автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Формирование и оценка состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на основе термодинамической теории

Иа правах рукописи

ЗАВЬЯЛОВ Михаил Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОГО АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ (ОТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДО РЕМОНТА)

05 23 11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

05 23 05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

003444702

Москва-2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» (г Омск)

Научный консультант — член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Гусев Борис Владимирович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Добшиц Лев Михайлович

доктор технических наук, профессор Казарновский Владимир Давидович

доктор технических наук, профессор Горшков Вячеслав Алексеевич

Ведущая организация - Тюменский государственный архитектурно-

строительный университет (ТюмГАСУ)

Защита состоится 24 октября 2008 г в 10 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ ДМ 303 018 01 при Научно-исследовательском институте транспортного строительства по адресу 129329, Москва, ул Кольская, д 1, ОАО ЦНИИС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС

Приглашаем принять участие в обсуждении диссертации или направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, в адрес диссертационного совета

Телефон для справок - (495) 180-50-80, факс - (495) 189-72-53

Автореферат разослан 21 июля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук ж А Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется ее направленностью на решение научной проблемы разработки комплексной системы обеспечения долговечности дорожного асфальтобетонного покрытия

В соответствии с действующим законодательством Российской Федерации (Федеральный закон Российской Федерации от 8 ноября 2007 г № 257-ФЗ "Об автомобильных дорогах и о дорожной деятельности в Российской Федерации" и подпрограмма "Автомобильные дороги" федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России (2002 - 2010 годы)") главный ресурс обеспечения долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий - это осуществление своевременных мероприятий по их ремонту и содержанию Согласно данным федеральной целевой программы, в России не обеспечивается восстановление ежегодного износа автомобильных дорог федерального и регионального значения, в связи с чем происходит необратимый процесс разрушения государственного имущества, стоимость которого оценивается почти в 1 трлн рублей Ремонт и восстановление дорожного покрытия в таких условиях обходятся значительно дороже, чем затраты на ремонт и модернизацию при их своевременном проведении

Особую важность приобретают исследования процесса разрушения покрытия, базирующиеся на основных законах термодинамики, так как энергетические критерии по сравнению с силовыми и деформационными наиболее универсальны, интегрально характеризуют напряженно-деформированное состояние Зная энергетический баланс дорожного покрытия после завершения строительства и оценив изменение его функционального состояния во времени, которое определяется значениями термодинамических функций, можно вычислить суммарное изменение энергетического баланса покрытия, и, следовательно, назначить обоснованные сроки предстоящих ремонтов Поэтому актуальным является создание методики, позволяющей обеспечить еще на этапах проектирования и строительства долговечность и качество дорожных асфальтобетонных покрытий, а также дающей возможность эффективного прогнозирования и обоснования сроков их службы

В настоящее время в качестве целевого показателя оценки результативности работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог предлагается использовать обобщенный показатель качества и состояния дороги Обобщенный показатель предусмотрен «Правилами диагностики и оценки состояния автомобильных дорог» ОДН 218 0 006-2002 Данный показатель при всей своей всеобъемлющей универсальности весьма громоздок для применения

Актуальной представляется задача описания функционального состояния дорожного асфальтобетонного покрытия в течение всего жизненного цикла -от начала строительства до завершения эксплуатации Понимание необратимых термодинамических процессов, происходящих при эксплуатации покрытия, помогает осуществлять мониторинг и прогнозирование срока службы по-

крытая в любой момент времени Исследования, направленные на разработку концептуальных взглядов и методов прогнозирования, приводящих к повышению эффективности управления состоянием дорожного асфальтобетонного покрытия, являются актуальными

Тема диссертации связана с планом НИР по госбюджетной тематике Министерства образования и науки Российской Федерации по приоритетным направлениям научных исследований по темам 1 6 03 Ф, 1 5.06 Ф (СибАДИ), посвященным разработке теории долговечности дорожного асфальтобетонного покрытия Тема работы соответствует пунктам 9, 10, 13 и 17 областей исследований по специальности 05 23 11 и пунктам 4, 8 областей исследований по специальности 05 23 05 - паспортов номенклатуры специальностей научных работников Часть исследования выполнена в рамках гранта Российской Академии архитектуры и строительных наук (РААСН) в 2006 г. по теме «Термодинамическая концепция долговечности дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями» и гранта Президента Российской Федерации по теме «Обоснование выбора рациональных подходов к проектированию, строительству и эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий в условиях Сибири и Крайнего Севера» в 2008 г

Основная идея работы состоит в использовании термодинамического подхода к описанию изменений физико-механических и теплофизических параметров материала дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе его строительства и эксплуатации

Объект исследования - дорожное асфальтобетонное покрытие в период времени от начала его строительства до завершения эксплуатации

Предмет исследования - выявление закономерностей изменения величин, характеризующих состояние дорожного асфальтобетонного покрытия, на основе исследования термодинамических функций для выработки управленческих решений при проектировании, строительстве и эксплуатации покрытия

Цель диссертационного исследования — разработка методологии оценки состояния дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла, базирующейся на термодинамической теории техногенных систем и обеспечивающей обоснованный выбор сроков ремонтных работ и рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии на этапах проектирования и строительства с учетом потребительских свойств дорожного покрытия при эксплуатации

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи 1 Провести комплексный ретроспективный анализ критериев оценки состояния дорожного асфальтобетонного покрытия и вопросов обоснования межремонтных сроков службы Осуществить анализ методов расчета и конструирования дорожных одежд, анализ структурных и физико-механических свойств асфальтобетонной смеси и асфальтобетона Выполнить обзор развития теории долговечности строительных материалов и конструкций с целью обос-

нования выбора теплофизического подхода к управлению качеством и долговечностью дорожного асфальтобетонного покрытия

2 Разработать термодинамическую концепцию процессов строительства и эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия, учитывающую величину работы, совершаемой над асфальтобетонной смесью при устройстве дорожного покрытия рабочими органами уплотняющих средств, и величину работы, совершаемой над дорожным покрытием транспортным потоком с влиянием динамических факторов

3 Построить математическую модель изменения базисного параметра, определяющего значения термодинамических функций состояния дорожного асфальтобетонного покрытия

4. Исследовать влияние изменения базисного параметра на значения термодинамических функций Создать методику эффективного прогнозирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия с учетом динамического воздействия транспортных средств, позволяющую назначать обоснованные сроки службы дорожных покрытий Разработать технические рекомендации, содержащие рациональные технологии строительства дорожных асфальтобетонных покрытий

5 Экспериментально апробировать и внедрить технические рекомендации и используемые методы диагностирования долговечности дорожного асфальтобетонного покрытия.

Методологической базой теоретического и экспериментального исследования является системный подход Исходные положения работы следуют из фундаментальных теорий Выводы и результаты исследования основаны на математическом анализе модели и статистической обработке экспериментальных данных Адекватность термодинамической теории жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия подтверждена экспериментально, при этом установлена корреляция термодинамических потенциалов с базисными параметрами, характеризующими состояние дорожного покрытия

Научная новизна работы состоит в установлении закономерностей изменения свойств дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации на основе анализа его термодинамических параметров и их влияния на выбор рациональных режимов формирования заданных качеств покрытия на этапах проектирования, строительства и ремонта

Новые научные результаты диссертационного исследования

- предложена реологическая модель дорожного асфальтобетонного покрытия, рассматривающая взаимодействие упругих и пластических свойств в зависимости от режима уплотнения,

- разработан термодинамический метод описания процессов формирования и эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия,

- созданы математические модели, описывающие закономерности изменения термодинамического состояния дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе его строительства и эксплуатации,

- предложен базисный параметр - теплоемкость материала покрытия, определяющий значения термодинамических функций состояния,

- установлены функциональные зависимости термодинамических функций состояния дорожного асфальтобетонного покрытия от величины теплоемкости материала,

- получены закономерности изменения базисного параметра - теплоемкости покрытия в процессе его формирования и эксплуатации,

- разработана имитационная модель термодинамических изменений материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла, позволяющая обоснованно назначать этапы ремонта

Практическая ценность работы состоит

- в разработке методики эффективного прогнозирования состояния дорожных асфальтобетонных покрытий с учетом динамического воздействия транспортных средств,

- в практических рекомендациях для обоснованного выбора рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии на этапах проектирования и строительства с учетом потребительских свойств дорожного покрытия при эксплуатации

Автор защищает

- результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей изменения свойств дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе формирования и эксплуатации, нашедших отражение в рубрике «научная новизна работы»,

- термодинамический подход к описанию функционального состояния дорожного асфальтобетонного покрытия в течение всего жизненного цикла -от начала строительства до завершения эксплуатации,

- выбор термодинамических параметров и корреляцию их связи с процессами старения дорожного покрытия,

- закономерности изменения величин, характеризующих состояние дорожного асфальтобетонного покрытия,

- методику обоснованной диагностики предстоящих сроков ремонта дорожного покрытия.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается' методологической базой исследования, основанной на фундаментальных положениях термодинамики, соблюдением основных принципов математического моделирования, адекватным обоснованием выбора подхода к управлению качеством и долговечностью дорожного асфальтобетонного покрытия, репрезентативностью статистических выборок значений случайных величин, полученных в результате экспериментальных исследований, результатами сопоставления теоретических и экспериментальных данных

Личный вклад автора заключается в формулировании идеи работы и ее цели, в формировании методологического подхода для исследований, в выполнении теоретических и основной части экспериментальных исследований, в разработке имитационной модели термодинамических изменений материала

дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла, позволяющей определять функциональное состояние дорожного покрытия в заданный момент времени, в анализе и обобщении результатов, имеющих научную новизну, во внедрении имитационной модели и практических рекомендаций в дорожную практику

Реализация результатов исследования Методика эффективного прогнозирования состояния дорожных асфальтобетонных покрытий и практические рекомендации для обоснованного выбора рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии внедрены в производство при разработке проектов на капитальный ремонт автомобильных дорог «Омск -Тара» (км 258 - км 273), «Омск - Муромцево — Седельниково» (км 128 - км 155) и использованы в нормативно-методическом документе «Оценка состояния существующих асфальтобетонных покрытий и назначения сроков ремонта», разработанным государственным учреждением «Управление дорожного хозяйства Омской области» в 2007 г

Практические рекомендации, содержащие рациональные технологии строительства дорожных асфальтобетонных покрытий, внедрены на государственных предприятиях Омской области ДРСУ-2 и ДРСУ-4 при проектировании и строительстве автомобильных дорог «Челябинск - Омск» (км 785 - км 802), М-51 «Байкал» Южный обход г Омска

