МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

УДК 625.855.3

Головко Сергій Костянтинович

РАЦІОНАЛЬНІ СПОСОБИ ПОВТОРНОГО ВИКОРИСТАННЯ

АСФАЛЬТОБЕТОНУ ПРИ РЕКОНСТРУКЦІЇ АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРІГ

Спеціальність 05.22.11 - Автомобільні шляхи

та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському транспортному університеті.

Науковий керівник : доктор технічних наук,

професор,

Радовський Борис Самойлович

Офіційні опоненти :

- доктор технічних наук, професор Мозговий Володимир Васильович, Український транспортний університет, завідувач кафедрою;

- кандидат технічних наук Гончаренко Федір Петрович, начальник науково-технічного управління корпорації “Укравтодор”.

Провідна установа - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет.

Захист відбудеться “25” березня 1999 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.059.02 при Українському транспортному університеті за адресою :

252010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського транспортного університету ( Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розісланий “23” лютого 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Дзюба О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У багатьох країнах Європи, у тому числі і в Україні, загальна мережа автомобільних доріг сформована. Будівництво нових автомобільних доріг вимагає великих капіталовкладень і пов’язано з складністю відведення земель. Тому, переважно тільки шляхом реконструкції можна підвищити пропускну здатність і безпеку автомобільних доріг, а відповідно й ефективність роботи автомобільного транспорту.

В умовах високих цін на дорожньо-будівельні матеріали і енергоносії першочергове значення набувають розробки ресурсо- і енергозберігаючих технологій та їх опанування у дорожній галузі.

За даними проектних організацій і корпорації “Укравтодор” в Україні щорічно може бути повторно використано до 300 тисяч тонн асфальтобетону, тобто в індустрії дорожнього будівництва може бути зекономлено майже 15 тисяч тонн бітуму і 285 тисяч тонн кам’яного матеріалу. Окрім економії будівельних матеріалів, повторне використання асфальтобетону дозволяє скоротити витрати на транспорт і сприяє оздоровленню навколишнього середовища за рахунок раціональної утилізації бітумомістких матеріалів.

З цієї точки зору, а також враховуючи, що в Україні прогресивні технології приготування комбінованого асфальтобетону - матеріалу, що складається з нової асфальтобетонної суміші та повторно використаного асфальтобетону, поки ще не освоєні, розгляд вказаної проблеми є актуальним.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробці науково-методичного обгрунтування раціонального повторного використання асфальтобетону для приготування комбінованих асфальтобетонів залежно від фізико-механічних властивостей, технологічних особливостей і конкретних умов експлуатації.

Виходячи з поставленої мети були намічені наступні задачі дослідження:

1 Визначити припустимий вміст повторно використовуваного асфальтобетону залежно від структури комбінованого асфальтобетону.

2 Провести комплексне експериментальне вивчення фізико-механічних властивостей комбінованих асфальтобетонів.

3 Розробити методику визначення оптимального комбінованого асфальтобетону для конкретної конструкції дорожнього одягу.

Наукова новизна одержаних результатів. З позиції імовірно-геометричного підходу виконано теоретичний аналіз структуроутворення комбінованих асфальтобетонів. Використовуючи апарат теорії перколяції отримано рішення задачі про припустиму частку неоднорідного повторно використовуваного асфальтобетону в комбінованих асфальтобетонах з поровою, контактною і базальною структурами.

Виконано системний аналіз задачі пошуку оптимального за складом і властивостями комбінованого асфальтобетону. На основі методу аналізу ієрархії складено

домінантну систему пошуку оптимального комбінованого асфальтобетону.

Встановлені особливості фізико-механічних властивостей комбінованих асфальтобетонів з поровою, контактною і базальною структурами.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі закономірності припустимої кількості повторно використовуваного асфальтобетону дають можливість виконувати розрахунок складу комбінованих асфальтобетонів з поровою, контактною і базальною структурами. Визначені розрахункові характеристики і запропонована домінантна, з чотирьох рівнів, система пошуку оптимального комбінованого асфальтобетону, дозволяють обгрунтовано проектувати дорожній одяг з його використанням, що забезпечить раціональне повторне використання асфальтобетону і гарантує техніко-економічний ефект.

Результати проведених досліджень використані при розробці:

1 Рекомендацій по приготуванню асфальтобетонних сумішей з повторним використанням бітумомістких матеріалів дорожніх одягів (Київ, 1990 р).

2 ВБН В.2.3-218-008-97 “Проектування та будівництво жорстких та з жорсткими прошарками дорожніх одягів” (Київ, 1997 р).

3 ДБН “Автомобільні дороги. Проектування і будівництво.” (Проект, Київ, 1998 р).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповіданні та обговорені на науково-технічній конференції “Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов” (Харків, 1989 р), на міжнародній науково-технічній конференції “Современные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог” (Суздаль, 1994 р), на науково-технічній конференції “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку” (Київ, 1998 р), на наукових конференціях Київського автомобільно-дорожнього інституту та Українського транспортного університету (1988 - 1998 р.р.), на науково-технічних радах Держшляхнді (1987 - 1998 р.р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у п’яти наукових статтях і тезах на міжнародній конференції “Современные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог” (Росія, Суздаль, 1994 р).

