Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

STUDY OF THE PROPERTIES OF COATING FORESTRY ROADS UNDER INFLUENCE OF VARIOUS FACTORS

Levushkin D.M. 1
1 Moscow State Forest University
Under these circumstances, the problem of road building in the woods, and especially in those parts of Russia, where there are no or little stock of quality stone materials, can be solved through the use of waste iron and steel industry in the device of asphalt concrete pavement. The paper studies the properties of asphalt concrete when exposed to different loads. The asphalt shows of body an elastic or viscous and depends on the relation between the time of the on-loading and the relaxation time. In the mixtures of the slag the relaxation time is much greater than the duration of the load, therefore, this coating will behave as an elastic material.
Logging road
asphalt concrete
pavement
the modulus of elasticity.
Актуальность вопроса. На сегодняшний день факторами, сдерживающими развитие лесопромышленного комплекса, наряду с такими, присущими всем отраслям промышленности, как низкий технический уровень производства, высокий уровень износа основных промышленно-производственных фондов, являются: сезонность лесозаготовительного производства, обусловленная географическими и природными условиями и недостаточным количеством лесных дорог круглогодового действия, что требует концентрации значительных материальных и финансовых ресурсов.

В связи с тем, что в настоящее время дорожные организации лесного комплекса испытывают дефицит в нефтяных битумах и минеральном порошке, важное значение приобретают вопросы расширения ресурсной базы отрасли за счет использования отходов промышленного производства в виде металлургических шлаков, шламов, фусов. В сложившихся условиях проблему дорожного строительства в лесу и, особенно, в тех районах РФ, где отсутствуют или имеются незначительные запасы качественных каменных материалов, можно решить за счет применения отходов металлургической промышленности в устройстве асфальтобетонных покрытий.

Теоретический анализ. Асфальтовый бетон из электросталеплавильного шлака и шлама доменного производства является новой разновидностью асфальтовых бетонов. В связи с этим информация в технической литературе по реологическим свойствам такого асфальтобетона отсутствует [1,4].

Учитывая, что минеральная часть указанного асфальтобетона обладает химическими и гидравлическими вяжущими свойствами, поведение его от воздействия температуры и приложения нагрузки будет заметно отличаться от традиционного асфальтового бетона.

В качестве реологической модели асфальтового бетона на основе электросталеплавильного шлака и доменного шлама принята обобщенная модель Бюргерса (рис. 1).

Выведем основные уравнения для нахождения реологических параметров асфальтобетона

Рис.1. Обобщенная модель Бюргерса

 

Для напряжений, не превышающих предел текучести , предложенная модель описывается дифференциальным уравнением [2].

, (1)

где - скорость напряжений и деформаций;

 - ускорения напряжений и деформации;

- модули упругости;

 - коэффициенты вязкости.

Предположим, что при Т = 20° С   достаточно велико. Переходя к пределу при , получим:

. (2)

Для линейно возрастающих нагрузок  (1)   примет вид

. (3)

Решая уравнение (2), получим основное уравнение для линейного нагружения

, (4)

которое содержит две константы c1 и c2, которые находим из начальных условий:

  . (5)

Выражения для c1 и c2 имеют вид

    (6)

Рассмотрим уравнение (4) при небольших значениях t. ограничиваясь тремя членами разложения  в степенной ряд (ряд Тейлора).

. (7)

из (4) получим теоретически приближенное выражение для деформации

.(8)

Экспериментальную кривую «деформация-время» при линейном нагружении с помощью интерполяционного полинома Лангранжа приблизим параболой.

Коэффициенты L и К для кривой найдем тремя методами:

1) методом интерполяции;

2) методом наименьших квадратов [1];

3) методом равных площадей [1].

1. Метод интерполирования:

 при  ;

 при ;

 при  ,

тогда  

или    

2. Метод наименьших квадратов

Xi

Yi

XiYi

Xi2Yi

В=4,5

1

25

25

25

А=0,5

2

49,4

98,8

97,6

3

70,5

211,5

634,5

4

88,4

353,6

1414,4

;

Σ

688,9

2271,5

,   (х- в минутах) 

или ,

.

3. Метод равных площадей.

из системы имеем: с = -1,1; в =26,69

.       (9)

Значения К и L выбираем по методу (3), как наиболее близкое к среднему (

Приравнивая коэффициенты при равных степенях t в уравнении (9) получим первое уравнение для

  (10)

Для замыкания системы второе и третье уравнение найдем из решения (1) при σ = соnst [3,5].

Используя начальное условие  из (2) получим

 (11)

При достаточно больших  следовательно, теоретически получаем:

. (12)

Экспериментальную кривую «деформация-время» (рис. 2,3, табл. 1), при постоянной нагрузке приблизим прямой (при достаточно больших t).

 (13)

Приравнивая коэффициенты в (12) и (13), получим два уравнения

       (14)

. (15)

Имеем:

- скорость нарастания деформации в начальный момент времени

- скорость нарастания относительной деформации при σ =соnst при t- велико ;

- ту деформацию, с которой далее деформация возрастает линейно М =0,0108.

Рис. 2. Зависимость t при линейно-возрастающем нагружении

Рис. 3. Зависимость  при линейно-возрастающем нагружении

 

Таблица 1. Величина деформаций

 

15 с

30 с

45 с

1 мин

2 мин

3 мин

4 мин

6 мин

8 мин

ε абс., 10-3 мм

22

48

82,3

128

252,3

360

451

594

706

ε отн., 10-4, мм

4,3

9,4

16,1

25

49,4

70,5

88,4

116,4

138

 

Из уравнения (13) находим вязкость

. (16)

Из уравнения (14) найдем параметр а

   . (17)

Из уравнения (10) найдем параметр b;  К = q

=-6×10-8 +187×10-8 = 181×10-8     (18)

или с учетом (17, 18) можно выразить

  (19)

Переходя к пределу при  в (16), получим выражение для b

 (20)

Таким образом, зная а, b, ηк  определим модуль упругости и коэффициент вязкости из системы [6]:

 (21)

, (22)

где: ;

,

По найденным значениям  находим время релаксации

.

Релаксация - процесс самопроизвольного уменьшения напряжений, являющийся следствием внутреннего течения. Основным для характеристики процесса релаксации является время, в течение которого напряжение снижается на определенную величину.

Для асфальтового бетона релаксация в основном зависит от вязкости. С увеличением температуры вместе с уменьшением вязкости уменьшается и время релаксации напряжений в асфальтовом бетоне [2,7].

Проявление асфальтовым бетоном свойств упругого или вязкого тела зависит от соотношения между временем действия нагрузки и времени релаксации. Если время действия нагрузки очень мало по сравнению со временем релаксации, то материал ведет себя как идеально упругий. Если же это время велико по сравнению со временем релаксации, то материал проявляет свойства вязкой жидкости.

Вывод. Наши исследования показали, что в шлаковых асфальтобетонных смесях время релаксации значительно больше времени действия нагрузки, следовательно, такое покрытие будет вести себя как упругий материал.

Рецензенты:

  • Белокуров В.П., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой организации перевозок и безопасности движения ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронеж.
  • Сушков С.И., д.т.н., профессор, директор, «Теллермановское опытное лесничество» Института лесоведения РАН, Воронежская обл.