close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята обработанного катионной битумной эмульсией в регионах с жарким климатом

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед
Разработка технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового
гранулята, обработанного катионной битумной эмульсией, в регионах с
жарким климатом
05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,
аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Автореферат
диссертации на соискание учѐной
степени кандидата технических наук
Воронеж - 2018
Работа выполнена в Федеральном
образовательном
учреждении
высшего
государственный технический университет»
государственном бюджетном
образования
«Воронежский
Научный руководитель:
Подольский Владислав Петрович
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Скрыпников Алексей Васильевич
доктор технических наук, профессор,
Воронежский государственный университет
инженерных технологий
факультет управления и информатики в
технологических системах, декан.
Попов Александр Николаевич
Кандидат технических наук, доцент,
Военный учебно‒научный центр
Военно‒воздушных сил
«Военно‒воздушная академия имени
профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А.
Гагарина» г. Воронеж, начальник кафедры.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Волгоградский
государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ВолгГТУ»).
Защита состоится 14 июня 2018 г. в 10:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.037.11 при ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический университет» по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел.\ факс: (473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в научно‒технической библиотеке
Воронежского государственного технического университета и на сайте
http://cchgeu.ru.
Автореферат разослан 12 апреля 2018 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета
Чуйкин С.В.
2
Общая характеристика работы
Актуальность исследований. В настоящее время дорожные покрытия из
материалов, обработанных катионными эмульсиями получили широкое
распространение. Повышенная стойкость к износу, образованию деформаций
особенно при повышенных температурах, привела к использованию их в регионах
с жарким климатом. Наиболее целесообразным является применение различного
рода гранулятов получаемых в процессе реставрации старых покрытий дорог. Это
также относится и к восстанавливаемым дорогам в регионах мира, пострадавшим
от природных катаклизмов и боевых действий, например, таких как республика
Ирак. Данный регион обладает неблагоприятным климатом для использования
традиционных технологий и материалов, в процессе приведения в нормативное
состояние пострадавшей дорожной сети. Такие же проблемы сохраняются и при
формировании новой экономически обоснованной, дорожно‒транспортной
инфраструктуры с использованием рециклированных материалов.
Стандартные технологии используют прямое смешивание асфальтовых
гранулятов с вяжущими или модифицированными катионными эмульсиями. Но
при использовании их в указанном регионе возникают ситуации
неконтролируемого образования асфальтовых покрытий пониженной прочности.
Очевидно, это связано с высокой температурой воздуха и подстилающей
поверхности, а использование гранулята приводит к понижению альбедо и как
следствие локальному перегреву указанных участков. Также одним из факторов,
влияющих на качество асфальтового покрытия, является концентрация вяжущего
поэтому исследование, направленное на разработку эффективной технологии
строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята обработанного
катионной битумной эмульсий с учетом ее концентрации важно при оценке
прочности и срока службы покрытия.
В некоторых странах с жарким климатом ведутся разработки данной
технологии, предусматривающей повторное использование строительных
материалов и оперируя интегральными свойствами битумов добиваются
положительных результатов. Правда это требует не только развитой химической
промышленности, но и большого количества битума, что приводит к высокой
стоимости вновь формируемого покрытия.
Понижение стоимости добиваются различными методами, в том числе и
использованием катионных эмульсий, что позволяет экономить до 30 % битума.
Высокая температура окружающей среды позволяет готовить эмульсионноминеральные смеси без дополнительного нагрева, что обеспечивает сокращение
сроков строительства дорог и снижение сопутствующих затрат. Применение
битумных эмульсий с контролируемым временем распада повышает
эффективность вяжущих, обеспечивает возможность разработки технологий,
применяющих “холодные” грануляты для строительства дорожного покрытия.
Полученный асфальтогранулобетон проявляет достаточно высокие прочностные
свойства, успешно выдерживая повышенные температуры и нагрузки. Управляя
индексом распада эмульсии, можно определить величину и характер ее распада
при обработке гранулированного материала.
Поэтому разработка технологии, включающей расширение температурного
интервала использования асфальтового гранулята обработанного катионной
3
битумной эмульсий в процессе укладки дорожного полотна в регионах с жарким
климатом, является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является разработка технологии
строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята, обработанного
катионной битумной эмульсией, в регионах с жарким климатом.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
 выполнить анализ применяемых современных технологий и условий
производства
дорожно‒строительных
работ
с
использованием
эмульсионно‒минеральных материалов в регионах с жарким климатом;
 разработать физикоматематическую модель работы покрытия, при
термодинамическом
равновесии
материалов
асфальтового
гранулята,
обработанного катионной битумной эмульсий, при воздействии транспортной
нагрузки;
 обосновать возможность применения катионной битумной эмульсии с
регулированием времени распада, для соответствия времени технологического
процесса формирования дорожного покрытия;
 разработать составы из композиции эмульсий и минеральных вяжущих с
наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в
конструктивные слои дорожной одежды;
 разработать технологию строительства дорожного покрытия для регионов с
жарким климатом из асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной
эмульсий;
 обосновать
технико‒экономическую
эффективность
применения
разрабатываемой технологии с применением асфальтового гранулята
обработанного катионной битумной эмульсий с управляемым индексом распада.