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти глав, загальних висновків, списку літератури і семи додатків. У першій главі наведено огляд і аналіз досліджень по повторному використанню асфальтобетонів при реконструкції і капітальному ремонті автомобільних доріг. В кінці огляду сформульована мета і наукові завдання дослідження. У другій главі з позиції імовірно-геометричного підходу виконано теоретичний аналіз припустимого вмісту повторно використовуваного асфальтобетону у комбінованих асфальтобетонах. У третій главі наведені результати досліджень фізико-механічних властивостей комбінованих асфальтобетонів. У четвертій главі сформульована і розв’язана задача визначення оптимального за складом і властивостями комбінованого асфальтобетону. У п’ятій главі наведені науково-дослідні розробки для практичного використання. У висновках подано основні результати проведених досліджень. В додатках наведено методику розрахунку складу комбінованих асфальтобетонів з урахуванням бітумомісткості повторно використовуваного асфальтобетону, результати експериментальних досліджень показників міцністі і деформативності комбінованих асфальтобетонів, алгоритм моделі пошуку оптимального комбінованого асфальтобетону.

Робота викладена на 203 сторінках друкованого тексту і містить 29 рисунків, 49 таблиць, список використаних джерел з 209 найменувань, сім додатків.

Особистий внесок здобувача. З застосуванням апарату теорії перколяції автором особисто виконані аналіз і розрахунок утворення кластеру і каркасу з неоднорідного повторно використаного асфальтобетону в комбінованих асфальтобетонах з поровою, контактною і базальною структурами. На основі системного аналізу, складена і розрахована домінантна, з чотирьох рівнів, система пошуку оптимального комбінованого асфальтобетону. Автором особисто виконано доробку прибору для вимірювання модуля пружності і проведено комплексне експериментальне вивчення фізико-механічних показників комбінованих асфальтобетонів.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обгрунтування актуальності досліджень, їх мета, наукова новизна і практичне значення.

У першій главі наведено огляд і аналіз досліджень по повторному використанню асфальтобетонів при реконструкції і капітальному ремонті автомобільних доріг.

На основі робіт: А.М. Алієва, Г.С. Бахраха, Л.В. Ковалевич, А.М. Богуславського, Л.Б. Гезенцвея, В.М. Горелишева, І.В. Корольова, Б.І. Ладигіна, І.Й. Леоновича, А.П. Лупанова, І.А. Лисихіної, В.В. Михайлова Г.А. Московцева, І.А. Плотникової, А.С. Пушкаренко, Г.К. Сюньї, А.А. Тимофєєва, та інших науковців по дослідженню процесу старіння асфальтобетону визнано, що дані матеріали після нормативного строку служби не вичерпують ресурсу працездатності і можуть бути використані як складова для приготування комбінованих асфальтобетонів.

В даній роботі розглядаються комбіновані асфальтобетони, виготовлені на стаціонарних асфальтобетонних заводах (АБЗ).

Як показав аналіз в залежності від кліматичних умов, використаних бітумів, кам’яних матеріалів і особливостей технології, рекомендації щодо припустимого вмісту повторно використовуваного асфальтобетону (ПВАБ) у комбінованих асфальтобетонах досить суперечні. Згідно з різними рекомендаціями припустимий вміст ПВАБ коливається в діапазоні від 10 % до 80 %. Як правило, вищенаведені величини припустимого вмісту ПВАБ одержані на основі експериментальних результатів без теоретичного аналізу, як структурних особливостей комбінованих асфальтобетонів, так і напружено-деформованого стану шару. Мало вивченими залишаються фізико-механічні властивості комбінованих асфальтобетонів. Дослідження показали, що використання відмінних за складом комбінованих асфальтобетонів дає різну економічну ефективність. Це зумовлено зниженням собівартості суміші в залежності від відсоткового вмісту ПВАБ і відмінністю фізико-механічних властивостей у різних за структурою комбінованих асфальтобетонів.

На сучасному етапі для визначення ефективності того чи іншого комбінованого асфальтобетону необхідно використання програм з розрахунку дорожнього одягу. В програмах використовується структурно-параметричний метод оптимізації, що вимагає великої кількості розрахунків. Так, для визначення ефективності окремого виду асфальтобетону, необхідно перебрати всі можливі варіанти конструкцій дорожнього одягу, при цьому кожна конструкція має бути розрахована за всіма критеріями міцності. Організація такого обчислювального процесу вельми трудомістка. Тому для визначення ефективного комбінованого асфальтобетону вимагається розробка спеціальної методики.

На основі виконаного аналізу і виходячи з необхідності створення науково-методичного забезпечення раціонального повторного використання асфальтобетону, при реконструкції та капітальному ремонті автомобільних доріг встановлена мета і сформульовані завдання дослідження.

У другій главі з позиції імовірно-геометричного підходу виконано теоретичний аналіз припустимого вмісту повторно використовуваного асфальтобетону у комбінованих асфальтобетонах.

На основі досліджень встановлено:

1) повторно використовуваний асфальтобетон після зняття з дорожнього одягу (способом фрезування, дроблення тощо) має форму гранул, які містять зерно щебеню, що нерівномірно оброблене асфальтовим розчином;

2) адгезійні зв’язки між гранулами повторно використовуваного асфальтобетону слабші, ніж зв’язки між новою асфальтобетонною сумішшю і гранулами повторно використовуваного асфальтобетону.

Таким чином, задача знаходження припустимої частки ПВАБ полягає у визначенні об’єму при якому гранулами повторно використовуваного асфальтобетону не була б створена структурна система (каркас або кластер), що автономно бере участь у напружено-деформованому стані комбінованого асфальтобетону.

В дорожньому будівництві використовують асфальтобетони, які мають різні структури (згідно з класифікацією М.І. Волкова): порову, контактну і базальну. Тому задача про припустиму частку ПВАБ була розглянута окремо для кожного типу структури асфальтобетону.

