Автомобильные дороги. Дорожное строительство

М.т.н. Бектурсунова Г.С.

Казахская автомобильно-дорожная академия

им. Л.Б.Гончарова, Алматы

ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА РАЗРУШЕНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Главным источником тепла, передаваемого в конструктивные слои дорожной одежды является солнечная радиация. На величину солнечной радиации влияют географическая широта местности, состояние атмосферы, а также расположение и ориентация поверхности по сторонам света.

В настоящее время из числа усовершенствованных дорожных покрытий наибольшее распространение получили асфальтобетонные покрытия, создающие максимальные удобства для движения транспортных средств и пассажиров. Эти покрытия применяют на автомобильных дорогах любой грузонапряженности. Один из проблем развития дорожного строительства в Казахстане является повышение качества и долговечности асфальтобетонных покрытий при высоких температурах воздуха. Эта задача может быть решена лишь при более полном исследовании работы покрытий при высоких температурах в Южных регионах Казахстана.

В настоящее время асфальтобетоны не классифицируются по их теплофизическим свойствам. Хотя, однотипные асфальтобетоны в реальных условиях под воздействиям тепловых явлений подвергаются различным деформациям в зависимости от географического пояса.

Известно, что в процессе эксплуатации автомобильных дорог, асфальтобетонные покрытия постепенно утрачивают свои первоначальные свойства, т.е. снижается их фрикционная способность, ухудшается ровность, появляются трещины, выбоины, наплывы, волна, просадки и колейность. Это, в первую очередь, зависит от старения битума вследствие сложных структурных и химических превращений под влиянием воздействия на материал различных факторов. На слой битума оказывают влияние: температура воздуха, вода, состояние поверхности минерального материала. При этом скорость старения асфальтобетона зависит от его остаточной пористости.

Самым эффективным мероприятием для повышения несущей способности асфальтобетона в условиях жаркого климата является переход на скелетные системы. Исследования показали, что при повышенных температурах наибольшее сопротивление сдвигу оказывают асфальтобетоны из жестких мелко- и среднезернистых смесей, содержащих не менее 40% щебня. При этом структура асфальтобетона становится каркасной, на сдвиг работают лишь крупные зерна щебня или песка, непосредственно опирающиеся друг на друга, без пластичных прослоек битума.

По данным казахстанских ученых к наиболее распространенным видам деформаций асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах в условиях жаркого климата относится наплывы, сдвиги, волны и трещины, которые образуются в первые же годы эксплуатации. Например, на рисунке 1 показано, что на уложенных асфальтобетонных покрытиях на улице Журбы через полгода их эксплуатации появились наплывы и волны.

а)

б)

Рисунок 1 – Волнообразования и наплывы на городских дорогах, проявляющие из-за влияния солнечной радиации

Аналогичные результаты российских исследователей показали, что главной причиной появления таких деформации на дорожных покрытиях в виде сдвига или волн являются тепловые явления, возникающие при динамическом воздействии колес движущихся автомобилей, особенно на подходе к перекрестку, где часто выполняются такие операции управления автомобилем как торможение и разгон. Кроме того, наплывы появляются и при воздействии тепла от солнечной радиации. Чем материалы покрытия более теплопроводны, тем более они склонны к наплывам. Например, по данным В.В.Михайлова и А.С. Колбановской на изменение состава свойств битума влияют основные три фактора, а именно:

– испарение масел, происходящее в поверхностном слое битума незначительной толщины и зависящее от содержания в нем легколетучих компонентов, вязкости и температуры;

– оксиполимеризация и частичная полимеризация компонентов битума, главным образом на внешней поверхности вяжущего, подвергающегося непосредственному воздействию света и ультрафиолетовых лучей;

– поликонденсация, происходящая под влиянием атмосферного воздуха, т.е. кислород воздуха вызывает нарушение структуры битума и приводит к увеличению его молекулярной массы. Битум от соприкосновения с воздухом окисляется, а под лучами солнца эти окислительные процессы протекают более энергично в результате нагревания покрытия и фотохимических реакций.

Главным источником тепла, передаваемого в конструктивные слои дорожной одежды является солнечная радиация. На величину солнечной радиации влияют географическая широта местности, состояние атмосферы, подстилающий слой, а также расположение и ориентация поверхности по сторонам света.

Основными компонентами дневной освещенности на открытой местности являются: солнечный свет , рассеянный (диффузный) свет неба , отраженный свет от земли .В общем случае суммарная освещенность в ясный день на открытом месте выражается так :

. (1)

Основными характеристиками, которые определяют излучательную способность солнца, служат солнечные постоянные: световая и тепловая.

Световая солнечная постоянная представляет собой освещенность плоскости, расположенной перпендикулярно лучам солнца и удаленной от солнца на расстояние, равное астрономической единице D. Приближенное значение солнечной световой постоянной на границе атмосферы 135-137 тыс. лк. Соответствующая этой освещенности средняя яркость солнца составляет 2×10⁹ Кд/м².Значения изменяются в зависимости от высоты стояния солнца и определяются из таблицы 1.