Научная новизна работы состоит в следующем:
 разработана приближенная физико-математическая модель работы покрытия
при
высоких
температурах,
отличающейся
учетом
возникающего
термодинамического равновесия взаимодействия в асфальтового гранулята,
обработанного катионной битумной эмульсий, формирующих покрытие. Поиск
значений параметров модели производится решением обратной задачи
теплопроводности, что позволяет производить оценку с последующим прогнозом
состояния дорожного покрытия при воздействии транспортной нагрузки;
 на основе результатов математического моделирования предложена
технология строительства дорожного покрытия из асфальтогранулобетона,
полученного методом холодного ресайклинга и катионоактивной битумной
эмульсий с управляемым индексом распада при строительстве, реконструкции и
ремонте дорог в регионах с жарким климатом;
 предложены составы композиции эмульсий и минеральных вяжущих с
наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в
конструктивные слои дорожной одежды. Это дает возможность применения их в
конструктивных слоях дорожной одежды, при устройстве под грунтовку и
поверхностной обработки без нагревания каменных материалов, вяжущих и
смесей;
4
 опробованы новые составы смесей с комплексным использование цемента и
битумной эмульсии, отличающиеся возможностью улучшения адгезии и
ускорения процессов твердения, при уменьшении времени ожидания момента
открытия движения. Для данных смесей получены аппроксимирующие
временные зависимости, позволяющие прогнозировать прочность покрытия в
заданный период эксплуатации.
Теоретическая значимость заключается в разработке уточненной физикоматематической модели
работы защитного слоя дорожного покрытия из
эмульсионно-минерального материала при воздействии динамической нагрузки,
позволяющая производить оценку и прогнозирование его эксплуатационных
свойств.
Практическая значимость работы состоит:
 в разработке технологии строительства, реконструкции и ремонта дорожного
покрытия из асфальтогранулобетона, полученного методом холодного
ресайклинга с использованием композиций, состоящих из катионоактивных
битумных эмульсий и минеральных вяжущих;
 в разработке композитных составов с использованием асфальтового
гранулята и катионоактивных битумных эмульсий без дополнительного нагрева
материалов, вяжущих и смесей, что сокращает срок дорожно–строительных
работ, упрощает технологические процессы повторно-возвратного применения
материалов от разборки дорог;
 в обосновании технико‒экономической эффективности применения
разрабатываемой технологии с применением асфальтового гранулята,
обработанного катионной битумной эмульсий с управляемым индексом распада.
 внесены новые дорожные термины в учебное пособие, применяемое при
подготовке
иностранных
специалистов
в
дорожной
отрасли:
«Русско‒англо‒арабский толковый словарь дорожника».
Методология и методы диссертационного исследования. Теоретической и
методологической основой диссертационного исследования послужили
современные положения теории и практики развития технологии строительства
дорожного покрытия из асфальтового гранулята, разработки отечественных и
зарубежных ученых в области совершенствования использования современных
материалов.
Теоретические
расчеты
выполнены
с
использованием
апробированных математических методов как существующих, так и вновь
представленных. В работе использовалось численное моделирование с
использованием известных математических пакетов и специально написанных
подпрограмм. Обработка результатов натурных экспериментов проведена
методами математической статистики.
Личный вклад соискателя состоит в решении исследуемых задач
диссертационного исследования, он заключается: в обобщении результатов,
систематизации фактов и развитии теоретических положений в области
дорожного строительства, предложении физикоматематической модели работы
покрытия, при термодинамическом равновесии материалов асфальтового
гранулята, в обосновании возможности применения катионной битумной
эмульсии с регулированием времени распада, получение и анализ результатов
исследований составов из композиции эмульсий и минеральных вяжущих с
5
наполнителем из асфальтового гранулята, в апробации и разработке технологии
строительства дорожного покрытия для регионов с жарким климатом.
На защиту выносятся:

физико-математическая модель работы дорожного покрытия при высоких
температурах, отличающаяся учетом возникающего термодинамического
равновесия взаимодействия материалов, формирующих покрытие, позволяющая
производить оценку с последующим прогнозом изменения состояния дорожного
покрытия из асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной
эмульсий при воздействии транспортной нагрузки;

составы композиции эмульсий и минеральных вяжущих с наполнителем из
асфальтового гранулята для последующей укладки в конструктивные слои
дорожной одежды;

технология строительства дорожного покрытия из асфальтогранулобетона
полученного методом холодного ресайклинга и катионоактивной битумной
эмульсий с управляемым индексом распада при выполнении дорожно–
строительных работ в регионах с жарким климатом.
Реализация результатов работы производилась на сети автомобильных
дорог юга России с последующим переносом технологического опыта на дороги
республики Ирак.
Достоверность результатов, приведенных в диссертации, обеспечена
методологией исследований, основанной на фундаментальных теоретических
положениях точных наук; соблюдением основных принципов физического и
математического моделирования; применением стандартных средств и
современного оборудования; а также полученными результатами, которые не
противоречат общепринятым положениям и данным других авторов.
Апробация результатов исследования:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались
и обсуждались на всероссийской научно‒ практической
конференции
«Градостроительство, инфраструктура, коммуникации» (г.Воронеж, 2014); 68-й
студенческой
научно-практической
конференции
«Научные
аспекты
инновационного стратегического развития строительного комплекса» (г.
