МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГУБА Вікторія Вікторівна

УДК 625.75

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ БУДІВНИЦТВА

АСФАЛЬТОБЕТОННИХ ШАРІВ ДОРОЖНЬОГО ОДЯГУ

ЗА СПОСОБОМ „ТЕРМОСА”

Спеціальність 05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Савенко В’ячеслав

Якович, Національний транспортний університет,

завідуючий кафедрою будівництва та експлуатації доріг

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Павлюк Дмитро

Олександрович, Національний транспортний університет,

професор кафедри аеропортів

кандидат технічних наук, доцент Доля Анатолій Григорович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг (м. Макіївка)

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній

університет Міністерства освіти і науки України, кафедра

будівництва та експлуатації автомобільних доріг

Захист відбудеться “ 20 квітня 2006 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету (01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42)

Автореферат розіслано “ 15 ” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Рутковська І.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основний об'єм сучасних дорожньо-будівельних робіт виконують у літній період року при високих температурах навколишнього середовища. Осінньо-зимовий період року, коли температура середовища опускається нижче +5°С, а вологість підвищується до 60 - 80% використовується вкрай недостатньо. Такий вид виконання дорожньо-будівельних робіт носить яскраво виражений сезонний характер.

Відмова від сезонності технології, перехід до технології цілорічного будівництва і реконструкції, розкриває можливість більш повного використання резервів виробничих потужностей дорожньо-будівельних підприємств без притягнення додаткових матеріальних і трудових резервів.

Ці об'єктивно істотні передумови послужили причиною тому, що в останні роки проблема удосконалення технології будівництва асфальтобетонних шарів дорожнього одягу з урахуванням кліматичних і природних факторів є важливою науковою і народногосподарською задачею, яка має суттєве практичне значення.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з планами науково-дослідних робіт Національного транспортного університету за програмою „Удосконалення принципів і методів врахування регіональних, гідрогеологічних умов і підвищення на їх основі ефективності і якості проектування, будівництва та експлуатації доріг” держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки України № 0100U003716, та „Удосконалення технологій проектування, будівництва та експлуатації доріг з урахуванням екологічних заходів покращення стану довкілля” науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки України № 0104U003336, що відповідає напрямку розвитку науки і техніки в Україні “Екологічно чиста енергетика й енергозберігаючі технології”, та згідно планам держбюджетної науково-дослідної роботи „Удосконалення технологічних процесів ремонту й реконструкції місцевих вулиць і доріг” за № Н73-2001, Автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету.

Мета дослідження. Метою дослідження є удосконалення технології будівництва асфальтобетонних шарів дорожнього одягу за способом „термоса” з урахуванням кліматичних і природних факторів.

Задачі дослідження:

· Провести аналіз технологій будівництва асфальтобетонних шарів дорожніх одягів у складних кліматичних умовах.

· На підставі математичного моделювання задачі термопружності для багатошарової прямокутної плити дослідити:

- термопружні деформації асфальтобетону складної мікроструктури;

- теплопровідність та температурний режим асфальтобетонного шару, який улаштовано за способом „термоса”.

· Провести експериментальні дослідження теплофізичних властивостей асфальтобетонних шарів, улаштованих за способом „термоса” з метою:

- дослідження процесів остигання асфальтобетонних шарів улаштованих за способом „термоса”;

- встановлення закономірностей міграції рідкої фази у шарі асфальтобетону при його віброущільненні у складних кліматичних умовах.

· Виконати виробничу перевірку і впровадження результатів дослідження в практику будівництва, ремонту і реконструкції дорожніх одягів.

Об’єкт дослідження. Асфальтобетонні шари дорожнього одягу з різними типами теплоізоляційних прошарків.

Предмет дослідження. Закономірності процесів укладання й ущільнення асфальтобетонних шарів складної внутрішньої мікроструктури, на які впливають термічні та силові напруження.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є теоретичні і експериментальні методи дослідження властивостей асфальтобетонних покриттів. До теоретичних слід віднести математичне моделювання процесів остигання асфальтобетонів на підставі методів математичної фізики. Експериментальні дослідження цих процесів виконувалось із застосуванням сучасних методів і устаткування за стандартними та спеціальними методами: мікроскопії, спектроскопії, калориметрії, температурного аналізу, реології. Ступінь відповідності результатів досліджень аналізувався методом лінійного аналізу. Випробування асфальтобетонних сумішей виконувалося відповідно до ДСТУ Б В.2.7-114-2002. Старіння асфальтобетонів досліджувалось в апараті штучної погоди ІП-1. Морозостійкість оцінювалася за зміною фізико-механічних показників зразків після визначеного циклу позмінного заморожування і відтаювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено закономірності впливу територіальних кліматичних і природних факторів на транспортно-експлуатаційний стан автомобільних доріг та технологію їх будівництва.

