Повышение долговечности покрытий автомобильных дорог за счет оптимизации структуры асфальтобетонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, доктор технических наук Котлярский, Эдуард Владимирович

• Котлярский, Эдуард Владимирович
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Котлярский, Эдуард Владимирович

Содержание

Введение

1. Современные представления о структурообразовании в высококонцентрированных дисперсных системах, теоретические предпосылки управления этими процессами в асфальтобетонах

1.1. Физико-химическая природа структурообразования в высококонцентрированных дисперсных системах и особенности ее образования в асфальтовых бетонах

1.2. Возможности создания требуемой структуры асфальтобетонов регулированием сил сцепления в контакте между частицами, числа единичных контактов и удельной поверхности частиц минерального заполнителя

1.2.1. Структурирование в асфальтобетонах в зависимости от сил сцепления и числа контактов между частицами заполнителей

1.2.2. Влияние удельной поверхности минеральной части асфальтобетонных смесей и ее отдельных компонентов на структуру асфальтобетонов

1.3 Выводы по главе 1

2. Теоретические предпосылки получения оптимальной структуры асфальтобетонов с требуемыми свойствами для конструктивных слоев дорожных одежд

2.1 Общие положения конструирования и выбор материалов конструктивных слоев нежестких дорожных одежд

2.1.1 Конструирование дорожной одежды, задачи и основные принципы конструирования

2.1.2 Конструирование покрытий и оснований дорожных одежд капитального типа

2.1.3 Конструирование покрытий и оснований дорожных одежд облегченного и переходного типов

2.1.4 Основные положения расчёта на прочность дорожных одежд

2.2 Основные требования к дорожным

2.3 Песок для приготовления песчаного высокопористого асфальтобетона

2.4 Влияние состава на расчетные характеристики песчаного высокопористого асфальтобетона и рекомендуемые конструкции дорожной одежды

2.5 Выводы по главе 2. Предпосылки, программа и объекты исследования

3 Экспериментальные исследования параметров образования и разрушения структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов

3.1 Особенности подбора материалов для получения оптимальной

структуры высокопористого асфальтобетона

3.1 Материалы, принятые для экспериментальных исследований

3.2 Методы определения структурно-реологических характеристик

асфальтобетонных смесей и асфальтобетона

3.3 Методика статистической обработки экспериментальных иссле-

дований асфальтобетонных смесей

3.4 Выводы по главе 3

4 Исследование процессов структурообразования асфальтобетонных смесей в зависимости от режимов уплотнения

4.1 Физико-механические свойства высокопористых песчаных асфальтобетонов в зависимости от режимов уплотнения

4.2. Влияние режимов уплотнения высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в лаборатории на структурно-механические свойства асфальтобетона

4.3. Влияние асфальтовяжущего на структуру и структурно-механические свойства песчаных асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов

4.4. Электронно-микроскопические исследования образования структуры песчаных асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов в зависимости от режима уплотнения образцов

4.5 Выводы по главе 4

5 Исследование процессов структуробразования при уплотнении асфальтобетонных смесей в конструктивных слоях асфальтобетонных покрытий

5.1. Исследование уплотняемости высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в зависимости от технологических факторов

5.1.1. Влияние скорости и количества проходов катков на структурооб-разование высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в конструктивных слоях дорожной одежды

5.1.2. Влияние на формирование структуры и свойства высокопористого песчаного асфальтобетона в покрытии толщины уплотняемого слоя

5.2. Формирование структуры и свойств высокопористого асфальтобетонов в зависимости от содержания в смеси битума и минерального порошка на при уплотнении смесей в покрытии

5.3. Особенности структурообразования плотных асфальтобетонов при уплотнении смесей различных составов в покрытиях в зависимости от вида уплотняющей техники

5.4. Оптимальные технологические режимы структурообразования при устройстве асфальтобетонных слоев

5.4.1. Процессы структурообразования в асфальтобетонных покрытиях

в зависимости от температуры

5.4.2. Причины и последствия сегрегации асфальтобетонных смесей на различных технологических этапах устройства асфальтобетонных покрытий

5.4.3. Статистическая оценка неоднородности уплотнения асфальтобетонных слоев дорожными катками. Изменение однородности уплотненного слоя на разных этапах уплотнения отрядами дорож-

ных катков

5.5. Выводы по главе 5

6. Факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации, разработка критериев и определение долговечности асфальтобетонных покрытий

6.1. Эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные дорожные покрытия

6.2. Воздействие агрессивных сред на свойства вяжущих и асфальтобетонных покрытий

6.2.1. Взаимодействие битума и минеральных наполнителей с противогололедными реагентами

6.2.2 Изменение структуры и свойств асфальтобетона при длительном

водопоглощении в химически агрессивных средах

6.3. Влияние совокупности климатических факторов на разрушение структуры асфальтобетонов при работе в дорожных покрытиях

6.3.1. Исследование теплового старения и морозостойкости асфальтобетонов

6.3.2 Изменение структуры и структурно-механических свойств асфальтобетонов при попеременном замораживании и оттаивании в растворах противогололедных реагентов

6.4 Выводы по главе 6

7. Расчет экономической эффективности производственного внедрения высокопористого песчаного асфальтобетона для строительства оснований дорожных одежд

7.1 Расчет экономической эффективности производственного внедрения высокопористого песчаного асфальтобетона для строительства оснований дорожных одежд на автомобильных дорогах различных технических категорий

7.1.1. Автомобильные дороги II и III технической категории (тип I)

7.1.2. Автомобильные дороги II и III технической категории, (тип II)

7.1.2 Автомобильные дороги IV технической категории (тип III)

7.2. Расчет экономической эффективности внедрения СТО 94444005001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований» в ДЭП-19 Федеральной Дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия»

7.2.1. Общие положения и основные исходные данные для проведения

расчетов

7.2.2 Расчет затрат на приобретение исходных материалов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Литература

Том 2. Приложения

Приложение I Проектирование составов модельных асфальтобетонных смесей

Приложение II. Электронно-микроскопические исследования

циенты регрессии обобщенных математических моделей, полученных при построении и статистическом анализе результатов

лабораторных исследований)

Приложение IV. Влияние пористости, достигнутой при уплотнении различных составов асфальтобетонной смеси катками различных типов при разном количестве проходов по одному следу, разной толщине уплотняемого слоя и рабочей скорости

уплотнения

Приложение V. Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований (для опытно производственных работ)

Приложение № VI. Опытно-производственные работы по отработке эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей

Приложение № VII. Акты внедрения результатов работы

Условные обозначения основных величин

Рт - предельное напряжение сдвига;

- средняя сила сцепления в контакте между частицами дисперсной фазы; Р) - средняя прочность единичного контакта между частицами; п - среднее число контактов между частицами в единице объема; (I , (1зкв — характерный размер частиц дисперсной фазы; р - плотность дисперсной фазы;

У$ - удельный объем, т.е. объем, отнесенный к единице массы структуры; Ут - объемная поправка, учитывающая объем узловых частиц в структурной сетке;

<р - относительная плотность - характерный размер частиц;

БУд. -удельная поверхность минеральной части асфальтобетонной смеси;

Б~ битумоемкость фракции;

Х1 - значения, полученные при экспериментальном определении показателя;

п - количество измерений (или определений);

р -. интенсивность уплотняющей нагрузки;

^упл _ температура уплотнения;

/ - время действия уплотняющей нагрузки;

Б/МП- соотношение битума к минеральному порошку;

АВВ/П - соотношение асфальтовяжущего вещества к песку;

11 - абсолютная вязкость битума; Ун - скорость нагружения; tu - температура испытания; п - число проходов катка по одному следу; 11 — толщина уплотняемого слоя;

Ураб, - скорость движения катка (рабочая скорость уплотнения;

У- показатель уплотняемости;

Рлин- линейное давление вальцового катка;

Ьо-Ь1 — коэффициенты регрессии математических моделей;

Упор - пористость асфальтобетона;

IVн- водонасыщение по объему асфальтобетона;

Рт -устойчивость по Маршаллу асфальтобетона;

Ьт - текучесть по Маршаллу;

Яо -предел прочности при сжатии асфальтобетона при температуре О °С; К-20 -предел прочности при сжатии асфальтобетона при температуре 20 °С; В.50 -предел прочности при сжатии асфальтобетона при температуре 50 °С; кМрз -коэффициент морозостойкости;

Яповерхносн

Впогрет- - прочность асфальтобетонных образцов после прогрева (теплового старения).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение долговечности покрытий автомобильных дорог за счет оптимизации структуры асфальтобетонов»

Введение

Автомобильные дороги играют важную роль в развитии народного хозяйства и решении основных социальных вопросов во всех странах мира.

