+7 (495) 780-71-61
+7 (495) 780-71-61
Долговечность геооболочек -ГеоФРАМ в конструкциях автодорог Использование геосинтетических материалов в качестве элемента усиления конструкций дорог все шире внедряется в практику дорожного строительства. Поэтому наряду с прогнозированием сроков службы конструкции на основе свойств дорожно-строительных материалов большое значение имеет расчет долговечности геосинтетических материалов строительного назначения. Долговечность геосинтетических материалов, и в частности геооболочек -ГеоФРАМ, определяется двумя основными группами факторов: — свойства исходного материала – надлежащее качество сырья и правильный подбор материала с учетом требований к конструкции геооболочки; — условия эксплуатации – тепло, кислород, вода, УФ-излучение, химические среды, механические нагрузки. В качестве параметра, связанного с химическим строением, составом и структурой геосинтетического материала и одновременно со временем потери работоспособности геооболочек -ГеоФРАМ под воздействием комплекса эксплуатационных факторов, теоретически и экспериментально обосновано использование эффективной энергии активации термоокислительной деструкции Ед. Энергия активации Ед – избыток энергии (потенциальный барьер), необходимый для разрушения химических связей, образующих основную цепь геосинтетического материала. 1. Определение энергии активации. Определение долговечности осуществляется по методике, изложенной в СТБ 1333.0 – 2002. Этот стандарт распространяется на геосинтетические изделия для строительства и устанавливает метод определения их долговечности расчетным путем по экспериментально определенному значению энергии активации термоокислительной деструкции (далее – энергии активации) материала геооболочек «ГеоФРАМ». Метод определения долговечности основан на взаимосвязи между долговечностью геосинтетического материала геооболочек -ГеоФРАМ и значением энергии активации, определяющей качество материала и уменьшающейся под воздействием эксплуатационных факторов. Значение энергии активации определяют расчетным путем по потере массы навески материала геооболочки -ГеоФРАМ от воздействия температуры при нагревании с заданной скоростью в определенном интервале температур на специальном приборе (дериватографе). Навески испытуемого и эталонного материалов массой по 200±1 мг помещают в керамические тигли (их предварительно прокаливают при температуре 600°С в течение 1 часа, а потом выдерживают при комнатной температуре в течение 2 часов) и затем взвешивают.
Далее тигли с испытуемым и эталонным материалами устанавливают в дериватограф и нагревают навеску до температуры 500°С. Одновременно производят запись специального графика (дериватограммы). На полученной дериватограмме отмечают значение потери массы навески (Δm) в процентах с точностью до 0,1% с шагом 10°С в интервале температур 350 – 410°С для полиэфира. Вычисляют значение двойного логарифма ln[ln(100/(100 – Δm))] для каждой температуры и строят график прямолинейной зависимости ln[ln(100/(100 – Δm))] от обратной температуры Тд, применяя аппроксимацию по методу наименьших квадратов. При этом на оси абсцисс откладывают величины (103/Тд), где Тд – значения температуры, К, при испытании, а на оси ординат – величины ln[ln(100/(100 – Δm))]. Вычисляют с точностью до 0,1 тангенс угла наклона φ построенной прямой линии к оси ординат. Определяют значение энергии активации Ед, кДж/моль, по формуле: где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31·103 кДж/(моль·К). В ходе исследований была испытана геооболочка -ГеоФРАМ из полиэфирного иглопробивного полотна, для которой график по определению Ед показан на рис.1.
Поскольку накопление во времени разрывов химических связей есть процесс старения
полимера, параметр Ед связан с долговечностью геооболочки -ГеоФРАМ экспоненциальной
зависимостью:
где τtэ – расчетная долговечность геооболочки «ГеоФРАМ» в годах при конкретном
значении температуры эксплуатации (температуры грунта) tэ, К; m – коэффициент перевода
долговечности в годы, m = 365; α и β – коэффициенты, постоянные для данного класса
полимеров, для полиэфира α = -0,1661, β = +2,590.
С учетом эксплуатационных факторов:
где Емв – снижение энергии межмолекулярных взаимодействий на границе
«геооболочка -ГеоФРАМ – грунт» за счет эффекта Ребиндера, кДж/моль; ЕрН – снижение
энергии активации за счет кислотности грунта, кДж/моль; γ – структурно-чувствительный
коэффициент, для шва, как самого слабого элемента геооболочки -ГеоФРАМ, равный
53,75 кДж/(моль·МПа); σст — напряжение в стенке ячейки геотехнической решетки,
вызываемое механическими нагрузками, МПа.
Произведение γ·σст представляет собой долю энергии, на которую механические
напряжения, возникающие в материале, понижают потенциальный барьер разрыва
химических связей полимера Ед.
Расчетная долговечность геооболочки -ГеоФРАМ в годах τобщ при переменных
значениях температуры эксплуатации tэ определяется по формуле:
где mi – число часов взаимодействия грунта со среднемесячной температурой tэ; mi sum –
общее число часов взаимодействия грунта с переменными значениями tэ.