Порова структура

Асфальтобетони з поровою структурою відносяться до малощебеневих сумішей з вмістом щебеню (Са) 0,38...0,42 частки об’єму. Сумарний об’ємний вміст мінерального заповнювача становить 0,82 ... 0,84 частки об’єму, що відповідає максимально щільній

упаковці з дисперсних часток. Залишену частину об’єму займає бітум (Св) і замкнені пори повітря (Ср).

Аналіз структуроутворення асфальтобетонів з поровою структурою з позиції теорії перколяції (протікання) показав, що навіть один безперервний кластер (ланцюг з дисперсних часток), який складається з гранул ПВАБ (Сп) та замкнених пор повітря (Ср), здатний зумовити деструкцію у даному матеріалі. Згідно інваріанту Шера-Цаллена у трьохрозмірній дисперсній системі безперервний кластер формується при вмісті компонентів (у частках об’єму)

Скл = 0,16 ... 0,17. (1)

Отже, об’ємний вміст гранул ПВАБ та замкнених пор повітря у асфальтобетоні з поровою структурою не повинен перевищувати величини

Сп +Ср < Скл. (2)

Підставивши у залежність (2) величину об’єму замкнених пор повітря, знайдемо, що припустимий об’ємний вміст повторно використовуваного асфальтобетону в комбінованих асфальтобетонах з поровою структурою становить: Сп =0,10 ... 0,15.

Контактна структура

Асфальтобетони з контактною структурою відносяться до багатощебеневих сумішей (Са = 0,40 ... 0,55) і мають каркас із зерен щебеню, які контактують між собою. Залишену частину об’єму займає бітум (Св) і пори повітря (Ср):

Св+Ср = 0,18...0,24. (3)

Аналіз структуроутворення асфальтобетонів з контактною структурою, виконаний з позиції імовірно-геометричного підходу, показав, що максимальний вміст гранул ПВАБ і замкнених пор повітря не повинен перевищувати об’єму, необхідного для формування безконтактного каркасу. Згідно з уточненим рішенням І. Палашті, безконтактний каркас у тісній упаковці формується при вмісті компонентів

Скв= 0,38...0,40. (4)

На основі залежності (4) був розрахований припустимий об’ємний вміст ПВАБ для:

- пористого асфальтобетону Сп = 0,20 ... 0,30;

- високопористого асфальтобетону Сп = 0,30 … 35.

Базальна структура

Особливістю асфальтобетонів з базальною структурою є підвищений вміст асфальтового в’яжучого (Сав=0,27...0,35). Дані асфальтобетони відносяться до малощебеневих сумішей (Са = 0,38 ... 0,42).

Проведений аналіз з позиції імовірно-геометричного підходу показав, що в асфальтобетонах з базальною структурою максимальний вміст гранул ПВАБ не повинен перевищувати об’єму необхідного для формування безконтактного каркасу. На основі залежності (4) був розрахований припустимий вміст ПВАБ для асфальтобетонів з базальною структурою : Сп =0,30 ... 0,35.

З метою перевірки теоретичних рішень виконано експериментальне дослідження припустимого вмісту ПВАБ у комбінованих асфальтобетонах. В експерименті гранули

ПВАБ імітувались зернами щебеню, обгорнутими у тонку металеву фольгу, що дозволило змоделювати систему з ослабленими адгезійними зв’язками. Досліджували асфальтобетони з вмістом імітаційних гранул у діапазоні 0 ... 35 % за об’ємом. Процес деструкції, досліджених систем вимірювався показником - міцність на розтягування при згині (Ri). Дослідження виконували на асфальтобетонах з поровою і контактною структурами. Міцність зразків (балочок розміром 4*4*16 см) виміряли на механічному пресі ZD - 10/90, при швидкості навантаження - 30 мм/хв. Температура зразків становила 10 С. На основі статистичної обробки експериментальних результатів (за програмою “Дослідник” АН України) встановлено, що у асфальтобетонів залежність міцності на розтягування при згині від кількості імітаційних гранул має гіперболічну форму (рис.1).

Тобто, є відрізки функції де ордината зменшується поступово і є відрізки де ордината зменшується інтенсивно. Експериментально визначено, що різке зменшення міцності у асфальтобетонів з поровою структурою наступає при збільшені кількості імітаційних гранул з 15 % до 20 % за об’ємом, при залишковій пористості 2,5 %. У асфальтобетонів з контактною структурою різке зменшення міцності наступило при збільшені кількості імітаційних гранул з 20 % до 30 % за об’ємом, при залишковій пористості 8 %.

Також були проаналізовані результати інших дослідників, зокрема дослідження властивостей литих комбінованих асфальтобетонів, проведене під керівництвом професора І.Й. Леоновича (Білоруська політехнічна академія). Дослідники рекомендують для приготування литих комбінованих асфальтобетонів використовувати ПВАБ до 40 % за масою, що відповідає рішенню про припустимий вміст ПВАБ для асфальтобетонів з базальним типом структури.

Таким чином, експериментальні результати, одержані автором і іншими дослідниками, підтверджують теоретичні залежності припустимої кількості ПВАБ у комбінованих асфальтобетонах з поровою, контактною і базальною структурами.

У третій главі наведені результати експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей комбінованих асфальтобетонів.

Мета комплексного дослідження полягає у визначенні працездатності комбінованого асфальтобетону в дорожньому одягу. Для цього експериментально вивчали міцність на розтягування і стиск, модуль пружності та водостійкість у різних за структурою комбінованих асфальтобетонів. Дослідження міцності на розтягування і модуля пружності проводили при дії динамічного навантаження, в зоні пружного і в’язкопружного стану. Експерименти виконували на реальних складах і моделях, кількість частки ПВАБ визначали за двохфакторним симплекс-підсумковим планом.