Воронеж, 2015); конференции «Актуальные проблемы инвестиционностроительной деятельности в условиях кризиса» (г. Санкт Петербург, 2016);
студенческой научно‒ практической конференции ВГТУ «Студенческая наука в
приоритетных направлениях развития техники и технологии» (г. Воронеж, апрель
2017); на научно‒ образовательном форуме «Инновации в сфере науки,
образования и высоких технологий» (Воронеж, 2017).
Публикации: По материалам исследований опубликовано 7 научных работ
общим объемом 48 страниц и учебное пособие с грифом УМО «Русско‒ англо‒
арабский толковый словарь дорожника». 2016.- 479с.; четыре статьи
опубликованы в изданиях, выключенных в перечень ВАК РФ: «Наука и Техника в
дорожной отрасли, № 3 2016», «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №1,2018».
«Научный журнал строительства и архитектуры, № 1, 2018 и в других «ФЭС:
финансы экономика стратегия, № 6 2016», «Наука и Мир, № 3 (43), март, 2017»,
«Инженерные системы и сооружения,‒ 2014, № 3(16)», «Инженерные системы и
сооружения,‒ 2014, № 4(17)».
6
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, четырѐх глав, изложенных на
163 страницах машинописного текста, заключение, списка литературы,
содержащего 116 наименований. Диссертация содержит 50 таблиц и 46 рисунка.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,
определена цель и сформулированы задачи исследования, показаны новизна,
научная и практическая значимость работы.
В первой главе приведен анализ результатов отечественных и зарубежных
исследований по применению катионо-активных битумных эмульсий при
проведении различных дорожно-строительных работ.
Технологиям строительства, реконструкции и ремонта дорожного покрытия
из асфальтовых материалов и повышению их качества посвящено большое
количество работ советских и зарубежных исследователей: В.Ф. Бабкова, Н.В.
Горелышева, Н.Н. Иванова, Н.Ф. Хорошилова, М.В. Немчинова, Е.И. Попова,
И.Н. Петухова, А.С. Москаленко, З.С. Бицкинашвили, В.А. Астрова, К.Я.
Лобзовой, Д.Ф. Мура, Д.Р. Лемба, Д.В. Вуда, Нгуен Ван Лонга и др.
Отличительной чертой использования предполагаемых технологий является
широта варьирования получаемых характеристик, что особенно актуально при
использовании дорожных покрытий в странах с неблагоприятными
климатическими условиями. К одной из таких стран относится и республика
Ирак. На рисунке 1 показаны температуры по месяцам года и профилям.
Рис. 1. Температурные профили, а) воздуха, b) покрытия и c) локальных участков дорог.
Температуры измерены на метеорологической станции вблизи города Наджаф,
температуры покрытия были измерены на дороге Карбала. Для данного района характерно
отсутствие осадков в весенне-осенний период. Слабые воздушные потоки приводят к
интенсивному нагреву подстилающей поверхности.
При сравнительно средних температурах воздуха a) отмечается высокая
температура покрытия b), что обусловлено особенностью инсоляции данного
региона и высокой прозрачностью атмосферы. В тоже время наличие
коротковолновой части спектра инсоляции способствует локальным разогревам
поверхности дороги. Отмечено, что в местах вытапливания битума скорость и
величина разогрева возрастает.
7
В результате проведенного анализа, а также в ходе выполнения
теоретических
и
экспериментальных
исследований
применения
катионоактивных битумных эмульсий предложены два технологических
решения при строительстве конструктивных слоѐв дорожной одежды и создания
слоѐв повышенной шероховатости. Это технология холодного ресайклинга с
использованием асфальтового гранулята, с добавками композиций эмульсий и
минеральных вяжущих и обработка катионоактивной битумной эмульсией с
управляемым индексом распада при дорожно–строительных работах в регионах
с жарким климатом. Также содержится классификация битумных эмульсий с
учѐтом области их применения в дорожной отрасли.
Результаты
опытно-производственных
работ,
проведенных
на
отечественной
сети
дорог
исследователями,
свидетельствуют
о
целесообразности использования технологии применения катионоактивных
битумных эмульсий и асфальтового гранулята для строительства
конструктивных и слоев износа. Созданные из этих материалов конструктивные
слои позволяют обеспечить высокие темпы реконструкции и ремонтных работ,
обладают хорошей адгезией к низлежащим слоям, что способствует увеличению
сроков службы покрытия, повышению безопасности движения и обеспечивают
возможность снижения эксплуатационных расходов.
Во второй главе описаны результаты математического моделирования
работы покрытия при высоких температурах. Основными показателями
эксплуатационной надежности конструктивных слоѐв дорожной одежды
являются стабильность структуры, которая зависит от прочности сцепления
битума с минеральными частицами, прочность при изгибе, устойчивость
структуры к колебаниям влажностного и температурного режимов, усталостные
разрушения при динамическом нагружении и др. Прочность слоев износа на
основе катионоактивных битумных эмульсий зависит от качества
приготовления смесей, времени разложения и твердения эмульсии.
В реальных условиях работы дорожной конструкции происходят различные
процессы, обусловленные еѐ нагружением, климатическими и другими
периодическими, а также разовыми воздействиями. На эксплуатируемых
автомобильных дорогах поверхностную обработку устраивают на участках, где
происходит его быстрое разрушение, а также, если суммарная площадь дефектов
покрытия за период эксплуатации достигла 10%. Появление дефектов на
покрытии свидетельствует о низко‒качественных материалах, а также
вымывании битума из поверхностного слоя.
