автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров машин и технологических режимов строительства дорожных одежд с повторным использованием материалов реконструируемых дорог Казахстана

УДК 625.7.08.002.5

На правах рукописи

»V* о»

.»л» «а»

ЛСМАТУЛАЕВ БОРИС АЙСАЕВИЧ

Обоснование параметров машин и технологических режимов строительства дорожных одежд с повторным использованием материалов реконструируемых дорог Казахстана

05.05.04 - дорожные и строительные машины 05.23.11 - строительство автомобильных дорог и аэродромов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Республика Казахстан Алматы 1998

Работа выполнена в Казахской Академии транспорта и коммуникаций и Казахском дорожном научно-исследовательском институте «КаздорНИИ»

Научные консультанты: - доктор технических наук, профессор,

академик Международной Академии транспорта Р.А.Кабашев - доктор технических наук, профессор, академик Академии транспорта РФ, В.В.Сильянов

Официальные оппоненты: -доктор технических наук, профессор

Н.В.Горелышев

-доктор технических наук, профессор

A.C.Кадыров

-доктор технических наук, профессор

B.Н.Шестаков

Ведущая организация - Государственный дорожный научно- исследовательский и проектный институт СОЮЗДОРНИИ (г.Балашиха, Московская обл.)

Защита состоится «26 » ноября 1998г в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 14.11.01 при Казахской Академии транспорта и коммуникаций по адресу: 480012, г. Алматы, ул. Шевченко, 97, ауд.237 (ФПК)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Каз АТК.

Отзывы в 2х экз. с подписью, заверенной печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета. Телефон/факс 8(3272) 320 290

Автореферат разослан « £0 » 1998 г.

Ученый секретарь Совета, кандидат технических наук, доце

М.С .Кульгильдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По данным Мингранскома в Казахстане более 70% автомобильных дорог республиканского значения с асфальтобетонным покрытием не удовлетворяют требованиям транспортного движения и подлежат реконструкции, а это свыше 35 тыс. км дорог, на что потребуется 50-60 млн. тонн асфальтобетона. Для восстановления работоспособности автомобильных дорог в Казахстане в основном необходима реконструкция самого материалоемкого конструктивного элемента дороги - дорожной одежды, так как земляное полотно, согласно ранее принятого стадийного метода строительства дорог, возводилось с учетом дальней перспективы, строительство дорожной одежды производили под фактическую нагрузку с постепенным наращиванием слоев. При этом традиционным было проведение ямочного ремонта покрытия с перекрытием его новым слоем асфальтобетона. В результате чего в нижних слоях покрытий автомобильных дорог находится свыше 150 млн. тонн асфальтобетона в качестве бесполезного балласта, а объемы каменных материалов подстилающих слоев и оснований превышают указанное в 2-3 раза. Поэтому в условиях постоянного нарастания дефицита и стоимости дорожно-строительных материалов при строительстве и реконструкции автомобильных дорог необходимо ориентироваться на создание не-материалоемких и неэнергоемких технологий с использованием имеющихся резервов. Отсутствие эффективных машин, оборудования и недостаточная изученность технологии строительства с повторным применением материалов реконструируемых дорог, является основной причиной их невостребованности производством.

В мировой практике ограничивается повторное использование асфальтобетона старых покрытий в пределах 20-30% в новых смесях из-за невозможности полного восстановления его свойств органическими добавками. Одной из основных причин является несовершенство используемых механизмов для вскрытия покрытия и дробилок для измельчения асфальтового лома, которые не обеспечивают сохранение однородности получаемого материала. До сих пор не находят широкого применения и каменные материалы нижних слоев оснований дорожных одежд, состоящих, в основном, из щебе-ночно- и гравийно-песчаных материалов, из-за нарушения их кондиционности в процессе длительной эксплуатации дороги.

Наиболее перспективным технологическим решением для получения качественных дорожно-строительных материалов из асфальтового лома и некондиционных каменно-песчаных смесей является обработка их медлетют-вердеющими неорганическими вяжущими из вторичных продуктов и отходов промышленности, таких как фосфорных и доменных шлаков, бокситового шлама, золы и золошлаковые смеси ТЭЦ, фосфогипса, цементная пыль и др.

