Nestandžios dangos konstrukcijos modeliavimas įvertinant tampriai klampias asfalto savybes

Abstract

Nestandi dangos konstrukcija – tai vieno ar daugiau asfalto sluoksnių danga paklota ant surištų ar nesurištų pagrindo sluoksnių. Nors visi dangos konstrukcijos sluoksniai yra vienodai svarbūs eksploatacijos metu, asfalto danga turi didelę įtaką konstrukcijos funkcionavimui. Asfalto sluoksniai sudaryti iš sutankinto kompozitinių medžiagų mišinių, surišto organinės kilmės bituminiu rišikliu. Šio rišiklio, taip pat ir asfalto mišinio, savybės kinta priklausomai nuo aplinkos ir apkrovų sąlygų – tai nulemia visos dangos konstrukcijos laikomąją gebą. Todėl tampriai klampios asfalto mišinio savybės ir jų kitimas turi būti įvertinti dangos konstrukcijos projektavimo stadijoje, nustatant ir optimizuojant visos dangos konstrukcijos sluoksnių storius ir medžiagų rūšis pagal jų poveikį kitų sluoksnių bei visos dangos konstrukcijos funkcionavimui. Disertacijoje nagrinėjamas dinaminių ciklinių apkrovų poveikis prie skirtingų temperatūrų asfalto mišinio ir bitumo tampriai klampioms savybėms. Asfalto sluoksnių tampriai klampių savybių tyrimo metodika pritaikyta tiek naujoms, tiek ir eksploatuojamoms kelių tiesybos medžiagoms. Asfalto mišinius bandant laboratorijoje naudojami naujai pagaminti bei iš eksploatuojamo kelio (2007 m.) paimti asfalto sluoksnių ėminiai. Eksperimentu atlikti tyrimai asfalto mišinių tampriai klampių savybių nustatymui dviem būdais: asfalto mišinius bandant laboratorijoje netiesioginio tempimo metodu; ir savybes nustatant iš teorinių skaičiavimų. Tiriamas asfalto mišinių ir bitumo dinaminis tamprumo ir šlyties moduliai nuo skirtingo dažnio dinaminių apkrovų tiesiškai tampriai klampiose deformacijų ribose esant skirtingos temperatūroms. Disertacijos rezultatai apima asfalto dangos konstrukcijos funkcionavimo įvertinimo algoritmo sukūrimą ir būtinųjų įvesties duomenų nustatymą. Disertacija sudaryta iš įvado, trijų skyrių, santraukos anglų kalba ir septynių priedų. Pirmajame skyriuje aprašyti Lietuvoje ir užsienio šalyse taikomi asfalto dangų konstravimo metodai ir duomenų poreikis. Analizuojami kelių tiesybos medžiagų tamprių ir tampriai klampių mechaninių savybių nustatymo metodai. Antrajame skyriuje pateiktas asfalto mišinių ir jų sudedamųjų dalių eksperimentinis tyrimas, rezultatų analizė ir vertinimas. Pritaikytas ir patikslintas Hirsch modelis asfalto mišinių dinaminio tamprumo modulio apskaičiavimui pagal mišinio sudedamąsias dalis ir bitumo dinaminį šlyties modulį. Susisteminti įvesties duomenys dangos konstrukcijos pažangių projektavimo metodikų taikymui. Trečiasis skyrius skirtas dangos konstrukcijos reakcijos nuo statinės ir judančios apkrovos skaičiavimams taikant eksperimentu nustatytas asfalto mišinių tamprias ir tampriai klampias savybes. Taikant skirtingus dangos konstrukcijos projektavimo metodus ir įvesties duomenis atliktas dangos konstrukcijos optimizavimas ir nustatytas ekonominis efektyvumas.

Flexible pavement is a structure composed of one or more asphalt layers laid on compacted bound and unbound base layers. Even though every layer of pavement is important and affects exploitation, the asphalt surface has the most influence on pavement performance. Asphalt layers are compacted special composition aggregate mixtures bound with bitumen (asphalt binder). Bitumen properties, as well as asphalt mixture properties, vary depending on temperature and loading conditions. These variations influence entire pavement bearing capacity. The visco-elastic properties of asphalt mixtures, as well as their ranges, have to be evaluated in pavement design. This has to be done by determining the proper pavement layers thicknesses and selecting structure materials according to their influence on other layers and entire pavement performance. Dissertation analyses the influence of the dynamic cyclic load on viscoelastic properties of asphalt mixture, bitumen binder, as well as pavement structure performance under different temperature conditions. The visco-elastic properties deter-mined for new and aged asphalt mixtures, the latter were cored from pavement exploited since 2007. Two determination methods of the dynamic modulus of asphalt mixtures where analysed: performing the dynamic indirect tension test and estimating from a theoretical model. The dynamic modulus of asphalt mixtures and dynamic shear modulus of bitumen were tested under linear visco-elastic range at different load frequencies and temperatures. The research results include development of a flexible pavement performance algorithm and specification of input data. The dissertation consists of an introduction, three chapters, a summary in English, and seven annexes. Chapter 1 contains a review of pavement design methods in Lithuania and other countries as well as input data needs. Pavement layer elastic and visco-elastic mechanical property determination method research works are analysed. Chapter 2 subjected the experimental research and applied methods of asphalt mixtures and their components to data interpretation and analysis. The Hirsch model application for dynamic modulus estimation of asphalt mixtures was investigated and calibrated. The input data for visco-elastic pavement response and performance analysis were systemized and prepared for advanced pavement design application. Chapter 3 determines flexible pavement response and performance under static and moving load modelling applying elastic and visco-elastic properties of asphalt mixtures. The economical evaluation was calculated comparing different pavement design methods and pavement structure optimization.