З метою отримання достовірних результатів, особливу увагу приділяли методикам проведення досліджень. Мінімальний об’єм вибірки кількості зразків і вимірювань визначався при довірчій імовірності 0,95. Для зменшення розкиду результатів експерименту перевіряли щільність зразків на приборі УКБ-5. При відхиленні швидкості проходження ультрахвиль на 10 %, зразок бракувався. Вимірювальна апаратура забезпечувала необхідний коефіцієнт посилення і електронну реєстрацію сигналу. Результати досліджень розшифровували і обробляли на комп’ютері за допомогою спеціально складених програм і програми “Дослідник” (АН України).

Модуль пружності визначали у комбінованих асфальтобетонів в пружному і в’язкопружному стані. Дослідження виконували на маятниковому приборі Держшляхнді, тривалість навантаження зразка становила 0,1 с. Характерні залежності модуля пружності від кількості ПВАБ наведені на рисунку 2.

Визначено, що в пружному стані (рис. 2,а) у комбінованих асфальтобетонів з поровою і контактною структурами при вмісті ПВАБ до 10 % за масою модуль пружності знизився на 5...7 %, при зміні вмісту ПВАБ з 10 % до 20 %, модуль пружності знизився на 10...15 %. Подібна закономірність зміни модуля пружності в залежності від кількості ПВАБ спостерігалась і для комбінованих асфальтобетонів, які знаходились у в’язкопружному стані (рис. 2,б).

Міцність на розтягування при згині визначали у комбінованих асфальтобетонів в пружному і в’язкопружному стані. Дослідження виконували на механічному пресі ZD-10/90, при швидкості навантаження 100 мм/хв. Характерні залежності зміни міцності на розтягування при згині від кількості ПВАБ наведені на рисунку 3. Визначено, що у пружному стані при вмісті ПВАБ до 10 % за масою, міцність на розтягування при згині знизились на 5...10 %, при зміні вмісту ПВАБ з 10 % до 20 %, міцність на розтягування знизилась на 15...20%. Подібна закономірність зміни міцності на розтягування при згині в залежності від кількості ПВАБ спостерігалась і для комбінованих асфальтобетонів, які знаходились у в’язкопружному стані.

Стандартні фізико-механічні показники. Досліджували комбіновані асфальтобетони з використанням в якості ПВАБ бітумомінеральної крихти, узятої після фрезування асфальтобетонного покриття (з терміном експлуатації 10 років), і штучно змодельованого ПВАБ, шляхом постаріння бітуму за методикою ГОСТ 18189-72. Показники штучно постарілих бітумів наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Показники

властивостей | Номер серії бітуму

1 | 2 | 3

Умовна в’язкість, при 25 С,10-1 мм | 735,3 | 393,2 | 211,1

Температура розм’ягчення

за КІК, С | 490,8 | 572,2 | 620,7

Індекс пенетрації | -0,5 | -0,1 | -0,4

Результати досліджень показали, що комбіновані асфальтобетони мають високу міцність на стискання в усьому досліджуваному температурному діапазоні 0...50 С. Показники водонасичення і набрякання практично у всіх складів забезпечували вимоги норм (ГОСТ 9128 - 84).

Величина водостійкості (короткочасна і тривала) у складів комбінованих асфальтобетонів із вмістом ПВАБ до 15 % за масою завжди відповідала вимогам норм, при зміні вмісту ПВАБ з 15 % до 30 %, величина водостійкості переважно відповідала вимогам норм для другої та третьої марки.

В цілому, результати експериментальних досліджень показують, що деформативно-міцністні і стандартні фізико-механічні показники у комбінованих асфальтобетонів досить високі, тому дані матеріали можуть використовуватись для улаштування покриття та основи дорожнього одягу.

У четвертій главі сформульована і розв’язана задача визначення оптимального за складом і властивостями комбінованого асфальтобетону для улаштування шару дорожнього одягу.

Мета задачі полягає у визначенні найбільш якісного комбінованого асфальтобетону при мінімальних економічних витратах. Сформульована задача є багато-параметричною, що вимагає системного підходу до її розв’язання. Аналіз методів теорії систем показав, що для розв’язання поставленої задачі доцільно застосувати метод аналізу ієрархій (МАІ), який був розроблений Т. Сааті. Метод аналізу ієрархій є систематичною процедурою для ієрархічної побудови елементів задачі. Метод складається з декомпозиції проблеми, побудови ієрархічної системи, визначення локальних пріоритетів та синтезу загального вектора пріоритету.

Проведений аналіз вихідних умов задачі показав, що ієрархічна система повинна бути домінантною і складатись з чотирьох рівнів (рис. 4):

1) фокус задачі;

2) загальні фактори;

3) субфактори;

4) група альтернативних варіантів.

На основі аналізу довговічності асфальтобетонів, особливостей технології приготування, економічних витрат, рекомендацій галузевої (дорожнє будівництво) системи управління якістю продукції, а також загальнометодичних рекомендацій оцінки якості продукції були визначені наступні загальні фактори оцінки комбінованих асфальтобетонів:

- економічні витрати;

- стабільність технологічного регламенту;

- експлуатаційна надійність;

- екологічна безпека.

Розглянемо детальніше кожен з вищевказаних факторів.