Ответственной операцией укладки слоев покрытия является процесс
инициализации смеси при ее укатке и в наибольшей степени определяет качество
слоев автомобильной дороги. При проходе по поверхности дороги катков
развивается давление в слоях покрытия и под действием температуры
происходит ряд физико-химических процессов, результатом которых является
формирование срощенных слои необходимой прочности. Воздействие
температуры изменяет баланс внутри используемых материалов, что приводит к
неравновесному термодинамическому состоянию. Давление межслоевого сжатия
возрастает, и внутренняя влага, содержащаяся в катионо-битумных и
минеральных вяжущих, оказывает влияние на их инициацию. Правильный выбор
8
составов смесей, а также технологических условий укладки состоит в том, чтобы
обеспечить высокую прочность и долговечность покрытий при строительстве,
реконструкции и ремонте. Также влияние температуры оказывает и на
диффузионные процессы, происходящие при формировании нового покрытия и
его последующей эксплуатации. Таким образом, основополагающим является
решение такой задачи, при которой исходные параметры внешних условий
диктуют технологические правила.
В
качестве
физико-математической
модели
выберем
систему
взаимосвязанных дифференциальных уравнений тепломассопереноса, где
источник тепла, возникающего при операции связывания слоев, находится в
правой части, и зависимых от температуры нелинейных уравнений деформации
слоев, а также уравнение диффузии вяжущего в сжимаемом грануляте (1):
cc  2U ( x, t ) W ( x, t )
T ( x, t )
 2T ( x, t )
F ( x, t )
 at ( x, t )


r
ac


  ' ,
2
2
t
x
c
x
c
x
2
U ( x, t ) 
U ( x, t )
 T ( x, t )
 ac ( p)
 ac ( p)
,
t
x
x
x 2
(1)
где
распределение
температуры,
К; at
коэффициент
T ( x, t )
2
температуропроводности; м /с, t – время, с;  - коэффициент фазового переход
битума из жидкого в твердое состояние; удельная теплота перехода, Дж/м3; cc удельная массоемкость, кг/кг; c - объемная теплоемкость конструкционных слоев,
Дж/(м3.К); U ( x, t ) - количество вяжущего в покрытии, кг/кг; W ( x, t ) - функция
мощности источника при фазовом переходе активной части эмульсии, Вт/м 3;  коэффициент лучистого теплообмена; F ( x, t ) - мощность теплового излучения
воспринимаемого поверхностью;  - коэффициент транс- формации работы
пластической деформации в тепло;  ' - скорость пластической деформации, и
равная  '  A exp (G      / kT ) ; A – коэффициент начального состояния
материала; G – энергия термически зависимой пластической деформации; k - ;  напряжение возникающее при формировании слоя;  - относительный
коэффициент термодиффузии, кг/(кг.К); ac ( p) - барический коэффициент
диффузии, м2/с.
Граничными условиями данной системы является предположение о
затухающем процессе фазового превращения, а также стационарности
поступающего тепла, в момент формирования слоев. Основной поток тепла
поступает с верхнего слоя непосредственно от подогретого материала, а также от
прогрева инсоляцией. Появление высоких температур вызывает неравномерность
как прогрева, так и преждевременное инициирование катионных вяжущих, что
снижает прочностные характеристики дороги.
Тепло от поверхности сжатия слоев покрытия с содержащимися в нем
гранулятом вяжущим поступает в нижние слои. Создается избыточное давление,
под действием которого вяжущее проникаетв глубину слоя, выравнивая
температурные поля, процесс отверждения проходит более равномерно по
толщине слоев, что улучшает прочностные характеристики дороги, граничные
9
условия можно отнести к граничным условиям первого рода. Условия равенства
потоков тепла и переноса жидкой фракции вяжущего в процессе формирования
слоя: 
T ( x, t )
U ( x, t )
 0, ac 
 0.
x x h
x x h
Поэтому адекватное описание изменений концентрации битума в
асфальтовом слое может считаться объективным ответом на вопрос о
долговечности дорожного покрытия. Несомненно, важным является
теоретическое обоснование функциональной зависимости концентрации
вяжущего от времени и нескольких других естественных параметров и, в
частности, оценка времени достижения концентрацией некоторого порогового
(минимально допустимого) значения. Такая оценка может рассматриваться в
качестве одной из прогностических оценок срока службы полотна.
Решение задачи изменения упругих свойств дорожного покрытия
показывает, что при формировании слоев дороги, в условиях высоких температур,
изменяются прочностные свойства верхнего слоя. Для анализа влияния
характеристик материалов и толщин слоѐв на прочностные свойства в табл. 1
приведены расчетные варианты дорожных одежд с одинаковым Еобщ=320 МПа.
Таблица 1
Характеристики различных конструкций дорожных одежд
с одинаковым общим модулем упругости
Материал слоя
1 слой
2 слой
3 слой
Щебень
Грунтовое основание
Конструкция
2-я
3-я
h, см Е, МПа h, см Е, МПа
4
3200
5
3200
9
2000
5
2000
10
2000
10
2000
50
400
50
320
150
50
150
50
1-я
h, см Е, МПа
3
3200
9
2000
10
2000
50
420
150
50
4-я
h, см Е, МПа
5
2800
5
1800
15
1600
35
420
150
70
При различной стоимости исходных материалов и технологической
сложности работ стоимость строительства дорожной одежды различается. Так, в
4-й конструкции добавлено вяжущее с предельными характеристиками, это
позволяет уменьшить толщину щебеночного покрытия. Граничные условия
решаемых уравнений определяются начальными условиями воздействия.