Методы диагностирования долговечности дорожного асфальтобетонного покрытия внедрены в производство и применяются ОАО «Омский Союздор-нии» для осуществления мониторинга и прогнозирования состояния покрытия на следующих автомобильных дорогах «Челябинск - Новосибирск» (транспортная развязка Троицкое-Чукреевка), «Тюмень - Омск» (км 594 — км 599)

Апробация работы Основные результаты исследований доложены, обсуждены и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах 59-й научно-технической конференции СибАДИ (г Омск, 1999), Международной научно-технической конференции посвященной 70-летию образования СибАДИ (г Омск, 2000), Международной научно-практической конференции «Автотранспортный комплекс Проблемы и перспективы развития» (МАДИ, г Москва, 2000), Международной научной конференции «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно-педагогические технологии» (г Омск, 2000), Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (АлтГТУ, г Барнаул, 2001), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ, г Москва, 2002), Международной научно-практической конференции-семинаре «Архитектура, строительство, экология» (ВолгГАСА, г Волгоград, 2002), Научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (ТГАСУ г Томск, 2002), 13-й Зимней школе по механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред УрО РАН, г Пермь, 2003) Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный ком-

плекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г Омск, 2003), Международной научно-технической конференции «Дорожно-транспортный комплекс как основа рационального природопользования» (г Омск, 2004), 3-м научно-практическом семинаре «Современные методы проектирования строительства, ремонта и содержания дорог и мостов в сложных природных условиях» (г Омск, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (г Омск, 2006), Международном конгрессе «Машины, технологии и процессы в строительстве» (г Омск, 2007), заседании секции Ученого совета ОАО ЦНИИС (г. Москва, 2008), Международной научно-технической конференции «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (ХНАДУ, г. Харьков, Украина, 2008), заседании кафедры «Строительные материалы и технологии» МИИТа (г Москва, 2008)

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печатных работах, в том числе одной монографии и 22 научных статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК России. «Известия вузов Строительство», «Транспортное строительство», «Строительные материалы», «Механизация строительства», «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», «Строительные и дорожные машины», «Омский научный вестник»

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и результатов исследования, списка литературы и приложения Результаты исследования изложены на 265 страницах основного текста, включающего 72 рисунка, 29 таблиц и список литературы из 427 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса с целью обоснования направления дальнейших исследований Проведен комплексный ретроспективный обзор критериев оценки состояния дорожного покрытия и вопросов обоснования межремонтных сроков службы В работах А К Бирули, Н Н Иванова, М Я Телегина, М Б Корсунского, С И Миховича, В М Сиденко, А Я Эрастова, А П Васильева, И А Золотаря показано, что основными параметрами, влияющими на межремонтные сроки службы дорожных одежд и покрытий, являются тип дорожной одежды (капитальность), ее прочность, интенсивность и состав движения, изменение интенсивности во времени, климатические условия, качество материалов, качество строительных и ремонтных работ

В результате анализа работ Н Н Иванова, А М Кривисского, А А Иноземцева, М Б Корсунского, А М Богуславского, Б С Радовского, В Д Казарновского, А В Смирнова, С К Илиополова, посвященных методам расчета и конструирования дорожных одежд, сделан вывод дальнейшее совершенствование методов проектирования и расчета дорожных одежд с учетом динамических воздействий, прогнозирование накопления в их слоях остаточных деформаций, должно идти по пути разработки комплексного критерия,

учитывающего суммарное энергетическое воздействие движущегося транспорта

Анализ вопросов, касающихся структурных и физико-механических свойств асфальтобетонной смеси и асфальтобетона (работы В В Михайлова, И А Рыбьева, Н Н Иванова, М И Волкова, В М Смирнова, И М Борща, В А Золотарева, И М Руденской, А В Руденского, А М Богуславского, Л Б Гезенцвея и др), показал, что изменения физико-механических свойств асфальтобетона оказывают значительное влияние на снижение эксплуатационных качеств асфальтобетонного покрытия

В результате обзора основных положений развития теории долговечности строительных материалов и конструкций, отраженных в работах Р 3 Рахимова, В А Воскресенского, Б В Гусева, В А Золотарева, Л С Губача, Г С Бахраха, А В Руденского, Л М Добщица, Е Н Баринова, Б И Ладыгина, И К Яцевича, С В Шестоперова, Е С Переверзева, В А Королева, сделан вывод, что для разработки методов прогнозирования долговечности на большие сроки целесообразно, чтобы эти модели были связаны с основными параметрами, характеризующими протекание определяющих физико-химических процессов В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют термодинамические методы Именно термодинамический подход обладает наибольшей общностью и в то же время позволяет выразить термодинамические характеристики через конкретные физические параметры

Вторая глава посвящена разработке общей методики исследования с позиций системного подхода Представлены применяемые теоретические методы и подходы Функциональная схема исследования (рис 1) представляет собой алгоритмическую последовательность, реализованную в ходе выполнения научной работы задача - методика - результат Выполнено обоснование исходных допущений и ограничений, которые накладываются на разрабатываемые математические модели исследуемых процессов

В третьей главе выполнена разработка термодинамической концепции жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия (имитационная модель)

Продолжительность техногенных процессов, определяющих жизненный цикл дорожного асфальтобетонного покрытия во времени можно разделить на три основных этапа строительство покрытия, завершение строительства и начальный период эксплуатации, последний этап - процесс эксплуатации Энергетическое состояние дорожного асфальтобетонного покрытия удобно анализировать посредством аппарата термодинамических функций или, иначе, потенциалов Гиббса Эти функции связаны следующими соотношениями

С = ^ + (1)

(2)

Н = и + рГ (3)

где С - энергия Гиббса, ^ - энергия Гельмгольца или свободная энергия, Я -энтальпия, II- внутренняя энергия, Г - температура, р - давление, V- объем, 5-энтропия

_Объект исследования_

дорожное асфальтобетонное покрытие в период времени от начала его строительства до завершения эксплуатации

[^задача^] методика ] [ результат |

Рис 1 Функциональная схема исследования

Принято, что на этапе строительства дорожного асфальтобетонного покрытия имеет место следующая кинетика изменения потенциалов Гиббса Внутренняя энергия асфальтобетонного покрытия на данном этапе не изменяется, сохраняется потенциал удобообрабатываемой асфальтобетонной смеси Уменьшается величина TS температура - за счет остывания, энтропия — вследствие совершенной механической работы по укладке и укатке смеси. По указанным выше причинам растет величина свободной энергии, согласно уравнению (2) Возрастает энергия Гиббса по закону (1), поскольку увеличивается свободная энергия

На этапе завершения строительства и начальной эксплуатации в силу си-нергетических и инерционных свойств материал дорожного асфальтобетонного покрытия сохраняет те же кинетические тенденции, что и на этапе строительства энтропия продолжает снижаться, обуславливая рост свободной энергии и энергии Гиббса

На последнем этапе - процессе эксплуатации свободная энергия снижается, несмотря на постоянную подкачку диссипативной энергией, в результате контакта дорожного покрытия с колесами транспортных средств Растет величина TS, за счет возрастания энтропии, снижается величина произведения pV, вследствие уноса материала покрытия, соответственно уменьшается величина энтальпии, свободной энергии и энергии Гиббса (1) - (3)

В рамках первого этапа — процесса строительства имеют место необратимые процессы, приводящие к искусственному понижению энтропии При строительстве материал покрытия необходимо рассматривать как объект далекий от равновесия из-за необратимых неравновесных процессов

Исходя из второго закона термодинамики, изменение экстенсивной величины энтропии d S в процессе устройства асфальтобетонного покрытия и его последующего старения можно представить как сумму

dS/dt = dSe/dt + dSjdt, (4)

здесь dSejdt - поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой (external), dSjdt - производство энтропии, вследствие процессов, протекающих внутри системы (internal), t - время То есть изменение энтропии происходит в результате процессов внутри системы (производство энтропии) и на границе с внешней средой (поток энтропии)

Поскольку приращение энтропии, обусловленное изменениями внутри системы, никогда не имеет отрицательного значения, то уменьшение энтропии системы в процессе строительства происходит за счет того, что поток энтропии имеет отрицательный знак Отрицательный поток энтропии создается принудительно за счет совершаемой работы и объясняется уменьшением объема асфальтобетонной смеси в процессе уплотнения, упорядочиванием формируемой текстуры, остыванием смеси Процесс уплотнения смеси характеризуется совершением механической работы

к

M=YJFJ &е, (5)

7=1

к

здесь АА - приращение механической работы (энергии), Дж, — суммар-

7=1

ная нагрузка, действующая на уплотняемую смесь, Н, Дг - абсолютная деформация смеси, м, к — количество складываемых сил

Механическая энергия АА, расходуемая на уплотнение смеси, затрачивается на преодоление сопротивления уплотнению, упорядочивание текстуры, изменение расстояния между частицами смеси, их перераспределение Время кумуляции полученной энергии совпадает с периодом релаксации асфальтобетонной смеси, определяемым интервалом времени, за которое напряжения в смеси при фиксированной деформации падают в заданное число раз В случае реализации периода релаксации напряжений в асфальтобетонной смеси при каждом последующем нагружении смесь начинает деформироваться с начального момента контакта с уплотняющим телом, а не с запаздыванием (рис 2) Запаздывание процесса деформирования происходит в том случае, когда время тратится на преодоление остаточных упругих напряжений, что имеет место при отсутствии реализации периода релаксации Если период релаксации реализуется, то уменьшение величины абсолютной деформации при повторных нагружениях происходит по линейному закону, в противном случае этот процесс имеет нелинейную зависимость (рис 3) В результате работы, производимой уплотняющим телом (механическая энергия), изменяются параметры асфальтобетонной смеси, такие как плотность, угол внутреннего трения, сцепление, модуль упругости При укатке, уплотнении смеси изменяется ее свободная энергия Этим обусловлен рост модуля упругости и, как следствие, снижение приращений величины абсолютной деформации смеси при стабильных давлениях на уплотняемую поверхность

В результате аналитического исследования показано, что возможность определения периода релаксации напряжений асфальтобетонной смеси позволяет установить рабочую скорость уплотняющего агрегата, поскольку времени контакта смеси с уплотняющим телом должно быть не меньше периода релаксации напряжений

Под рациональной скоростью движения дорожного катка, уплотняющего асфальтобетонную смесь, понимается значение величины скорости, при которой реализуется период релаксации

Получено, что общим аналитическим условием рациональной скорости движения дорожных катков 91 при уплотнении асфальтобетонной смеси является кубическое уравнение