Економічні витрати характеризують вартість матеріалу і робіт на улаштування шару дорожнього одягу. Для розрахунку економічних витрат слід визначити питому вартість і необхідну товщину шару (напружено-деформованого щабелю, що розглядається) дорожнього одягу. Питому вартість матеріалу визначають за базовою вартістю з урахуванням додаткових витрат для кожного окремого будівельного об’єкту. Потрібну товщину шару визначають шляхом розрахунку за діючими нормами (ВСН 46-83, ВБН В.2.3-218-008-97) або за методикою розрахунку товщини рівноміцних шарів, що розроблена автором [2].

Стабільність технологічного регламенту характеризує якість технології і устаткування, що призначені для виготовлення асфальтобетону. Стабільність технологічного регламенту суттєво впливає на якість як матеріалу, так і усієї конструкції дорожнього одягу. Згідно з рекомендаціями галузевої системи управління якістю продукції в дорожньому будівництві, стабільність технологічного регламенту найбільш залежить від наступних субфакторів:

- стабільності якості компонентів суміші;

- стабільності роботи технологічного обладнання;

- комплексного метрологічного контролю.

На основі розрахунково-експертного аналізу визначені локальні пріоритети субфакторів. Результати наведені на діаграмі (рис. 5).

Експлуатаційна надійність характеризує довговічність і міцність матеріалу при роботі в конструкції дорожнього одягу. Слід відмітити, що рівень надійності залежить від конкретних умов експлуатації матеріалу. На основі вивчення процесів старіння і деструкції асфальтобетонів [1] виділені наступні субфактори експлуатаційної надійності:

- інтенсивність деструкції складових;

- інтенсивність зміни фізико-механічних властивостей;

- тріщиностійкість матеріалу від механічного навантаження і перепаду температур.

На основі розрахунково-експертного аналізу визначені локальні пріоритети субфакторів (рис. 6).

Екологічна безпека характеризує вплив матеріалу на навколишнє середовище. Вплив матеріалу на екологію місцевості обов’язково слід враховувати, оскільки продукти вимивання і випаровування разом з продуктами згорання палива транспортних засобів комплексно забруднюють навколишнє середовище. Особливу увагу при аналізі екологічного впливу матеріалу слід приділяти можливому забрудненню грунтових вод і поверхневих шарів грунту. При розгляді безпеки використання того або іншого матеріалу слід обов’язково вивчити можливість його повторного використання в дорожньому будівництві. Забруднення навколишнього середовища відбувається практично на кожному етапі виготовлення і використання матеріалу, тому оцінка екологічної безпеки залежить від наступних субфакторів:

- екологічна безпека на стадії видобутку і виробництва вихідних компонентів (бітум, щебінь тощо);

- екологічна безпека на стадії виготовлення матеріалу та устрою шару;

- екологічна безпека на стадії експлуатації, а також при повторному використанні.

Згідно з проведеним розрахунково- експертним аналізом, визначені локальні

пріоритети субфакторів. Результати розрахунку наведені на діаграмі (рис. 7).

На основі аналізу домінування загальних факторів, складено матрицю парних порівнянь загальних факторів по відношенню до фокуса задачі. При складанні матриці парних порівнянь, були забезпечені умови:

- використання однієї шкали порівнянь домінування (9-ти бальна шкала);

- однаковий підхід до визначення величини домінування фактору;

- загальна релевантність і перевірка узгоджувальності матриці.

Для розрахунку загального вектора пріоритету факторів виконаний синтез пріоритетів субфакторів з пріоритетом відповідного загального фактора. Операцію синтезу виконували шляхом помноження ваги загального фактора на відповідний вектор пріоритету субфактора. Результати розрахунку наведені в таблиці 2. Розрахований загальний вектор пріоритету є рішенням задачі визначення оптимального матеріалу. Нижче наведена послідовність визначення оптимального матеріалу на конкретному прикладі.

Приклад. Потрібно визначити оптимальний матеріал для устрою верхнього шару основи при реконструкції дорожнього одягу 2-ї категорії. До будівництва намічена наступна конструкція дорожнього одягу:

покриття - щільний гарячий асфальтобетон 1-ї марки, тип В, товщина шару 4 см;

верхній шар основи - комбінований асфальтобетон.

Таблиця 2

Номер | Субфактори | Вектор пріоритету

Економічні витрати

1 | Загальні економічні витрати | 0,47

Стабільність технологічного регламенту

2 | Стабільність якості компонентів суміші | 0,045

3 | Стабільність роботи технологічного обладнання | 0,075

4 | Комплексний метрологічний контроль | 0,030

Експлуатаційна надійність

5 | Інтенсивність деструкції складових | 0,07

6 | Інтенсивність зміни фізико-механічних властивостей | 0,11

7 | Тріщиностійкість | 0,05

Екологічна безпека

8 | Екологічна безпека на стадії видобутку компонентів | 0,045

9 | Екологічна безпека на стадії виготовлення матеріалу | 0,06

10 | Екологічна безпека на стадії експлуатації | 0,045

Приймаючи до уваги тип конструкції, працездатність верхнього шару основи визначали в наступному діапазоні напружено-деформованого стану (модуль пружності): верхня межа складає 190 МПа, нижня - 150 МПа.

До розгляду улаштування верхнього шару основи прийняті: щільний, пористий і високопористий комбіновані асфальтобетони. Наведений перелік матеріалів, згідно ієрархічної системи (рис. 4), складає альтернативну групу - 4-й рівень ієрархії.

На першому етапі задачі виконують аналіз властивостей матеріалів. Нижче наведено короткий опис характеристик матеріалів.