2. Пример расчета. Использовалась геооболочка -ГеоФРАМ высотой 0,3 м. Дорожная
конструкция состоит из земляного полотна высотой в среднем 0,5 м и армированной
геооболочкой -ГеоФРАМ дорожной одежды из песчано-гравийной смеси толщиной 0,18 м.
При определении долговечности геооболочек -ГеоФРАМ необходимо учесть
эксплуатационные факторы, снижающие энергию активации материалагеооболочки -ГеоФРАМ и, тем самым, ее долговечность. К таким факторам относятся:
I. Воздействие жидкой фазы грунта выражается в эффекте адсорбционного понижения
прочности полимера (эффекте Ребиндера), который означает облегчение деформации и
разрушения твердого тела в результате протекания на его свободной поверхности обратимых
физико-химических процессов, приводящих к понижению поверхностной энергии тела.
Показатель Емв составляет 59 кДж/моль.
II. Кислотность грунтового массива. Преобладающие почвы в районе строительства
дерново-подзолистые и дерново-подзолистые заболоченные, для таких почв показатель
кислотности составляет по всему профилю рН = 3,6 – 5,5, а параметр ЕрН равен 8 кДж/моль.
III. Механические нагрузки:
а) статические нагрузки от собственного веса грунта определяются по формулам:
где γ0 – объемная масса грунта, равная для песчано-гравийной смеси 2,0 г/см3; z –
глубина заложения геооболочки -ГеоФРАМ (по ее верхнему краю), z = 0,08 м; ξ0 = μ0/(1 – μ0)
– коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя; μ0 – коэффициент относительной
поперечной деформации, аналогичный коэффициенту Пуассона, μ0 = 0,3;
б) дорожная конструкция воспринимает нагрузки от движущихся транспортных средств через
упругие шины в очень короткое время – 0,1 с. В расчетах примем, что нагрузка воздействует
постоянно и величина ее определяется по следующим зависимостям:
где q – расчетное давление, МПа; η = z/a, а – радиус круга, эквивалентного по площади
отпечатку колеса, м. При вычислениях принята нагрузка с параметрами q = 0,6 МПа, а = 0,185
м расчетного автомобиля группы А.
Расчетами установлено, что величина суммарного воздействия статических и
динамических нагрузок составляет σz = 0,565 МПа по оси Z и σy = 0,190 МПа по оси Y.
Расчетное значение механических нагрузок σст принимается равным сумме σz и σy, т. е.
0,755 МПа.
Тогда произведение γ·σст будет составлять 53,75 · 0,755 = 40,6 кДж/моль.
В результате получим, что итоговое значение энергии активации Ед с учетом Емв, ЕрН и
γ·σст составит 91,8 кДж/моль.
IV. Температура грунта дорожной одежды определяется по формуле:
где tair – температура воздуха, °С; tsoi – температура грунта на нижней границе системы
«одежда – полотно», °С. Принимаем значения tsoi на глубине 0,8 м (поскольку общая высота
дорожной конструкции составляет 0,7 м) и tair по каждому месяцу; Rsur – сопротивление
теплопереходу покрытия, м2 · °С/Вт, принимаемое в расчетах в зависимости от скорости
ветра, м/с. Значения скорости ветра по месяцам колеблются в пределах 2,6 – 3,7 м/с, а
значения Rsur соответственно от 0,0765 до 0,084 м2 · °С/Вт; Rtot – общее тепловое
сопротивление дорожной конструкции, м2 · °С/Вт.
где Rsc – тепловое сопротивление одежды,
где hi – толщина слоев одежды с коэффициентом теплопроводности λi, hi = 0,18 м. Для
песчано-гравийной смеси λi = 2,61 Вт/(м · °С). Тогда Rsc = 0,069 м2 · °С/Вт; Rrb – тепловое
сопротивление земляного полотна,
где hsi – толщина слоя грунта с коэффициентом теплопроводности λsi, на нижней
границе которого принята температура tsoi. Поскольку промерзание грунта составляет 15 – 20
см, то значение λsi = 2,32 Вт/(м ·°С) примем для талого грунта. Тогда Rrb = 0.216 м2 · °С/Вт;
– суммарное тепловое сопротивление слоев дорожной конструкции, расположенных
выше плоскости, в которой определяется температура грунта. На расстоянии 0,08 м от верха
покрытия и до начала геооболочки -ГеоФРАМ его величина составляет 0,031 м2 · °С/Вт.
Значения Rtot в зависимости от месяца колеблются в интервале 0,3615 – 0,3690
м2 · °С/Вт.
Сведем данные по расчету tэ в табл.1.
Расчет долговечности геооболочки -ГеоФРАМ при конкретных значениях tэ покажем в виде
табл.2