Точное решение сводится к решению уравнений Бернулли с частным
решением Риккати, полученный результат описывает распределение температуры
по толщине покрытия, где функция  ( x) описывается обыкновенным
дифференциальным уравнением (2) и объединяет материальные коэффициенты
теплообмена включая, термодинамически неравновесное состояние перехода
жидкого вяжущего в связанное. А мощность теплового источника W (t ) находится
в балансе с лучистым нагревом F (t ) . Количественно это определено суммой
полученной энергии покрытием за время t.
N
T ( x, t )   ( x)  Ce kt  e kt  e  ktW (t )dt
i 1
c
at    r c ac ( ) 2       '  0
c
(2)
10
где С, k – константы характеризующие релаксационный механизм прохождения
волны тепла через слой покрытия x .
Анализ решения показывает, что чем дольше воздействует на верхний слой
источники тепла, тем меньшее влияние оказывает теплопроводность материала и,
следовательно, это эквивалентно предварительному разогреву смеси. Это
позволяет в странах с жарким климатом использовать холодные литые смеси на
основе катионных эмульсий и минеральные добавки. Чем выше энергия
активации вяжущего, тем больший прогрев требуется слою. Для стабилизации
температурного режима верхнего слоя после укатки желательно повысить
альбедо, например, посыпав сверху белыми или светотражающими материалами.
Решение дифференциальных уравнений теплопроводности и диффузии
производилось с использованием численного метода конечных элементов.
Вычисление
конечного
интеграла
преобразования
осуществлялось
использованием методов численного интегрирования.
Исходными значениями величины теплопроводности применяемых при
моделировании показаны в таблице 2.
Таблица 2
Влияние температуры смеси на коэффициент относительной теплопроводности К т
Тем-ра
50
70
90
1,8
0,94
0,98
1,01
Плотность смеси т/м3
2,0
2,1
2,2
0,95
0,95
0,96
0,98
0,99
0,99
1,02
1,02
1,03
1,9
0,94
0,98
1,01
2,3
0,97
0,99
1,03
2,4
0,97
1,0
1,03
Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры и плотности
смеси можно определялась по выражению,   Кт  0,65  0, 27  . Коэффициент
диффузии определялся на основе решения обратной задачи теплопроводности.
Это позволило определить влияние скрытой теплоты на определение
коэффициента диффузии. Температурная зависимость скорость проникновения
вяжущих в пористую структуру гранулята показана на рисунке 2.
Частным решением обратной задачи теплопроводности (1) является
нахождение скорости проникновения, вяжущего в слой при различных
температурах и давлении. Сам коэффициент диффузии пропорционален
температурзависимой вязкости вяжущего, когда как внешнее давление на
формируемый скелет препятствует этому движению:
1
  а 2
ac ( p)  ka   m  0exp(G      / kT )
 p 
(3)
где  mа - плотность асфальтобетона при укатке, кг/м3; p - давление, развиваемое
катком, МПа; 0 - начальная вязкость вяжущего, м2/с; ka - коэффициент связи
физических величин.
11
Рис. 2. Температурная зависимость скорости проникновения, вяжущего в формируемый
слой. Вяжущее на основе чистого битума 3) требует большей температуры для проникновения в
нижележащие слои, когда как катионо-битумное вяжущее с оптимально подобранной
концентрацией управляющей добавки 1) и с большим содержанием битумного материала 2).
Очевидно, что, регулируя процесс распада добавки можно добиться технологического
управления скоростью формирования покрытия, что важно при высоких температурах
окружающей среды.
Полученная
аналитическая
зависимость
определения
барического
коэффициента диффузии используются образцы исследуемого материала, это
позволило сравнить математическое и натурное исследование. Ниже приведен
рисунок 3, временной зависимости концентрации битума от толщины слоя
покрытия.
Очевидно, что в процессе уменьшения концентрации вяжущего в верхнем
слое и диффузии его в нижние слои асфальтового покрытия минимальной всегда
будет концентрация в более поздние сроки. На его основе можно вносить
коррективы срок работоспособности дорожного полотна. Время, за которое
уменьшается концентрация вяжущего ниже 70%, можно считать началом
интенсивного разрушения покрытия. Ниже приведены, аппроксимирующие
зависимости прочности покрытия на промежутке от начала эксплуатации
дорожного полотна до 8 лет.
E1  exp(4,54  0,17t  0,012t 2 ), E2  exp(4,95  0,12t  0,013t 2 ),
(4)
где Е1 и Е2 – модули прочности покрытия МПа; t - время, годы.
12
Рис. 3. Временная зависимость концентрации вяжущего от толщины слоя покрытия.
Концентрация вяжущего в регионах с высокой температурой постоянно изменяется. При этих
температурах происходит постоянная диффузия внутрь слоя и изменяется от большей
концентрации 95% 1) к меньшей 60% 8). С некоторого придела концентрации вяжущее не
выполняет своей функции, что ускоряет разрушение покрытия.
Первая зависимость соответствует покрытию с битумным вяжущим, а вторая
– с управляемым распадом.