Матеріал А - щільний комбінований асфальтобетон. Питома вартість складає 0,94 грн/м2. Потрібна товщина рівноміцного шару дорівнює 5 см. Загальні економічні витрати складають 4,70 грн/м2. Вміст ПВАБ становить 15 %. Технологічний регламент відповідає сучасним вимогам забезпечення якості асфальтобетону. Експлуатаційна надійність асфальтобетону висока, строк експлуатації становить 16 років. Матеріал досить екологічно безпечний, але за умови використання фільтрів-циклонів на етапі приготування суміші. Матеріал повністю здатен до регенерації та повторного використання.

Матеріал В - пористий комбінований асфальтобетон. Питома вартість складає 0,81 грн/м2. Потрібна товщина рівноміцного шару дорівнює 5,5 см. Загальні економічні витрати складають 4,45 грн/м2. Вміст ПВАБ становить 20 %. Технологічний регламент відповідає сучасним вимогам забезпечення якості асфальтобетону. Експлуатаційна надійність матеріалу досить висока. Матеріал екологічно безпечний, за умови використання фільтрів-циклонів на етапі приготування суміші. Матеріал повністю здатен до регенерації.

Матеріал С - високопористий комбінований асфальтобетон. Питома вартість складає 0,75 грн/м2. Потрібна товщина рівноміцного шару дорівнює 6 см. Загальні економічні витрати складають 4,50 грн/м2. Вміст ПВАБ становить 25 %. Технологічний регламент відповідає сучасним вимогам забезпечення необхідної якості асфальтобетону. Експлуатаційна надійність матеріалу висока. Матеріал екологічно безпечний, за умови використання фільтрів-циклонів на етапі приготування суміші. Матеріал здатен до регенерації.

На другому етапі виконують парне порівняння альтернативної групи (матеріал А, В і С) до субфакторів моделі (3й рівень ієрархії). Згідно з вище наведеним описом характеристик матеріалів, складені матриці парних порівнянь для розрахунку локального вектора пріоритету матеріалів. Результати розрахунку наведені на діаграмі (рис. 9).

На третьому етапі визначають загальний вектор пріоритету для матеріалів альтернативної групи. Загальний вектор розраховується шляхом синтезу локального вектора пріоритету (альтернативної групи до субфакторів) з вектором пріоритету загальних факторів. Результати розрахунку наведені на діаграмі (рис. 10).

Визначено, що найбільш високий показник загального пріоритету у матеріалу В - пористого комбінованого асфальтобетону (0,394). Аналіз розрахунку показує, що пористий комбінований асфальтобетон має найвищий пріоритет по фактору “економічні витрати” і досить високі показники пріоритету по інших загальних факторах.

Таким чином, розроблена система дозволяє на етапі конструювання дорожнього одягу визначати оптимальний комбінований асфальтобетон з урахуванням якості компонентів і регіональних особливостей будівельного об’єкту. Розроблена система дає можливість швидко розглянути усю номенклатуру комбінованих асфальтобетонів, а визначені фактори і субфактори комплексно проаналізувати їх якість та ефективність, що забезпечить довговічність і економічність дорожнього одягу.

У п’ятій главі наведені науково-дослідні розробки для практичного використання.

Згідно з вимогами сучасних норм, для розрахунку дорожнього одягу з використанням асфальтобетону необхідно мати розрахункові значення (при дії динамічного навантаження в температурному діапазоні 0 ... 50 С): модуля пружності, міцності на розтягування при згині, питомого зчеплення.

Комплексні експериментальні дослідження стандартних і нестандартних фізико-механічних показників у широкому температурному діапазоні при дії динамічного і статичного навантаження, а також аналіз результатів досліджень, що були проведені у технічних університетах міст Москва, Мінськ, Штутгарт, Карлсрує та Осока, дозволили визначити фізико-механічні властивості різних за структурою комбінованих асфальтобетонів.

За результатами С.Ю. Рокаса, В.А. Семенова, А.В. Руденського і досліджень автора визначені фактори, що викликають неоднорідність асфальтобетону, і для кожного визначена величина коефіцієнту варіації. На основі встановлених показників деформативності, міцності і визначених величин коефіцієнтів варіації та нормованого відхилення були встановлені розрахункові характеристики комбінованих асфальтобетонів (таблиця 3).

Таблиця 3

Вид асфальто-бетону | Тип зернового складу | Марка

асфальтобетону | Вміст ПВАБ,

% мас. | Міцність на розтяг., МПа | Питоме зчеплення, МПа | Модуль пружності, МПа при температурі

0 С | 10 С | 30 С | 50 С

Щільний | Г | 2 | 15 | 2,5 | 1,4 | 3900 | 2600 | 700 | 300

В | 2 | 15 | 2,5 | 1,6 | 4000 | 2800 | 670 | 290

Б | 2 | 15 | 2,4 | 1,8 | 4100 | 2900 | 800 | 350

Б | 3 | 20 | 2,2 | 2,0 | 3600 | 2600 | 730 | 310

А | 2 | 15 | 2,3 | 2,2 | 3900 | 2600 | 900 | 410

А | 3 | 20 | 2,1 | 2,2 | 3500 | 2300 | 800 | 370

Пористий | 1 | 20 | 1,5 | 2,4 | 2300 | 1600 | 650 | 320

2 | 30 | 1,3 | 2,4 | 2000 | 1400 | 570 | 280

Високо- | 1 | 20 | 0,9 | 2,6 | 1800 | 1600 | 650 | 320

пористий | 2 | 30 | 0,8 | 2,6 | 1600 | 1400 | 570 | 280

Примітка. Розрахункові характеристики наведені для комбінованих асфальтобетонів, виготовлених на бітумі БНД 60/90.