Очевидно, что для восстановления всей сети автомобильных дорог Казахстана при минимуме затрат на топливно-энергетические и материальные ресурсы, необходимо повторно использовать всю массу материалов дорожных одежд, запасы которых достаточны.

Следовательно, акпуалыю решение комплексной проблемы:

- обоснование параметров и создание новых рабочих органов для совер шенствования машин и оборудования, обеспечивающих получение однородных смесей при вскрытии и переработке материалов реконструируемых покрытий и оснований;

- обоснование и разработка технологических режимов реконструкции дорожных одежд из органоминеральных и обработанных материалов с тиксо-тропными свойствами длительного действия, приготовленных на основе повторного использования смесей с разработкой составов и технологии производства медленнотвердеющих вяжущих на основе отходов и побочных продуктов промышленности Казахстана,

На современном уровне развития экономики Казахстана решение этой комплексной проблемы также имеет важное значение для рационального и эффективного использования инвестиционных средств и дорожного фонда для строительства современных международных автомобильно-дорожных маршрутов (коридоров «Европа-Кавказ-Азия»- ТЯАСЕСА) и удовлетворения спроса на автомобильные перевозки.

Научной гипотезой являются две взаимоувязанные идеи:

- в новом подходе к обоснованию параметров машин для повторной переработки материалов реконструируемых дорог, позволяющего в отличие от сложившегося, получить готовый полуфабрикат дорожной смеси с заданными физико-механическими свойствами;

- в прогнозировании технологических режимов строительства дорожных одежд из медденнотвердеющих органоминеральных и обработанных смесей на основе полуфабриката, позволяющих снизить стоимость и продлить сезон строительства за счет новых способов повышения прочностных свойств по сравнению с традиционными.

Цель и задачи исследования. Главной целью исследования является обоснование технических и технологических решений по восстановлению прочностных свойств материалов всех конструктивных слоев дорожных одежд для их повторного применения при реконструкции автомобилыю-дорожной сети, совершенствование и создание новых рабочих органов машин, взаимоувязанных с технологией, рациональное использование отходов производства с решением народно-хозяйственной и экономической проблем.

Для реализации этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработать технологическую карту взаимодействия комплекса дорожно-строительных машин и оборудования при реконструкции дорожных одежд с повторным использованием материалов реконструируемых дорог;

- обосновать параметры машин для вскрытия покрытий и оснований дорог с получением кускового асфальтового лома;

- обосновать технологические режимы и параметры дробилки доя измельчения асфальтового лома с разработкой принципиально нового рабочегс органа, обеспечивающего получение готового полуфабриката дорожной сме си;

- исследовать технологические режимы работы смесительных устано-ри производстве органоминералышх и обработанных дорожных смесей льного тиксотропного действия на основе повторно используемых малое с разработкой новых составов и способов регенерации;

- обосновать технологические режимы машин и механизмов при транс-[ровке, укладке, уплотнении дорожных смесей, работ по уходу за свеже-:нным слоем с разработкой новых способов строительства;

- теоретически обосновать технологические режимы строительства до-ах одежд с использованием материалов, обработанных медленнотвер-;ими вяжущими с учетом круглогодичного производства работ в услови-захстана; разработать новые составы вяжущих, приемлемые для дорож-лроительства с обоснованием технологии, выбора машин и оборудова-пя производства;

- проверить практическую возможность реализации опытных образцов н, предложенных способов и методик, а также технологических реше-1кспериментальных исследований при реконструкции и строительстве обильных дорог, подтвердить достоверность теоретических положений, Зотанных в исследованиях.

Методологической базой теоретического и экспериментального ис-ваний является системный анализ, включающий элементы анализа и за, математическую статистику с программной обработкой на ЭВМ, ме-физико-химических исследований с использованием теоретических по-:ий фундаментальной науки в области химии цемента, а также экспери-льных исследований на опытных образцах натурных машин и опытных сах автомобильных дорог.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны теоретические основы и математические модели для ования параметров машин и технологического оборудования, необхо-о для вскрытия асфальтобетонного покрытия, нижних слоев оснований горной переработки материалов с получением готового полуфабриката :ной смеси;

- разработана классификация технологии и техники, позволившая уточ-технологическую карту взаимодействия комплекса дорожно-

гельных машин и оборудования при реконструкции дорожных одежд с эным использованием материалов;

- выявлена закономерность изменения технологического режима при-гения медленнотвердеющих обработанных смесей в различных смеси-»IX установках с добавкой поверхностно-активных веществ, обеспечи-1я получение гарантированного качества материалов;

- разработаны теоретические основы по технологическому режиму вос-шения работоспособности слоев дорожных одежд с повторным исполь-ем материалов. Выявлены закономерности формирования структуры

медленнотвердеющих вяжущих, позволившие обосновать технологичен особенности круглогодичного строительства с учетом климата Казахстан!

