Вязкоупругие свойства битумов и асфальтобетонов определяют экспериментально при различных температурах и длительностях нагружения либо скоростях деформирования, для чего требуется дорогостоящее оборудование и квалифицированные исполнители. Это необходимо, чтобы на стадии проектирования оценить расчетный модуль асфальтобетона при данной температуре, правильно назначить температуру приготовления смеси и ее уплотнения, оценить устойчивость покрытия к образованию колеи летом, к образованию поперечных трещин при резком охлаждении зимой и способность асфальтобетона противостоять усталости под действием повторных нагрузок.
В данной работе рассматриваются известные и предлагаются новые зависимости, описывающие связь между различными вязкоупругими характеристиками дорожных битумов, определяемыми при разных режимах испытания: при постоянном напряжении, постоянной деформации или при циклической нагрузке. Получены приближенные формулы, позволяющие оценить значения модулей битума при этих режимах деформирования, исходя из самых простых стандартных его показателей: пенетрации и температуры размягчения битума.
Данная работа состоит из четырех частей, публикуемых в виде четырех статей. В первой части приводятся необходимые для последующего изложения сведения о вязкоупругих свойствах материалов применительно к битуму и асфальтобетону. Во второй части устанавливается зависимость модуля жесткости битума от его пенетрации и температуры размягчения. В третьей части анализируется взаимосвязь между различными показателями свойств: модулем жесткости, модулем релаксации, податливостью ползучести и комплексным модулем, а затем даются приближенные формулы для их определения. В четвертой части даны примеры практического применения установленных зависимостей для определения вязкоупругих свойств битумов и асфальтобетонов как функций температуры и времени действия нагрузки.
В течение многих лет научные интересы авторов концентрировались главным образом в области расчета дорожных одежд на прочность, методов их конструирования и испытания. При этом авторы стремились анализировать действие движущейся нагрузки и процессы, происходящие во времени, а поэтому они интересовались вязкоупругими свойствами дорожно-строительных материалов, «самым вязкоупругим» из которых является асфальтобетон. Несомненно, что для получения надежной информации о свойствах любого материала надо его испытать. Это, однако, не всегда возможно, а поэтому нужны зависимости, позволяющие сравнительно точно предсказать закономерность изменения деформации или напряжения во времени при разных температурах, исходя из простейших стандартных показателей. Более того, в некоторых случаях достаточно воспользоваться такими зависимостями, не прибегая к испытаниям. По крайней мере, эти зависимости понадобились авторам для их работы в области прочности дорожных одежд, и авторы полагают, что они будут полезны и другим специалистам.
Вполне очевидно, что для многих материалов дорожной одежды связь между напряжением и деформацией существенно зависит от продолжительности действия нагрузки и от температуры. Материалы проявляют способность деформироваться во времени при постоянной нагрузке – так называемая ползучесть. С другой стороны, при постоянной деформации напряжение в материале убывает, он как бы расслабляется (релаксирует напряжение). Деформация строительных материалов зависит не только от величины напряжения, но и от длительности его действия. Такими свойствами обладают асфальтобетон и другие смеси каменных материалов с органическими вяжущими, цементный бетон и грунты земляного полотна. В итоге, напряженно – деформированное состояние дорожной одежды зависит не только от величины нагрузок, но и от скорости их движения, и от промежутков времени между приложенными нагрузками. В данном разделе мы кратко остановимся на основных характеристиках вязкоупругих свойств материалов.
1. Вязкоупругие свойства материалов
В данной работе основное внимание уделено вязкоупругим свойствам битума, а также асфальтобетона. Изучению физико-механических свойств битума посвящено много исследований, причем ввиду практической важности число публикаций в этой области интенсивно возрастает. Так, если известная монография А.С. Колбановской и В.В. Михайлова [1] о физико-механических свойствах битума, опубликованная в 1973 г., содержит 232 ссылки на литературу, то в недавней обзорной статье [2], посвященной механическим свойствам битумов, сделаны 332 ссылки, а в статье [3] список литературы включает 586 наименований. В рамках данной работы анализ столь многочисленных источников невозможен, и мы будем упоминать лишь те из них, которые нужны для достижения нашей главной цели – связать основные характеристики вязкоупругих свойств битума с его простейшими стандартными показателями.
1.1. Понятие о модуле жесткости
Профессор Колумбийского университета Д.М. Бурмистер в 1943 г. получил и в 1945 г. опубликовал общее решение задачи о напряжениях и деформациях слоистой упругой конструкции, на которую действует неподвижная нагрузка, применительно к расчету дорожных и аэродромных одежд на прочность [4]. Спустя несколько лет решение этой же задачи в другой форме получил в ХАДИ доцент Б.И. Коган [5]. Появилась реальная возможность рассчитывать дорожную одежду таким же образом, как рассчитывают другие строительные конструкции: мосты, здания, подпорные стены и так далее, то есть вычислять прогиб, напряжения и деформации в слоях и изменять толщины слоев так, чтобы прогиб, напряжения и деформации не превышали допустимых для каждого материала значений.
Для расчета надо было экспериментально определить значения модулей упругости материалов слоев и грунта. Однако выяснилось, что модуль упругости асфальтобетона и других обработанных органическими вяжущими материалов тем меньше, чем выше температура, при которой проводят испытания, и чем дольше приложена нагрузка. Другими словами, оказалось, что асфальтобетон – не упругий, а вязкоупругий материал, жесткость которого уменьшается с ростом температуры и увеличивается с ростом скорости движения нагрузки.
Первый шаг в направлении отражения вязкоупругих свойств битума и асфальтобетона при конструировании и расчете дорожной одежды, а также при выборе битума, отвечающего природным условиям в районе строительства, сделал в 1954 г. сотрудник исследовательской лаборатории нефтяной компании Shell в Амстердаме Ван дер Поль [6]. Он ввел понятие о модуле жесткости битума. По аналогии с модулем упругости, он назвал модулем жесткости битума