За методикою визначення оптимального комбінованого асфальтобетону складено алгоритм і написана для комп’ютера програма “DIPON” на алгоритмічній мові Visual Basic v.5. Програма дозволяє для умов реконструкції і нового будівництва дорожнього одягу, визначати найбільш ефективний комбінований асфальтобетон з урахуванням його фізико-механічних властивостей, особливостей технології приготування та умов експлуатації. Програма складена з урахуванням сумісності з програмою розрахунку дорожнього одягу комплексу САПР-АД.

Розроблені пропозиції приготування комбінованого асфальтобетону на стаціонарних асфальтобетонних заводах. Пропозиції основані на дослідженні припустимого вмісту повторно використовуваного асфальтобетону у комбінованих асфальтобетонах і теоретичних положень про тепломасообмін. Запропоновано три

технологічні способи приготування комбінованих асфальтобетонних сумішей:

а) конвективний;

б) мікрохвильовий;

в) безконтактно-циклічний.

Для кожного технологічного способу залежно від відсоткового вмісту ПВАБ і вологості матеріалів визначена температура нагрівання нового кам’яного матеріалу і тривалість “сухого” та остаточного змішування.

ВИСНОВКИ

1 Дослідження процесів деформування і руйнування підтвердили обгрунтованість уявлення про асфальтобетон як композиційну грубодисперсну систему, в якій коагуляційні контакти між фазовими частинками визначають структурну однорідність матеріалу, а отже, і механічну довговічність. На основі досліджень було встановлено, що коагуляційні контакти між гранулами повторно використовуваного асфальтобетону слабші, ніж контакти з новою асфальтобетонною сумішшю. Тому задача знаходження припустимої частки ПВАБ полягала у визначенні об’єму, при якому гранулами ПВАБ не була б створена структурна система (каркас або кластер), що автономно бере участь у напружено-деформованому стані комбінованого асфальтобетону.

Аналіз структуроутворення з позиції теорії перколяції показав, що у асфальтобетонів з поровою структурою навіть один безперервний кластер, що складається з гранул ПВАБ і замкнених пор повітря, здатний зумовити деструкцію матеріалу. Згідно з рішенням задачі вузлів, отриманим на основі інваріанту Шера-Цаллена та інших залежностей теорії перколяції, було визначено, що припустима частка ПВАБ у асфальтобетонах з поровою структурою становить 10 … 15 % за об’ємом.

Аналіз структуроутворення асфальтобетонів з контактною і базальною структурами показав, що припустима частка ПВАБ і замкнених пор повітря не повинна перевищувати об’єму, при якому утворюється безконтактний каркас. На основі рішення задачі про утворення безконтактного каркасу у просторі (уточнена залежність І.Палашті та інші залежності теорії перколяції) визначено, що припустимий вміст ПВАБ у асфальтобетонах з контактною структурою становить 20…35 % за об’ємом, а у асфальтобетонів з базальною структурою – 30…35 % за об’ємом.

2 Проведено комплексне експериментальне дослідження припустимого вмісту ПВАБ у асфальтобетонах з різними типами структур. На штучних моделях досліджено зниження адгезії між гранулами повторно використовуваного асфальтобетону і новою асфальтобетонною сумішшю, а також вивчений вплив якості бітуму, що міститься у повторно використовуваному асфальтобетоні, на властивості комбінованого асфальтобетону. На асфальтобетонах з різним типом гранулометрії, при застосуванні повторно використовуваних асфальтобетонів з реальних дорожньо-будівельних об’єктів, виконані дослідження впливу кількості ПВАБ на фізико-механічні властивості комбінованих асфальтобетонів. Встановлено, що припустимий вміст ПВАБ найбільше залежить від структури комбінованого асфальтобетону. Кількісно підтверджені величини припустимої частки повторно використовуваного асфальтобетону у комбінованих асфальтобетонах з різними типами структур.

3 На основі вивчення стандартних фізико-механічних і деформативних властивостей комбінованих асфальтобетонів визначено, що при вмісті ПВАБ до 10 % за масою показники міцності і деформативності знизились в середньому на 5…7 %, при зміні вмісту ПВАБ з 10 % до 20 % за масою, показники знизились на 10…15 %.

Таким чином визначено, що комбіновані асфальтобетони мають досить високі показники міцності і деформативності, а тому можуть бути застосовані для будівництва шарів покриття та основи дорожніх одягів. Згідно з результатами комплексних експериментальних досліджень стандартних і не стандартних фізико-механічних властивостей у широкому температурному діапазоні, при дії динамічного і статичного навантаження, були встановлені розрахункові характеристики комбінованих асфальтобетонів.

4 Розв’язана задача визначення рівноміцних конструктивних шарів з асфальтобетону. На основі методу аналізу ієрархій і рішення про рівноміцні шари, складена домінантна, ієрархічна система визначення оптимального, для конкретного дорожнього одягу, комбінованого асфальтобетону. Запропонована комплексна оцінка якості та ефективності комбінованого асфальтобетону шляхом визначення наступних факторів: економічні витрати, стабільність технологічного регламенту, експлуатаційна надійність і екологічна безпека.

5 На основі дослідження припустимого вмісту повторно використовуваного асфальтобетону у комбінованих асфальтобетонах і теоретичних положень про тепломасообмін запропоновано три технологічні способи приготування комбінованої суміші: конвективний, мікрохвильовий, безконтактно-циклічний. Для кожного технологічного способу визначена температура нагрівання нових кам’яних матеріалів і тривалість “сухого” та остаточного змішування.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1 Малеванський Г.В., Головко С.К. Підбір складу асфальтобетонної суміші з частковим використанням старих бітумомістких матеріалів. – Збірник “Автомобільні дороги та дорожнє будівництво”, № 46 - Київ, 1988. - с.46-49.