- разработаны математические модели для определения компонент! содержания медленнотвердеющих органоминеральных и обработанных териалов на основе измельченного асфальтобетонного лома ( полуфабр) та) и различных каменных материалов, позволяющие восстановить раб( способность слоев дорожных одежд реконструируемых дорог;

- предложены математические модели и методики для прогнозир' ния затрат времени на отдельные технологические операции при строит« стве дорожных одежд из медленнотвердеющих материалов с учетом те> ратуры воздуха, влажности смеси и других факторов;

- дополнена классификация обработанных материалов с учетом ф) ко-механических свойств и сроков твердения разработанных орп минеральных и обработанных медленнотвердеющих материалов;

- выявлены и описаны закономерности процесса помола и получе медленнотвердеющих вяжущих в различных мельницах, позволившие у новить технологические режимы производства вяжущих.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и метров средств механизации с созданием опытно-промышленных образ машин и оборудования, а также технологических режимов строительства рожных одежд с повторным использованием материалов /, реконструируемых дорог с разработкой необходимой технической и но| тивно-технической документации для широкого производственного исго зования, имеющих важное значение для технологического развития дор ного строительства Казахстана.

Реализация работы. Результаты теоретических и эксперименталь; исследований реализованы при строительстве автомобильных дорог в Ка стане протяженностью более 650 км путем использования 25 норматив; документов при проектировании и строительстве дорог, разработанных руководством соискателя для условий Казахстана и СНГ:

1. Строительные нормы «Инструкция по строительству дорож; одежд из местных материалов, укрепленных вяжущим на основе зол у! тепловых электростанций»: ВСН 24-90 / Алматы,1991, 51 с.( взамен ВСН 85, разработанного под руководством соискателя)

2. Строительные нормы РК 2.7.8-96 «Инструкция по производств применению черного щебня из асфальтобетонного лома и приготовле! асфальтобетонных смесей на его основе»: СН РК В.2.7.8.-.96 / Минтранс! Алматы, 1996, с. 13

3. Технические условия 218 РК 167-96 «Смеси асфальтобетонные и; измельченного асфальтобетонного лома с органическими добавками» / Минтранском РК, Алматы, 1996, с. 15

4. Технические условия 218 РК 166-96 «Черный щебень из измель1 ного асфальтобетонного лома» / Минтранском РК, Алматы,1996, с.8

5.Республиканский стандарт СТ РК 973-94 «Материалы каменные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства»/ Госстандарт РК, Алматы,1994, с.8

6. Методические рекомендации по применению вяжущих на основе бокситового шлама для укрепления грунтов и каменных материалов./ Минав-тодор КазССР, Алма-Ата 1987, с. 15

7.Технические условия 218 Каз.ССР 3.1.13-91 «Смеси асфальтобетонные дорожные с применением бесцементных вяжущих.» / Минавтодор Каз.ССР, Алма-Ата, 1991, с.13

8. Технические условия 218 РК 164-95 « Смеси из измельченного старого асфальтобетона с добавками минеральных вяжущих». / Госстандарт РК, Алматы, 1995, с.13

9. Республиканский стандарт СТ РК 781-93 «Шлаковые вяжущие, для дорожного строительства» / Госстандарт РК, Алматы,1993, с. 14 (взамен РСТ 781-84, разработанного под руководством соискателя)

-.^.Строительные нормы «Инструкция по применению в дорожном строительстве минеральных материалов, укрепленных шлаковыми вяжущими» : ВСН 37-93 (на казахском и русском языках) / Минтрансстрой РК, Алматы,1993, с. 14 (взамен ВСН 37-86, разработанного под руководством соискателя)

Ряд документов разработаны с участием соискателя для условий дорожного строительства в странах СНГ:

1. «Методические рекомендации по строительству оснований и покрытий дорожных одежд из щебеночных, гравийных и песчаных материалов, обработанных неорганическими вяжущими» / Минтрансстрой СССР, Союздор-нии, М.1985,с.156

2. Пособие по строительству, покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов из грунтов, укрепленных вяжущими материалами, (к СНиП 3.06-88 и СНиП 3.08.03-85) /. Минтрансстрой, М.1988, с. 200 ,

3. «Методические рекомендации по укреплению грунтов и других материалов медленнотвердеющими вяжущими при пониженных положительных и отрицательных температурах»/ Минтрансстрой СССР, Союздорнии, М. 1985, с.ЗЗ

4. «Методические рекомендадии по применению фосфодигидрата сульфата кальция при строительстве автомобильных дорог» /. Союздорнии, М.1989, с.44

5.ГОСТ 23558 Материалы нерудные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими для дорожного строительства.Технические условия /Госстрой СССР, М.,1992, с. 22

Результаты исследований используются также в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 4310 «Строительство автомобильных дорог и аэродромов», «Строительные и дорожные машины в КазАТК», .а также специалистов в ЙПК Мишранскома РК

На защиту выносятся следующие основные положения:

-теоретические основы и математические модели по обоснованию параметров машин для разрушения, вскрытия покрытия и дробления асфальтового лома;

-теоретические основы по обоснованию технологических режимов строительства дорожных одежд с повторным использованием измельченного асфальтового лома и каменных материалов нижних слоев, обработанных безобжиговыми медленнотвердеющими вяжущими;

-принципиально новые конструкции вальца кулачкового катка для разрушения покрытия и валковой дробилки для измельчения асфальтового лома, созданные на основе теоретических разработок, оригинальность которых подтверждена патентами и изобретениями ( № 870564, № 960315.1, № 980641.1);

- результаты экспериментальных исследований по отработке технологических режимов при приготовлении дорожных смесей в смесительных установках, уплотнении уложенных смесей, выполнении работ по уходу за материалом и по повышению сцепления слоев дорожной одежды, имеющие патентную новизну (№1578242, №1615271, №1784707, Пат. РК №4006 и №6371)

-результаты экспериментальных исследований по уточнению технологических режимов работы различных мельниц для получения требуемой тонкости помола безобжиговых вяжущих и гидравлической активности;

-результаты экспериментальных исследований процессов струкгурооб-разования новых безобжиговых вяжущих с уточнением вещественного состава новообразований в условиях круглогодичного дорожного строительства, новизна которых защищена авторскими свидетельствами (№1518317, №1728177 и №1273342)

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментами на натурных опытно- промышленных образцах машин, а также использованием методов математического анализа и математической статистики при обработке данных научных положений. В области технологии дополнительно подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях твердения цемента и результатах физико-химических исследований процессов структурообразова-ния, используемых медленнотвердеюших вяжущих с подтверждением данных на широком опытно-промышленном внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Союздорнии (1980, 1981,1984, 1986, 1987 гг.), МАДИ (1989 гг.), СИБАДИ (1986, 1987, 1998 гг.), КАСИ (Бишкек-1997, 1998 гг), КазАТК (Алматы- 1996,1997,1998 гг.) КазПТИ (Алматы-1978, 1979), БГТАСМ (Белгород- 1997г.), на YTI Всесоюзном совещании по основным направлениям НТП в дорожном строительстве (Москва, 1981), на Всесоюзной научно-технической конференции (г.Владимир, 1987, 1988, 1991), на

Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам дорожного строительства (Алматы, 1992) и расширенном научном семинаре объединенных кафедр С ДМ и ПСЭАД КазАТК, Каз ПТУ, КаздорНИИ и Каз ГАСА (Алматы, 1998) Результаты работы отмечены ВДНХ СССР бронзовой и двумя серебряными медалями (1989,1990 г.).