Дальнейшее развитие Российской Федерации на современном этапе тормозится в связи с отсутствием развитой сети автомобильных дорог с надежными конструкциями дорожных одежд с использованием высококачественных долговечных материалов.

Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России на 2010-2015 г.г. (Подпрограмма «Автомобильные дороги») ставит задачи по повышению транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, что стимулируется высокими темпами роста автомобильного парка России.

Развитие и совершенствование дорожной сети - стратегическая задача Российской Федерации. По протяженности автомобильных дорог Россия заметно отстает от развитых стран мира. Для освоения малонаселенных территорий Урала, Сибири и Дальнего Востока необходимо построить десятки тысяч километров автомобильных дорог. Одним из основных дорожно-строительных материалов для реализации этой задачи является асфальтобетон.

Накопленный опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий свидетельствует, что они часто выходят из строя значительно раньше срока, определяемого износом от воздействия колес транспортных средств, в связи с увеличением интенсивности дорожного движения, усилением осевых нагрузок, изменением условий эксплуатации и дорожно-эксплуатационных воздействий, в результате чего возникают различные деформации и разрушения, что отражается на транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог и приводит к увеличению затрат на работы по их восстановлению и ремонту.

Повысить долговечность и надежность работы дорожных покрытий можно за счет оптимизации структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов (рис. 1.1). При этом необходимо учитывать постоянно возрастающую интенсивность дорожного движения, увеличивающиеся нагрузки на ось транспортных средств.

Интенсивность дорожного движения

Нагрузки на ось транспортных средств

Дорожно-строительные машины и механизмы нового поколения

Современная технология производства

дорожно-строительных работ

Использование техногенного сырья

Применение более

эффективных

противогололедных

реагентов

Использование многокомпонентных асфальтобетонных смесей

Рисунок 1 Факторы долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий

Возрастает капитальность конструкций дорожных одежд. В силу более глубокой переработки нефти изменяется в состав и структура дорожных битумов, что ухудшило их деформативные и адгезионные свойства Более широко применяется разнообразное техногенное сырье. Не менее важным является более полноценный учет влияния на асфальтобетонные покрытия климатических факторов, эксплуатационных воздействий, обусловленных использованием более эффективных противогололедных реагентов.

Принципиально изменяются конструктивные особенности, энерговооруженность и технологические возможности дорожно-строительных машин и механизмов нового поколения, что отражается на современных технологических приемах производства дорожно-строительных работ. С этими обстоятельствами связана необходимость использования более эффективных многокомпонентных асфальтобетонных смесей

.Со второй половины XX века наибольшее распространение в про-мышленно развитых странах, в том числе и Российской Федерации, получили асфальтобетонные покрытия. Они применяются на автомобильных дорогах любой грузонапряженности. Это объясняется рядом положительных качеств асфальтобетона, а именно:

- он обладает достаточной механической прочностью;

- способностью воспринимать упругие и пластические деформации;

- хорошее сцеплением асфальтобетонного покрытия с шинами транспортных средств, обеспечивает условия для безопасного дорожного движения;

- ровность покрытия, обеспечивает комфортность и бесшумность скоростного движения транспортных средств, и удобство пассажирам;

- гигиеничность асфальтобетона, позволяет легко промывать и очищать покрытия;

- демпфирующая способность асфальтобетона позволяет гасить колебания и вибрацию, возникающую при движении автотранспорта;

- технологичность и ремонтопригодность асфальтобетона, обеспечивающая простоту выполнения ремонтных работ и устранения дефектов, возникающих при эксплуатации;

- возможность полной механизации работ при приготовлении асфальтобетона, строительстве и ремонте покрытий.

Нельзя не учитывать то обстоятельство, что Россия имеет практически неограниченные сырьевые ресурсы для производства основного компонента для приготовления асфальтобетонных смесей — нефтяных битумов, других органических вяжущих на их основе и минеральных заполнителей.

Развитие дорожной отрасли на рубеже XX - XXI веков стимулируется высокими темпами роста автомобильного парка России.

Накопленный опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий свидетельствует, что наряду с достаточно высокой долговечностью они часто выходят из строя значительно раньше срока, вызванного износом в результате возникновения различных деформаций и разрушений - наплывов, волн, колеи, трещин, выбоин - что отражается на транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог и приводит к увеличению затрат на работы по их восстановлению и ремонту.

Увеличение скорости движения и плотности транспортных потоков влечет за собой увеличение аварийности на автомобильных дорогах, приводит к росту числа погибших и пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях. Если в 1990 году среди всех причин, по которым люди болели и умирали, ДТП занимало шестое место, то по прогнозу ООН в 2020 году по этой причине они займут третье место среди причин заболеваний и смерти после болезней системы кровообращения и депрессии. По данным социологов аварийность на автомобильном транспорте связана с большими отрицательными экономическими последствиями. По некоторым оценкам на национальном уровне ДТП приводит к невосполнимым (от 1 до 3 %) экономическим потерям. Анализ, проведенный Всемирным Банком Реконструкции и Развития, свидетельствует, что глобальные экономические потери в результате ДТП в мире составляют 500 миллиардов долларов США в год [303].

На рубеже XX и XXI века эта проблема особенно остро встала перед Российской Федерацией. Количество автомобилей на дорогах страны за период с 1990 по 2010 годы увеличилось в более чем в 5 раз, в то время как протяженность сети дорог возросла лишь вдвое. Недофинансирование до-

рожной отрасли в 90-х годах привела к сильному износу существующих дорог, что негативно отразилось на их транспортно-эксплуатационном состоянии. Это в свою очередь привело к росту ДТП по дорожным условиям. В настоящее время количество погибших в результате ДТП (в расчете на 100 происшествий) в России в 6 - 7 раз больше, чем в развитых европейских странах. На 2000 год оно составило 29594 чел. [294], в 2002 - 42563 чел, в 2005 около 50000 чел, в 2010 - около 52000.

С целью предупреждения дорожно-транспортных происшествий Правительством России была реализована «Федеральная Программа повышения безопасности движения на дорогах России на период 1996-1998 годы», которая была выполнена к 2000 году. Разработана Концепция и Программа обеспечения безопасности на дорогах России на период 2002-2010 годы.

В последние года после широкого общественного обсуждения эта проблема прибрела общенациональный характер. Ей заинтересовались правительственные органы, Государственная Дума, муниципальные и местные органы управления академические и отраслевые институты и научная общественность. Стабилизируется целевое финансирование дорожной отрасли и транспортного строительства.

Их усилия направлены на разработку стандартов и юридических нормативов, совершенствование конструкции автотранспортных средств и приближение конструктивных требований к безопасности движения к международным стандартам, вопросов социальной защиты пострадавших в ДТП, повышению транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, усилению материально-технической базы дорожного хозяйства России. Принципиально пересматриваются проектные решения, связанные с геометрическими элементами строящихся и реконструируемых автомобильных дорог, меняется технология строительства, особое внимание уделяется качеству и надежности работы верхнего слоя покрытия, устраиваемому преимущественно из асфальтового бетона и в первую очередь таким эксплуатационным свойствам как шероховатость, ровность, шум, светотехнические свойства.

Для существенного повышения качества и долговечности автомобильных дорог на основе битумоминеральных композитов в современных условиях необходимы новые принципы проектирования, строительства и эксплуатации асфальтобетонных покрытий (рис. 1.2). Этому препятствует отсутствие научно обоснованной методики количественной оценки структурно-механических показателей, строгой классификации основных структурообразующих применительно к асфальтовому бетону факторов, их взаимосвязи с характером и динамикой разрушений и деформаций. Проектирование конструктивных монолитных асфальтобетонных слоев не связано с экспериментальным определением строительно-технических свойств материалов, в том числе асфальтобетона. Практически не учитывается неоднородность и технологическая сегрегация материалов и смесей. Все эти вопросы напрямую связаны с физико-химической природой структурообразования и разрушения асфальтобетона и необходимостью разработки теоретических основ структурообразования асфальтобетона (рис. 1.2).