На підставі математичного моделювання досліджено теплопровідність та температурний режим багатошарового асфальтобетонного покриття при укладанні й ущільненні його за способом „термоса”.

Теоретично та експериментально обґрунтовано можливість улаштування асфальтобетонних шарів дорожнього одягу за способом „термоса” на різних типах теплоізоляційних прошарків та удосконалено технологію їх будівництва.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено удосконалену технологію укладання й ущільнення асфальтобетонних шарів дорожніх одягів в осінньо-зимовий період, яка забезпечує високу якість робіт, продовження будівельного сезону, ефективне впровадження дорожньо-будівельної техніки, скорочує об’єми незавершеного будівництва та підвищує рентабельність ремонтно-будівельних підприємств.

Результати досліджень знайшли втілення в Технічних умовах „Будівництво асфальтобетонних покриттів по способу „термоса”, та впроваджені у промислове виробництво на підприємствах: Донецький облавтодор, АТ „Донбасдорбуд”, та в АТ Горлівського підрядного спеціалізованого дорожнього ремонтно-будівельного управління.

Річний економічний ефект від впровадження складає 34,5 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних та практичних розробок дисертації належить здобувачу особисто, що знайшло відображення в його індивідуальних працях: [4, 5, 10, 11, 14, 15, 16]. Співавтори статей [1, 2, 3, 6, 8, 9] Герасименко В.Г. та Копачевська І.Г. приймали участь у розрахунках та обробці їх результатів. Статтю [7] надруковано разом із науковим керівником, професором В.Я.Савенком як постановником задач дисертації, якому автор висловлює щиру подяку.

Результати досліджень, представлені в дисертації отримано автором особисто в процесі багаторічної праці.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідалися та обговорені: на ІІ міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень 2003”, м. Дніпропетровськ; на ІІ міжнародній науково-технічній конференції „Проблемы строительного и дорожного комплексов” (11-13 ноября 2003 г., г. Брянск); на міжнародній науково-технічній конференції, яка присвячена 60-річчю Національного транспортного університету (30 вересня – 1 жовтня 2004 р.); на 60–61-ій наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (2004–2005 р.р., м. Київ).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 14 наукових статтях, опублікованих у фахових виданнях. По темі дисертації отримано 2 патенти на винахід. Загальний список наукових праць складає 22 найменування.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел (121 найменувань), а також семи додатків. Загальний обсяг – 198 сторінок, з них – 151 сторінка основного тексту, який містить 42 рисунка та 14 таблиць, 36 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі викладено актуальність обраної теми; надано критичний аналіз існуючого стану проблеми та висвітлений зв’язок роботи з науковими програмами; сформульована мета та задачі досліджень; визначені об’єкт, предмет і методи досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та їх впровадження у виробництво.

В першому розділі дисертаційної роботи розглядається проблема розробки осінньо-зимової технології будівництва і реконструкції, як одна з найважливіших галузей наукових досліджень в області будівництва автомобільних доріг. Проведено структурно-операційний аналіз існуючих технологій з точки зору впливу сезонних факторів виконання робіт на якісні і міцностні показники дорожнього одягу, який може знижувати собівартість перевезень за достатніх міцності, рівності і шорсткості поверхні. Зниження собівартості будівництва може бути досягнуто за рахунок продовження будівельного сезону – переходу до цілорічної технології. Технологія робіт відповідає на питання як і чим виконують той, або інший технологічний процес. Загальним результатом науки і практики є розроблені описи технологічних процесів у вигляді інструкцій, технологічних карт та інших документів. До складу сучасної технології входять технічний контроль якості продукції та ходу виконання технологічних процесів. Але по деяким найбільш складним питанням теоретичні основи технології будівництва автомобільних доріг продовжують формуватися.

Технологічні операції укладання та ущільнення шарів дорожнього одягу визначають його міцність, довговічність, надійність. Тому аналіз наукових досліджень був сконцентрований на операціях укладання й ущільнення асфальтобетонних сумішей за низьких температур різними технологічними методами. Найбільшу увагу приділялось роботам Ю.А.Андрійченко, О.Т.Батракова, О.А.Білятинського, А.М.Богуславького, Н.В.Горелишева, В.Й.Заворицького, І.А.Золоторя, А.С.Колбановської, В.М.Могілевича, В.В.Михайлова, В.Я.Савенко, В.М.Сіденко, І.М.Руденської та іншім.

До теперішнього часу немає єдиної думки щодо вимог, які повинні бути пред'явлені до процесів укладання і ущільнення. Більшість фахівців підтримують точку зору, що в осінньо-зимовий період ці операції повинні забезпечити деформаційну стійкість дорожніх одягів. За низьких температур, виникають додаткові внутрішні теплові напруження в матеріалах шарів. Швидке зростання напружень у покритті не компенсується деформаційною здатністю асфальтобетону, внаслідок чого можливі мікро–, макротріщини і порушення суцільності дорожнього покриття.

Вплив рідкої фази на властивості шарів за від’ємних температур вивчали В.М.Безрук, Т.Ю.Любимова та ряд інших вчених. Вони встановили, що плівка рідкої фази обумовлює насиченість міжмолекулярних сил і виконує роль структуроутворюючої добавки. Поверх водяної плівки розташовується бітумна плівка, а частина бітуму заповнює пори мінерального матеріалу. Шаруваті плівки рідкої фази визначають ущільнення і міцність таких систем, але для утворення таких систем треба збільшити час їх технологічного формування.

Відчутний вплив на якісні властивості асфальтобетонів справляють умови їх транспортування. Надмірне остигання асфальтобетонної суміші до закінчення процесу укладання викликає ряд характерних дефектів покриття під час його експлуатації. При улаштуванні тонкошарових асфальтобетонних покриттів з гарячих сумішей у осінній і зимовий періоди значний ефект дає підігрів основи. Досвід виконання робіт з підігрівом бітумомінеральної основи полум'ям пропанових форсунок свідчить про незручність і небезпечність цього методу підігріву, що обумовлюється постійною присутністю вибухонебезпечного пропану і низькою його ефективністю при швидкості вітру більше 7 м/с.

А.А.Іноземцев вивчаючи процеси остигання асфальтобетонної суміші встановив істотну залежність коефіцієнта тепловіддачі суміші від швидкості вітру: відбувається підвищення коефіцієнта тепловіддачі при швидкості вітру більше 5 м/с. Цей висновок дає підстави для розробки зимових технологій улаштування асфальтобетонних шарів з урахуванням погодно-кліматичних факторів.

А.М.Богуславський запропонував при розробці зимових технологій дотримуватись ряду додаткових заходів: при транспортуванні асфальтобетонних сумішей (збереження температури); при укладанні (захист ділянок від впливу вітру); ущільнення виконувати тільки важкими гладковальцьовими котками і товщина шару повинна бути не менше 4–5 см.

У шарах дорожнього одягу внаслідок зміни їх температурного поля виникає об’ємний напружено-деформований стан. Зміна напружень по товщині шарів залежить: від модуля пружності, коефіцієнта лінійного температурного розширення, початкових значень теплового і масового змісту, коефіцієнта, що характеризує умови і зміну температури на поверхні шарів, теплових та фізичних характеристик матеріалу.

Процес ущільнення є визначальним у формуванні структури матеріалів в шарах дорожніх одягів і залежить від комплексу факторів: температур суміші і навколишнього середовища, темпів ущільнення, виду котків, швидкості вітру і т.д. Аналіз показав, що в жодній з робіт немає загальної теорії ущільнення з урахуванням вищевказаних факторів, тому процес ущільнення вимагає проведення подальших як теоретичних так і експериментальних досліджень. Для розв’язання задач будівництва якісних асфальтобетонних шарів дорожнього одягу за низьких або від’ємних температурах слід виділити такі напрямки:

– співвідношення часу остигання суміші за рахунок збільшення товщини шару що укладається (самий простий, але значно підвищує собівартість будівництва дороги);

– прискорення процесу укладання й ущільнення за рахунок використання сучасних укладальників і котків та ефективних технологічних заходів;

– застосування удосконаленої „термосної” технології будівництва (різні види та варіанти теплоізоляційних прошарків).

Виходячи з вищенаведеного, можна стверджувати, що удосконалення технології будівництва асфальтобетонних шарів дорожнього одягу є актуальною науковою задачею, яка має суттєве практичне значення.

Другий розділ дисертації присвячений розробці математичної моделі і аналізу термопружного поля деформацій асфальтобетонних шарів, покладених за способом „термоса”.

Питання визначення внутрішніх зусиль у шарах асфальтобетонного покриття зводиться до розрахунку прямокутних плит, що лежать на різних типах основ. Математична модель являє собою строго сформульовану крайову задачу термопружності для багатошарової прямокутної плити, шари якої в загальному випадку можуть мати різну внутрішню мікроструктуру, що враховується їх механічними показниками. Така постановка задачі вільна від необґрунтованих спрощень і дозволяє в результаті її реалізації визначити механічні і температурні характеристики кожного шару і пакета дорожнього одягу в цілому.

У поставленій задачі розглядаємо статичне термопружне поле деформацій N – шару асфальтобетонної плити, що займає в недеформованому стані в декартовій системі координат Ох1х2х3 область .

Кожен шар асфальтобетонної плити виготовлений з ізотропного матеріалу, пружні параметри якого можуть змінюватися тільки уздовж товщинної координати х3. При цьому використовуємо рівняння механічної і термічної рівноваги у припущенні відсутності у шарі масових сил і внутрішніх джерел тепла.

Рівняння стану для визначення термопружних деформацій ізотропного матеріалу кожного шару дорожнього одягу мають вигляд

, (1)

де л і м – параметри Ламе; лТ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу; - коефіцієнт температурного напруження матеріалу; – коефіцієнт лінійного температурного розширення; Е і н – модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона; – компоненти тензора термопружних деформацій; Т – температура матеріальної частки; – символи Кронеккера; – матеріальні постійні асфальтобетонного матеріалу, в загальному випадку є функціями від координати х3.

Механічні і температурні граничні умови на краях пакета дорожнього одягу приймемо у вигляді

, , при

(2)

, , при

Механічні граничні умови на верхній і нижній поверхнях пакета можуть бути сформульовані як у термінах термопружних деформацій , так і у термінах напруг .

Для пакета асфальтобетонного одягу приймаємо умови механічного і температурного напружень верхньої і нижньої поверхонь у вигляді

; ; при (3)

де – задані функції і константи.

Термопружні деформації поля переміщень у m-м шарі асфальтобетону складної мікроструктури визначались у вигляді

, , (4)

де усі параметри у формулі (4) розраховувались за допомогою ітераціонного процесу.

Змінюючи значення умов (3) можна задавати напруження лицьових поверхонь пакета дорожнього одягу різними способами. На поверхнях сполучення асфальтобетонних шарів виконуються умови твердого механічного й ідеального термічного контакту. Для асимптотичного розв’язування крайової задачі введемо локальні системи координат , осі яких рівнобіжні осям глобальної системи координат, а початок координат знаходиться у точці перетину осі х3 із серединною поверхнею m-го шару. Застосовуючи метод розкладення механічних характеристик термопружного поля у степеневі ряди і крайові умови, отримуємо у кінцевому вигляді рекурентні співвідношення відносно коефіцієнтів розкладення. Для визначення температурних характеристик шарів асфальтобетонного покриття з отриманих рекурентних співвідношень слід мати значення зведених модулів гранульованих композитних матеріалів. Для розрахунку модулів використані методи Мори-Танаки і самоузгодження. Визначення нестаціонарного одномірного теплового поля багатошарового асфальтобетонного покриття складається з розв’язування рівнянь теплопровідності, які повинні задовольняти умовам неідеального теплового контакту на лицьових поверхнях пакету.

Представимо температуру і-го шару у вигляді

(5)

де початкову температуру визначаємо таким чином, щоб для температури умови на граничних поверхнях були однорідними.

Для визначення функції використовуємо метод інтегральних перетворень:

(6)

де Ri – ядра розв’язку диференціальних рівнянь, які отримані аналітично.

На підставі формул зворотного переходу розв’язки рівнянь (6) знаходимо у вигляді

(7)

(8)

де , - корені спеціальних трансцендентних рівнянь, - трансформанти правих частин граничних умов.

Великий інтерес викликає застосування отриманих результатів для асфальтобетонних покриттів, які улаштовані за способом „термоса”. У цьому випадку на ступінь ущільнення справляють вплив коефіцієнт теплопровідності суміші та її об’ємна щільність , а температурне поле буде визначатися розв’язуванням диференціального рівняння

, (9)

Для розв’язування цього рівняння застосовуємо метод розділення змінних і апроксимаційні вирази для теплоємності і коефіцієнтів теплопровідності бітумів і сумішей. Це дає змогу проінтегрувати рівняння (9) і визначити закон остигання суміші у такому вигляді

(10)

Наприклад, коли залежність між коефіцієнтом теплопровідності і щільністю лінійна, температура в асфальтобетонному шарі змінюється за експоненціальним законом. На початку шар остигає швидше, потім повільніше. Звідси виходить важливий для практики висновок - ущільнення повинно бути сконцентроване в перший період, коли температура суміші максимальна.

Аналіз рівняння (10) показує, що регулюючи процес тепловіддачі можна зменшити інтенсивність остигання матеріалу, це дозволить подовжити за часом перший період ущільнення. Для регулювання процесу тепловіддачі, найбільш простим і доцільним є застосування різних видів теплоізоляційних прошарків, тобто виготовлення асфальтобетонних покриттів за способом „термоса”.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено проведенню експериментальних досліджень теплофізичних властивостей асфальтобетонних шарів покладених за способом „термоса”.

Розроблено методику і схему проведення експериментів та здійснено будівництво дослідних дорожніх дільниць. Методика враховує попереднє обстеження: місцевості і навколишнього середовища; району укладання гарячого асфальтобетону; кількість шкідливих елементів, які осідають на покритті; запиленість ділянки дороги; вантажного завантаження дороги; зимових перепадів температур; водно - теплового режиму ділянки дороги; вітрові показники. Експерименти виконувались в різних кліматичних і екологічних умовах на дорогах Донецької області.

Основним фактором, що впливає на якість готового дорожнього одягу, є його теплофізичні властивості, отримані при укладанні й ущільненні. Труднощі зимової технології полягають в тому, що за низьких температур і швидкості вітру до 10 м/с відбувається швидке (t 25 хв) остигання вкладеного шару, при цьому асфальтобетони не можуть за такий короткий термін сформуватися, якщо не застосовувати додаткові заходи щодо зниження темпів остигання до повного завершення циклу „укладання - ущільнення”. У роботі автором удосконалена технологія будівництва дорожнього одягу за способом „термоса”, яка дає змогу укладати й ущільнювати гарячі асфальтобетонні суміші із початковою температурою ТА/Б = +130–150 єС, при температурах повітря ТВ = +5 – -15єС і швидкостях вітру VВ = 1–15 м/с.

Характер зниження температури суміші після укладання позначається на якості готового дорожнього одягу, тому зміна теплофізичних властивостей суміші являє собою величезний науковий інтерес, особливо при витримуванні суміші у термоізоляційних шарах. Принципову картину розподілу температур асфальтобетону затиснутого теплоізоляційними шарами показано на рис. 1, а, б.

Рис. 1. Розподіл температур за часом у процесі термосного витримування:

1, 2, 3 – криві остигання верхнього та нижнього термоізоляційних шарів і шару асфальтобетону; 4, 5, 6 – криві математичного моделювання остигання верхнього та нижнього термоізоляційних шарів і шару асфальтобетону.

Остигання відбувається за двома напрямками: в сторону теплоізоляційного шару ТШ2, який лежить на холодній основі; та в сторону теплоізоляційного шару ТШ1, який захищає від холодного зовнішнього середовища.

На рис. 2 показано розподіл температур асфальтобетонного шару покладеного за способом „термоса”. Зміна температури відбувається по плавним кривим, на яких немає різких температурних перепадів, що виключає утворення критичних напружень і внутрішніх мікротріщин. Йде часткове розклинювання шлаком щебеневої основи. Міцність асфальтобетону як матеріалу з коагуляційними в’язями залежить від температур асфальтобетонної суміші і теплоізоляційних шарів. Такий процес значно зменшує швидкість остигання шарів, а час ущільнення продовжує до tУ = 60 хв.

Рис. 2. Розподіл температур асфальтобетону покладеному за способом „термоса”:

а – теплоізоляційні шари із гранульованого доменного шлаку, де: 1, 5, 2, 3, 4 – криві остигання верхнього, нижнього і асфальтобетонного шарів; 6, 7, 8, 9, 10 – криві математичного моделювання остигання шарів; б – теплоізоляційні шари із горілої породи шахтних териконів і плівок ПХВ, де: 1, 2, 3, 5, 6 – криві остигання верхнього, нижнього і асфальтобетонних шарів, відповідно типів „Б”, „В”, „Г”; 4 – крива температури до початку ущільнення.

Характер зміни температур остигання теплоізоляційних шарів мають однакові закони. Проте, остигання нижнього шару відбувається із запізненням на 10–15 %, оскільки його тепло немає виходу на поверхню охолоджуваного покриття. Таким чином температурна рівновага суміші зберігається на протязі 25–30 хв. Цього часу цілком достатньо, щоб виконати ущільнення віброкотком. Температурні напруження усередині асфальтобетонного шару і теплове поле зберігаються і стабілізуються в процесі остигання протягом 50–60 хв.

Застосування в якості теплоізоляційних шарів гранульованого шлаку, горілої породи шахтних териконів, або плівок ПХВ, істотно знижує тепловіддачу гарячої асфальтобетонної суміші, та дозволяє укладати і ущільнювати останню при сильних вітрах VВ > 10 м/с і за низьких температур ТВ = - 15 єС.

У складі асфальтобетонів знаходяться до 6 % в'яжучого, поведінка якого залежить від температурних умов і частоти періодичних коливань. Натяг бітумної плівки з кожним проходом котка збільшується через орієнтацію мінеральних частинок у шарі. Швидкість міграції бітуму показано на рис. 3. Рух в'яжучого відбувається у 3 етапи. На першому, коли текучість максимальна, рідка

Рис. 3. Швидкість міграції бітуму при ущільненні | фаза видавлюється в місця розташування більш дрібних фракцій і пустот мінерального каркасу. На другому етапі вібростискання, коли найбільш крупні фракції вже не переміщуються, а лише коливаються, рідка фаза накопичується у верхній частині мінерального каркасу і разом із мінеральним заповнювачем, створюють колоїдну рухливу середу.

На третьому етапі міграція в’яжучого мінімальна, але при зниженні частоти вібрації до 50–70 Гц вдається продовжити ущільнення до потрібної щільності.

Застосування способу „термоса” при укладанні гарячих сумішей дозволило значно знизити швидкість остигання. Наприклад, якщо порівняти швидкість остигання при температурі ТВ = -15 єС, то на мерзлій основі із горілої породи вона складає VО = 6,18 єС/хв, якщо ж за способом „термоса” на цю основу укласти шар 4–5 см підігрітого до ТШ = +65 єС доменного шлаку, швидкість остигання знизиться до VО = 4,0 єС/хв така технологічна операція дає можливість віброкоткам, не збільшуючи частоту вібрації і швидкість переміщення, ущільнювати шар до вимог ДСТУ Б В.2.7-119-2003.

Модуль пружності ущільнених віброкотками гарячих сумішей при температурах ТВ = -5 – -15 єС на 6–8 % вище в порівнянні із сумішами які ущільнювалися звичайними жорстко-барабанними котками, а покладених за способом „термоса” на 5–7 % вище в порівнянні із сумішами покладеними на холодну основу й ущільнених тими ж віброкотками. Це свідчить про підвищення тріщиностійкості шарів дорожнього одягу, улаштованих за способом „термоса”.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений виробничому впровадженню результатів дослідження та розробці практичних рекомендацій щодо вибору раціонального складу суміші, типу ущільнювачів, підготовки ділянки дороги, механізмів і АБЗ для будівництва асфальтобетонних покриттів в умовах осінньо-зимової технології за способом „термоса”.

Будівництво дослідних ділянок виконувалось на дорогах місцевого та регіонального значення в промислових зонах Донецька, Горлівки і Костянтинівки.

Вибір складу асфальтобетону це найбільш відповідальна технологічна задача виробництва. Критеріями для вибору складу гарячих асфальтобетонних сумішей є показники, що дозволяють судити про їх поведінку за низьких (від +5 °С до -15 °С) температур повітря, а також про їх тріщиностійкість, довговічність та міцність у кислотно-лужному середовищі промислових центрів. В основі сучасних принципів підбору складу суміші, лежить метод, що забезпечує потрібні фізико-механічні властивості при додатних температурах. Але не усі складові властивостей асфальтобетону, що цілком задовольняють технічні показники при позитивних температурах, відповідають необхідним якостям за негативних температур середовища.

Склад асфальтобетонних сумішей для застосування в осінньо-зимовий період необхідно проектувати на основі технічного завдання, у якому обов’язково вказується тип асфальтобетону, призначення й умови його роботи, характеристики в'яжучих і їх хімічний склад відповідно до діючих ДСТУ. Особливу увагу при цьому слід звернути на те, щоб обрані матеріали забезпечили гарантовану міцність і морозовитривалість суміші.

До складу асфальтобетонів для роботи за негативних температур, вибраних за відомим методом автор рекомендує додавати:

– вхідні матеріали (щебінь, відсів, мінеральний порошок) використовувати з горілої породи шахтних териконів та відвалів шахт і збагачувальних фабрик, що цілком відповідають технічним вимогам ДСТУ Б В.2.7-102-2000;

– мінеральний порошок з горілих пород шахтних териконів, який оброблено сумішшю бітуму БНД 200/300 й полівінілхлорида марки Е-62 у кількості 3–3,5 % від маси бітуму. Цей складний матеріал досить ефективно застосовувати за підвищеної вологості;

– цементний пил, Амвросієвського заводу, як найбільш ефективний компонент для вилучення вологи та зчеплення асфальтобетонних шарів та основи.

Для виготовлення дорожніх одягів за способом „термоса” з використанням місцевих матеріалів в таблиці 1 наводяться запропоновані склади сумішей та конструкції дорожнього одягу.

Не дозволяється застосовувати для гарячих асфальтобетонів щебінь з глинистих вапняків, піщаників і сланців, що мають коефіцієнт набрякання КН > 0,5.

Найбільш ефективним способом підготовки основи ділянки є застосування методу підігріву гарячим гранульованим шлаком по типу „ковдри”. Технологічні операції за такого методу слід виконувати в такій послідовності: видалення снігу автогрейдерами в сторону узбіч; підігрів до 200 єС гранульованого шлаку в сушильному барабані АБЗ; доставка і розвантаження гранульованого шлаку на ділянку; планування автогрейдером шару гранульованого шлаку товщиною h = 3–4 см.

Такий метод підігріву основи доступний кожному дорожньо-будівельному або експлуатаційному управлінню, завдяки його простоті та ефективності.

Таблиця 1 – Склад асфальтобетонної суміші і схеми дорожнього одягу

№ п/п | Для доріг І – ІІ категорії

1 | Дрібнозерниста суміш тип „Б” | Кількість, %

- щебінь горілих пород

- відсів горілих пород

- мінеральний гідрофобний порошок з цементного пилу

- складний бітум з добавкою ПХВ | 58

26,3

10

5,7

2 | Дрібнозерниста суміш тип „А”

- щебінь горілих пород

- відсів горілих пород

- мінеральний гідрофобний порошок

- складний бітум з гумовою крихтою | 55

26,8

12

6,2

Для доріг III, IV, V категорій

3 | Дрібнозерниста суміш тип „В”

- щебінь горілих пород

- відсів горілих пород

- мінеральний гідрофобний порошок, доломітний

- складний бітум з добавкою поліізобутилену | 45

39

10

5,9

Для виконання робіт за зимовою технологією слід підготувати дорожньо-будівельну техніку й автотранспорт з метою зниження втрат тепла. Треба обов'язково використовувати автомобілі з кузовами, що підігріваються газами двигунів, з підвісними контейнерами, з повітряним або масляним прошарком кузова, а також укриттям гарячої суміші.

Дуже важливим, для застосування способу „термоса” є питання вибору типу котка, режиму ущільнення та товщини шару суміші. На рис. 4 показана зміна температурного поля суміші залежно від товщини шару і типу ущільнювача. |

Рис. 4. Розподіл температури асфальтобетонної суміші в залежності від товщини шару і типу ущільнювача

1, 1', 1" – ущільнювач ДУ-25А при товщині шару h = 10 см, h = 15 см, h = 20 см;

2, 2', 2" – ущільнювач ДУ-8, ДУ-9 при товщині шару h = 10 см, h = 15 см, h = 20 см.

Експериментально доведено, що при ущільненні різних за товщиною шарів суміші змінюється кількість проходів і швидкість ущільнення, але при цьому забезпечується стале їх співвідношення. Наприклад, якщо швидкість ущільнення буде менше в 2 рази, тоді кількість проходів котка повинна бути в 2 рази більшою.

Показники асфальтобетонних шарів дорожнього одягу, улаштованих за способом „термоса”, при ущільненні їх віброкотками, значно покращуються: міцність на 12–19 %; експлуатаційні показники на 25–30 %; шорсткість покриття збільшується за коефіцієнтом зчеплення з ц = 0,64 до ц = 0,81 і відповідає вимогам ДСТУ Б В.2.3-2-97.

ВИСНОВКИ

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу літературних джерел та досвіду будівництва і ремонту дорожніх покриттів в зимовий період обґрунтовано доцільність удосконалення технології будівництва асфальтобетонних шарів за способом „термоса”, яка дозволяє об’єктивно перейти до технології цілорічного будівництва і реконструкції автомобільних доріг. Розроблена технологія дозволяє підвищити ефективність використання виробничих потужностей дорожньо-будівельних підприємств.

2. На підставі реалізації математичної моделі задачі термопружності встановлено закономірності розвитку термопружних деформацій по товщині асфальтобетонного шару дорожньої конструкції, які свідчать про затримку динаміки їх розвитку в часі у середній частині шару, а самі деформації на 6–10менші ніж у верхній і нижній частинах. Отримані закономірності обумовлюють необхідність вибору певного методу підігріву основи або використання різних теплоізоляційних прошарків для регулювання теплового режиму формування структури матеріалу.

3. Аналіз результатів розв’язання рівнянь моделі дозволив дослідити теплопровідність і температурний режим асфальтобетонного шару улаштованого за способом “термоса”, а також обґрунтувати умови отримання сталого температурного режиму цього шару залежно від виду матеріалів термоізоляційних прошарків та асфальтобетонної суміші. Такий температурний режим дозволяє практично виключити утворення мікро- та макротріщин дорожнього одягу.

4. Експериментальні дослідження теплофізичних властивостей асфальтобетонних шарів улаштованих за способом “термоса” дозволили визначити, що час остигання цих шарів у два рази більший у порівнянні із звичайною технологією. Застосування теплоізоляційних шарів (гранульованого шлаку, горілої породи шахтних териконів, ПХВ плівок) дозволяє улаштовувати дорожній одяг за складних погодно-кліматичних умов (швидкість вітру більше 10 м/с, температура повітря мінус 15 єС тощо).

5. Експериментально встановлено, що в міграції рідкої фази асфальтобетонної суміші за складних погодно-кліматичних умов можна виділити три етапи, які обумовлюють необхідність підвищення температури підігріву в’яжучого на 20 С у порівнянні з традиційною технологією. Такий температурний режим дозволяє спростити час віброущільнення у два рази та зменшити частоту коливань, що компенсує енерговитрати на підвищення температури бітуму.

6. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено удосконалену технологію зимового будівництва та ремонту дорожніх покриттів, яка знайшла своє відображення у Технічних умовах „Будівництво асфальтобетонних покриттів по способу „термоса”. Практична реалізація запропонованої технології знайшла відображення при будівництві восьми дослідних ділянок на вулицях міст Горлівки та Донецька і на автомобільній дорозі Донецьк – Слов’янськ.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

АНОТАЦІЯ

Губа В.В. Удосконалення технології будівництва асфальтобетонних шарів дорожнього одягу за способом „термоса”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – автомобільні шляхи та аеродроми. – Національний транспортний університет, Київ, 2006.

Захищається удосконалена технологія будівництва асфальтобетонних шарів дорожнього одягу за способом „термоса” на основі виявлення закономірностей впливу територіальних природних комплексів на транспортно-експлуатаційний стан автомобільної дороги. Технологія „термоса” дозволяє перейти від сезонного до цілорічного виконання дорожньо-будівельних робіт. Рішення задачі виконувалося в рамках температурного підходу до аналізу показників покриттів, з використанням диференціальних рівнянь моделюючих процеси остигання асфальтобетонів та експериментальних досліджень якостей останніх сучасними методами. Математична модель являє собою крайову задачу термопружності для багатошарової прямокутної плити, що лежить на ґрунтовій основі. Одержано рівняння закону остигання асфальтобетонної суміші з використанням різних видів теплоізолюючих прошарків.

Технологію перевірено експериментально. Результати дали можливість сформулювати рекомендації до вибору складу сумішей, схем покриттів, типу ущільнювача, підготовки ділянки дороги, механізмів та асфальтобетонних заводів для будівництва доріг в осінньо-зимових умовах. Розроблено технічні умови „Будівництва асфальтобетонних покриттів по способу „термоса”.

Ключові слова: технологія, спосіб термоса, будівництво асфальтобетонних шарів, прошарки теплоізоляційні, якісні показники, підвищення виробництва.

АННОТАЦИЯ

Губа В.В. Усовершенствование технологии строительства асфальтобетонных слоев дорожной одежды по способу „термоса”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 – автомобильные дороги и аэродромы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2006.

Диссертация посвящена актуальной научной проблеме усовершенствованию технологий строительства асфальтобетонных покрытий. Из круга задач, указанной проблемы, в работе решается наиболее важная, задача разработки и обоснования технологии укладывания и уплотнения асфальтобетонных смесей на различных теплоизоляционных слоях по способу термоса. Задача решается на основе изучения влияния территориальных климатических природных комплексов на транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог.

Решение указанной выше задачи проводится в рамках температурного подхода к анализу свойств асфальтобетонных покрытий, с применением дифференциальных уравнений моделирующих процессы остывания асфальтобетонов и экспериментальных исследований свойств последних современными методами и оборудованием по стандартным методикам. Результатом применения температурного подхода стало использование понятия способа „термоса”, как комплекса технологических операций позволяющих перейти от сезонной технологии к технологии круглогодичного выполнения дорожно-строительных работ. Способ „термоса” означает применение различных теплоизоляционных слоев, для температурной защиты горячей асфальтобетонной смеси, что позволяет увеличить время операций укладывания и уплотнения до качественного формирования дорожной одежды.

Вопрос определения внутренних температурных усилий в шарах асфальтобетонов рассматривается как расчет усилий в многослойной прямоугольной плите, лежащей на грунтовой основе, слои которой в общем случае могут иметь различную внутреннюю микроструктуру, что в математической модели учитывается их механическими показателями.

По результатам экспериментальных исследований в качестве теплоизоляционных слоев, предлагается использовать местные материалы из гранулированного шлака металлургических заводов и горелых пород шахтных терриконов и обогатительных фабрик.

Технология строительства асфальтобетонных слоев дорожной одежды по способу термоса проверена в производстве. Способ содержит рекомендации по выбору состава смеси и схемы покрытия, типа уплотнителя, подготовки участка дороги, механизмов и асфальтобетонных заводов для строительства дорог в осенне-зимних условиях. Разработаны технические условия „Строительства асфальтобетонных покрытий по способу „термоса”.

Ключевые слова: технология, способ термоса, строительство асфальтобетонных слоев, слои теплоизоляционные, качественные показатели, повышение производительности.

ABSTRACT

Guba V.V. Improvement of technology of construction asphalt concrete layers of road clothes in a way of "thermos". - Manuscript.

Candidate of technical science dissertation on the specialty 05.22.11 - highways and aerodromes. - National Transport University, Kyiv, 2006.

The advanced technology of construction asphalt concrete layers of road clothes in a way of "thermos" is protected on the basis of influence of territorial climatic natural complexes upon a highway transport operational condition.