Результаты работ были представлены на международных выставках, ежегодно проводимых на республиканской выставке РК «Атакент»: Казах-стан-95, «Транзит»-96, 97, 98 (1996-1998 гг.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 80 работ , кроме того под руководством соискателя написано 60 депонированных научно-исследовательских отчетов и издано с его участием 25 нормативно-технических документов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 470 страницах, включает 45 рисунков, 46 таблиц и список литературы 210 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы совершенствования средств механизации для вскрытия, повторной переработай и использования материалов асфальтобетонных покрытий и песчано-щебеночных (гравийных.) оснований при реконструкции дорог Казахстана

В первой главе показано, что применение обработанных материалов и укатываемых бетонов, получаемых на основе неорганических вяжущих, способствует повышению прочности и долговечности конструктивных слоев дорожных одежд. Эффективность применения этих материалов доказана и обобщена в работах Н.Н.Иванова, С.В.Шестоперова, В.М. Безрука, Н.В.Горелышева, А.Я.Тулаева, М.Г.Грушко, В.М.Могилевича, М.Н.Першина, Ю.М.Васильева, Б.С.Марышева, В.М.Юмашева, Н.Л.Гурячкова,

A.В.Линцера, В.С.Исаева, А.М.Шейнина, В.И.Коршунова, Б.В.Белоусова,

B.Н. Шестакова, В.СДветкова, СГ.Фурсова и др.

Показано, что применение неорганических вяжущих позволяет использовать для строительства конструктивных слоев дорожных одежд местные малопрочные каменные материалы и различные грунты, в том числе и некондиционные материалы, получаемые в результате вскрытая покрытия и основания при реконструкции дорожных одежд. Это асфальтовый лом, песчано-щебеночные- и песчано-гравийные материалы, кондиционность которых может быть нарушена в процессе длительной эксплуатации дорога. Пути восстановления строительных свойств асфальтового материала изучались в работах Н.ВГорелышева, В.М.Гоглидзе, Г.К.Сюньи, Л.В.Билай, А.М.Алиева, В.В.Силкина, А.Я.Эрастова, Г.С.Бахрах и др. В асфальтобетонном покрытии с годами стареет битум, свойства минеральных компонентов не только не ухудшаются, но, по мнению Н.В.Горелышева, даже приобретают новые по-

ложительные свойства - их поверхность приобретает повышенную адгезионную способность. Эти выводы подтверждаются исследованиями соискателя.

Полное восстановление первоначальных свойств при регенерации старого асфальтобетона невозможно.

Для полного восстановления физико-механических свойств асфальтобетона аиуально использовать метод холодной регенерации путем обработки неорганическими вяжущими с получением органоминерального материала.

Однако, учитывая длительное формирование структуры органомине-ральных материалов в процессе эксплуатации дороги под движением автотранспорта, обосновывается необходимость создания новых медденнотвер-деющих вяжущих на основе побочных продуктов и отходов различной промышленности Казахстана, обладающих тиксотропными свойствами длительного действия

Для каждого региона предлагается на основе местных имеющихся побочных продуктов в отвалах промышленных предприятий разработать составы медленнотвердеющих вяжущих из доменных и фосфорных шлаков, бокситового шлама, зол и золошлаковых смесей ТЭЦ, сталелитейного шлака, фосфогипса, цементной пыли, карбидной извести и др. Рассматриваются объемы запасов побочных продуктов и отходов в отвалах промпредприятий Казахстана.

Анализируя состояние дорожно-строительной техники и зарубежного опыта регенерации асфальтобетонных покрытий, разработана классификация технологии и техники, на основе которой предложена технологическая карта взаимодействия комплекса дорожно-строительных машин и оборудования при реконструкции дорожных одежд с повторным использованием материалов (рис.1).

Во второй главе излагаются теоретические предпосылки по обоснованию параметров средств механизации для вскрытия, переработки материалов покрытий и оснований и повторного использования при реконструкции дорог. При этом использованы труды по теории резания и разрушения грунтов: Н.Г.Домбровского, А.Н.Зелешша, Ю.А_Ветрова, Д.И. Федорова, В.ЛКерова, И.А. Недорезова, Д.П.Волкова, И.К. Растегаева, Р.А.Кабашева, С.А.Джиенкулова, битумосодержащих пород - В.С.Бочарова и др.

Из анализа машин и оборудования, используемых для разрушения и вскрытия старых асфальтобетонных покрытий на полную их толщину следует, что они конструктивно мало отличаются от грунторазрабатывающих машин. Следовательно, процессы резания материалов или вдавливания в них клина подчиняются аналогичным закономерностям как для грунтов, битумосодержащих пород и асфальтобетона.

Обосновывается выбор кулачкового катка для вскрытия асфальтового покрытия, разрушающим рабочим органом в котором являются кулачки. Вдавливание кулачков в покрытие аналогично вдавливанию клина.