(

Методика количественной оценки структурно-механических показателей

\ ния \ сти

Пути повышения долговечности асфальтобе-

ТПННМУ ППКГ1К1-

Классификация основных структурообразующих факторов

Рисунок 2 Этапы разработки теории основ структурообразования асфальтобетона.

Первые научные основы теории асфальтобетона в нашей стране были разработаны П.В. Сахаровым, H.H. Ивановым. В 50-х - 70-х годах большой вклад в развитие науки об асфальтобетоне внесли JI. Б. Гезенцвей, М.И. Волков, И.А. Рыбьев, Н. В. Горелышев, А. И. Лысихина, И.В. Королев и др. ученые. В последующие годы их многочисленными учениками и последователями были уточнены и исследованы различные элементы этой теории и получены новые количественные результаты.

Современная технология позволяет использовать машины, оборудование, различные добавки с новыми принципиально другими технологическими возможностями, что позволяет, направлено управлять строительно-техническими свойствами асфальтобетона.

Под эксплуатационной надежностью асфальтобетона необходимо понимать его прочность, сдвигоустойчивость при высоких летних температурах, требуемую трещиностойкость и деформативность в зимний период, коррозийную стойкость, в том числе при интенсивном воздействии материалов, применяемых при зимнем содержании дорог. Не менее важным является способность материала сохранять проектные показатели в течение всего периода эксплуатации (межремонтного срока).

Необходимо отметить, что последний раз основные технические требования к асфальтобетону были сформулированы и обоснованы в докторской диссертации профессора Н.В. Горелышева в 1968 году [49], основные положения которой нашли отражения в ГОСТ 9128 [65]. За прошедший период эти требования не претерпели принципиальных изменений. Условия движения на автомобильных дорогах России с тех пор принципиально изменились по всем параметрам. Они предъявляют новые эксплуатационные требования к материалу. Для того чтобы получить асфальтобетон с требуемыми свойствами необходимо теоретически обосновать и экспериментально исследовать процессы формирования и разрушения структуры асфальтового бетона. В последние годы за рубежом и в нашей стране появились новые нетрадиционные материалы на основе органических вяжущих, обладающие более высо-

кими эксплуатационными свойствами. Это асфальтобетонные смеси на полимерно-битумных и резинобитумных вяжущих, щебеночно-мастичные асфальтобетоны, холодные технологии с применением битумных эмульсий. Теория структурообразования этих материалов в настоящее время в достаточной степени в теоретическом аспекте не изучена.

Одной из причин недостаточных темпов дорожного строительства является низкое качество используемых материалов и несоблюдение технологии устройства монолитных конструктивных слоев дорожной одежды, в том числе и асфальтобетонных, что отражается на сроках их службы. Это приводит к необходимости проведения большого объема работ по текущему и среднему ремонту асфальтобетонных покрытий и отвлечению на эти цели значительных сил и средств дорожно-строительных организаций.

Технологические факторы имеют самое непосредственное отношение к формированию структуры асфальтобетона. Однородность перемешивания, расслоение и сегрегация при перевозке смесей, укладке, сегодня требует высокой точности и культуры выполнения дорожно-строительных работ, что в свою очередь предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию, системам дозирования и контроля. Уплотнение асфальтобетонных смесей является одной из наиболее важных технологических операций, которая завершает весь технологический цикл получения асфальтобетона в покрытии с заданными свойствами. Некачественное уплотнение при неоптимальных режимах способствует снижению долговечности асфальтобетонных покрытий и к значительным нерациональным материальным и финансовым затратам на их восстановление и поддержание в должном эксплуатационном состоянии.

Нормативные документы и рекомендации, регламентирующие в настоящее время методику проектирования составов смесей, технологические приемы и принципы структурообразования асфальтобетона на всех технологических этапах, не достаточно полно учитывают особенности и многообразие существующих типов и видов асфальтобетонных смесей, эксплуатацион-

ное назначения конструктивных асфальтобетонных слоев дорожной одежды нежесткого типа. В нормах не учитывается специфика реализации в необходимом объеме всего комплекса технологических операций, характерных для строительства новых покрытий, ремонта и восстановления эксплуатируемых. Не учтены особенности применения различного технологического оборудования для приготовления, перевозки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей.

Технологические возможности машин и оборудования, в том числе ведущих зарубежных производителей не всегда сочетаются со свойствами уплотняемых асфальтобетонных смесей, что проявляется в неоднородности уплотненных конструктивных слоев дорожной одежды и отражается на их эксплуатационной надежности.

Современная технология позволяет использовать машины, оборудование, поверхностно-активные добавки с принципиально новыми технологическими возможностями, что позволяет направленно регулировать строительно-техническими, технологическими и эксплуатационными свойствами асфальтобетона. Этому препятствует отсутствие надежной теории, объясняющей структурообразование асфальтобетона и деструктивные процессы, происходящие при его эксплуатации в современных условиях.

Цель работы - Разработка теоретических основ повышение долговечности покрытий автомобильных дорог за счет оптимизации структуры асфальтобетонных конструктивных слоев с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования и условий эксплуатации.

Это позволит обосновать возможность направленного регулирования структурно-механическими и строительно-техническими свойствами материала, как в процессе структурообразования, так и при эксплуатации в конструктивных слоях дорожной одежды.

Поставленная цель достигается теоретическим обоснованием этапов структурообразования асфальтобетона, анализом влияния основных факторов, вызывающих разрушение структуры асфальтобетона при его работе.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- предложить механизм процессов структурообразования и разрушения асфальтобетона с использованием положений физико-химической механики и специфики контактных взаимодействий, а также явлений на границе раздела «битум - каменный материал» с учетом современной транспортно-эксплуатационной ситуации;

- разработать и научно обосновать методику количественной оценки структурно-механических показателей и методов определения строительно-технических свойств асфальтобетонных смесей для устройства долговечных слоев покрытий и оснований автомобильных дорог;

- определить и классифицировать основные структурообразующие факторы, влияющие на формирование структуры асфальтобетонов, на технологические и строительно-технические свойства, от которых зависят транс-портно-эксплуатационные показатели асфальтобетонных дорожных покрытий;

- установить качественно-количественные взаимосвязи между структурообразующими факторами, строительно-техническими и структурно-механическими свойствами асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог для достижения показателей, отвечающих технологическим и эксплуатационным требованиям;

- оценить характер и динамику разрушения структуры асфальтобетонов при воздействии транспортных нагрузок, погодно-климатических и агрессивных факторов и определить их долговечность;

- предложить принципы проектирования асфальтовяжущих и асфальтобетонов с учетом использования современного оборудования, нагрузок на ость и условий эксплуатации;

- разработка составов асфальтовяжущих и асфальтобетонов и технологии строительства;

- разработка нормативных документов, опытно-промышленная апроба-

ция и внедрение результатов диссертационной работы.

На основании этого необходимо сформулировать количественные критерии и принципы оптимизации структуры и свойств асфальтобетона для различных технологических и эксплуатационных ситуаций.

При выборе области исследования необходимо учесть, что в нормативно-технической литературе недостаточно четко сформулированы требования к уплотненному асфальтобетону, не в полной мере изучен физико-химический механизм процесса структурообразования асфальтобетонных смесей. Не систематизированы полученные в разные годы различными авторами многочисленные результаты, характеризующие процессы формирования структуры асфальтобетона и ее разрушения и связанные с этим изменения его свойств при испытании в лабораторных и в полевых условиях.

Область настоящего исследования ограничена испытаниями 20 модельных и шести производственных составов асфальтобетонных смесей. При выборе составов учтены основные классификационные признаки материала, для того чтобы как можно шире охватить диапазон традиционных асфальтобетонных смесей [65]. При опытно-промышленных испытаниях использованы основные типы уплотняющих средств, реализующих традиционные принципы уплотнения, используемых в дорожном строительстве для уплотнения конструктивных асфальтобетонных слоев в дорожных одеждах.

Не достаточно полно изучены условия работы конструктивных слоев битумоминеральных оснований. При эксплуатации в них возникают не такие высокие напряжения от транспортных нагрузок. Летом основания работают при более низких температурах, зимой - охлаждаются не до таких низких отрицательных значений. Слои основания подвергаются меньшему числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, так как они защищены верхними слоями покрытия от воздействия атмосферных осадков.

