Учет влияния содержания воздушных пустот при расчете критической длины трещины в асфальтобетоне

Введение. Параметры прочности и деформативности асфальтобетона существенно зависят от его температуры. В широком диапазоне варьирования температуры асфальтобетон проявляет упруго-вязко-пластические свойства. Это приводит к тому, что на макроуровне при увеличении температуры прочность асфальтобетона и его сопротивляемость деформации уменьшается. В условиях отрицательных температур асфальтобетон проявляет свойства хрупкого тела, а при положительных температурах асфальтобетон нужно рассматривать как квазихрупкий материал. Следовательно, в практику расчета нежестких дорожных одежд и проектирование состава асфальтобетонов необходимо внедрять материальные константы микроуровня (поверхностную энергию, энергию разрушения, предельные значения коэффициентов интенсивности напряжений или трещиностойкость, вязкость разрушения). Выполнен анализ методов расчета дорожных одежд, применяемых в практике дорожного строительства. Сформулирована цель работы.

Методы и материалы. Приведены сведения о концепциях хрупкого и квазихрупкого разрушения А. Гриффится и Дж. Ирвина, описан критерий роста трещины в виде J-интеграла Черепанова – Райса. Сделан вывод, что одним из вариантов расчета асфальтобетонных слоев дорожной одежды при нулевой и отрицательной температуре является применение теории хрупкого разрушения А. Гриффитса. Применение механики хрупкого разрушения позволяет определить критическое напряжение при заданном размере дефектов в структуре асфальтобетона и, наоборот, критическую длину трещины при заданном напряжении. Следующим этапом должен стать расчет по коэффициентам интенсивности напряжений или энергии разрушения, применяемые в рамках линейно-упругой механики разрушения, но учитывающей образование в вершине трещины пластической зоны с малыми необратимыми деформациями. Классические формулы А. Гриффитса содержат материальные константы, в том числе модуль упругости, величина которого зависит от содержания воздушных пустот. На микроуровне воздушные пустоты представляют собой концентраторы напряжений. Поэтому учет содержания воздушных пустот при определении модуля упругости асфальтобетона, применяемого в расчете дорожной одежды, является актуальной задачей, имеющей практическую значимость. Выполнен обзор научных работ по определению энергетических констант горячих асфальтобетонов в зависимости от вариации различных факторов.

Результаты. Приведены результаты расчета критической длины трещины для горячих асфальтобетонов на битумах марок БНД, соответствующие допуску по содержанию воздушных пустот. Из анализа результатов расчета следует, что увеличение содержания воздушных пустот приводит к снижению модуля упругости асфальтобетона и уменьшению критической длины трещины. Расчеты выполнены для трех величин удельной поверхностной энергии.

Заключение. Полученные результаты позволяют более детально производить расчет дорожной одежды

1. Горский М.Ю., Кадыров Г.Ф., Стрельцов А.В., Симчук Е.Н. Совершенствование методики расчета нежестких дорожных одежд с учетом применения решения задачи теории упругости для многослойного полупространства // Дороги и мосты. 2021. Т. 46, № 2. С. 53–74.

2. Радовский Б.С., Мерзликин А.Е. Оценка погрешностей, возникающих при расчете нежестких дорожных одежд // Дороги и мосты. 2016. Т. 35, № 1. С. 59–69.

3. Симчук Е.Н., Кадыров Г.Ф., Горский М.Ю., Медведев Д.В., Стрельцов А.В. Актуальные подходы к моделированию напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд от статических и динамических нагрузок // Дороги и мосты. 2025. Т. 53, № 1. С. 55–71. Https://doi.org/10.70991/1815-896X-2025-1-53-55-71

4. Мерзликин А.Е., Корчажников Я.Н. Продление сроков службы нежестких дорожных одежд при проектировании: тривиальные и нетривиальные способы // Дороги и мосты. 2018. Т. 39, № 1. С. 105–117.

5. Косенко Н.В., Горячев М.Г. Обоснование кратковременных расчетных модулей упругости асфальтобетонов для проектирования дорожных одежд улично-дорожной сети // Наука и техника в дорожной отрасли. 2025. № 2. С. 20–22.

6. Горячев М.Г. Оценка поправочного коэффициента для определения минимального требуемого значения модуля упругости нежестких дорожных одежд // Транспортное строительство. 2018. № 5. С. 10–12.

7. Ekwulo E.O., Eme D.B. Expected traffic, pavement thickness, fatigue and rutting strain relationship for low volume asphalt pavement // The International Journal Of Engineering And Science. 2013. Т. 2. № 8. С. 62–77.

8. Owais M. Analysing Witczak 1-37A, Witczak 1-40D and Modified Hirsch Models for asphalt dynamic modulus prediction using global sensitivity analysis // International Journal of Pavement Engineering. 2023. Т. 24. № 1. Article No 2268808. Https://doi.org/10.1080/10298436.2023.2268808

9. Asadi B., Hajj R., Al-Qadi I.L. Asphalt concrete dynamic modulus prediction: Bayesian neural network approach. // International Journal of Pavement Engineering. 2023. Т. 24. No 2. Article № 2270569, Https://doi.org/10.1080/10298436.2023.2270569

10. Belhaj M., et al. Evaluating Factors Influencing Dynamic Modulus Prediction: GRA-MLR Compared with Sigmoidal Modelling for Asphalt Mixtures with Reclaimed Asphalt // Infrastructures. 2025. №. 10. Article № 269. Https://doi.org/10.3390/infrastructures10100269

11. Hanandeh S., et al. Prediction the Dynamic Modulus of Hot Asphalt Mix Using Genetic Algorithms and Neural Network Modeling // Civil Engineering Journal. 2025. Т. 11. № 7. Pp. 2765–2781. Https://doi.org/10.28991/CEJ-2025-011-07-08

12. Aleksandrova N.P., Chysow V.V. The usage of integral equations hereditary theories for calculating changes of measures of the theory of damage when exposed to repeated loads // Magazine of Civil Engineering. 2016. Т. 62. № 2. С. 69–82. Https://doi.org/10.5862/MCE.62.7.

13. Углова Е.В. Прогнозирование остаточного ресурса асфальтобетонных покрытий с учетом реальных условий эксплуатации. // Вестник ВолгГАСУ. Серия Строительство и архитектура. 2010. № 17(36). С.43–47.

14. Чусов В.В., Муртазин Р.Х., Александров А.С. Учет влияния содержания воздушных пустот на модуль упругости асфальтобетонов для расчета дорожных одежд // Вестник СибАДИ. 2025. № 22(6). С. 1000–1017. Https://doi.org/10.26518/2071-7296-2025-22-6-1000-1017.

15. Uglova E.V., Tiraturjan A.N., Eganyan G.V. Calibration of the prediction model for fatigue damage accumulation in asphalt courses of flexible pavements for the conditions specific to the Russian Federation // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Т. 698. Article No 077010. Https://doi.org/10.1088/1757-899X/698/7/077010

16. Углова Е.В., Тиратурян А.Н., Шило О.А. Прогнозирование накопления усталостных разрушений в асфальтобетонных слоях нежестких дорожных одежд // Научный журнал строительства и архитектуры. 2019. № 3 (55). С. 52–61. Https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.55.3.006

17. Пегин П.А., Капский Д.В., Буртыль Ю.В. Разработка методики оценки продольной ровности при изменении прочности дорожных конструкций // Бюллетень результатов научных исследований. 2022. Вып. 4. С. 37–47. Https://doi.org/10.20295/2223-9987-2022-4-37-47

18. Буртыль Ю.В., Капский Д.В. Моделирование взаимосвязи ровности и прочности нежестких дорожных одежд на основании теоретическо-практических исследований // Вестник СибАДИ. 2022. Т.19, № 4 (86). С. 570–583. Https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-4-570-583

19. Iskakbayev A.I., Teltayev B.B., Rossi C.O. Deformation and strength of asphalt concrete under static and step loadings // In book: Transport Infrastructure and Systems. 2017. С. 3–8. Https://doi.org/10.1201/9781315281896-1

20. Elnashar G., Bhat R.B., Sedaghati R. Modeling pavement damage and predicting fatigue cracking of fexible pavements based on a combination of deterministic method with stochastic approach using Miner’s hypothesis // Applied Sciences. 2019. Т. 1. Article No 229. Https://doi.org/10.1007/s42452-019-0238-5

21. Fahad M., Nagy R. Fatigue damage analysis of pavements under autonomous truck tire passes. // Pollack Periodica. 2022. Т. 17. № (3). С 59–64. Https://doi.org/10.1556/606.2022.00588

22. Olexa T., Mandula J. Comparison of complex modulus and elasticity modulus of bitumen bonded materials // Pollack Periodica. 2016; Т. 11. №3. С. 131–140. Https://doi.org//10.1556/606.2016.11.3.12

23. Tiraturyan A.N., Lyapin A.A. Analysis of the deformation energy dissipation in a layered medium under dynamic loading (on the example of highways) // Soil mechanics and foundation engineering. 2024. Т. 61. № 5. С. 445–451. Https://doi.org/10.1007/s11204-024-09995-3

24. Тиратурян А.Н., Акулов В.В. Энергия деформирования в слоистой среде при ударном нагружении (на примере автомобильных дорог) // Геология и геофизика Юга России. 2024. Т. 14, № 4. С. 128–141. Https://doi.org/10.46698/VNC.2024.52.44.011

25. Tiraturyan A.N. Forecasting of the Residual Life of Pavements on Highways Based on the Analysis of Energy Dissipation under the Dynamic Influence of Transport // Journal of friction and wear. 2023. Т. 4. С. 91–96 Https://doi.org/10.3103/S1068366623020113

26. Тиратурян А.Н., Углова Е.В., Ляпин А.А. Исследование распределения энергии динамического воздействия транспортных средств в слоях нежесткой дорожной конструкции // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 2. С. 178–194. Https://doi.org/10.15593/perm.mech/2017.2.10

27. Kadyrov G.F., Simchuk Ye.N., Tiraturyan А. N. Comparative testing of asphalt concrete for fatigue life using various modern laboratory methods // Russian journal of building construction and architecture. 2024. Т. 63. № 3. С. 65–75. Https://doi.org/10.36622/2542-0526.2024.63.3.006

28. Tiraturyan A.N. Modelling of stress-strain state of asphalt concrete layers in pavements taking into account the results of laboratory four-point bending tests // Construction Materials and Products. 2024. Т. 7. № 4. Статья № 5. Https://doi.org/10.58224/2618-7183-2024-7-4-5

29. Gao H, Yang X, Zhang C. Experimental and numerical analysis of three-point bending fracture of pre-notched asphalt mixture beam // Construction and Building Materials. 2015. Т. 90. 1–10. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.04.047

30. Aliha M.R.M., et al. Study of characteristic specification on mixed mode fracture toughness of asphalt mixtures // Construction and Building Materials. 2014. Т. 54. С. 623–635. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.12.097

31. Pirmohammad S., Ayatollahi M. Asphalt concrete resistance against fracture at low temperatures under different modes of loading // Cold Regions Science and Technology. 2015. Т. 110. С.149–159. Https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2014.11.001

32. Li X., et al. Effect of factors affecting fracture energy of asphalt concrete at low temperature // Road Materials and Pavement Design. 2008. Т. 9. № 1. С. 397–416. Https://doi.org/10.1080/14680629.2008.9690176

33. Li X., Marasteanu M. Using semi circular bending test to evaluate low temperature fracture resistance for asphalt concrete // Experimental Mechanics. 2010. Т. 50. № 7. С. 867–876. Https://doi.org/10.1007/s11340-009-9303-0

34. Li X, et al. Factors study in low-temperature fracture resistance of asphalt concrete // Journal of Materials in Civil Engineering. 2010. Т. 22. № 2. С. 145–152. Https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2010)22:2(145)

35. Artamendi I., Khalid H.A. A comparison between beam and semi-circular bending fracture tests for asphalt // Road Materials and Pavement Design. 2006. Т. 7. № 1. С. 163–180. Https://doi.org/10.1080/14680629.2006.9690063

36. Mansourian A., Razmi A., Razavi M. Evaluation of fracture resistance of warm mix asphalt containing jute fibers // Construction and Building Materials. 2016. Т. 117. С. 37–46. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.04.128

37. Pirmohammad S., Abdi M., Ayatollahi M.R. Effect of support type on the fracture toughness and energy of asphalt concrete at different temperature conditions // Engineering Fracture Mechanics. 2021. Т. 254. № 7.: Article No 107921. Https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107921

38. Pirmohammad S., Kiani A. Impact of temperature cycling on fracture resistance of asphalt concretes // Computers and Concrete. 2016. Т. 17. №4. С. 541–551. Https://doi.org/10.12989/cac.2016.17.4.541

39. Amin I., et al. Laboratory evaluation of asphalt binder modified with carbon nanotubes for Egyptian climate // Construction and Building Materials. 2016. Т. 121.№ 8. С. 361–372. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.05.168

40. Arabani M., Faramarzi M. Characterization of CNTs-modified HMA’s mechanical properties // Construction and Building Materials. 2015. Т. 83. № 1. С. 207–215. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.03.035

41. Ashish P.K., Singh D., Bohm S. Evaluation of rutting, fatigue and moisture damage performance of nanoclay modified asphalt binder // Construction and Building Materials 2016. Т. 113. С. 341–350. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.057

42. Kordi. Z, Shafabakhsh G. Evaluating mechanical properties of stone mastic asphalt modified with Nano Fe2O3 // Construction and Building Materials. 2017. Т. 134. С. 530–539 Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.202

43. Pirmohammad S, Majd-Shokorlou Y, Amani B Experimental investigation of fracture properties of asphalt mixtures modified with Nano Fe2O3 and carbon nanotubes // Road Mater Pavement Des 2019. Т. № 1. С. 1–23. Https://doi.org/10.1080/14680629.2019.1608289

44. Shafabakhsh G., Ani O.J. Experimental investigation of effect of Nano TiO2/SiO2 modified bitumen on the rutting and fatigue performance of asphalt mixtures containing steel slag aggregates // Construction and Building Materials 2015. Т. 98. С. 692–702. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.083

45. Zhang H.L., et al. High and low temperature properties of nano-particles/polymer modified asphalt // Construction and Building Materials. 2016. Т. 114. № 1. С. 323–332. Https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.118

46. Ziari. H, et al. The investigation of the impact of carbon nano tube on bitumen and HMA performance // Petroleum Science and Technology. 2014. Т. 32. № 17. С 2102–2108. Https://doi.org/10.1080/10916466.2013.763827

47. Телтаев Б.Б. Новый взгляд на низкотемпературное трещинообразование в асфальтобетонном покрытии // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия Геологии и Технических наук. 2016. Т. 419, № 5. С.161–178.

48. Мозговой В.В. Направленное регулирование термовязкоупругих свойств асфальтобетона // Вестник ХНАДУ. 2017. Т. 79. С. 89–93.

49. Колесников Г.Н., Гаврилов Т.А. Моделирование условий появления низкотемпературных трещин в асфальтобетонном слое автомобильной дороги // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. Т. 56. С. 57–66.