Рис. 4. Температурная прочность образцов, состоящих из асфальтового гранулята, 3 %
минерального вяжущего с различными эмульсиями. Возрастание температуры значительно
снижает прочность покрытия, наихудшими характеристиками обладает битум 1), это
вызвано проявлениями его текучести. Полимерная мастика 2) обладает несколько лучшей
температурной стойкость, но полимер входящий в его структура как же термопластичен.
Вяжущие на основе катионо-битумных эмульсий с управляемым временем распада 3)
наилучшим образом противостоят действию температуры.
13
Рис. 5. Дифрактограмма асфальтогранулобетона
По результатам проведенного рентгенофазового анализа определен
минералогический состав представленных проб.
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено,
что:
- лучшие показатели прочности при сжатии и скорости набора прочности имеют
образцы из эмульсионно–минеральной смеси с использованием портландцемента
в качестве активатора твердения;
- увеличение доли эмульсии в основе эмульсионно–минеральной смеси снижает
прочностные показатели образцов из-за увеличения толщины пленки вяжущего
между поверхностями минеральных частиц;
- использование цемента одновременно с битумной эмульсией обеспечивает
улучшение адгезии и ускорение процессов твердения, что позволяет сократить
время ожидания момента открытия движения.
- рентгенофазовый анализ асфальтового гранулята позволяет определить
количество нового щебня, дополнительно вводимого в эмульсионно-минеральную
смесь.
Рис. 6. Набор прочности покрытия дороги в зависимости от начального количества
вяжущего: 1 – 3%; 2 – 5%; 3 – 7%; 4 – 10%.
Анализ полученных результатов свидетельствуют о том, что увеличение
внешней температуры в процессе формирования покрытия снижает начальную
14
предел прочности при сжатии,
Мпа
прочность, для преодоления этого недостатка необходимо увеличивать интервалы
времени между проходами катками и количество их проходов.
Проведя серию натурных экспериментов по подбору составов с добавлением
минерального вяжущего получили оптимальные показатели прочности покрытия.
Очевидно набор прочности будет возрастать по мере формирования скелета с
минеральным вяжущим, рисунок 6.
Часть образцов испытывали в насыщенном водой состоянии при температуре
(60 С°); часть прогревали в сушильном шкафу при температуре (90 С°); и при
комнатной температуре.
В ходе исследований установлено, что лучшие результаты при определении
предела прочности при сжатии и скорости набора прочности имеют образцы из
эмульсионно- минеральной смеси с использованием цемента в качестве
активатора твердения.
1,4
50%
сфрезерованный
асфальтобетон
,50%щебень
1,2
1
0,8
0,6
100%
сфрезерованный
асфальтобетон
0,4
0,2
0
0
5
10
15
20
25
30
продожительность, дней
Рис. 7. Предел прочности от содержания гранулята и щебня при добавке в смесь 10%
эмульсии и 5% цемента а) и образцов с цементом и катионо‒активной эмульсией в
количестве 4 % в сухом состоянии после прогрева в сушильном шкафу при температуре 90
С°, б).
Прочность образцов в возрасте 28 суток на сжатие от 0,71 – 1,67 МПа.
Установлено, что увеличение доли эмульсии уменьшает сопротивление
образцов на сжатие. При введении катионо‒активной эмульсии в количестве 3 %
прочность составила около 2,17 МПа, при 15 % она уже снизилась до 0,92 МПа.
Причиной является увеличение толщины плѐнки вяжущего между поверхностями
минеральных частиц.
Повышение прочности катионо‒активных битумных эмульсий с
использованием добавок в смесь волокнистых наполнителей позволяет получить
дисперсно-армированные катионоактивные битумные эмульсии, обладающие
высокой трещиностойкостью при больших температурах и устойчивостью в
отношении образования пластических деформаций в летний период времени.
В диссертационной работе исследовалась зависимость прочности при сжатии
от содержания гранулята и щебня при содержании в смеси 4% эмульсии и 5%
цемента и с разными добавками.
15
Непрерывно возрастающий интерес к битумным эмульсионным материалам в
республике Ирак обусловлен необходимостью приведения, разрушенной в период
боевых действий дорожной сети в нормативное состояние. В связи с этим
актуальной является проблема выбора и определения свойств материалов,
используемых для устройства дорог. Данное обстоятельство показало
необходимость исследования применяемых и перспективных материалов (щебень,
песок, асфальтовый гранулят, катионо‒активная эмульсия) с помощью метода
рентгеновского фазового анализа.
В третьей главе: Приведена наиболее перспективная для восстановления
эксплуатационных свойств дорожной сети республики Ирак технология
холодного ресайклинга.
В зависимости от целей ресайклинга и вида применяемого вяжущего
комплект машин может существенно меняться. В каждом случае ресайклер
является ведущей машиной и сам буксирует или толкает сцепленные с ним
машины.
Реконструкция дорог методом холодного ресайклинга с использованием
асфальтового гранулята и комплексного вяжущего.
