Долговечность объёмных георешёток в конструкциях лесных дорог

Ключевые слова: георешётка, армирование, объёмная георешётка, долговечность, полимерные материалы, лесные дороги.

Введение

Использование геосинтетических материалов в качестве элемента усиления конструкций лесных дорог все шире внедряется в практику дорожного строительства. Поэтому наряду с прогнозированием сроков службы конструкции на основе свойств дорожно-строительных материалов большое значение имеет расчёт долговечности геосинтетических материалов строительного назначения.

Долговечность полимерных материалов, и в частности объёмной георешётки, определяется двумя основными группами факторов:

В качестве параметра, связанного с химическим строением, составом и структурой полимерного материала и одновременно со временем потери работоспособности георешётки под воздействием комплекса эксплуатационных факторов, теоретически и экспериментально обосновано использование эффективной энергии активации термоокислительной деструкции полимера Е_д.

Энергия активации Е_д – избыток энергии (потенциальный барьер), необходимый для разрушения химических связей, образующих основную цепь полимера.

Определение энергии активации

Определение долговечности осуществляется по методике, изложенной в СТБ 1333.0 – 2002. Этот стандарт распространяется на полимерные изделия для строительства и устанавливает метод определения их долговечности расчётным путём по экспериментально определённому значению энергии активации термоокислительной деструкции (далее – энергии активации) материала георешётки.

Метод определения долговечности основан на взаимосвязи между долговечностью полимерного материала георешётки и значением энергии активации, определяющей качество материала и уменьшающейся под воздействием эксплуатационных факторов.

Значение энергии активации определяют расчётным путём по потере массы навески материала георешётки от воздействия температуры при нагревании с заданной скоростью в определённом 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 Т_д, применяя аппроксимацию по методу наименьших квадратов.

При этом на оси абсцисс откладывают величины (10³/Т_д), где Т_д – 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 Е_д, кДж/моль, по формуле:

где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31·10^-3 кДж/(моль·К).

В ходе исследований была испытана объёмная георешётка «Комета» из полиэфирного иглопробивного полотна, для которой график по определению Е_д показан на рис. 1.

Рис. 1. Определение энергии активации Ед для георешётки «Комета» из полиэфира

Поскольку накопление во времени разрывов химических связей есть процесс старения полимера, параметр Е_д связан с долговечностью георешётки экспоненциальной зависимостью:

где τ_tэ – расчётная долговечность георешётки в годах при конкретном значении температуры эксплуатации (температуры грунта) t_э, 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 Е_мв – снижение энергии межмолекулярных взаимодействий на границе «георешётка – грунт» за счёт эффекта Ребиндера, кДж/моль; Е_рН – снижение энергии активации за счёт кислотности грунта, кДж/моль; γ – структурно-чувствительный коэффициент, для шва, как самого слабого элемента георешётки, равный 53,75 кДж/(моль·МПа); σ_ст - напряжение в стенке ячейки геотехнической решётки, вызываемое механическими нагрузками, МПа.

Произведение γ·σ_ст представляет собой долю энергии, на которую механические напряжения, возникающие в материале, понижают потенциальный барьер разрыва химических связей полимера Е_д.

Расчётная долговечность георешётки в годах τ_общ при переменных значениях температуры эксплуатации t_э определяется по формуле:

где m_i – число часов взаимодействия грунта со среднемесячной температурой t_э; m_{i sum} – общее число часов взаимодействия грунта с переменными значениями t_э.

Пример расчёта

Строительство лесной дороги с использованием георешётки «Комета» высотой 0,1 м на территории Трилесинского лесничества Сморгонского опытного лесхоза было завершено в ноябре 2005 года. Дорожная конструкция состоит из земляного полотна высотой в среднем 0,5 м и армированной георешёткой дорожной одежды из песчано-гравийной смеси толщиной 0,18 м.

При определении долговечности георешётки необходимо учесть эксплуатационные факторы, снижающие энергию активации материала георешётки и, тем самым, её 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 Е_мв 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 Е_рН равен 8 кДж/моль.

III. Механические нагрузки

а) статические нагрузки от собственного веса грунта определяются по формулам:

где γ₀ – объёмная масса грунта, равная для песчано-гравийной смеси 2,0 г/см³; z – глубина заложения георешётки (по её 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 расчётах примем, что нагрузка воздействует постоянно и величина её определяется по следующим зависимостям:

где q – расчётное 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 расчётного автомобиля группы А.

Расчётами установлено, что величина суммарного воздействия статических и динамических нагрузок составляет σ_z = 0,565 МПа по оси Z и σ_y = 0,190 МПа по оси Y. Расчётное значение механических нагрузок σ_ст принимается равным сумме σ_z и σ_y, т. е. 0,755 МПа.

Тогда произведение γ·σ_ст будет составлять 53,75 · 0,755 = 40,6 кДж/моль.

В результате получим, что итоговое значение энергии активации Е_д с учетом Е_мв, Е_рН и γ·σ_ст составит 91,8 кДж/моль.

IV. Температура грунта дорожной одежды

Определяется по формуле:

где t_air – температура воздуха, °С; t_soi – температура грунта на нижней границе системы «одежда – полотно», °С. Принимаем значения t_soi на глубине 0,8 м (поскольку общая высота дорожной конструкции составляет 0,7 м) и t_air по каждому месяцу; R_sur – сопротивление теплопереходу покрытия, м²·°С/Вт, принимаемое в расчётах в зависимости от скорости ветра, м/с. Значения скорости ветра по месяцам колеблются в пределах 2,6 – 3,7 м/с, а значения R_sur соответственно от 0,0765 до 0,084 м²·°С/Вт; R_tot – общее тепловое сопротивление дорожной конструкции, м²·°С/Вт.

где R_sc – тепловое сопротивление одежды,

где h_i – толщина слоев одежды с коэффициентом теплопроводности λ_i, h_i = 0,18 м. Для песчано-гравийной смеси λ_i = 2,61 Вт/(м·°С). Тогда R_sc = 0,069 м²·°С/Вт; R_rb – тепловое сопротивление земляного полотна,

где h_si – толщина слоя грунта с коэффициентом теплопроводности λ_si, на нижней границе которого принята температура t_soi. Поскольку промерзание грунта в лесу составляет 15 – 20 см, то значение λ_si = 2,32 Вт/(м·°С) примем для талого грунта. Тогда R_rb = 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 георешётки его величина составляет 0,031 м²·°С/Вт.

Значения R_tot в зависимости от месяца колеблются в интервале 0,3615 – 0,3690 м²·°С/Вт.

Сведем данные по расчёту t_э в табл.1.

Таблица 1. Значения t_air, t_soi и t_э по месяцам, °С

Расчёт долговечности георешётки «Комета» при конкретных значениях t_э покажем в виде табл.2

Таблица 2. Расчёт долговечности георешётки

Общая долговечность георешётки в конструкции лесной дороги, рассчитанная по формуле (4) на основе данных табл. 2, составит τ_общ ≈ 54 года.

Заключение

Большая долговечность объёмной георешётки «Комета» из полиэфира обусловлена:

Описанный выше способ позволяет определить долговечность в дорожной конструкции не только объёмной георешётки, но и любого другого класса геосинтетических материалов, используемых при строительстве лесных дорог. При этом методика расчёта дает возможность комплексно учесть все основные эксплуатационные факторы, воздействию которых подвергается полимерный материал.