных в [6,7] экспериментальных исследований долговечности (работоспособности) пенополистирола (на примере Техноплекс 45) в конструкции автомобильных дорог показывает, что с сохранением физико-механических и теплофизических характеристик она составляет не менее 50 лет.

Однако, в проводимых в [5,7] исследованиях не было уделено внимание ползучести материала. Известно, что основной характеристикой сопротивления сжимающим нагрузкам является модуль деформации (упругой, полной и остаточной). Величина остаточной (необратимой) деформации во многом определяет диапазон эксплуатационных нагрузок на материал. Для пенопластов величина этой деформации зависит от агрегативной устойчивости полимерных плёнок, образующих стенки ячеек структуры [5]. Необратимая деформация обусловлена разрывом этих плёнок, она зависит от уровня приложенной нагрузки и уже при малых величинах полной деформации наблюдается остаточная.

Учитывая, что явление ползучести особенно характерно для термопластов из-за их высокой чувствительности к температуре и нагрузке, были проведены соответствующие испытания. В процессе испытаний фиксировали изменение деформации e в зависимости от действующих напряжений σ. На рис. 2 представлено влияние заданной полной деформации экструзионного пенополистирола на остаточную. Полученные зависимости представляют собой петли гистерезиса, т. е. при одних и тех же значениях напряжения деформация нагружения существенно меньше деформации разгрузки, а после разгрузки в образце остаётся деформация (остаточная) от 1,2 до 21% (в зависимости от уровня полной деформации). Анализ экспериментальных данных показывает, что величина упругой (обратимой) деформации для экструзионного пенополистирола Техноплекс 45 не зависит от полной и составляет порядка 1,2%.

Ползучесть в процессе эксплуатации пенополистирола в дорожной конструкции не должна превышать 1,5-2 %, превышение этого значения повлечет за собой накопление остаточных деформаций и соответственно потерю формы материала [8]. На рисунке 3 представлено экспериментальное исследование ползучести экструзионного пенополистирола в течение 168 часов при 30 °С.

Перестраивая экспериментальные данные, приведенные на рисунке 3, в координаты σ-ε находим для деформации 2 % значение напряжения (0,13МПа), рис. 4.

Однако возможен и другой подход к прогнозированию деформационной долговечности. Согласно фундаментальному принципу температурно-временной-силовой эквивалентности [8] при любой нагрузке влияние температуры и времени в соответствующий отрезок времени может привести к появлению ускоренной ползучести. В этом случае для того чтобы спрогнозировать развитие ползучести во времени достаточно определить лишь два параметра: А и β [8]:

(1)

где А – параметр работоспособности материала; β - структурно-механический фактор, Р - прикладываемая нагрузка

Из зависимости от (рис 5), экстраполируя экспериментальные данные представленные на рисунке 3 для заданной деформации (2%) определяем , откуда А = 63095735 с, а по углу наклона - β=85,27 1/МПа. Аналогично получим А = 398107171 с и β=85,27 1/МПа для деформации 1%

Подставив полученные значение коэффициентов А и β в уравнение (1) можно рассчитать время достижения заданной деформации при различных нагрузках.

Используя приведенную в [7] методику определения возникающих в конструкции дорожной одежды напряжений рассчитаем время достижения заданной деформации, см. таблицу.

Таблица

Время достижения заданной деформации экструзионного пенополистирола в конструкции автомобильных дорог на примере (Техноплекс 45)

Категория дороги	Действующие нагрузки, МПа		Время достижения заданной деформации, с
	от собственного веса	от подвижного состава
			1%		2%
			от собственного веса	от подвижного состава	от собственного веса	от подвижного состава
I	0,017	0,17	10^7,97	10^2,30	10^7,17	10^1,50
II	0,015	0,14	10^8,05	10^3,42	10^7,24	10^2,61
III	0,013	0,12	10^8,12	10^4,16	10^7,32	10^3,36

Литература

1. по материалам интернет-ресурса http://rosavtodor.ru

2. Тулаев А.Я. Конструкция и расчет дренажных устройств//М.: Транспорт , 1980 -191с

3. ОДН 218.046-01 Проектирование нежестких дорожных одежд. Государственная служба дорожного хозяйства российской Федерации. Москва 2001

4. СТО 218.3.001-2006 Проектирование и устройство теплоизолирующих слоев из экструдированного пенополистирола “STYROFOAM” на автомобильных дорогах России. The Dow Chemical Company Москва 2006 г.

5. Ярцев В.П. "Физико-механические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений" (учебное пособие с грифом МО)/Ярцев В.П., Андрианов К.А., Иванов Д.В. Тамбов 2010 г

6. Ярцев В.П. Прогнозирование долговечности экструзионного пенополистирола в дорожных конструкциях/Ярцев В.П., Иванов Д.В., Андрианов К.А.// Журн. Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета – Воронеж 2010 № 3(19) С.99-104.

7. Иванов Д.В. Оценка теплофизических свойств экструзионного пенополистирола, применяемого в дорожном строительстве/ Иванов Д.В., Андрианов К.А., Ярцев В.П.// Тезисы Международной научно-технической конференции “Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ” – С.-Пб 2010 С.79.

8. Ратнер С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / Ратнер С.Б., Ярцев В.П. – М.: Химия, 1992. – 320 с.