Исходя из технологических, эксплуатационных, и технико-экономических соображений, большой практический интерес для устройства верхних слоев дорожных оснований представляют разработанные в МАДИ с

участием автора составы высокопористого песчаного асфальтобетона (биту-мопесчаных смесей). Битумопесчаные смеси для оснований дорожных одежд имеют ряд явных преимуществ по сравнению с несвязными основаниями, а именно, гораздо более высокие показатели физико-механических свойств (модули упругости, прочности при изгибе). Они значительно превосходят традиционные основания по теплофизическим характеристикам, что снижает или устраняет скорость замерзания и оттаивания воды во влажных грунтовых основаниях защищая тем самым от возрастания напряжение в дорожной одежде при морозном пучении в грунтовом основания.

На долговечность асфальтобетонных покрытий влияют вся совокупность транспортно-эксплуатационных факторов, среди которых наименее изучено воздействие химически агрессивных сред и в первую очередь противогололедных реагентов.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

Разработаны теоретические основы структурообразования асфальтобетона с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования, компонентов и условий эксплуатации, заключающиеся в учете основных закономерностей синтеза высококонцентрированных полиминеральных полидисперсных систем. Установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, числом контактов в единице объема силой сцепления в контакте между частицами, структурой и свойствами органических вяжущих, прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляционного) контакта со свойствами асфальтобетонов.

С привлечением теории контактных взаимодействий обоснован физико-химический механизм формирования структуры асфальтобетона, заключающийся в учете основных закономерностей образования и разрушения структуры высококонцентрированных полиминеральных и полидисперсных систем. Выявлены основные параметры характеризующие структуру асфальтобетона, что дало возможность произвести количественную оценку

структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей как на технологической стадии, так и асфальтобетона в процессе эксплуатации. Установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, средним числом контактов между частицами в единице объема материала, средней силой сцепления в контакте между частицами, средней прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляцион-ного) контакта и свойствами асфальтобетонов.

- Подбор составов и режимов уплотнения, процесс структурообразова-ния предопределяет принципы направленного комплексного регулированием структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей, что позволяет получать асфальтобетон с заранее заданными свойствами. Показана принципиальная возможность получения асфальтобетонных покрытий повышенной долговечности и надежности с требуемыми эксплуатационными показателями с использованием различных видов сырья и нового парка машин и механизмов, что позволило сформулировать алгоритм дорожно-строительной техники нового поколения.

- Обоснованы методологические принципы проектирования асфальтобетона по требуемому комплексу показателей структурно-механических свойств, учитывающие качественные характеристики и количественное соотношение исходных компонентов, технологические воздействия в процессе формирования смесей, которые впервые реализованы в расчетно-экспериментальных методиках проектирования составов асфальтобетонов и рекомендациях по их эффективному уплотнению. Разработаны алгоритмы и программы, методика проектирования материала с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств.

Разработаны методические принципы оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтового бетона возможности нового технологического оборудования и специфику условий эксплуатации.

- Установлены количественные соотношения показателей структурно-реологических и механических свойств уплотняемых асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов с реальными производственными технологическими параметрами процесса уплотнения, составом смеси и свойствами составляющих компонентов. Установлена взаимосвязь факторов и их корреляционные зависимости с оцениваемыми свойствами. Полученные регрессионные зависимости положены в основу номограмм, необходимых для назначения эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей различных составов и получения асфальтобетонов с требуемыми свойствами.

- Выявлены основные закономерности изменения свойств асфальтобетонов при комплексном совокупном воздействии эксплуатационных факторов: транспортных нагрузок, погодно-климатических факторов, противогололедных реагентов и установлена динамика деструктивных процессов, протекающих в асфальтовом бетоне в дорожных покрытиях в процессе эксплуатации. Определены составляющие компоненты и составы асфальтобетонов наиболее устойчивых к действию эксплуатационных факторов.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных теоретических представлений о структурообразовании высококонцентрированных полидисперсных структур, полученными в диссертации с использованием физико-химических методов исследований, электронной микроскопии, лабораторными и производственными экспериментальными результатами и обработкой полученных количественных значений показателей методами многофакторного регрессионного и корреляционного анализа.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Теоретические основы структурообразования асфальтобетона с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования, свойств, состава, режимов и условий эксплуатации.

2. Теоретическое обоснование этапов структурообразования асфальтобетонных смесей и асфальтобетона при устройстве конструктивных слоев дорожной одежды: оснований из высокопористых песчаных асфальтобетонов и верхних слоев из плотных асфальтобетонов.

3. Влияние основных технологических факторов на процессы структу-рообразование асфальтобетонных слоев из высокопористых песчаных и плотных асфальтобетонов в конструктивных слоях покрытий автомобильных дорог.

4. Расчетно-экспериментальная методика проектирования асфальтобетона с требуемыми структурно-механическими свойствами для работы в покрытиях автомобильных дорог.

5. Методические принципы проектирования технологии эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей различных составов с учетом их технологических свойств и технологических возможностей уплотняющих машин.

6. Конструкции дорожных одежд с использованием песчаных высокопористых асфальтобетонов в верхних слоях оснований меньшей материалоемкости, большей несущей способности и долговечности.

7. Количественная оценка влияния эксплуатационных факторов на разрушение структуры асфальтобетона при его работе в конструктивных слоях дорожной одежды.

8. Разработка составов и технологий производства асфальтобетонных смесей и строительства асфальтобетонных покрытий.

Практическая ценность результатов работы.

Научные результаты, полученные в диссертационной работе, позволили решить ряд прикладных задач по созданию долговечных покрытий автомобильных дорого за счет оптимизации структуры асфальтобетонных конструктивных слоев, а именно:

- Предложена система оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов, учиты-

вающая свойства и содержание составляющих компонентов, технологические режимы в процессе формирования смесей, позволяющая обоснованно выбирать оптимальные технологии получения асфальтобетонных смесей в зависимости от состава и качества составляющих компонентов;

- Разработаны составы и технология устройства оснований дорожных одежд из высокопористых песчаных асфальтобетонов, обеспечивающих снижение материалоемкости конструкции и повышение несущей способности и долговечности, что подтверждено многолетним применением этих материалов в дорожном строительстве. Предложены новые конструкции дорожных одежд меньшей материалоемкости, большей несущей способности и долговечности с использованием высокопористых песчаных асфальтобетонов;

- Предложены оптимальные режимы уплотнения асфальтобетонных конструктивных слоев дорожных покрытий в зависимости от конструктивных и весовых параметров, числа проходов и рабочих скоростей уплотняющей техники, толщины уплотняемого слоя, особенностей состава асфальтобетонных смесей. Предложены номограммы, позволяющие выбирать оптимальные температуры уплотнения асфальтобетонных смесей различных типов, в зависимости от содержания щебня, длины уплотняемой полосы покрытия, времени с момента укладки смеси, температуры смеси, температуры воздуха, скорости ветра и др.

- Классифицированы основные виды эксплуатационных воздействий, способствующие преждевременному разрушению асфальтобетонных покрытий. Предложены рекомендации по выбору противогололедных реагентов для асфальтобетонных покрытий в зависимости от состава, природы минерального заполнителя, содержания и типа минерального порошка в асфальтобетонных смесях, обеспечивающих повышенную долговечность покрытий.

Практические результаты работы защищены 5 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на 17 всесоюзных, всероссийских, республиканских и международных конференциях и симпозиумах в том числе:

Республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" (Харьков. 1989), на заседаниях Расширенного Президиума Международной Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва, 1993, 1999), на пленарных заседаниях межгосударственной Ассоциации исследователей асфальтобетона» (Москва, 2000, 2004), на Международной научно-технической конференции "Экология автотранспортного комплекса" (Москва, 1996 г.), на пленарном заседании Региональной общественной организации «Исследователи асфальтобетона», на ежегодных научных сессиях Ассоциации Исследователей Асфальтобетона (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012), на расширенном заседании «Повышение качества битумов в странах СНГ», посвященном Юбилею экспертного совета при Межправительственном совета дорожников (Москва, МСД, 2007), на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, на-носистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2007), на заседании Первого Всероссийского дорожного конгресса (Москва, 2009), на ВДНХ СССР (2 серебряные и 2 бронзовые медали), на IV, V, VI Московских международных выставках «Доркомэкс-по».

Под руководством автора защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство эффективные технологии уплотнения асфальтобетонных смесей, методику проектирования составов асфальтобетонных смесей по требуемому комплексу структурно-механических показателей, методику проектирования технологических режимов уплотнения асфальтобетонных смесей.