Ву^ -йу <1и&1 +(Су10 +tg<p)3¡ - Сус1и = 0, (6)

где С = 0\а В с/и (1 - Ь, )]-1, В = 20 [а В g(du)2( 1 - )]~', <2~ вес катка, приходящийся на валец, а — коэффициент пропорциональности, йи — длина дуги АВ (рис 4), В - ширина вальца, g - ускорение свободного падения, 1, р, -значения плотности асфальтобетонной смеси после (;-1)-го и ¿-ого прохода уплотняющего агрегата, соответственно, р1^\)р1 -Ъ1 — показатель степени

уплотняемости смеси, у - коэффициент вязкости, íq - начальное время, (р -угол внутреннего трения

Если считать, что í0 = 0, то уравнение (6) становится приведенным квадратным

S?+pSt+q = 0, (7)

где p = -tg<p\Dydu\~l, g = C/D

"у

Уравнение (7), как известно, имеет решения, если р - Aq > 0, то есть

tg2(р [D2y2(du)2 ]_1 - 4C/D S 0 (8)

Приводя левую часть неравенства (8) к общему знаменателю и учитывая положительность последнего, получим

i%2<p>ACDy2(du)2 (9)

Длину дуги du из геометрических соотношений можно записать в виде

du = 2R arccos (1 - M¡ /R), (10)

или

du = 2R arccos (1 - R~lhcc{ 1 - b,)), (11)

здесь As, - величина абсолютной деформации уплотняемого слоя при /-ом проходе уплотняющего агрегата, h - начальная толщина уплотняемого слоя, R - радиус вальца,

Из условий (6) — (11) следует, что значение рациональной скорости связано с комплексом физико-механических свойств асфальтобетонной смеси, в котором базисным является показатель степени уплотняемости

Полученный алгоритм позволяет определять величину рациональной скорости для любого /-ого прохода уплотняющего агрегата При росте числа проходов i и, соответственно, увеличении b, растет и величина рациональной скорости г-ого прохода, это можно установить из следующих формул

£ = r0/Ml-¿;)), (12)

= du/(t0 + Хёср[тоУ/(а (1 - bt))]4), (13)

где го - начальные контактные напряжения

Таким образом, из выше приведенных рассуждений следует вывод по мере уплотнения асфальтобетонной смеси рациональная величина агрегатной скорости возрастает

В результате исследования получена формула, которая устанавливает зависимость среднего контактного напряжения от величины скорости движения катка (рис 4)

гСр = 2mS2(l - Vi - AsI2r)\bR2 arccos2(l-Д^/Л)]-', (14) где m - масса дорожного катка

о

е

Рис 2 Связь между величинами контактного напряжения т и абсолютной деформацией асфальтобетонной смеси е - процесс релаксации реализуется,---процесс релаксации не реализуется

Ае

\

Ч

Рис 3 Зависимость приращения абсолютной деформации уплотняемой асфальтобетонной смеси Ае от числа контактов уплотняющего тела (проходов катка) с асфальтобетонной смесью п 1 - линейная, 2 — нелинейная

к

У

—

& \

ЛФл

Ае

""""""" /Л/Л///////////////////^»^/ А

Рис 4 Расчетная схема для определения влияния скорости движения катка на величину контактных напряжений —<— векторы скоростей точек катка в зоне контакта, со - угловая скорость, Ае - абсолютная деформация уплотняемого слоя, Я - радиус вальца, О — центр поперечного сечения вальца (ось вальца), АВ - хорда, <р\ = агсэт -^Ае/2К

Как следует из формулы (14), имеет место квадратичная зависимость между величиной контактных напряжений и скоростью уплотняющего агрегата Это означает, что повышение рассматриваемой скорости позитивно сказывается на росте контактных напряжений В то же время, эта скорость ограничена сверху условием реализации периода релаксации асфальтобетонной смеси -величиной рациональной скорости 9 < 3,

В работе получено аналитическое выражение величины энергии, необходимой для укладки асфальтобетонной смеси на заданную площадь укладки

,2/1/ 4/

{¥ = 0,75$ р^ р(ъ Ва11{%та + ^щсо%ц/)[{\-Ь(ъ)Ц\-Ь1)\, (15)

где 9 — скорость движения агрегата, Ь\ = р§р\Х - показатель степени уплот-няемости смеси, рй~ начальная плотность смеси, рх - плотность смеси после прохода агрегата, <р0 - угол внешнего трения смеси, Ва, £ - ширина и длина укладываемого слоя, I, у/- длина и угол атаки рабочего органа

Анализ энергетической функции \¥ при фиксированном значении скорости движения показал, что IV имеет квазилинейный характер возрастания на интервале А, е (0, 0,75) Значения функции IV существенно зависят от значений ¿>, и (рй В том случае, когда условный минимум энергетической функции IV отсутствует (или находится за пределами области ее определения), под минимумом энергозатрат операции укладки следует понимать те значения энергетической функции 1¥, которые соответствуют верхней границе квазшшнейно-сти ее возрастания За этой границей зависимость функции от 6, и <р0 становится нелинейной

В результате анализа экспериментальных исследований процесса укладки асфальтобетонной смеси и ее последующего уплотнения выявлена следующая закономерность для удобоукладываемой асфальтобетонной смеси процесс ее уплотнения значительно менее энергоемкий, чем тот же процесс для неудобо-укладываемой смеси Сопоставление указанной закономерности с характером зависимости (15) энергетической функции IV от показателя степени уплотняе-мости ¿>! и угла внешнего трения <рй дало возможность выдвинуть научную гипотезу в процессе уплотнения удобоукладываемой асфальтобетонной смеси зависимость величины энергетической функции от показателя степени уплотняемое™ и угла внешнего трения носит квазилинейный характер Математически эта гипотеза интерпретирована так Пусть IV = /(6,,р0) - закон изменения энергетической функции (рис 5), где 6. и <р0 - величины показателя степени уплотняемости и угла внешнего трения, соответственно Тогда приращение энергетической функции АЖзапишется в виде

= (16)

дЬх ' д<р0

здесь Ь1уд и <р0уд - значения показателя степени уплотняемости и угла внешнего трения, соответствующие удобоукладываемой асфальтобетонной смеси

И, следовательно, под удобоуплотняемой понимается такая смесь, уплотнение которой сопровождается квазилинейным характером возрастания энергетической функции. Очевидно, что удобоукладываемость асфальтобетонной смеси обеспечивается выполнением требований к изготовлению и транспортировке, тогда как удобоуплотняемость асфальтобетонной смеси предполагает наличие таких технологических операций по ее уплотнению, которые бы обеспечивали качество покрытия при минимальных энергозатратах.

Принцип обеспечения удобообрабатываемости асфальтобетонной смеси подразумевает возможность сочетания параметров технологических операций укладки и уплотнения, соответствующих минимуму энергетической функции. Необходим выбор таких параметров технологической операции уплотнения асфальтобетонной смеси, реализация которых обеспечивает квазилинейность энергетической функции. Одним из важных параметров технологической операций уплотнения является рациональная скорость движения дорожного катка.

Рис. 5. Зависимость энергетической функции ]¥ от показателя степени уплотняемости й, и угла внешнего трения (р0 для: 1 - удобоукладываемой и 2 - неудобоукладывае-мой асфальтобетонной смеси

Используя зависимость энергетической функции от технологических, физико-механических свойств смеси и кинематических параметров процесса, можно теоретически определить энергоемкость процесса уплотнения до заданной величины коэффициента уплотнения то есть определить, какое количество энергии потребуется для уплотнения удобоукладываемой асфальтобетонной смеси до нормативной плотности.

Получено аналитическое условие (6) - (11) рациональной скорости движения дорожных катков при уплотнении асфальтобетонной смеси, то есть

скорости, при которой реализуется период релаксации уплотняемой смеси Установлены зависимости между следующими важными технологическими показателями временем релаксации и углом внутреннего трения, абсолютной и относительной деформациями, модулем упругости смеси, контактными напряжениями, деформацией, показателем степени уплотняемости смеси и скоростью движения уплотняющего тела

Полученные закономерности позволили разработать алгоритм определения параметров процесса уплотнения асфальтобетонной смеси, при котором достигается высокое качество покрытия, а энергозатраты минимальны Доказано, что обеспечение релаксации смеси в процессе ее уплотнения как раз и дает возможность достигнуть этих двух важнейших показателей качества покрытия и наименьшей энергоемкости процесса уплотнения смеси Таким образом, приходим к выводу, что реализация рациональной скорости движения катков при уплотнении смеси позволит достигнуть указанных показателей Величину производительности процесса уплотнения определим как

П = (17)

<=1

здесь Я, - производительность уплотнения при /-ом проходе, которую, в свою очередь, запишем

Я, = , (18)

где В,, Ае,, — ширина вальца, абсолютная деформация смеси и рациональная скорость движения дорожного катка при /-ом проходе, соответственно

Величина энергии, затраченная на весь процесс уплотнения, определяется следующими выражениями

^ = 09)

1=1

(20)

где г0;, - контактные напряжения и длина ¡-ого прохода, соответственно

Выражение (19), с учетом формулы (20) и величины рациональной скорости, представим в виде

Ш^т^Ае^^,, (21)

/=1

где — время (продолжительность) /—ого прохода

В качестве параметра, характеризующего физико-механическое состояние асфальтобетонной смеси, можно выбрать, например, величину абсолютной деформации, модуль упругости или показатель степени уплотняемости Как показано в работе, все эти величины взаимосвязаны Учитывая тот факт, что величина показателя степени уплотняемости играет важную роль при определении удобоукладываемости асфальтобетонной смеси, а, как известно, операция укладки предшествует операции уплотнения, остановимся на показателе степени уплотняемости смеси — Ь,

В результате исследования сделан вывод, что величину энергии, затрачиваемую на весь процесс уплотнения, можно представить как энергетическую функцию одной переменной Ь„ например, \¥= ЩЬ,) Это позволяет разработать алгоритм определения технологических показателей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси, отвечающих условию минимизации энергозатрат

Выявив закономерность распределения температуры асфальтобетонной смеси в слое по мере удаления частиц от поверхности и получив зависимость скорости изменения тепловой энергии (скорость остывания) смеси по глубине слоя, представили выражение нормативного времени гя (это время, в течение которого температура понизится до нормативного значения температуры Тн, то есть такого значения температуры, ниже которого асфальтобетонная смесь неудобоутшотняема) в виде

1+(П-тнУ

/ лу0 1

1 с!Т и

(22)

У;

а I/—о

V , ч 1

где 7] - температура тыльной стороны поверхности слоя, о> = с от2 ¡{р Л # 2 л 2), здесь 5 - площадь поверхности, а=Х!(рс) - коэффициент температуропроводности, р - плотность смеси; I и с - коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость, соответственно

Поскольку суммарная продолжительность технологических операций процесса уплотнения не должна превышать нормативного времени /м, то справедливо следующее неравенство

X(23) где - продолжительность «-ой технологической операции

Получена формула (22), позволяющая определить предельную (нормативную) продолжительность процесса уплотнения Нормативная продолжительность (время) процесса уплотнения зависит от величины нормативной температуры и теплофизических свойств уплотняемой асфальтобетонной смеси

Изменение энтропии уплотняемой смеси, происходящей за счет подвода энергии АА, можно записать в виде

А^ = -77 М/Т + Ст А Т/Т, (24)

где AS, АТ - приращения энтропии и температуры, соответственно, Ст, Т -удельная теплоемкость и температура материала, соответственно, 77 - коэффициент технологичности, 0 й 77 < 1

Коэффициент технологичности является индикатором рационального применения технологических операций и материалов удобообрабатываемости асфальтобетонной смеси, степени реализации периода релаксации напряжений, агрегатной скорости, величины контактного давления При идеальном сочетании указанных факторов т] 1, в противном случае г) стремится к нулю

Качественно степень рационального применения технологических операций и материалов можно интерпретировать следующим графиком (рис 6)

Рис 6 Зависимости изменения энтропии от времени процесса уплотнения асфальтобетонной смеси и величины коэффициента технологичности 1 - при высоком ц, 2 - при низком г]

Изменение энтропии ¿8 при уплотнении смеси получено в виде

Ж = ЯРп -¿Уо а(2 ~(Ьп + (25)

где - величина энтропии, соответствующая нормативной плотности уплотняемой асфальтобетонной смеси; величина энтропии, отвечающая начальному состоянию асфальтобетонной смеси, имеющей плотность п -количество циклов уплотнения, Т^ — начальная температура смеси

В формуле (25) первое слагаемое, обозначим его , характеризует изменение энтропии асфальтобетонной смеси вследствие ее уплотнения, второе слагаемое, обозначим его ¿$т, интерпретирует изменение величины энтропии смеси в зависимости от изменения температуры Общее изменение величины энтропии можно записать

65 = 68р +<55у (26)

После завершения строительства дорожного покрытия оно начинает постепенно стареть Процесс старения дорожного покрытия, как неизолированной гетерогенной термодинамической инженерно-геологической системы, начинается с того момента, когда при равенстве величины термодинамического потенциала Гиббса некоторому максимальному значению энтропия начинает возрастать Возрастание энтропии обусловлено регулярным подводом обобщенного потенциала переноса температуры в процессе эксплуатации дороги и

климатических условий В результате роста энтропии энергия Гиббса убывает, достигая критических значений

Таким образом, выдвинута научная гипотеза, что мерой рационального применения технологических операций и окончания строительства является условие достижения асфальтобетонным покрытием неравновесного стационарного состояния При этом необратимые процессы, играющие здесь конструктивную роль, обеспечивают уменьшение энтропии, вероятно, путем самоорганизации диссипативных структур Косвенно, синергетические процессы второго этапа (завершение строительства и начальный период эксплуатации) наблюдались исследователями уже много лет назад Эти процессы проявлялись, например, в незначительном увеличении плотности асфальтобетона в покрытии с течением времени

Третий этап, эксплуатация покрытия, характеризуется необратимыми процессами, определяющими увеличение энтропии, то есть увеличение хаоса и разрушение внутренних структурных связей Закон сохранения энергии имеет место при любых температурных и эксплуатационных режимах дорожного покрытия, следовательно, часть кинетической энергии транспортного средства преобразуется при контакте с дорожным покрытием в тепловую энергию Тепловая энергия в свою очередь реализуется во внутреннюю энергию дорожного покрытия и на совершение работы по его деформации С течением времени внутренняя энергия, растрачиваясь на упруго-пластичные восстановительные процессы, начинает изменяться И здесь, наряду с восстановительными процессами, интенсивностью и грузонапряженностью движения, значительное влияние на изменение запасов внутренней энергии оказывает перепад внешних температур

Аналитически определена величина внутренней энергии, которую дорожное покрытие кумулирует в результате контакта с транспортным потоком

и = (1 + к) У д ((б,/ + ) (2 7 5Ш р +1) + 2 /?дгин )дё (27)

где к - коэффициент диссипативности, равный отношению количества теплоты к величине работы, совершаемой над поверхностью покрытия в результате трения и пластической деформации, — математические ожидания соответствующих величин, у - число пар ведущих и ведомых колес, д - показатель роста интенсивности движения во времени, / - коэффициент трения скольжения (трение скольжения = коэффициент сцепления), (р — угол внутреннего трения материала дорожного покрытия, Ае - абсолютная нормальная деформация покрытия, м, - сила тяжести транспортного средства, приходящаяся на данное колесо, , - соответственно, вертикальная и горизонтальная со-

дин дин

ставляющая величины динамической силы, зависящей от скорости движения (рис 7)

На рис 7 показаны Мк - модуль силового момента (крутящего момента), подводимого к ведущему колесу транспортного средства, адин - динами-

ческий коэффициент сопротивления перекатыванию (трение качения), м, Лф -

фактический радиус колеса (с учетом деформации), м, АЛ — абсолютная тангенциальная деформация покрытия, м

Скорость 5ДИН связана со скоростью движения автомобиля 9 •

2 л/Д?

Лдии^ р """ (28)

3 Кл

+ адин

а)

Рис 7 Расчетная схема

——

а) Ргр , РТр - силы трения, соответственно ведомого и ведущего

колеса, N - сила реакции, Л - номинальный радиус колеса, б) эпюра давлений колеса на дорожное покрытие в динамике

Полученная формула (27) может быть использована при определении энергетического баланса дорожного покрытия, она учитывает влияние одной из важнейших систем «дорожное покрытие - транспортное средство» на изменение внутренней энергии дорожного покрытия В общем случае, зная энергетический баланс дорожного покрытия после завершения строительства, можно, оценив изменение термодинамических потенциалов, в частности, учитывая формулу (27), определить суммарное изменение энергетического баланса дорожного покрытия, а, следовательно, назначить обоснованные сроки предстоящих ремонтов

При рассмотрении энтропии в качестве меры вероятности была установлена зависимость между вариацией энтропии асфальтобетонной смеси в процессе ее уплотнения и сроком службы асфальтобетонного покрытия, которая позволяет аналитически определить значения критериальных показателей межремонтных сроков службы дорожных одежд

Продолжительность межремонтного срока службы записана в виде

/

tjp - In 1 q In

Ю--1^) (29)

где А, В, у — параметры, характеризующие особенности эмпирических закономерностей изменения требуемых модулей упругости в зависимости от перспективной среднесуточной интенсивности движения расчетных автомобилей на полосу, со - коэффициент, характеризующий влияние погодно-климатических факторов на работоспособность покрытия, N\ - интенсивность движения расчетных нагрузок на полосу в первый год эксплуатации, авт/сутки, q - показатель роста интенсивности движения во времени (q >1), £тр<-требуемый модуль упругости, изменяющийся во времени в зависимости

от роста интенсивности движения

При рассмотрении процессов старения дорожного покрытия с учетом техногенеза необходимо анализировать весь спектр факторов, определяющих его энергетическое состояние Поэтому наряду с коэффициентом прочности для интегральной оценки степени деградации дорожного покрытия следует использовать коэффициент пластичности - параметр, характеризующий эксплуатационное состояние Коэффициент пластичности устанавливает соотношение между пластической и упругой компонентами деформации сжатия Обладая способом аналитического определения значения этого коэффициента в заданный момент времени и коррелируя полученное значение с уровнем энергетических потенциалов дорожного покрытия, можно установить степень старения последнего

Коэффициент пластичности £ определяется как

%-=e/sy =1 + £пл/гу , (30)

где е, Еу, - соответственно общая, упругая и пластическая деформации

*пл £-1 _ , а а2 а"

£ = 1 + — + -—.+ + — + R„, (32)

1' 2' и'

здесь ^Г0^- (33)

^и +1)1

где 0 < в < 1, /(п+1)-(и + 1)-я производная функции, которая разложена в ряд по степеням а, в данном случае /(«) = еа, а — коэффициент, зависящий от свойств дорожного покрытия, 0 < а < 1 Из уравнения

а2 + 2а - lEyki 1п2 = 0 (34)

определяется величина а

а = ^jl + 2syk2 1п2 -1 (35)

Воспользовавшись условием 0 < а < 1, границы коэффициента к2 определяются неравенством

0<*2<—(36) 2sy In 2

Совокупность формул (32), (35) и (36) представляет собой алгоритм, впервые позволяющий аналитически определить предельное значение коэффициента пластичности дорожного покрытия, соответствующего реализации числа выносливости N, а также проследить динамику накопления остаточной деформации в зависимости от числа нагружений и значения величины упругой деформации

При заданных условиях предельное значение , соответствующее числу выносливости N, равно конкретному числу 2,745 Числовое значение величины коэффициента пластичности может служить критериальным показателем предельного состояния дорожного покрытия, причем для его вычисления знание величины N вовсе не требуется

Для оценки эксплуатационных качеств дорожного покрытия приходим к необходимости определять значения термодинамических потенциалов его материала Значения свободной энергии и энергии Гиббса увеличивается до тех пор, пока покрытие сохраняет, за счет начального потенциала, упругие свойства Момент начала потери упругих свойств характеризуется снижением указанных термодинамических потенциалов дорожного асфальтобетонного покрытия

Величина удельной теплоемкости пропорциональна коэффициенту пластичности

Ст=к 3<f, (37)

Коэффициент A3 приобретает вид

h = с°, (38)

где С® - начальное значение величины удельной теплоемкости при £ =1

Тогда значения термодинамических потенциалов определятся следующим образом

7 cr„£-„

- вариация энтропии SS = Ст In — +-—-¿¡о), (39)

То

здесь сгу - тензор напряжений, £t] - тензор деформаций, и Tq начальные величины коэффициента пластичности и температуры покрытия,

Т

- энтропия S = A3 ^ In — + So > (40)

То

rr tV

- внутренняя энергия и = +

^I +TSA

(41)

С/л

- свободная энергия Р = +

+Т Б А

'1

-Г5, (42)

У

Л

ч

здесь 5о и (Уд - начальный уровень энтропии и внутренней энергии дорожного покрытия, А — величина работы, совершаемая над поверхностью покрытия

Знание закономерности изменения (вариации) энтропии позволяет определять так называемый функциональный возраст дорожного покрытия Под функциональным возрастом дорожного покрытия Ь^ будем понимать отношение текущего значения вариации энтропии к некоторому предельному <551ш1, то есть

1г=5 5/дБ[1т, (43)

ч

где 5 5 и 8 - текущее и предельное значения вариации энтропии

¿> 51т1 =|^5,стр|, (44)

здесь 5 5стр — приращение (вариация) энтропии при строительстве покрытия Иначе функциональный возраст покрытия можно рассчитать по формуле

.Уо+сЯ-11"1 Т

{ о, (45)

где <9 = 7Ж/Л - локальная диссипативная функция, (— время, ^ - начальное время

При определении функционального состояния материала асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги такие параметры как модуль упругости и величина теплоемкости играют определяющую роль В то же время, если для определения модуля упругости материала дорожного покрытия существуют нормативные методики, то с нахождением величины теплоемкости, в особенности, неинвазивными методами, дело обстоит сложнее Поэтому представляется весьма актуальной задачей установление функциональной связи между указанными величинами

В результате проведенного исследования установлены функциональные связи между следующими величинами модулем упругости материала дорожного покрытия и энтропией, модулем упругости и удельной теплоемкостью, а также плотностью материала

Величина модуля упругости Е приобретает вид

I

Е = 2рё1г-кТу \Ст{!)&, (46)

'о

—» 9 - т

где плотность р-е г |-ег Ж, (47)

здесь кТ1' = с1(\пТ)/6¥, V - объем, г =/32Г 1п(Г/Г0), Ч = т-РхТ^Т/ск), Л-толщина, Р\ и /?2 - феноменологические коэффициенты

Построены алгоритм вычисления значений указанных величин в зависимости от времени эксплуатации и имитационная модель периодического, сезонного изменения температуры.

Периодическое, сезонное изменение температуры определяется

Г = — + £(ап сое пг + Ъп бш м), (48)

2 п=1

где коэффициенты а0, а„ и Ь„— находятся по формулам Фурье, /7=1,2, 3,

Распределение тепловой энергии при деформировании дорожного покрытия с начальным и граничным условиями определяется из выражения

(акл

Д^'з ш^-х, (49)

к=\ Н здесь а - коэффициент температуропроводности, С^ - коэффициенты ряда Фурье, Т (х, /) - искомая функция - температура в точке с координатой х в момент времени /

Полученные функциональные связи позволяют аналитически определять значения величин плотности, объемной теплоемкости, модуля упругости в любой, произвольный момент времени, исходя из значения величины удельной теплоемкости, которая может быть принята за базовый параметр При возможности применения нетрудоемких, неинвазивных методов определения удельной теплоемкости формула (46) будет полезна для вычисления модуля упругости

При решении дифференциальных уравнений было показано, что вариации термодинамических функций через величину удельной теплоемкости См можно представить в следующем виде

- энтропии

8 5 = р[ст(1 + 1п Т)- С°(1 + 1п Г0)], (50)

- внутренней энергии

5и = р(стТ-С°Т0), (51)

- свободной энергии

дР = -цТ

Ст 1пГ + СЬг-1-1пГ0

Т

/

У

(52)

где ц — величина численно равная плотности материала, размерности массы

Таким образом, рассматриваемый подход дает возможность аналитическими методами оценивать функциональное состояние дорожного покрытия при наличии корреляционных зависимостей между величиной удельной теплоемкости и параметрами, характеризующими историю автомобильной дороги, такими как возраст покрытия, интенсивность и грузонапряженность движения

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Цель экспериментальных исследований на предмет определения значений удельной теплоемкости материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла заключается в установлении закономерностей изменения величины удельной теплоемкости в процессе старения рассматриваемого материала

Для реализации данной цели необходимо было выполнить следующий план проведения экспериментальных исследований

а) отбирать пробы образцов асфальтобетона из слоя дорожного покрытия,

б) отбирать пробы на дорогах I и II категорий,

в) анализировать образцы асфальтобетона различного возраста от 0 до 9

лет

Экспериментальные исследования осуществлялись на следующих объектах

1 Автомобильная дорога «Тюмень - Омск» (км 599+000) мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I - 2006 г , мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I — 1997 г , крупнозернистый пористый асфальтобетон марка II - 1989 г до 1996 г

2 Автомобильная дорога «Челябинск - Омск» (км 792+000 - км 797+000) мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I - 2000 г, 2005 г, крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II- 1999 г, 2005 г

3 Автомобильная дорога «Челябинск - Новосибирск» (транспортная развязка Троицкое-Чукреевка)- мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки 1-2000 г , крупнозернистый пористый асфальтобетон марки И — 2000 г

4 Автомобильная дорога М-51 «Байкал» Южный обход г Омска' мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I - 1998, крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II - 2000 г

В настоящей работе асфальтобетон рассматривается как сплошная среда, поэтому передача тепла осуществляется методом теплопроводности Физической характеристикой теплопроводности тела является коэффициент теплопроводности, который зависит от способности материала аккумулировать тепло и от способности повышать свою температуру под действием притекающего тепла Способность материала аккумулировать тепло определяется теплоемкостью, а скорость выравнивания температур различных точек температурного поля характеризуется температуропроводностью

Измерив скорость охлаждения тела, можно вычислить его теплоемкость, если известен коэффициент теплоотдачи Этот коэффициент определяется при исследовании охлаждения другого тела, принятого за эталонное, теплоемкость которого известна На этом и основан метод определения удельной теплоемкости Исследуемое тело помещают в капсулу, изготовленную из теплопроводного материала, нагревают, а затем наблюдают его остывание Фиксируют зависимость температуры внешней среды от времени

Удельная теплоемкость определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 23250-78 на специально собранной установке

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил интерпретировать характер изменения удельной теплоемкости во времени (рис 8) для различных типов и видов асфальтобетона

.ко

! J-S«»3.

изо

1503 WJ

О

g !зсг

о

г t^o

<u

о

§ 1 го

Я

S tl'O

X

§ и»

5

¡C53

гсоо

«»

555 СУ

М0 05 ! .5 ; J5 3 55 15 J 5< 6 «5 7 7.5 8 « 9

о. время, ГОДЫ 9.

Рис 8 Зависимость удельной теплоемкости от времени эксплуатации дорожного покрытия 1 - крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II (категория дороги I-Б, интенсивность движения 7-10 тыс авт /сутки), 2 — мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I (категория дороги I-Б, интенсивность движения 15-20 тыс авт/сутки), 3 -мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги I-A, интенсивность движения >20 тыс авт /сутки), 4 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги II, интенсивность движения 5-7 тыс авт /сутки)

Аппроксимация полученных экспериментальных зависимостей удельной теплоемкости от времени эксплуатации аналитическими выражениями позволила представить эти зависимости в виде

С/я1 =7 82(Г-0 9)2 +1065, (53)

C,„2=791(Í-1 35)2 +1033, (54)

Cm3=9 8(f-1 25)2 +965, (55)

Cm4 =7 02(t-l 2)2 +1000, (56)

где Cmi(t), i = 1,2,3,4 -это зависимости 1, 2, 3 и 4 соответственно на рис 8

Аппроксимация экспериментальных зависимостей проводилась по методу наименьших квадратов

Пятая глава посвящена анализу имитационной модели и построению методики мониторинга состояния дорожного асфальтобетонного покрытия и прогнозирования срока ремонтных работ

В главах 3 и 4 построен математический аппарат имитационной модели термодинамических изменений материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла Имитационная модель позволяет определять функциональное состояние дорожного покрытия в заданный момент времени В качестве базового параметра, связанного с другими ключевыми величинами функциональными зависимостями, выбрана удельная теплоемкость материала дорожного покрытия

Алгоритм имитационной модели представлен следующими блоками (рис

9)-

Рис 9 Блок-схема алгоритма имитационной модели

При анализе алгоритма имитационной модели были построены следующие функциональные зависимости показателей дорожного асфальтобетонного покрытия от времени эксплуатации удельной теплоемкости, модуля упруго-

сти, коэффициента сцепления, показателя продольной ровности Показано, что важнейшие параметры, характеризующие качественное состояние дорожного покрытия определяются через базовый параметр — величину удельной теплоемкости

Е, МПа 4000 т, Дж/(кг.°С р, кг/м3

3000 2000 1000

\/ 1 /

,3

/2 Ч* '

01234567S9 время t. годы

Рис 10 Зависимости от времени эксплуатации покрытия (мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I, категория дороги I-A, интенсивность движения >20 тыс авт/сутки) 1 - модуля упругости E,=E,(t), 2 - удельной теплоемкости Сш,= Cm(t), 3 - плотности p,=pi(t)

Анализ характера зависимостей, представленных на рис. 10 (аналогичные зависимости были построены для различных типов и видов асфальтобетона и условий эксплуатации), и сопоставление их с экспериментальными данными и визуальными наблюдениями, позволили сделать следующее заключение время начала выполнения ремонтных работ дорожного асфальтобетонного покрытия определяется моментом потери квазилинейности графиками функции удельной теплоемкости от времени эксплуатации покрытия

На графике 10 это время соответствует 4 годам Примерно это же время соответствует началу интенсивного снижения модуля упругости £=£(/), предельное значение которого, соответствующее требуемому значению модуля по нормативным документам, на рис 10 обозначено прямой пунктирной линией

Указанный момент времени (начало выполнения ремонтных работ) характеризуется, согласно графикам на рис 11, дефицитом свободной энергии Г, ее отрицательным приращением (также аналогичные зависимости были построены для различных типов и видов асфальтобетона и условий эксплуатации)

11 <f

SU, Д*

m » •

5S, Дж/°С

3 "- -

-1 iíf

-з-ю4

• • т • 1

* ■ « • • а • ■ ■ ■ / \ 3 *

/ 2 ■ • • i • • ■ я я • •

4 5 6 время f, годы

Рис 11 Зависимости приращений от времени эксплуатации покрытия (мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I, категория дорога I-A, интенсивность движения >20 тыс авт /сутки) 1 - внутренней энергии 5U, 2 - свободной энергии 8F, 3 - энтропии 5S

Расчеты значений термодинамических функций дорожного асфальтобетонного покрытия основаны на зависимостях этих функций от величины теплоемкости материала покрытия, формулы (50) - (52)

В процессе эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия внутренняя энергия и энтропия его материала возрастают, в частности величина внутренней энергии постоянно увеличивается вследствие кумуляции диссипа-тивной энергии от контакта с колесами автомобилей В то же время свободная энергия, играющая компенсационную роль в различных деформационных процессах при эксплуатации дорожного покрытия, уменьшается

В связи с этим введен коэффициент дефицита свободной энергии к^еф

как отношение модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации (рис 12)

(57)

° ^тах

Введенный коэффициент дефицита свободной энергии рассматривается как нормативный критерий, определяющий срок производства ремонтных работ, то есть момент времени, в который текущее значение к^ф^) становится

больше нормативного значения

Нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии к11 в

деф

свою очередь соответствует моменту нарушения квазилинейности графиков удельной теплоемкости, с этого момента зависимости становятся нелинейными, и определяет начало ремонтных работ

кдеф{()>к11деф (58)

время, годы

Рис 12 Зависимость коэффициента дефицита свободной энергии кцеф от времени эксплуатации покрытия Рассмотрены следующие случаи 1 - крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II (категория дороги I-Б, интенсивность движения 7-10 тыс авт /сутки), 2 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I (категория дороги I-Б, интенсивность движения 15-20 тыс авт /сутки), 3 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги I-A, интенсивность движения >20 тыс авт /сутки), 4 — мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги II, интенсивность движения 5-7 тыс авт /сутки) Для линий 1 и 2 рассчитаны значения нормативного коэффициента

дефицита, равного соответственно £н = 6,4 и ¿н =3,14

деф деф

Анализ построенной имитационной модели термодинамических изменений материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла, позволил разработать методику определения функционального состояния дорожного асфальтобетонного покрытия с целью назначения обоснованный сроков и видов ремонтных работ

В шестой главе приводятся рекомендации по практическому применению термодинамической теории жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия при его проектировании, строительстве и эксплуатации

Показано, что при проектировании необходимо, исходя из категории дороги и проектной интенсивности движения, определиться с типом и маркой асфальтобетона, проектным значением величины удельной теплоемкости асфальтобетона, а также значениями величин энтропии и свободной энергии, которые они приобретут по завершению строительства Делается выбор технологического режима строительства дорожного асфальтобетонного покрытия с высоким коэффициентом технологичности Режим строительства характеризуется в процессе укатки рациональными значениями таких величин, как

— скорость катка,

— давление на асфальтобетонную смесь,

— коэффициент уплотнения

На рис 13 и 14 приводятся рациональные значения этих величин и продолжительности процесса в зависимости от числа проходов дорожного катка

2 ><¡9.

и

е

!»: с: X I <и

X

X о

ё о а о а о

7 \ В \ * >• > > ' . < Э л Ь •

" 4 г Л / Т / * ф О

4 * К ф ¿г ф • * - * 3 \ -

5 6

12 3 4 5 5"

число циклов приложения нагрузки

«О

-и 2 <и

П Щ

Рис 13 Зависимости от числа циклов приложения нагрузки 1 и 2 - рациональных скоростей движения дорожного катка при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно, 3 и 4 - скоростей движения катка при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси, для мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I 5 и 6 — затрачиваемого времени процесса уплотнения на каждом этапе при рациональной скорости движения и традиционной технологии уплотнения, соответственно, 7 и 8 - зависимости суммарного времени (то есть продолжительность всего процесса укатки смеси) для графиков 5 и 6

числи циклов приложения нагрузки

Рис 14 Зависимости от числа циклов приложения нагрузки 1 и 2 - коэффициента уплотнения асфальтобетона (0 9< Ку< 1) при рациональной скорости движения дорожного катка в процессе уплотнения мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно, 5 и 6 - реализуемых при этом величин контактного напряжения, соответственно, 3 и 4 - коэффициента уплотнения асфальтобетона (О 9< Ку<\) при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси, 7 и 8 - реализуемых при этом величин контактного напряжения, соответственно

3 4 5 5

число циклов приложения нагрузки

Рис 15 Зависимости от числа циклов приложения нагрузки 1 и 2 - производительности процесса укатки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно, на рациональных скоростях движения дорожного катка, 3 и 4 - производительности процесса укатки при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси, 5 и 6 - величины абсолютной деформации смеси при рациональной скорости движения и традиционной технологии уплотнения, соответственно

Зависимости изменения энергетических величин энтропии и свободной энергии, величины абсолютной деформации, а также производительности процесса укатки от числа проходов представлены на рис 15 и 16

.0. число циклов приложения нагрузки

Рис 16 Зависимости приращения энтропии (1 - суммарное значение, 2-для каждого цикла нагружения) и свободной энергии (3) от числа циклов приложения нагрузки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа Б, марки I на рациональной скорости движения дорожного катка

^ число циклов приложения нагрузки

Рис 17 Зависимость коэффициента технологичности, представляющим собой отношение технологической компоненты вариации энтропии к ее температурной компоненте, от числа циклов приложения нагрузки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа Б, марки I на рациональной скорости движения дорожного катка 1 - отношение суммарных значений вариации энтропии, 2 - отношение вариаций энтропии на каждом этапе уплотнения

При строительстве покрытия реализуется энергоэффективный режим укатки асфальтобетонной смеси, характеризующийся высоким коэффициентом технологичности(рис 17)

Процесс эксплуатации как этап жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия условно разбит на два подэтапа

- постстроительный (инерционный) период,

— период старения (износа)

По завершению строительства дорожного асфальтобетонного покрытия необходимо определить начальное (исходное) значение базисной величины его материала — удельной теплоемкости Следует также определить начальное значение плотности материала дорожного покрытия и суммарное изменение ровности Значения этих двух величин должны удовлетворять нормативным значениям

Затем, применяя рекомендуемые алгоритмы, вычислить с помощью программного продукта МаШсас1 начальные значения величин, необходимых для мониторинга и прогнозирования состояния покрытия и назначения обоснованных сроков ремонтных мероприятий, или определить эти значения экспериментально Эти значения вносятся также в эксплуатационный паспорт автомобильной дороги

время, годы

Рис 18 Зависимости от времени

1 и 2 - вариации свободной энергии, Дж, 3 и 4 - величины удельной теплоемкости (Дж/(кг °С)) мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А, марки I (категория дороги I-Б) и типа Б, марки I (категория дороги I-А), соответственно, 5 — величина удельной теплоемкости, построенная с учетом реперных точек, 6 и 7 - теоретический и «скорректированный» коэффициент дефицита свободной энергии (на графике - левая шкала, для наглядности изображения значение коэффициента умножено на 103)

ЭУД к

На рис 18 приводятся графики зависимостей удельной теплоемкости и вариации свободной энергии от времени, построенные исходя из начальных значений с учетом реперных точек Введенный коэффициент дефицита свободной энергии рассматривается как нормативный критерий, определяющий срок производства ремонтных работ (58)

Делается заключение о необходимости ремонтных работ, вид и технологические особенности которых определяются после дополнительного визуального исследования и экономических возможностей

Рассмотренные практические рекомендации представлены в сжатой форме, в виде блок-схемы (рис 19)

В качестве критериальной оценки эффективности проектных строительных и ремонтных мероприятий принята удельная себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия в расчете на единицу его объема

к к / к Эпрс + £ ^сод, + 2 Эрем, / £ Ь, , (59)

1=0 1=1 _]/ ¡-О

к к к где ЭуД ^, X > X Эрем, , Х^/ — соответственно, экономическая эффек-1=0 ' 1=1 ' ;=0 тивность, суммарные затраты на содержание, стоимость ремонта и продолжительность жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия до Л-го ремонта, /=1,2, , к, ЭПрС - затраты на проектирование и строительство

При этом общее приращение энтропии после г-го ремонта 8 5, можно вычислить по формуле (значения энтропии берутся по модулю)

£ 5, = [8 - с? 5(,_!)эксп )+ рем, (60)

где 8 З^-^эксп - приращение энтропии при эксплуатации после (/ - 1)-го ремонта, рем - приращение энтропии в результате г-го ремонта

Энергетические затраты при выполнении ремонтных работ не компенсируют в полной мере энергетические потери (приращение энтропии, снижение свободной энергии), которые происходят в процессе эксплуатации, то есть 8 5'(;-1) ^ 3 Б, и 8 5(,_1)эксп > Д5, рем Поэтому введен индекс энергетической

эффективности ремонта как следующее отношение

рем

здесь 11 рем - индекс энергетической эффективности 1-го ремонта

Расчеты показали, что удельная себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия увеличивается пропорционально времени недоремонта

Лрем-т^—:->

Рис 19 Блок-схема практических рекомендаций

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 На основе проведенных исследований получены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в экономику отрасли автомобильно-дорожного строительства, заключающиеся в разработке и обосновании рациональных режимов формирования заданных свойств дорожного асфальтобетонного покрытия и методики эффективной оценки состояния покрытия с учетом динамического воздействия транспортных средств, позволяющих обеспечивать качество покрытия и назначать обоснованные сроки проведения ремонтных работ

2 Анализ и обобщение предыдущих исследований показали, что применение методов механики не позволяет достаточно адекватно описать во времени процессы старения асфальтобетонного покрытия. Системно и комплексно указанные процессы можно интерпретировать на основе термодинамического подхода

3 Разработана термодинамическая концепция процессов строительства и эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия, учитывающая величину работы, совершаемой над асфальтобетонной смесью при устройстве дорожного покрытия рабочими органами уплотняющих средств, и величину работы, совершаемой над дорожным покрытием транспортным потоком с учетом влияния динамических факторов Механическая работа и тепловая энергия, затраченные на строительство дорожного асфальтобетонного покрытия, адекватны отрицательному приращению энтропии его материала Применение термодинамической концепции позволило сформулировать рациональные режимы строительства и обосновать сроки ремонтных работ

4 Предложен аналитический алгоритм определения величины рациональной скорости уплотняющего агрегата, зависящей от физико-механических свойств уплотняемой асфальтобетонной смеси и этапа процесса уплотнения Величина энергии Ж, затрачиваемая на процесс уплотнения асфальтобетонной смеси, представлена как энергетическая функция переменной Ъ - показателя степени уплотняемости (представляющего собой отношение предыдущего значения плотности смеси к текущему), то есть 1¥=ЩЬ), либо переменной Де -величины абсолютной деформации уплотняемого слоя, или Ж=Ж(Ае) Аналитически получена формула, позволяющая определить предельную (нормативную) продолжительность процесса уплотнения, зависящую от реологических, физико-механических и теплофизических свойств уплотняемой смеси

5 Определен энергоэффективный режим уплотнения асфальтобетонной смеси, обеспечивающий качество покрытия при коэффициенте уплотнения равном 1,01 Этот режим характеризуется следующими пределами изменения значений параметров рациональная скорость движения дорожного катка изменяется от 0,58 до 2 м/с, продолжительность каждого этапа уплотнения смеси — от 3,5 до 17 с, величина контактного давления - от 400 до 2850 кН/м2, плотность асфальтобетона в покрытии - от 1700 до 2664 кг/м3, показатель степени уплотняемости смеси - от 0,78 до 0,984, значение абсолютной деформации смеси - от 0,0024 до 0,015 м

6 Построены алгоритмы, позволяющие аналитически вычислить предельное значение коэффициента пластичности дорожного асфальтобетонного покрытия и установить пределы изменения модуля упругости при эксплуатации При заданных условиях (средние, наиболее вероятные значения) получено, что предельное значение коэффициента пластичности равно конкретному числу 2,745 Доказано, что числовое значение величины коэффициента пластичности может служить критериальным показателем предельного состояния дорожного покрытия Установлено изменение модуля упругости материала покрытия в допустимых пределах от 1785 до 3846 МПа

7 Установлены следующие зависимости

- между удельной теплоемкостью, модулем упругости и плотностью материала дорожного покрытия,

- величин плотности и модуля упругости материала дорожного покрытия от времени эксплуатации,

- коэффициента сцепления и величины продольной ровности дорожного покрытия от коэффициента пластичности и величины удельной теплоемкости,

- вариации энтропии материала дорожного покрытия от его функционального возраста,

- сезонного изменения температуры материала дорожного покрытия,

- характера изменения процесса деформирования дорожного покрытия от времени эксплуатации,

- термодинамических функций материала дорожного покрытая от величины удельной теплоемкости

8 Экспериментально определены значения удельной теплоемкости материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла и установлены закономерности изменения величины удельной теплоемкости во времени для различных типов и видов асфальтобетона Пределы удельной теплоемкости от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг К), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и тапа асфальтобетона Анализ характера полученных зависимостей и сопоставление их с экспериментальными данными и визуальными наблюдениями позволили сделать

следующее заключение, время начала выполнения ремонтных работ дорожного асфальтобетонного покрытия определяется моментом утраты квазилинейности графиками функции удельной теплоемкости от времени эксплуатации покрытия

9 Разработан математический аппарат имитационной модели термодинамических изменений материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла Имитационная модель позволяет определять функциональное состояние дорожного покрытия в любой момент времени Базовым параметром, связанным с другими ключевыми величинами функциональными зависимостями, является удельная теплоемкость материала дорожного покрытия

10 Установлено, что момент времени начала выполнения ремонтных работ характеризуется дефицитом свободной энергии, ее отрицательным приращением Введенный коэффициент дефицита свободной энергии, равный отношению модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации, рассматривается как нормативный критерий, определяющий срок производства ремонтных работ Нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии получено в пределах числовых значений от 3 до 6, в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона

11 Выполнение технологических условий, при которых реализуется энергоэффективный режим укатки асфальтобетонной смеси, обеспечивает высокое качество дорожного асфальтобетонного покрытия, при этом

- экономится время процесса укатки на 8 — 9 %,

- повышается производительность на 28 - 32 %,

- снижается удельная энергоемкость на 7 - 8 %,

- создается запас свободной энергии, компенсирующей различные де-формативные изменения дорожного асфальтобетонного покрытия на этапе эксплуатации

12 Разработаны и внедрены практические рекомендации для обоснованного выбора рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии на этапах проектирования и строительства с учетом потребительских свойств дорожного покрытия при эксплуатации Практические рекомендации явились основой для создания региональных нормативных документов

13 Показано, что удельная себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия увеличивается пропорционально времени недоремонта Экономический эффект при выполнении обоснованных ремонтов и содержания дорожного покрытия равен 542,75 руб /м2 Расчетный годовой экономический эффект только для дорог федерального значения Омской области составил 6018 млн рублей (в ценах 2008 г)

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Завьялов М А Исследование удобоукладываемости асфальтобетонной смеси // Тезисы докладов Междун науч конф Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно-педагогические технологии-Омск Изд-во СибАДИ, 2000 -Т2 -С 27-28

2 Завьялов М А Экспериментальное исследование операции укладки асфальтобетонной смеси И Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций - 2001 -№1 -С 74-76

3 Завьялов М А Определение удобоукладываемости асфальтобетонной смеси на основе исследования операции укладки // Сб тр Всероссийской науч -практ конф Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них - Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2001 -С 186-189

4 Завьялов М А (в соавторстве) Анализ энергозатрат при укладке асфальтобетонной смеси // Строительные и дорожные машины -2001 -№5 -С 15-18 *'

5 Завьялов МАО взаимосвязи удобоукладываемости асфальтобетонной смеси с энергоемкостью операции по ее укладке // Известия вузов Строительство -2001 -№6 -С 74-77 *>

6 Завьялов М А (в соавторстве) Влияние удобоукладываемости асфальтобетонной смеси на энергоемкость процесса уплотнения // Строительные и дорожные машины -2002 -№1 -С 14-16 *>

7 Завьялов М А Оценка эффективности использования удобоукладываемых асфальтобетонных смесей в процессе строительства покрытий // Наука и техника в дорожной отрасли -М Изд-во «Дороги», 2002 -№1 -С 26-27

8 Завьялов М А Влияние технологических свойств асфальтобетонной смеси на процессы укладки и уплотнения // Матер Междун науч конф студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» Вып 7 -М Изд-во МГУ, 2002 -С 155-156

9 Завьялов М А Удобоукладываемость асфальтобетонных смесей в процессе строительства покрытий // Вопросы фундаментостроения и геотехники Сб науч тр -Омск Изд-во СибАДИ, 2002 -С 108-120

10 Завьялов М А (в соавторстве) Возможная реологическая модель релаксации асфальтобетонной смеси при уплотнении // Строительные и дорожные машины - 2002 -№7 - С 25-26 *>

11 Завьялов М А (в соавторстве) Аналитическое условие рациональной скорости движения дорожных катков при уплотнении асфальтобетонной смеси И Строительные и дорожные машины -2002 -№9 -С 44-45

12 Завьялов М А Энергетическая функция процесса уплотнения асфальтобетонной смеси//Строительные и дорожные машины -2003 -№3 -С 19-21

13 Завьялов М А Принцип обеспечения удобообрабатываемости асфальтобетонной смеси // Известия вузов Строительство - 2003 - №6 - С 79-82 *'

14 Завьялов М А Реализация релаксационных свойств асфальтобетонной смеси при уплотнении // Зимняя школа по механике сплошных сред (тринадцатая) Тезисы докладов - Пермь Институт механики сплошных сред У рО РАН, 2003 -С 160

15 Завьялов М А Разработка алгоритма технологических операций для автоматизированного уплотнения асфальтобетонной смеси // Матер Междун науч -практ конф Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура. -Омск Изд-во СибАДИ, 2003 -Книга2 - С 99-101

Здесь и далее публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

16 Завьялов М А (в соавторстве) Влияние скорости движения дорожных катков на величину контактных напряжений при уплотнении асфальтобетонной смеси // Строительные и дорожные машины -2003 -№9 - С 22-23 *'

17 Завьялов М А (в соавторстве) Техногенный подход к процессу устройства асфальтобетонных покрытий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века.-2003 -№11 -С 16-17 *>

18 Завьялов М А Закономерности остывания асфальтобетонного слоя и их связь с продолжительностью процесса уплотнения // Механизация строительства - 2004 - №2 -С 17-18 ''

19 Завьялов М А (в соавторстве) Зависимость межремонтных сроков службы асфальтобетонного покрытия от вариации энтропии в процессе строительства // Известия вузов Строительство -2004 -№9 -С 70-73 *'

20 Завьялов М А (в соавторстве) Процесс устройства асфальтобетонного дорожного покрытия и метод термодинамических потенциалов Гиббса // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2004 -№9 - С 67 *'

21 Завьялов М А Термодинамические аспекты устройства и старения асфальтобетонных покрытий // Вестник СибАДИ - Омск Изд-во СибАДИ - Вып 2 - 2005 - С 61-62

22 Завьялов М. А (в соавторстве) Энергетический баланс дорожного покрытия // Известия вузов Строительство -2005 -№6 -С 61-64 *'

23 Завьялов М А (в соавторстве) Определение значения коэффициента пластичности дорожной одежды//Известия вузов Строительство -2006 -№1 -С 76-79 *'

24 Завьялов М А (в соавторстве) Алгоритм определения термодинамических потенциалов дорожной одежды // Строительные материалы —2006 -№1 -С 50-51 *'

25 Завьялов М А Коэффициент диссипативности системы «дорожное покрытие -транспортное средство» // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века.-2006 -№1 -С 81 *>

26 Завьялов М А (в соавторстве) Связь вариации энтропии с функциональным возрастом дорожной одежды//Транспортное строительство -2006 -№4 - С 20-21 *'

27 Завьялов М А (в соавторстве) Математическая модель изменения объемной теплоемкости дорожной одежды с асфальтобетонными покрытиями в процессе эксплуатации//Омский научный вестник -Омск Изд-воОмГТУ -2006 -№1 -С 51-52

28 Завьялов М А В развитие теории долговечности дорожного асфальтобетонного покрытия // Тр Всероссийской науч -техн конф «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века - Омск СибАДИ, 2006 -С 126-128

29 Завьялов М А (в соавторстве) Зависимость термодинамических функций дорожной одежды от величины теплоемкости // Вестник МАДИ (ГТУ) - 2006 - Вып 7 -С 47-48 '»

30 Завьялов М А Некоторые закономерности процесса деформирования дорожного покрытия Н Известия вузов Строительство - 2007 - №1 - С 94-97 *'

31 Завьялов М А (в соавторстве) Закономерности распределения тепловой энергии в процессе деформирования дорожного покрытия // Транспортное строительство -2007 -№2 -С 18-19 *»

32 Завьялов М А Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия Монография - Омск СибАДИ, 2007 - 283 с

33 Завьялов М А Функциональное состояние дорожного асфальтобетонного покрытия И Известия вузов Строительство -2007 -№6 -С 92-97

Подписано в печать 25 06 2008 г Формат 60x84 1/16 Уч изд л 2,75 Тираж 110 зкз Заказ № 368

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» 644050, г Омск, пр Мира, 11 А, тел (3812)65-23-73 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21 04 97

тр =т0 ехр

0-уст кТ

1.68) ер =£0 ехр

С Т Т \ уст-ио кТ

1.69)

В уравнениях (1.68) и (1.69) и = £/0 - уст имеет смысл энергии активации процесса разрушения; £/0 - представляет собой начальную энергию активации процесса разрушения при о = 0; т0 - параметр, совпадающий по величине с периодом собственных тепловых колебаний атомов твердого тела; а - напряжение материала, обусловленное механической нагрузкой; у - структурный коэффициент, определяющий степень уменьшения начального энергетическовследствие больших значений величины а). В то же время покрытия из материалов на основе органических вяжущих (вследствие меньших значений а) значительно лучше противостоят воздействию случайных перегрузок. Наряду с этим повторная нагрузка вызывает более быстрое накопление пластических повреждений в покрытиях из материалов на основе органических вяжущих. Следует отметить, что в ряде работ применение получила эмпирическая связь между долговечностью асфальтобетонов г и величиной постоянно действующего напряжения а [259, 274]: т = Аст-1/ь, (1.78) где А - постоянная зависящая от структуры материала; Ъ — показатель, характеризующий пластичность асфальтобетона (0<6<1).

Воздействие потока автомобильного транспорта на покрытие в течение всего срока службы является одним из важнейших эксплуатационных факторов. В результате движения автомобилей покрытие подвергается многократным циклическим деформациям, приводящим к развитию в материале покрытия, как формулирует А. В. Руденский, явлений усталости. Эти явления характерны для всех материалов, которые используются при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд [234]. А. В. Руденский предлагает оценивать усталостную долговечность асфальтобетона. Автор пишет [309]: «явление усталости заключается в развитии постепенных изменений структуры материала, начиная с роста микродефектов и кончая образованием трещин под действием многократно прилагаемых напряжений».

На практике, как правило, проводят испытания на прочность при возрастающем напряжении и фиксируют максимальное напряжение, достигнутое в момент разрушения, которое называют пределом прочности, или просто прочностью. Определяемый таким образом показатель прочности зависит от скорости роста напряжений, то есть от скорости деформирования и соответственно длительности пребывания материала покрытия в напряженном состоянии. Влияние скорости деформирования на характеристики прочности покрытия весьма существенно, поэтому важно, чтобы режим испытания соответствовал эксплуатационным условиям работы дорожного покрытия.

Для оценки сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий А. М. Богуславский предложил кинетическую характеристику, обозначаемую индексами Р\/Р2 и представляющую собой совокупность основных реологических свойств асфальтобетона [44]:

Р1 -2в + Л + 2вЛ^((2в + Л)/2вЛ)2 - ((9Л)~1 — =-1 > (1.80)

2 - 26> + Я - 2вЦ{(2в + Л)/2вЛ)2 - (вЛ)' где 0 - время релаксации напряжений, сек; Л - время ретардации деформации, сек. Величина Р\ характеризует скорость убывания относительной жесткости. Чем меньше Р\, тем дольше сохраняется жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям, и тем меньшая будет достигнута деформация в момент разрушения. Величина Р2 характеризует скорость роста упруго-вязкой деформации, и в частности, скорость включения упругой составляющей. Чем больше Р2, тем скорее включается упругая составляющая деформации, и тем дольше материал работает в упругой зоне. А. М. Богуславский пишет [44]: «для того, чтобы асфальтобетон при отрицательной температуре был трещиностойким, он должен быть максимально вязко-упругим, а не жестким. Чтобы асфальтобетон при высокой температуре не изменял свою форму в условиях эксплуатации, он должен быть максимально жестким». Предельные значения кинетической характеристики Р\/Р2, которую автор предложил называть показателем деформативности, при высокой и низкой температурах соответствуют оптимальным значениям параметров механических свойств асфальтобетона. Для определения показателя деформативности при +50 и — 10°С выполняют дополнительные операции при испытании образцов асфальтобетона при сжатии.

Анализируя характер разрушения асфальтобетона, Л. С. Губач показывает, что в зависимости от фактора времени, скорости нагружения или деформирования, для одного и того же материала возможен различный механизм разрушения [98, 100]. Так при малых скоростях деформирования главной особенностью процесса является постепенное накопление внутриструктурных разрушений, сопровождающихся развитием пластических деформаций. При больших скоростях деформирования асфальтобетон разрушается хрупко с минимальными деформациями, а при средних скоростях - решающее влияние оказывают релаксационные процессы. Соответственно, для первого случая более приемлемым представляется деформационный критерий (например, предельная относительная деформация), для второго - силовой (например, предельное напряжение при больших скоростях), а в третьем случае в качестве критерия должен использоваться показатель, учитывающий релаксационные эффекты. Л. С. Губач заключает: «физической величиной, связывающей воедино деформационные, силовые показатели и время является энергия или ра

В 1980 г. в статье «К вопросу долговечности материалов с позиций термодинамики необратимых процессов» Е. С. Переверзев пишет [269]: «для обоснованного назначения режимов ускоренных и эквивалентных испытаний, а также для разработки методов прогнозирования долговечности на большие сроки целесообразно, чтобы эти модели были связаны с основными параметрами, характеризующими протекание определяющих физико-химических процессов. По-видимому, в настоящее время в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют термодинамические методы. Именно термодинамический подход обладает наибольшей общностью и в то же время позволяет выразить термодинамические характеристики через конкретные физические параметры».

Как известно, моменту отказа любого технического устройства предшествуют необратимые изменения. Накопление необратимых изменений можно описывать термодинамическим параметром - энтропией. В общем случае изменение энтропии определяется как ds-dse+dsf, (1-87) где dse - изменение энтропии, обусловленное обменом с окружающей средой; dS{ - производство энтропии, вызванное необратимыми процессами внутри системы. Величина ds^/dt, здесь t - время, является скоростью накопления необратимых изменений. Поэтому, Е. С. Переверзев предлагает через данную величину выражать скорость накопления повреждений. При вероятностном описании процесса разрушения наиболее полной его характеристикой является вероятность безотказной работы P(t).

В некоторых работах рассматривается критическая величина энтропии 5кр, представляющая собой произведение средней скорости роста энтропии на среднее время безотказной работы [269]. В общем случае sKp равно математическому ожиданию приращения энтропии, обусловленного протеканием необратимых процессов. По мнению некоторых исследователей, параметр sKp представляет собой константу материала. Оценку этого параметра производят по следующей формуле [269]:

- создание методики эффективного прогнозирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на любом этапе его жизненного цикла с учетом динамического воздействия транспортных средств;

- экспериментальная апробация и внедрение используемых методов диагностирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия.

Выход подразумевает:

- алгоритм, впервые позволяющий аналитически определить предельное значение коэффициента пластичности дорожной одежды, а также проследить динамику накопления остаточной деформации в зависимости от числа нагру-жений и значения величины упругой деформации;

- методику эффективного прогнозирования состояния дорожного асфальтобетонного покрытия на любом этапе его жизненного цикла с учетом динамического воздействия транспортных средств. Методика позволяет назначать обоснованные межремонтные сроки службы дорожных покрытий и типы ремонтных работ.

Метод математического моделирования позволяет формализовать объект исследования, создав его модельное описание в виде совокупности математических объектов и их взаимосвязей. Анализ математических моделей дает возможность проникнуть в сущность изучаемых явлений [46]. Таким образом, математическое моделирование является методической основой настоящей работы и позволяет решать поставленные в ней задачи.

Основные этапы достижения поставленных в работе задач представлены на рис. 2.2. Функциональная схема исследования содержит реализацию последовательности, использованной в ходе выполнения научной работы: задача -методика - результат.

В то же время, методология системного анализа предполагает комплексный подход в научных исследованиях и в решении поставленных задач. Применительно к данной работе, комплексный подход обусловливает необходимость проведения экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математических моделей. Математическая модель - это приближенное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженная с помощью математической символики [267]. Анализ математических моделей позволяет проникнуть в сущность изучаемых явлений. ни уплотняемости играет важную роль при определении удобоукладываемости асфальтобетонной смеси, а, как известно, операция укладки предшествует операции уплотнения, остановимся на показателе степени уплотняемости смеси - bt.

Применяя формулы (ЗЛО) и (3.12) и выражая модуль упругости через величину bh получим

Ei^TolaQ-bi)]-1. (3.49)

Воспользовавшись формулой (3.12), получим для /-ого прохода

A Si =ha{\- b¿). (3.50)

Время (продолжительность) ti прохода определим как отношение величины Li, которую можно считать константой к величине 3, то есть ti=Li/&Pi. (3.51)

Величина &р. - являясь решением уравнения (3.45), также выражается через b¡. В свою очередь, как показано выше

E^Ci+D^, (3.52) где Ci и Д - величины, зависящие от bt. Тогда из формулы (3.49) получим зависимость т0 также от величины b¡ т0.=Е&(1-Ь). (3.53)

Наконец, связь величин B¡ и bi найдем, воспользовавшись формулами (3.17) и (3.26)

3.54) du¿ = 2Rt arceos (l - ha{ 1 - b¿)R), (3.55) здесь R¡ - радиус вальца, dui - длина дуги окружности вальца, которая погружена в смесь при контакте, Qi - вес катка, приходящийся на валец. Действительно, установив, например, зависимость между величинами абсолютной деформации и контактных напряжений в режиме нагрузка-разгрузка, при соблюдении релаксационного периода для данного типа смеси можно, реализуя полученные здесь зависимости, определить технологические параметры процесса уплотнения, энергоемкость уплотнения при каждом проходе катка, а также энергоемкость операции уплотнения в целом.

Ниже на распечатках (с. 271 - 274):

Е - модуль упругости слоя дорожного асфальтобетонного покрытия; 11 -толщина слоя покрытия; Ст - значение удельной теплоемкости асфальтобетона; р - плотность асфальтобетона; к - коэффициент кт, у, t - время; Мр - суммарное расчетное число приложений нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы дорожной одежды; Е1 - значение минимального требуемого общего модуля упругости конструкции.

Расчетные данные для рис. 5.6 (с. 210):

Е := 2р

§-Ь - к

I := 0.

§ := 9.

0 3.846*

3.796'Ш

3.562*

3.111*

2.753*

5 2.33

1.502*

17.' 926.

8 298.

41 0.

01 1.071*

1 1.065* щ. 1.074*

13:1 1.099* щ 1.14* ш 1.196* м 1.268* т 1.356*

Ж 1,459*

0 2.45*103 0 0.

Ш: 2.55*103 1 0. т 2.5*103 2:: 0.

2.45*103 .3. 0.

4° 2.4*103 4 0.

Ш 2.35*103 5 0.

6 2.3*103 6 0.

7 2.25*103 ;7 0.

8 2.2*103 8 0.

Нр 0.7-10000

1 *) 1 1п « (л

Кр - 1.186 х 9S.65llogvl.lS6 х 10 ,10. Ег = 347.