РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СЛОЙ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ
2.1. Разработка модели напряженно-деформированного состояния слоя гидроизоляции при одновременном воздействии временных нагрузок и отрицательных температур
Существующие решения гидроизоляции пролетных строений железобетонных мостов в основном предусматривают многослойные конструкции с устройством над гидроизоляционным материалом защитного слоя и слоев покрытия (приложение А). В большинстве конструкций обеспечивается совместная работа гидроизоляционных материалов с другими слоями (выравнивающим, защитным, слоями покрытия). Результаты обследования мостов также подтверждают, что слои одежды ездового полотна, в основном, работают совместно с пролетным строением. Исключение составляют конструкции с искусственным отделением слоя гидроизоляции от поверхности пролетного строения - системы с паро-дренажными прослойками или с точечной приклейкой слоя гидроизоляции. Наиболее распространенными в практике мирового мостостроения можно считать гидроизоляционные материалы на битумной основе, модифицированные добавками полимеров, применяемые как в виде горячих или холодных мастик, так и в виде рулонных наклеиваемых или наплавляемых материалов.
В процессе эксплуатации дорожная одежда мостового сооружения и слой гидроизоляции подвергаются воздействиям временных подвижных нагрузок в условиях переменных температур. Напряженное состояние элементов дорожной одежды определяется также конструктивными особенностями конкретного моста и климатическими условиями района, в котором он расположен.
На автомобильных дорогах Украины эксплуатируется большое количество мостов с пролетными строениями из сборных железобетонных балок длиной от 12 до 33 м. Это так называемые мосты "массового строительства", построенные по типовым проектам. Поэтому, для исследования напряженно-деформированного состояния гидроизоляции была принята модель, описывающая совместную работу гидроизоляции и слоев дорожной одежды с такими пролетными строениями (рис.2.1).
Рис. 2.1. Схема совместной работы элементов дорожной одежды моста с пролетным строением
В рассматриваемой модели слой гидроизоляции, включенный технологически в совместную работу с пролетным строением, испытывает деформации, как от действия временных подвижных нагрузок, так и от перепадов температуры окружающего воздуха. В качестве временных подвижных нагрузок приняты колесная нагрузка в виде четырехосной тележки с нагрузкой на ось 20 тс (НК 80) и автомобильная нагрузка по схеме Н 30.
Расчет усилий и напряжений в уровне верха железобетонной плиты от действия временной нагрузки реализован пространственным энергетическим методом, рассматривающим конструкцию пролетного строения как плитно-балочную [165], а также методом конечных элементов. Совместность деформаций на границе верха плиты и слоя гидроизоляции для упругой стадии работы материалов (при отрицательных температурах) дает возможность определить напряжения в материале гидроизоляции. При этом для гидроизоляционных материалов на битумной основе учитывалась зависимость модуля упругости и коэффициента Пуассона от температуры [36, 166, 167].
Определение температурных напряжений в слое гидроизоляции от перепада отрицательных температур производилось с использованием гипотезы равенства деформаций на границе смежных слоев с учетом различия коэффициентов линейного расширения бетона и битуминозных материалов [36,168]. При изучении напряженного состояния гидроизоляции предлагается учитывать возможность одновременного воздействия тяжелых временных нагрузок и перепадов отрицательных температур.
2.2. Моделирование процесса тепловых воздействий на гидроизоляцию при устройстве покрытий из горячих асфальтобетонных смесей
Одним из перспективных направлений повышения долговечности дорожных одежд мостов и снижения трудозатрат при их устройстве является отказ от защитного слоя из армированного цементного бетона и выполнение защитного слоя гидроизоляции из горячих асфальтобетонных смесей. В таких конструктивных решениях высокотемпературное воздействие укладываемых сверху горячих или литых асфальтобетонных смесей может оказаться критическим для гидроизоляционных материалов и привести к нарушению их структуры или к потере основных эксплуатационных свойств. Поэтому, материал, принятый для гидроизоляции, должен иметь повышенную теплостойкость. Повышение теплостойкости гидроизоляционного материала в большинстве случаев связано с дополнительными затратами за счет улучшения структуры материала, например, увеличение процентного содержания полимера или наполнителя, применение армирования материала специальными тканями и волокнами. Указанные технологические приемы повышения теплостойкости гидроизоляционных материалов приводят к увеличению их стоимости. Для обоснованного выбора гидроизоляционного материала, при предполагаемых тепловых воздействиях на него, во время устройства дорожной одежды моста, предложена модель, позволяющая определить температурные поля в многослойной конструкции.
В процессе укладки асфальтобетонных смесей, которые могут иметь температуру 160-220 ОС, нижележащие слои конструкции подвергаются воздействию высоких температур. Поскольку теплостойкость большинства материалов, применяемых для устройства гидроизоляции, сравнительно невысока, важно знать, какие по величине температурные воздействия испытывает материал гидроизоляционного слоя при укладке сверху него защитного слоя или слоев покрытия.
Традиционная конструкция дорожной одежды пролетного строения моста представляет собой пакет, состоящий из 3-4 слоев (рис.2.2). При моделировании процесса тепловых воздействий на гидроизоляцию рассматривается конструкция дорожной одежды из слоев, объединенных как между собой, так и с пролетным строением.
Процесс устройства покрытия состоит из распределения асфальтобетонной смеси по поверхности защитного слоя, предварительного уплотнения трамбующим брусом а