Рис. 8. Конструктивные слои старой дороги, а) отремонтированной слоя износа, б) и
дополнительного слоя с добавлением эмульсии в)
1 – старый разрушенный слой, 2 – второй слой после фрезерования, 3 – слой а/б из щебеночной
смеси, 4 – щебеночно-песчаная смесь, 5 – слой износа формируемого из гранулята, 6 – слой а/б
из гранулята обработанного эмульсионными вяжущими, 7 – силовые слои из гранулята,
обработанного катионо-битумным и минеральным вяжущими
 физико-механические показатели образцов из эмульсионно–минеральной
смеси возрастают со временем за счет повышения адгезии вяжущего к
минеральным материалом;
 структурированная плѐнка битума на минеральных частицах изменяет свои
свойства под воздействием природно-климатических и дорожно-транспортных
факторов;
 уменьшение количества эмульгатора в смеси, а также в плѐнке битума
приводит к повышению прочности и стабилизации свойств асфальтобетонного
покрытия.
16
Четвѐртой главе рассмотрены вопросы финансирования работ при
внедрении технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового
гранулята обработанного катионной битумной эмульсий в дорожном
строительстве и больших объемах выполняемых дорожно-строительных работ.
Отличительной чертой данной технологии является пониженные затраты на
битумные материалы и технологический процесс, с пониженной температурой
укладки материалов в покрытие. Они должны обеспечить повышение
эксплуатационных свойств без резкого увеличения финансовых затрат.
Оценка технико–экономической эффективности включает в себя
следующие этапы:
1.
Прогнозирование необходимого объема капитальных вложений в
новую технологию и сроки их окупаемости;
2.
Уровень годовых сбережений от ее внедрения;
3.
Снижение себестоимости производимых работ (повышение
прибыльности предприятия за счет внедрения новой технологии)
Теоретические аспекты сметного нормирования предусматривают несколько
подходов к определению стоимости выполнения дорожных работ. В
диссертационной работе применен метод определения затрат на основе
составления сметных нормативов на выполнение различных видов работ:
Особое внимание было уделено определению сметной стоимости машиночаса эксплуатации оборудования для выполнения ресайклинга.
Сумма
амортизационных
отчислений,
необходимых
на
полное
восстановление потребительной стоимости эксплуатируемого оборудования
определяется по формуле ( 4.1):
А  ЦН ,
100Т
а
(5)
где Ц – стоимость приобретения оборудования; На - годовая норма
амортизационных отчислений на полное восстановление оборудования, %; Т нормативный годовой режим эксплуатации машин, маш.-ч.
Нормативный показатель годового режима работы машины (Т) определяется
по формуле:
Т = [365 - (Вых + Пд + У +ТО + Пер )] х Крс х Кс ,
(6)
где 365 - количество дней в году; Вых - количество выходных дней в году; Пд количество праздничных дней в году; У– количество целодневных простоев
(перерывов) в работе оборудования в течение года, связанных с
неблагоприятными для проведения работ природно-климатическими условиями;
ТО - количество целодневных простоев (перерывов) в работе оборудования в
течение года, связанных с необходимостью проведения различных видов ремонта,
диагностики и технического облуживания оборудования, в частности тех,
которые не могут быть выполнены на месте его эксплуатации и требуется
перемещение оборудования (машин и механизмов) к месту проведения ремонта,
диагностики и технического обслуживания , Пер - количество целодневных
простоев (перерывов) в работе оборудования в течение года, связанных с
17
необходимостью его перебазировки с одной строительной площадки (базы
механизации) на другую строительную площадку ; Крс - нормативная
продолжительность рабочей смены, маш.-ч/смена; Кс – количество смен работы
оборудования (машин и механизмов) в течение суток.
Для условий производства работ на территории Ирака были определены
характеристики годового режима работы.
Затраты, связанные с необходимостью выполнения всех видов ремонта,
диагностирование и техническое обслуживание оборудования определяются на
основе нормы затрат в % от стоимости его приобретения которые составляют 2535% в год от стоимости приобретенного оборудования.
Заключение
1. Анализ теоретических и практических результатов исследований
различных отечественных и зарубежных учѐных показал, что в условиях высоких
температур окружающего воздуха и наличии интенсивной инсоляции
стандартные смеси и технологии могут приводить к понижению прочности
формируемых покрытий. На первый план выходят катионо‒активные битумные
эмульсии с управляемым индексом распада при строительстве, реконструкции и
ремонте дорог в регионах с жарким климатом.
2. Разработана приближенная физико-математическая модель работы
покрытия при высоких температурах, отличающейся учетом возникающего
термодинамического равновесия взаимодействия материалов асфальтового
гранулята обработанного катионной битумной эмульсий, формирующих
покрытие. В отличие от известных моделей в данной поиск значений параметров
производится решением обратной задачи теплопроводности, позволяющую
произвести оценку диффузионное движение вяжущего с последующим прогнозом
состояния дорожного покрытия при воздействии транспортной нагрузки.
Численно получена оценка концентрации битума в слоях покрытия в процессе
диффузии вяжущего в нем при высоких температурах. Произведен учет
инсоляционного нагрева покрытия солнечными лучами. Особенностью данной
модели является учет влияния термодинамического равновесия вяжущего и
связанной с ним вязкостью.
3. На основе результатов математического моделирования предложена
технология строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята,
полученного методом холодного ресайклинга и обработанного катионоактивной
битумной эмульсий с управляемым индексом распада при строительстве,
реконструкции и ремонте дорог в регионах с жарким климатом. Для получения
прочного покрытия необходимо увеличить интервалы между последовательными
проходами катков. Показано, что чем выше средняя температура воздуха, тем с
большей энергией активации требуется вяжущее или эмульсия.