Таблица 1 – Значения в зависимости от высоты стояния солнца

Показатель	Высота стояния солнца, ^о
	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90
Значения, м	26,9	10,4	5,6	3,2	2	1,6	1,3	1,2	1,1	1,02	1,0

Тепловая солнечная постоянная показывает количество лучистой энергии падающей на поверхность, перпендикулярную направлению лучей, в течение 1 минуты при расстоянии этой поверхности от солнца, равном одной астрономической единице. Численное значение тепловой солнечной постоянной по европейской шкале принимается равным 1,895 кал/см²×мин.

Тепло, поступающее от солнечной радиации Q, не полностью поглощается асфальтобетонным покрытием, часть ее отражается от поверхности. Количество отраженного тепла Q₂ зависит от коэффициента отражения. Для асфальтобетона коэффициент отражения R=0,1, соответственно коэффициент поглощения А=0,9, тогда количество поглощаемого тепла будет равна:

Q₁ = 0,9·Q. (2)

Q Q₂

Рисунок 2 – Схема распределения количества тепла, передаваемые от солнечной энергии на поверхность покрытия

Тепловые процессы в слоях дорожной одежды и на поверхности дорожного покрытия, обусловлены конвекцией и теплопроводностью. При этом, передача теплоты в конструктивных слоях дорожной одежды происходит теплопроводностью, а перенос теплоты от поверхности дорожного покрытия в окружающую среду происходит конвекцией.

В практике старение битума сопровождается его структурными изменениями, основными из изменений химической природы битума. Поскольку асфальтобетон имеет коагуляционную структуру, в которой частицы разделены жидкой фазой, длительное приложение нагрузок, взаимное перемещение и трение частиц приводит к тому, что минеральная часть асфальтобетона подвергается дезинтеграции. Дезинтеграция минеральной части может произойти в результате наличия остаточной пористости асфальтобетона, так как вода, проникая вглубь асфальтобетона, может вызвать его разрушение. Основная роль при дезинтеграции скелетной части асфальтобетона принадлежит механическим нагрузкам.

Степень дезинтеграции минеральной части асфальтобетона зависит от структуры асфальтобетона и от прочностных характеристик компонентов минеральной части. Наиболее интенсивно процесс дезинтеграции происходит в зоне фракций 1,0-0,6 мм, 0,6-0,25 мм, 0,15-0,071 мм. Контактные напряжения, возникающие в зоне этих фракций под воздействием транспортных нагрузок, превышают предел прочности материалов, что приводит к их разрушению /8/.

С течением времени асфальтобетонное покрытие теряет первоначальную прочность и происходит уменьшение пластичности.

Причем, потеря необходимой пластичности вызывает изменение свойств асфальтобетона, создаются значительные растягивающие напряжения, что приводит к трещинообразованию. Таким образом, старение асфальтобетона состоит в основном в понижении деформативной способности. Анализ выполненных исследований дал возможность установить причины изменения свойств асфальтобетона во времени:

- свойства битума в составе асфальтобетона изменяются в процессе термоокислительной деструкции от воздействия погодно-климатических факторов. Этот процесс интенсифицируется на границе контакта битума с каменным материалом;

- под воздействием транспортных нагрузок происходит дезинтеграция минеральной части асфальтобетона, степень которой зависит от гранулометрического состава минеральной части и может иметь затухающий во времени характер в связи с увеличением числа контактов между частицами и уменьшением величины контактных напряжений;

- процесс старения асфальтобетона происходит в три этапа: повышение всех прочностных показателей за счет образования коагуляционной структуры асфальтобетона; образование в битуме жесткой пространственной структуры -составляющей максимальной прочности; уменьшение количества в битуме и увеличение содержания асфальтенов.

Температурные деформации асфальтобетона тесно связаны с его механической прочностью – при повышении температуры асфальтобетона повышаются и его деформативные свойства. Однако правильным подбором материалов, составляющих асфальтобетон, можно до некоторой степени регулировать его деформативную способность. На температурные деформации оказывают влияние свойства битума, минеральных материалов, гранулометрический состав минеральной части и т.д. На интенсивность зимнего влагонакопления и пучения влияет скорость и глубина промерзания грунта. Зимнее накопление влаги в грунтах происходит путем перемещения ее по направлению теплового потока снизу и с боков, от более теплых мест к более холодным. Поэтому, подбирая материал с низкой теплопроводностью можно уменьшить влагонакопление и глубину промерзания грунта.

В жарком климате теплоустойчивость асфальтовых материалов имеет важное значение. Проектирование и строительство асфальтовых покрытий без учета влияния высокой температуры, достигающей на поверхности 60⁰С и выше, часто приводит к образованию остаточных деформаций в виде сдвигов, наплывов, подтеков и волн. Однако проблема, связанная со значительным повышением теплоустойчивости битумов, продолжает оставаться актуальной. В то же время для придания асфальтобетону необходимой деформативной устойчивости при высокой температуре битум должен иметь более высокую температуру размягчения.

При проектировании и строительстве асфальтобетонных дорожных покрытий весьма важна дифференциация их конструкций и материалов применительно к различным климатическим и гидрогеологическим условиям, в том числе для районов с жарким резко континентальным климатом, к которым относятся южные регионы Казахстана.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.:Высшая школа, 1967.– 599 с.

2. Литвинов А.М. Теоретические основы теплопроводности. – М.: Энергия, 1964. – 367 с.