Для внедрения результатов работы и ее отдельных аспектов при строительстве и ремонте автомобильных дорог в разные годы разработаны нормативные документы и методические рекомендации:

- Смеси битумопесчаные. Технические условия. ТУ 218 РСФСР 395. М., Минавтодор РСФСР;

- Руководство по применению битумопесчаных смесей для устройства оснований дорожных одежд.;

- Стандарт организации СТО 94444005-001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований». Технические условия. М., НИИ МК МАДИ, 2011.

- ГОСТ 9128-84. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. Госстрой СССР. М., Из-во стандартов. 1985, 25 стр.

- ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. М., 1998, 23 стр.

- ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. М., 2010, 18 стр.

- Смеси асфальтобетонные щебнемастичные и асфальтобетон. Технические условия. ТУ 5718-001-00011168-00, НИИ МК МАДИ (ТУ), Финский концерн «Лименкяйнен», М., 2001 г;

- Московский территориальный строительный каталог. МТСК - 5.5. «Машины и оборудование для транспортирования строительных материалов, конструкций, изделий и для погрузочно-разгрузочных работ. Правительство Москвы. Комплекс архитектуры, строительств, реконструкции и развития города. Департамент градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы;

-Стандарты организации. Автомобильные дороги. «Устройство асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог:

Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.36-2011;

Часть 2. «Устройство асфальтобетонных покрытий из горячего асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.37-2011;

Часть 3. «Устройство асфальтобетонных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.38-2011;

Часть 4. «Устройство асфальтобетонных покрытий из литого асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.39-2011;

Часть 5. «Устройство асфальтобетонных покрытий из холодного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.36-2011;

- Стандарты организации. Автомобильные дороги. «Ремонт асфальтобетонных покрытий»:

Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.47-2012;

Часть 4. Ликвидация колеи. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.50-2012.

Отдельные результаты диссертационной работы прошли апробацию, и нашли применение на предприятиях дорожно-строительной индустрии, предприятиях Ассоциации дорожников Москвы, в ГУП Мосавтодор, при инспекционном контроле в органах систем сертификации «Мосстройсертификация» и «Росдорсертификация».

Теоретические результаты диссертационной работы, результаты экспериментальных и лабораторных исследований реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство», инженеров по специальности 270205 отражены в 3 монографиях «Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации» (2007) и «Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси». Книга 2. Практические разработки. (2009), «Факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий» и 3 учебных пособиях с

грифом УМО - «Строительно-технические свойства дорожного асфальтобетона. 2004, «Технико-экономические обоснования дипломных проектов по производству и применению дорожно-строительных материалов» (2012), «Органические вяжущие материалы (2012).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 17 всесоюзных, всероссийских, республиканских и международных конференциях и симпозиумах в том числе:

На VI Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1976), конференции по использованию местных материалов и отходов промышленности при строительстве дорожных и аэродромных одежд (1980) в СоюздорНИИ, на Всесоюзном совещании по оценке технического уровня и конкурентоспособности дорожных катков (МАДИ, ВПО Союздормаш, В/О "Тракторэкспорт", Москва, 1978), Всесоюзной конференции "Управление структурообразованием и свойствами дорожных бетонов". (ЦП НТО AT и ДХ ЦК Проф. раб. авт. тр-та и шоссейных дорог, Москва, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Пути повышения качества строительства дорожных одежд" (Минав-тодор РСФСР, Владимир, 1984), Тезисы сообщений Всесоюзной научно-технические конференции "Пути ускорения научно-технического прогресса в дорожном хозяйстве" (ЦП НТО AT и ДХ Минавтодор, Москва, 1986), Республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" (Харьков. 1989), на заседаниях Расширенного Президиума Международной Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва, 1993, 1999), на пленарных заседаниях межгосударственной Ассоциации исследователей асфальтобетона» (Москва, 2000, 2004), на Международной научно-технической конференции "Экология автотранспортного комплекса" (Москва, 1996 г.), на пленарном заседании Региональной общественной организации «Исследователи асфальтобетона», на ежегодных научных сессиях Ассоциации Исследователей Асфальтобетона (Москва, 2008, 2009, 2010), на расширенном заседании «Повышение качества битумов в

странах СНГ», посвященном Юбилею экспертного совета при Межправительственном совета дорожников (Москва, МСД, 2007), на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2007), на заседании Первого и Второго Всероссийского дорожных конгрессов (Москва, 2008 и 2010), на ВДНХ СССР (2 серебряные и 2 бронзовые медали), на IV, V, VI Московских международных выставках «Дорком-экспо» (отмечены дипломами в 2001, 2002, 2003), I, II и III международных выставках-форумах «Дороги России XI века», приуроченных ко Всероссийскому дню работников дорожного хозяйства (отмечены дипломами в 2001, 2003, 2004).

Под руководством автора защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 3 магистерских диссертации.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 125 работах, в том числе 20 статьях в научных журналах по списку ВАК России, отражены в 3 монографиях, 3 учебных пособиях с грифом УМО, 7 авторских свидетельствах на изобретение СССР и патентах России, 8 иностранных журналах и сборниках трудов.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов и содержит 604 страниц сброшюрованных в 2 томах, включает 197 рисунков, 107 таблиц, список литературы из 449 наименования и 7-х приложений.

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном техническом университете (МАДИ) и в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Лесовику Р.В., доктору технических наук, профессору A.M.

Гридчину, доктору технических наук, профессору [Н.В. Горелышеву| и доктору химических наук Н.Б. Урьеву за постоянное внимание при выполнении

работы и ценные советы по вопросам структурообразования асфальтобетона и высококонцентрированных дисперсных систем.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРООБРАЗОВА-НИИ В ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМИ ПРОЦЕССАМИ В АСФАЛЬТОБЕТОНАХ

1.1. Физико-химическая природа структурообразоваиия в высококонцентрированных дисперсных системах и особенности ее образования в асфальтовых бетонах

Задачу по созданию материалов с заданными свойствами возможно решать с учетом основных положений физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем.

По выражению академика П.А. Ребиндера «Перед химической наукой стоят две равноправные задачи: во-первых, получение новых веществ (синтез или извлечение веществ из природных источников) и, во-вторых, их переработка в материалы и изделия для строительства, техники, научных целей, бытовых нужд и т.д. Можно получить много ценных веществ и не суметь переработать их в материалы - основу нашего технического прогресса. Вот эту задачу и помогает решить физико-химическая механика» [299]. Физико-химическая механика - это науках о закономерностях формирования структур самых разнообразных дисперсных системах и материалах, которые устанавливаются путем изучения механизма молекуляр-но-поверхностных явлений в процессах образования и разрушения этих структур [128, 286, 288, 291, 292-294, 296, 298-299]. Изучение закономерностей формирования структур позволяет получить материалы с заданными свойствами с помощью технологических процессов переработки разнообразных веществ и материалов, применяемых в качестве исходного сырья.

Основное требование, предъявляемое к любым материалам - высокие структурно-механические характеристики, определяющие их долговечность и надежную работу в инженерной конструкции. Это может быть достигнуто при максимально возможном приближении их прочности к прочности бездефектного тела [288, 291, 294, 296, 298].

Цементный бетон, растворы, полимербетоны асфальтобетоны и пр. представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы [2, 3, 9, 12, 35, 39, 42-45, 49-51, 70-73, 92, 103-104, 111-112, 122-123, 126, 132136, 139, 150, 152-153, 165, 203, 210-219, 245, 266, 272, 284-286, 288-290, 294, 299, 304-290, 313, 315-316, 319, 334-335, 346-351, 358-381, 386, 389, 396, 437, 464], характеризующиеся сильно развитой межфазной поверхностью Syd и высокой концентрацией дисперсной фазы (р в жидкой (для смесей при перемешивании и на начальной стадии твердения или уплотнения) или газовой дисперсионных средах. Процессу формирования структуры и свойств таких систем способствуют различные технологические воздействия. В таких системах в процессе технологических переделов возникают пространственные структуры, свойства которых во многом определяются поверхностными явлениями на границах раздела фаз. Тип этих структур согласно [285, 297, 299, 346, 383] представлен на рисунке 1.1 и определяется видом контактов между частицами дисперсных фаз:

• обратимых по прочности коагуляционных контактов, образующихся через равновесную по толщине прослойку жидкой дисперсионной среды;

• необратимо разрушающихся истинных фазовых контактов или контактов переплетения;

• прочных истинных контактов, которые образуются в результате химических и фазовых превращений в процессе, и после завершения реакций полимеризации жидкого вяжущего, кристаллизации, охлаждения расплавов, пластической деформации дисперсных частиц, переплетения волокон и их склеивания и проч.