4. Предложены составы композиции эмульсий и минеральных вяжущих с
наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в
конструктивные слои дорожной одежды. Это дает возможность применения их в
конструктивных слоях дорожной одежды, при устройстве под грунтовку и
поверхностной обработки без нагревания каменных материалов, вяжущих и
18
смесей, что сокращает срок строительства и ремонта дорог, упрощает
технологические процессы и обеспечивает экономию битума.
5. Опробованы новые составы смесей с комплексным использование цемента
и битумной эмульсии, отличающиеся возможностью улучшения адгезии и
ускорения процессов твердения, при уменьшении времени ожидания момента
открытия движения. Для данных смесей получены аппроксимирующие
временные зависимости, позволяющие прогнозировать прочность покрытия в
заданный период эксплуатации.
6. Испытаны технологические решения повышающие эксплуатационные
показатели конструкции дорожной одежды, обеспеченные введением в состав
фибро- наполнителей, которые позволяют получить дисперсно-армированные
конструкции с повышенной трещиностойкостью при высоких температурах и
устойчивостью в отношении образования пластических деформаций в летний
период времени. Для уменьшения влияния инсоляции на формирование покрытия
добавлена операция нанесения слоя увеличивающего его альбедо.
7. Экономический эффект устройства покрытий с использованием
композитных составов с использованием асфальтового гранулята и
катионо‒активных битумных эмульсий составляет по сравнению:
- с использованием горячих асфальтобетонных смесей – 1,87 $/м2, в том числе
материалы – 1,28 $/м2;
- с использованием холодных асфальтобетонных смесей – 3,09 $/м2, в том
числе материалы – 2,54 $/м2.
Следовательно, при производстве дорожного покрытия по предлагаемой
технологии возникает экономия в размере 11200 -18500 $ на 1 км
реконструируемых дорог в зависимости от геометрических параметров покрытия.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК:
1- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Применение катионо‒ активных
битумных эмульсий в Ираке / Вл.П. Подольский, Мохаммед Хашим Ахмед
АльАддесс // Наука и Техника в дорожной отрасли.‒ 2016, № 3.‒ с. 27-30.
(количество страниц, выполненных лично соискателем‒ 4 стр.);
2- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Физико- математическая модель
для оценки и прогнозирования выноса частиц битума из верхнего слоя колесами
транспорта/ Мохаммед Хашим Ахмед АльАддесс, Вл.П. Подольский, Лобода
А.В.// Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, №1, 2018,‒ с 35-41.( количество страниц,
выполненных лично соискателем‒ 7стр.);
3- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Технология ремонтных работ с
применением эмульсионно-минеральных материалов и эмульсий / Вл.П.
Подольский, Мохаммед Хашим Ахмед АльАддесс // Научный журнал
строительства и архитектуры, № 1, 2018.‒с 89-99
(количество страниц,
выполненных лично соискателем‒ 10 стр.);
Статьи в других изданиях:
4- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Экономическая эффективность
устройства покрытий с использованием композитных составов на основе катионоактивных битумных эмульсий /А.В. Воротынцева, Мохаммед Хашим Ахмед
19
АльАддесс // ФЭС: финансы. экономика. Стратегия. № 6, 2016, с 48‒54.
(количество страниц, выполненных лично соискателем‒ 7 стр.);
5- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Методология исследования
эмульсионно-минеральных смесей с использованием рентгенофазового анализа и
метод расчета количества нового щебня в смеси / Мохаммед Хашим Ахмед
АльАддесс //НАУКА И МИР Международный научный журнал, № 3 (43), 2017,
Том 1.- количество страниц, выполненных лично соискателем‒ 5 стр.);
6- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Обоснование применения
катионоактивных битумных эмульсий при ремонтных работах на сети местных
дорог республики Ирак/ Вл.П. Подольский, Мохаммед Хашим Ахмед АльАддесс
// Инженерные системы и сооружения,‒ 2014, № 4(17). С 96-105. (количество
страниц, выполненных лично соискателем‒ 10 стр.);
7- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Инновационные технологии
ямочного ремонта с применением холодной асфальтобетонной смеси и эмульсий
/АльАддесс Мохаммед Хашим Ахмед// Инженерные системы и сооружения,‒
2014, № 3(16). С 38-43. (количество страниц, выполненных лично соискателем‒ 6
стр.);
Книги
8- Аль Аддесс Мохаммед Хашим Ахмед. Русско -англо – арабский толковый
словарь дорожника: учебное пособие/ Мохаммед Хашим Ахмед АльАддесс, Вл.П.
Подольский, С. А. Колодяжный,Т. В. Мордовцева.- Воронеж. Изд-во
Воронежского ГАСУ.2016., - 479с.
АЛЬ АДДЕСС МОХАММЕД ХАШИМ АХМЕД
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ДОРОЖНОГО
ПОКРЫТИЯ ИЗ АСФАЛЬТОВОГО ГРАНУЛЯТА ОБРАБОТАННОГО
КАТИОННОЙ БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИЙ В РЕГИОНАХ С ЖАРКИМ
КЛИМАТОМ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учѐной степени кандидата технических наук
Подписано в печать 10.04.2018 г. Формат 60×84 1/16. Бумага писчая.
Усл. печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 70
отпечатано: отдел оперативной полиграфии
Воронежского государственного технического университета
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа