Вступ. За міжнародними оцінками [18] щорічно у світі 1,5 мільярди зношених шин йдуть до відходів. Їхня значна частина зберігається на звалищах, закопується у землю або спалюється, забруднюючи при цьому повітря, стічні води та ґрунти шкідливими й отруйними газами, а також рідкими і твердими фракціями. У той же час гума має ряд корисних і цінних для індустрії речовин, рециркуляція яких дозволить значно зменшити забруднення навколишнього середовища та отримати матеріальні вигоди. До того ж матеріал зношених шин володіє рядом унікальних термомеханічних якостей, привабливих для промислового застосування, включаючи низьку густину, гарні термо- і електроізоляційні властивості, механічну пружність та міцність тощо. Одним із перспективних напрямків рециркуляції зношених шин є їх застосування в якості домішок в асфальтобетонні матеріали дорожніх покриттів. Однак, як показали натурні випробування, механічні властивості таких матеріалів в значній мірі залежать від домішок в матеріал і модифікації їхніх властивостей бітумною фракцією. Оскільки в науковому середовищі ці питання проаналізовані недостатньо, проблема їх вивчення є актуальною.
Проблематика. Проблема рециклінгу матеріалу зношених автомобільних шин у дорожньому будівництві здебільшого обмежується нестабільністю термомеханічних властивостей асфальтобетонних сумішей з домішками гумової крихти залежно від розміру її зерна, відсотка об’ємних включень і рівня модифікування бітумом. Встановлення раціональних параметрів, які характеризують ці фактори, може бути реалізовано шляхом математичного розв’язання задачі про термодеформований стан дорожнього покриття із застосуванням методів теорії термопружності.
Мета. Мета статті полягає у визначенні причин, що призводять до порушення міцності асфальтобетонних матеріалів з домішками гумових крихт. Із цією метою аналізується вплив несумісності термомеханічних характеристик (модулів пружності, коефіцієнтів Пуассона та коефіцієнтів температурного розширення) бітуму та гуми на концентрацію додаткових внутрішніх термонапружень у системі, що викликані сезонними та добовими змінами температури.
Матеріали та методи. Для проведення досліджень використовуються методи математичного моделювання із застосуванням основних положень теорії термопружності. Вважається, що бітум являє собою пружне середовище, в яке включена гумова крихта, що моделюється пружною кулею. Складені рівняння термопружної рівноваги системи при зміні її температури, сформульовані крайові рівняння та умови пружної взаємодії бітумного середовища та гумового включення на поверхні їхнього контакту. Методами аналітичних перетворень побудовано в замкнутій формі розв’язки цих рівнянь, які дозволяють визначати термонапруження в обох фракціях системи та їх залежності від значень параметрів термопружності. Сформульований принцип відповідності розв’язків задач теорії пружності та в’язкопружності, який дозволяє використовувати отримані розв’язки для аналізу термоміцності реальних асфальтобетонних дорожніх покриттів.
Результати. У роботі методами математичного моделювання розкриті причини низької термоміцності бітумних матеріалів із включеннями у вигляді гумових крихт. Показано, що вона пов’язана з термопружною несумісністю бітуму та гуми, що обумовлена практичною об’ємною нестисливістю гуми та різницею значень коефіцієнтів температурного лінійного розширення цих матеріалів. Відмічена позитивна роль модифікування гуми бітумом, що дозволяє зменшити термопружну нестисливість цих матеріалів та обумовленою нею концентрацію термонапружень на поверхні контакту бітуму та гумового зерна.
Висновки. За допомогою теоретичного аналізу термопружного стану бітумного матеріалу з резиновими включеннями встановлена причина концентрації термонапружень на поверхні контакту цих фракцій, що обумовлена несумісністю їх параметрів термопружності. Отримані результати дають можливість встановлювати шляхи раціонального модифікування гуми бітумом, які дозволяють підвищувати термоміцність дорожніх покриттів в умовах сезонних і добових змін температури і, тим самим, збільшувати їх довговічність.