Рисунок 1.1. Основные типы контактов между частицами твердых дисперсных фаз в концентрированных дисперсных системах (по П.А. Ребиндеру [267, 279, 281, 325,363]:

1 - атомный контакт

2 - коагуляционный контакт

3 - фазовый контакт.

Устойчивая структура асфальтобетона будет определяться энергетическими связями на поверхности раздела твердых и жидких компонентов. Связи между компонентами в асфальтобетонах, по П.А. Ребиндеру, классифицируются по типу образующихся структур: коагуляционной, конденсационной и кристаллизационной.

Наряду с перечисленными выше основными типами структур в асфальтобетоне и асфальтобетонных смесях могут образовываться множество различных двух- и трехфазных структур промежуточного типа, например, псевдокоагуляционные структуры, структуры смешанного типа - коа-гуляционно-кристаллизационные, конденсационные и пр.

Согласно [35, 45, 73, 154] при положительных температурах для литых и пластичных асфальтобетонов наиболее типичной является коагуля-ционная структура, а для жестких асфальтобетонов - конденсационная. В области достаточно низких отрицательных температур почти для всех асфальтобетонов характерна кристаллизационная или конденсационно-кристаллизационная структура или стеклообразная аморфная.

Вид асфальтобетона определяется структурой минерального остова, структурой битума, особенностями взаимодействия минеральных материалов с битумом, плотностью асфальтобетона и особенностями его капиляр-но-поровой структуры [35, 42, 49-50, 74, 306]. При этом под структурой минерального остова понимается размер, форма, характер поверхности и относительное расположение минеральных частиц, под структурой битума - особенности его распределения в асфальтобетоне (соотношение содержания свободного и адсорбированного битума) и сам характер строения пленок битума на поверхности минеральных зерен.

Микроструктуру образует асфальтовяжущее вещество - бинарная система, состоящая из смеси битума и минерального порошка [320-322]. Макроструктура формируется заполнителем - зернами песка, щебня (гравия) - зависит от их содержания, размера, формы и относительного расположения в пространстве [122].

Для более полного изучения структуры и свойств асфальтобетона известный интерес представляет привлечение элементов полиструктурной теории полимербетонов, предложенной В.И. Соломатиным и Селятиным В.П. [322-323]. В этой теории структура композиционных материалов рассматривается как составляющая из многих структур (от грубых макроструктур до молекулярных и атомных), переходящих одна в другую по принципу «структура в структуре». Такой подход перспективен при анализе причин образования неоднородности в микроструктуре асфальтобетона по аналогии, например, с кластерным механизмом их образования в поли-мербетонах.

Анализ структурных уровней удобнее производить на примере смеси в процессе эволюции упаковки ее компонентов по аналогии с формовочными смесями [122]. По мнению профессора Я.Н. Ковалева элементы структурных уровней различаются, прежде всего, размерами (таблица 1.1) [122].

1 1

Элементами структуры макроуровня (от 10" до 10" м) являются заполнители (щебень, гравий, песок) и отрезки волокнистой макроарматуры, различимы невооруженным глазом. Для изучения поверхности и формы указанных элементов используется обычный оптический микроскоп.

Согласно классификации коллоидной химии, к структурам микро-

3 5

уровня (от 10' до 10" м) относятся тонкодисперсные системы. Элементами таких структур являются зерна минерального порошка и частицы микроарматуры, которые изучают методами дисперсного анализа (размеры частиц, удельная поверхность), а также с помощью оптического микроскопа. Элементы микроуровневых структур входят в состав асфальтовяжущего вещества и определяют в значительной мере адгезионную и когезионную прочность его структуры.

Таблица 1.1

Характеристики структурных элементов дисперсных систем_

Размер элементов

Характеристики <? о 1-Н 1Л 1 о 1-Н г-1 о 4—1 о О 1-Н (Ч О ^Н 1 о 1-Н

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Котлярский, Эдуард Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. С позиций теории структурообразования высококонцентрированных дисперсных систем и специфики контактных взаимодействий за счет изменения соотношения количества и свойств элементарных контактов сформулированы основные принципы направленного регулирования процессами формирования структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов в конструктивных слоях дорожных покрытий.

2. Разработана методология оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтовых бетонов, учитывающая свойства и количественное соотношение исходных компонентов, технологические воздействия в процессе формирования смесей, что подтверждено результатами лабораторных экспериментов, электронно-микроскопических исследований и опытно-производственных работ.

3. На примере высокопористых песчаных асфальтобетонной, как наиболее простых битумоминеральных композиций, выявлены особенности структурообразования в процессе уплотнения. На основе положений физико-химической механики рассмотрены три этапа структурообразования и особенности контактных взаимодействий, происходящие при формировании структуры асфальтобетонных смесей в процессе уплотнения.

Получены количественные соотношения показателей физико-механических и структурно-реологических свойств формирующихся при уплотнении высокопористых битумопесчаных смесей и плотных асфальтобетонов различного состава на различных вяжущих материалах с технологическими параметрами процесса уплотнения.

4. На основании разработанной классификации основных структурообразующих факторов установлено, что результаты структурообразования и структурные изменения в дорожном асфальтобетоне на технологическом этапе и в процессе эксплуатации представляют собой сложную многофакторную задачу, которая носит статистический характер. Это связано с неоднородностью свойств исходных материалов и не стационарностью технологических процессов. С определенной степенью надежности эта задача решена в виде статистического прогноза, требующего анализа взаимосвязи и вероятностной оценки весомости технологических факторов-аргументов на достигаемые результаты, а также учета характера и динамики изменения эксплуатационных факторов с оценкой изменения строительно-технических и структурно-механических свойств материалов в реальных условиях работы в конструкции дорожной одежды, что позволяет производить вероятностный прогноз долговечности асфальтобетонных конструктивных слоев.

5. В результате лабораторных и опытно-производственных работ получены количественные взаимосвязи между структурообразующими и деструктивными факторами со структурно-механическими и строительно-техническими свойствами асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог. Впервые установлено, что при уплотнении асфальтобетонных смесей достижение нормативной плотности асфальтобетона в конструктивных слоях дорожной одежды не гарантирует получения всего требуемого комплекса физико-механических свойств и структуры материала, отвечающих эксплуатационным условиям.

6. Классифицированы основные виды эксплуатационных воздействий, способствующие преждевременному разрушению асфальтобетонных покрытий. Для надежной работы в течение требуемого срока службы структура и комплекс показателей свойств асфальтового бетона должны соответствовать условиям его эксплуатации в конструктивных слоях дорожных одежд.

Установлено, что, происходящие в структуре асфальтобетона под действием эксплуатационных факторов процессы при работе в дорожных покрытиях, имеют физико-химическую природу и количественно описываются с учетом основных положений физико-химической механики и теории контактных взаимодействий.

7. Установлен механизм взаимодействия агрессивных сред в составе противогололедных реагентов на процессы разрушения асфальтобетонов и составляющих их компонентов. Воздействие хлористых солей приводит к старению битума. Агрессивная среда способно вымывать частицы минерального наполнителя из микроструктуры асфальтобетона (асфальтовяжущего вещества), разрушая микроконтактную структуру материала. По сравнению с кислыми компонентами асфальтобетоны из основных горных пород более чувствительных действию агрессивных водных сред. Процессы разрушения структуры асфальтобетона протекают наиболее быстро в нитратных средах, медленнее в растворах сульфата магния и натрия и в растворах хлористых солей.

8. Предложены оптимальные режимы уплотнения асфальтобетонных конструктивных слоев дорожных покрытий, учитывающие конструктивные и весовые параметры, количество проходов и рабочие скорости уплотняющей техники, толщину уплотняемого слоя, а так же впервые учитывающие особенности состава асфальтобетонных смесей: соотношение расхода битума к расходу минерального порошка, расхода асфальтовяжущего вещества к песку, расхода асфальтового раствора к расходу щебня

Представлены номограммы, позволяющие определять оптимальные температуры уплотнения асфальтобетонных смесей в зависимости от их типа, содержания щебня, длины уплотняемой полосы, времени, прошедшего с момента укладки, начальной температуры смеси, температуры воздуха, скорости ветра.

9. На основании проведенных исследований разработана нормативная документация, позволившая внедрить полученные результаты работы в практику дорожного строительства:

- Смеси битумопесчаные. Технические условия. ТУ 218РСФСР 365

- Руководство по применению битумопесчаных смесей для устройства оснований дорожных одежд;

- ГОСТ 9128-84, ГОСТ 9128-97, ГОСТ 9128-2009, позволившие получить подтвержденные актами и справками ФКУ «Дороги России», Федеральной дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия» и Росавтодора Минтранса РФ.

- Разработан стандарт организации СТО 9444405-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных смесей при устройстве покрытий и оснований автомобильных дорог», использование которого позволяет на 30% увеличить сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий.

- Результаты исследований использованы при разработке Стандартов организации. Автомобильные дороги. «Устройство асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог Часть 1. Общие положения. Издание офио циальное. СТО НОСТРОИ 2.25.36-2011, Часть 2. «Устройство асфальтобетонных покрытий из горячего асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.37-2011, Часть 3. «Устройство асфальтобетонных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.38-2011, Часть 4. «Устройство асфальтобетонных покрытий из литого асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.39-2011, Часть 5. «Устройство асфальтобетонных покрытий из холодного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.36-2011, Стандартов организации. Автомобильные дороги. «Ремонт асфальтобетонных покрытий» Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.47-2012 и Часть 4. Ликвидация колеи. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.50-2012.

10. Полученные в диссертационной работе результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов для дорожной отрасли.

11. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 30 млрд. руб.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Котлярский, Эдуард Владимирович, 2012 год

Библиография

[1] Калашникова Т.Н., Сокальская М.Б. Строительство и ремонт асфальтобетонных покрытий. М., «Эконом-Информ», 2010, 344 с.

[2] Котлярский Э.В. Остывание асфальтобетона в дорожных конструкциях. Сб. научных трудов "Дорожно-строительные материалы, их свойства и работа в конструкциях", М., МАДИ, 1993.

[3] Котлярский Э.В. Строительно-технические свойства дорожного асфальтового бетона. УМО Агентства по образованию Мин-ва науки и образования РФ, «Техполиграфцентр», М. 2004, -183 с.

[4] Котлярский Э.В., Горелышев Н.В. и др. Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований. МГПО "Автодор" Гордортранса Мосгорисполкома. М., 1990, 45 с.

[5] Котлярский Э.В., Воейко O.A. Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации. Монография, «Техполиграфцентр», М. 2007, -136 с.

[6] Воробьев В.А., Суворов Д.Н., Котлярский Э.В., Доценко А.И., Попов В.П. Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси. Книга 2. Практические разработки. Монография. Изд-во Российской инженерной академии. М. 2009, 732 с

[7] Руководство по строительству асфальтобетонных покрытий. -М., Транспорт, 1978.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭФФЕКТИВНОМУ УПЛОТНЕНИЮ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ _ПОКРЫТИЙ И ОСНОВАНИЙ. Технические условия_

ОКС 93.080

Ключевые слова: Асфальтобетон, асфальтобетонная смесь, уплотнение, технология, дорожные катки, температура эффективного уплотнения, стандарт организации._

ПРИЛОЖЕНИЕ № VI. Опытно-производственные работы по отработке эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей

ЭП № 19 ВЬЕВ В.И.

,0 г.

г. Москва

«30» октября 2010 г.

Мы, нижеподписавшиеся, представители Московского автомобильно-дорожного технического университета (МАДИ), с.н.с. МИРОНОВ H.H., аспирант КОРОТКОВ A.B. и представитель ФГУ ДЭП №19, главный инженер АРКАДЬЕВА И.В. составили настоящий акт о том, что в период с 11 по 30 октября 2010 г. на объектах улично-дорожной сети г.Черноголовка проводились опытно-производственные работы по устройству асфальтобетонных покрытий по рекомендациям МАДИ.

Было построено 2 опытных участка асфальтобетонных покрытий, с четырьмя секциями:

Участок № 1.

Секция 1.1: Верхний слой покрытия из мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки I по адресу ул. Техническая ПК 0+400 по ПК 0+660 протяженностью 260 метров на общей площади 1580 м2;

Секция 1.2.: Верхний слой покрытия из мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки I по адресу ул. Техническая ПК 0+660 по ПК 1+200 протяженностью 540 метров на общей площади 2214 м .

Площадь покрытия из асфальтобетонной смеси типа Б марки I на участке № 1 составила 3794 м2.

Участок № 2.

Секция 2.1: Верхний слой покрытия из мелкозернистого асфальтобетона типа В марки II по адресу Бульвар им.Золотого протяженностью 330 метров на общей площади 1320 м2;

Секция 2.2: Верхний слой покрытия из мелкозернистого асфальтобетона типа В марки II по адресу Бульвар им.Золотого протяженностью 270 метров на общей площади 1090 м .

Площадь покрытия из асфальтобетонной смеси типа В марки II на участке № 2 составила 2410 м2.

Для приготовления асфальтобетонных смесей был использован битум марки БНД 60/90 Московского нефтеперерабатывающего завода, не активированный минеральный порошок Щелковского рудоуправления, песок Сильницкого карьера и щебень ЗАО «Прионежский Габбро-диабаз». Свойства исходных материалов, отобранных со складов ПВП ФГУ ДЭП

№19, были испытаны в Отраслевой лаборатории Механических и тепло-физических свойств дорожно-строительных материалов (ОНИЛ МТФС ДСМ) МАДИ и приведены в приложении 1 к настоящему акту.

Состав мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки I, запроектированный в ОНИЛ МТФС ДСМ МАДИ, приведен для в приложении № 2 к настоящему акту.

Состав мелкозернистого асфальтобетона типа В марки II, запроектированный в ОНИЛ МТФС ДСМ МАДИ, приведен для в приложении № 3 к настоящему акту.

На асфальтобетонном заводе ФГУ ДЭП №19 в период с 11 по 12 октября 2010 г, было выпущено 530,3 т асфальтобетонной смеси типа Б марки I

Асфальтобетонная смесь доставлялась к месту укладки автомобилями-самосвалами КАМАЗ 53229 грузоподъемностью 15 т на среднее расстояние 13 км в течение 20 мин. Укладка опытного участка № 1 (секции 1.1 и 1.2.) производилась в пасмурную погоду при температуре воздуха +3 - +7 °С.

Температура приготовления асфальтобетонной смеси составляла 140-160 °С. В процессе работы асфальтобетонного завода был произведен отбор проб асфальтобетонной смеси, которые были испытаны в лаборатории МАДИ. Результаты испытаний приведены в приложении № 4 (протокол №40). Укладка производилась асфальтоукладчиком Vogel Supper 18002 толщиной в плотном теле 6 см. Температура асфальтобетонной смеси в бункере асфальтоукладчика составляла 135-150 °С.

На секции 1.1 уплотнение асфальтобетонной смеси производилось отрядом дорожных катков. Предварительное - трамбующим брусом асфальтоукладчика, основное - катком Hamm HD 110 с выключенным вибратором массой Юти окончательное - катком Hamm HD 120 массой 12 т. Работа отряда дорожных катков заканчивалась при температуре уплотняемого слоя 90 °С.

На секции 1.2 уплотнение асфальтобетонной смеси производилось отрядом дорожных катков. Предварительное - трамбующим брусом асфальтоукладчика, основное - катком Hamm HD 110 массой 10т с включенным вибратором и окончательное - катком Hamm HD 120 массой 12 т. Работа отряда дорожных катков заканчивалась при температуре уплотняемого слоя 90 °С.

После укладки асфальтобетонного покрытия были отобраны керны для испытания в лаборатории ОНИЛ МТФС ДСМ. На участке №1, по ул. Технологической 15.10.2010. Результаты испытаний приведены в приложении 5 к настоящему акту.

В период с 14 по 22 октября асфальтобетонным заводом было выпущено 240,4 т асфальтобетонной смеси типа В марки П. Доставка смеси производилась автомобилями-самосвалами КАМАЗ 53229 грузоподъемностью 15 т на среднее расстояние 11 км в течение 17 мин. Асфальтобетонная смесь укладывалась при температуре 140 - 155 °С асфальтоукладчиком

Vogel Supper 1800-2. Работы производились при пасмурной погоде и температуре воздуха + 2 - +5 °С.

На опытном участке № 2 (секции 2.1 и 2.2) асфальтобетонная смесь типа В марки II укладывалась толщиной 4 см.

На секции 2.1 уплотнение асфальтобетонной смеси производилось отрядом дорожных катков. Предварительное - трамбующим брусом асфальтоукладчика, основное - катком Hamm HD 110с выключенным вибратором массой Юти окончательное - катком Hamm HD 120 массой 12 т. Работа отряда дорожных катков заканчивалась при температуре уплотняемого слоя 80 °С.

На секции 2.2 уплотнение асфальтобетонной смеси производилось отрядом дорожных катков. Предварительное - трамбующим брусом асфальтоукладчика, основное - катком Hamm HD 110 массой 10 т, с включенным вибратором, и окончательное - катком Hamm HD 120 массой 12 т. Работа отряда дорожных катков заканчивалась при температуре уплотняемого слоя 80 °С.

После укладки асфальтобетонного покрытия были отобраны керны для испытания в лаборатории ОНИЛ МТФС ДСМ. На участке №2, бульвар им.Золотого 25.10.2010. Результаты испытаний приведены в приложении 5 к настоящему акту.

При обследовании опытных участков №1 и №2 произведено фотографирование опытных секций (приложение № 6).

За уложенным опытным участком силами сотрудников МАДИ и ФГУ ДЭП №19 планируется организовать систематическое наблюдение.

МИРОНОВ H.H.

КОРОТКОВ A.B.

Свойства исходных материалов Свойства нефтяного дорожного битума БНД 60/90

№ пп Наименование показателя Битум БНД 60/90 Паспортные данные, ПК№2951 Требования ГОСТ 22245-90

1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм:

при 25 °С 74 77 60-90

при 0 °С 27 23 >20

2. Температура размягчения по КиШ, °С 51 50 >47

3. Растяжимость, см:

при 25 °С 68 100 >55

при 0 °С 5,2 гарант. >3,5

4. Температура хрупкости, °С -17 -18 <-15

5. Температура вспышки, °С >230 гарант. >230

6. Изменение температуры размягчения

после прогрева, °С 3 гарант. <5

7. Индекс пенетрации +0,1 -0,2 - 1,0- + 1,0

Старший научный сотрудник ОНИЛ МТФС ДСМ Лаборант ОНИЛ МТФС ДСМ

МИРОНОВ Н.Н. Давлятова Д.Ю.

Поставщик: Наименование карьера Фракция:

Щебень габбро-диабаз

5 7,5 10 1 12,5

С| о,5(а+о) 0 ]" 1,250

Дата поставки: Паспорт № Дата испытания:

29.08.2010 От

12.09.2010

Рассев щебня (Зерновой состав)

Остатки на ситах, гр. Размер частиц, мм квадратные сита

20 15 12,5 10 7,5 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 <0,071

Частные 0,0 0,0 39,3 312,9 1180,0 902,6 70,7 31,4 13,6 5,4 5,9 4,1 4,9

Полные 0,0 0,0 39,3 352,2 1532,2 2434,8 2505,5 2536,9 2550,5 2555,9 2561,8 2565,9 2570,8

Частные остатки,% 0,00 0,00 1,53 12,17 45,90 35,11 2,75 1,22 0,53 0,21 0,23 0,16 0,19

Полные остатки,% 0,00 0,00 1,53 13,70 59,60 94,71 97,46 98,68 99,21 99,42 99,65 99,81 100,00

А^ % 100,00 100,00 98,47 86,30 40,40 5,29 2,54 1,32 0,79 0,58 0,35 0,19 0,00

Диаметр отверстий контрольных сит (1 0,5(ё+0) Б 1,250 ! >

Полные остатки,% (от) 90 30 0 01

¡Полные остатки,% (до) 100 60 10 0,5-

.Значения по рассеву 94,71 59,60 ГОСТ 13,70 1,53. Факт

Насыпная плотность - г/смЗ 1,51

КОЧ, не более 1 % 0,63

Марка по дробимости 1400

Лещадность • % 7,8

Испытанный щебень не соответствует требованиям ГОСТ 8267-93, для смеси фракции 5-10, завышено содержание

крупных частиц фр.Ю мм. Содержание пылеватых и глинистых частиц в норме. Полещадности относится к 1 Лаборант ОНИЛ МТФС ДСМ/!^7*Давлятова Д.Ю.

7

Щебень 5-10 12.09.10

■гост

8267-93

■ГОСТ 8267-93

•ФАКТ

0,5(ё+0)

Б

1,250

Поставщик: Наименование карьера Фракция:

Щебень габбро-диабаз

5 12,5 ___20__ 1 25___ 0™ ! "1,250 "

а о,5(а+о)

Дата поставки: Паспорт № Дата испытания:

20.08.2010 От

20.08.2010

Рассев щебня (Зерновой состав)

Остатки на ситах, гр. Размер частиц, мм квадратные сита

40 25 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 <0,071

Частные 0,0 0,0 238,4 1033,6 808,8 235,0 23,5 18,9 7,7 13,1 16,2 10,4 12,3

Полные 0,0 0,0 238,4 1272,0 2080,8 2315,8 2339,2 2358,1 2365,8 2378,9 2395,1 2405,5 2417,8

Частные остатки,% 0,00 0,00 9,86 42,75 33,45 9,72 0,97 0,78 0,32 0,54 0,67 0,43 0,51

Полные остатки,% 0,00 0,00 9,86 52,61 86,06 95,78 96,75 97,53 97,85 98,39 99,06 99,49 100,00

100,00 100,00 90,14 47,39 13,94 4,22 3,25 2,47 ^15 1,61 0,94 0,51 0,00

> Диаметр отверстий контрольных сит Л 0,5(ё+Э) О 1,250

Щолные остатки,% (от) 90 30 0 01

¡Полные остатки,% (до) 100 60 10 0,5!

■Значения по рассеву 95,78 52,61 9,86 о,оо!

ГОСТ Факт

Насыпная плотность - г/смЗ 1,51

КОЧ, не более 1 % 0,92

Марка по дробимости 1400

Лещадность ■ % 9,7

Испытанный щебень соответствует требованиям ГОСТ 826793, для смеси фракции 5-20. Содержание пылеватых и глинистых частиц в норме. По лещадности относится к 1

Лаборант ОНИЛ МТФС ДСМ (^?>^^Давлятова Д.Ю.

Щебень 5-20 20.08.10

■гост

8267-93

■ГОСТ 8267-93

-ФАКТ

0,5((1+0)

О

1,250

Приложение № 2 к акту №1 на строительство от 30.10.2010 ПОДБОР СОСТАВА МИНЕРАЛЬНОГО ОСТОВА Черноголовка Мелкозернистый асфальтобетон тип Б марка I

Состав смеси, %

| Щебень 1 | Щебень 2 Отсев | Песок Мии.пор. Битум*

|| 29,00 | 15,00 0,00 | 44,00 12,00 530

Исходные материалы Подобранная смесь ГОСТ 9128-97

(1 1, мм Щ1 Щ2 о п МП а 1 % А 1 МЕЧ МАХ

% % % % % % % % %

40 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100 100

20 9,86 0,00 0,00 0,00 0,00 2,86 2,86 97,14 90 100

15 42,75 1,53 0,00 0,00 0,00 12,63 15,49 84,51 80 100

10 33,45 12,17 0,00 0,70 0,00 11,83 27,32 72,68 70 100

5 9,72 81,01 3,50 7,00 0,00 18,05 45,37 54,63 50 60

2,5 0,97 2,75 37,70 11,00 0,00 5,53 50,90 49,10 38 60

1,25 0,78 1,22 12,00 13,80 0,00 6,48 57,39 42,61 28 60

0,63 0,32 0,53 13,60 17,40 0,00 7,83 65,21 34,79 28 60

0,315 0,54 0,21 8,80 27,20 0,80 12,25 77,47 22,53 14 34

0,16 0,67 0,23 8,90 19,00 8,40 9,60 87,06 12,94 10 20

0,071 0,43 0,16 6,10 2,70 17,70 3,46 90,52 9,48 6 12

<0,071 0,51 0,19 9,40 1,20 73,10 9,48 100,00 0,00 0 0

100,00 100,001 100,00 100,00 100 100

зерновой состав минеральной части

100 . 90 | 80 а« 70 60 50 40 30 20 10 0

ошоютюосч

СЧ Т- ГЧ чг О

Размеры части«« ми о о

Состав минеральной части по фракциям, % масс. Щ2/Щ1

фр. 20-40 мм 2,86 45,37

фр. 5-20 мм 42,51

0,071-5 мм 41,69

<0,071 мм 12,94

Всего 100,00