2 Головко С.К. Визначення раціонального типу бітумомінерального матеріалу при проектуванні нежорсткого дорожнього одягу. – Збірник “Автомобільні дороги та дорожнє будівництво”, № 54 - Київ, 1996. - с.92-95.

3 Головко С.К. Вибір оптимального дорожньо-будівельного матеріалу для дорож-нього одягу на основі системного аналізу. – Автошляховик, № 2 - Київ, 1998. – c.37-39.

4 Головко С.К. Дослідження фізико-механічних властивостей асфальтобетонів, що містять повторно використаний асфальтобетон. – Автошляховик, № 3 - Київ, 1998. – с.30-32.

5 Головко С.К. Визначення розрахункових характеристик асфальтобетонів, що містять повторно використовуваний асфальтобетон .- Збірник наукових праць “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку”- Київ, 1998. – с.176-179.

6 Рекомендации по приготовлению асфальтобетонных смесей с повторным использованием битумосодержащих материалов дорожных одежд. – Миндорстрой УССР. – Киев, 1990. – 42с.

7 Альбом конструкцій дорожніх одягів з використанням цементовмісних матеріалів.- Міністерство транспорту, корпорація “Укравтодор”.- Київ, 1997.- 88с.

8 Головко С.К. О некоторых вопросах повторного использования асфальтобетону в составленных смесях.- Тезисы докладов республиканской конференции “Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов”.- Харьков, 1989.- с.52-53.

9 Головко С.К. Об исследовании влияния добавки повторно используемого битумоминеральнго материала на качество плотного асфальтобетону.- Тезисы международной научно-технической конференции “Cовременные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог“.- Суздаль, 1994.- с.85-86.

АНОТАЦІЯ

Головко С.К. Раціональні способи повторного використання асфальтобетону при реконструкції автомобільних доріг.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – автомобільні дороги та аеродроми.- Український транспортний університет, Київ, 1999.

Захищається розроблена методика проектування шарів дорожнього одягу з комбінованих асфальтобетонів, яка враховує їх фізико-механічні властивості, технологічні особливості і конкретні умови експлуатації. На основі імовірно-геометричного аналізу структуроутворення асфальтобетонів визначений припустимий вміст повторно використовуваного асфальтобетону в залежності від структури комбінованого асфальтобетону. Проведено комплексне дослідження фізико-механічних властивостей комбінованих асфальтобетонів. З урахуванням неоднорідністі властивостей повторно використовуваного асфальтобетону визначені розрахункові характеристики комбінованих асфальтобетонів. Розв’язана задача пошуку оптимального комбінованого асфальтобетону. На основі багатофакторного аналізу встановлені основні фактори, що впливають на якість і ефективність комбінованого асфальтобетону. З використанням методу аналізу ієрархій складена домінантна ієрархічна система визначення оптимального комбінованого асфальтобетону.

Ключові слова: комбінований асфальтобетон, повторно використаний асфальтобетон, дорожній одяг, модуль пружності, кластер, каркас, ієрархія, аналіз, синтез, екологія.

АННОТАЦИЯ

Головко С.К. Рациональные способы повторного использования асфальтобетону при реконструкции автомобильных дорог.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 – автомобильные дороги и аэродромы.- Украинский транспортный университет, Киев, 1999.

Защищается разработанная методика проектирования слоев дорожной одежды из комбинированных асфальтобетонов, учитывающая их физико-механические свойства, технологические особенности и конкретные условия эксплуатации. На основе вероятностно-геометрического анализа структурообразования асфальтобетонов определено допустимое содержание повторно используемого асфальтобетона в зависимости от структуры асфальтобетона. Проведено комплексное исследование физико-механических свойств комбинированных асфальтобетонов. С учетом неоднородности свойств повторно используемого асфальтобетона определены расчетные характеристики комбинированных асфальтобетонов. Решена задача по определению оптимального комбинированного асфальтобетона. С использованием метода анализа иерархий, составлена доминантная иерархическая система определения оптимального комбинированного асфальтобетона.

Ключевые слова: комбинированный асфальтобетон, повторно использованный асфальтобетон, дорожная одежда, модуль упругости, кластер, каркас, иерархия, анализ, синтез, экология.

ABSTRACT

Golovko S.K. Rational ways of recycling of asphalt concrete in reconstruction of pavements.- Manuscript.

Thesis for obtaining a scientific degree of candidate of technical science on speciality 05.22.11 – Motor car roads and airfields. Ukrainian transportation university, Kyiv, 1999.

Is being defended the methodology of designing road pavement layers of combined asphalt concretes, accounting their physical and mechanical properties, technological peculiarities and concrete conditions of operation. On the base of probability and geometrical analysis of structure-building asphalt concretes, the determined permissible content of repeatedly being used asphalt concrete depending on the combined asphalt concrete structure had been determined. The complex study of physical and mechanical properties of combined asphalt concretes had been accomplished. Taking into account in homogeneity of properties of the asphalt concrete being reused, the design characteristics of combined asphalt concretes had been determined. The problem of the search of the optimal combined asphalt concrete had been solved. On the base of the multifactor analysis, the basic factors determining quality and effectiveness of the combined asphalt concrete had been established. Using the hierarchy analysis method, had been composed the dominant hierarchy system for determining optimal combined asphalt concrete.

Key words: combined asphalt concrete, recycling, road pavement, elasticity modulus, cluster, frame, hierarchy, analysis, synthesis, ecology.

Доповнення згідно наказу ВАК України № 486 від 14