Классификация технологии и техники для реконструкции дорожных одежд с повторным использованием материалов

ТЕХНОЛОГИЯ 1 2 3 4 5 6-7 8 ______9 ____10

КулачковыиЧ Дробилка дЖ

каток, погрузчик, автосамосвал

Бетоно- или УкулачковыиЧ

измельчения а/бет. лома, автосамосвал

асфальтосмеси

тели Автосамосвал

каток, цементовозы, авгогрейдер

Укладчик7\ катки, ПММ автогрейдер

ПММЛ Битумовоз,"\

автотрасс., битумовоз

автосамосвал укладчик,

У V

УЧ.

_/V.

Рисунок. 1

Для определения границ рационального использования кулачкового катка, а также его совершенствования, необходимо щучить взаимодействие рабочих органов с разрушаемым асфальтобетонным материалом.

Условие равновесия элементарного клина

Рассмотрим частный случай клина с плоскими гранями. При ф — const усилие вдавливания клина определяется по формуле

Ха

Р = 2(Coscp + p. S in ф ) ->Jl + tg 2ф J с d x (i)

a

Практические расчеты по уравнению вида (1) в упругой стадии работы дорожной одежды требуют выполнения операций интегрирования, так как под знаком интеграла используется функция напряжений, зависящая от координат. Для каждого вида функции напряжений могут быть вычислены усредненные нормальные напряжения. В этом случае величина напряжений выходит за знак интеграла и дальнейшие вычисления выполняются для простых алгебраических и тригонометрических выражений. В подобных расчетах может быть использован широко применяемый в последнее время метод конечных элементов (МКЭ).

В случае предельного равновесия вязко-упругой среды, когда в ней возникают напряжения, обусловленные вязкой текучестью, с=ах (предел текучести), выражение (1) еще более упрощается

Р = 2 с т ( С овф + ц S in ф ) + tg 2 ф X а (2)

Учитывая тригонометрические тождества Sin ф и Cos ф последнее выражение приведем к виду

Р =

2 а

1 + tg

2 4L

(1- tg2^-+ 2ntg~)Vl + tg2<pXa (3)

Обозначая рабочую высоту клина через Ь , имеем

=

+ -1 VxI27h2-l

(4)

X а '°2 tgф и

Равенства (3 и 4) позволяют производить вычисления без использова-I таблиц.

Если клинья предназначены для разрушения асфальтобетона с помою цилиндрических катков, то число клиньев «ш>, лежащих на одной обра-ощей катка определится из условия

О

п " рГ'.'. ^

где О- вес катка; Ь - высота клина.

При этом схема размещения клиньев на цилиндрической поверхности гка определяется технологической картой разрушения асфальтобетона.

Работа, совершаемая при вдавливании клина на глубину Ь, равна

А=Р*1 (6)

Усилие для погружения клина можно представить в развернутом виде :

Р = 2 Р ] ЬЪ

Р Р

Б —- + ц С о 5 —— 2 2

+ Р 2 Ь 5 ц , (7)

где Р) и Рг , соответствешю - средние значения давления на боковые и ртикальные поверхности клина ; Ь, Ь. 5, соответственно - высота, ширина и тцина клина; ц - коэффициент трения грунта о сталь.

Схема усилий, действующих на клин в

Рисунок 3

Реакция грунта, направленная по нормали к поверхности клина, опре-яяется:

Р • С о вер.

р 1 = 11 н = ТГ—ТГТ7—(8)

2 Бт (р / 2 + ф ) '

где ф - угол внешнего трения клина о материал разрушения;

Р - усилие, действующее на клин при погружении.

Сила трения об асфальт равна:

Р-Бт^

Ктр=Кн^=28т(/?/2 + (9>

Расклинивающее усилие равно:

= Рн = /2 + <р) (Ю)

Усилие внедрения клина Р£2РК, где Рк - усилие сжатия, действующее на боковую поверхность клина.

Уменьшение угла заострения клина (кулачка) р снижает необходимую энергию удара и увеличивает расклинивающее усилие. Установлено, что угол заострения клина должен составлять 25-35°. Если в конструкции рыхлителя предусмотрено устройство для создания дополнительной силы, отрывающей грунт от свободной поверхности при внедрении клина, то угол заострения можно снизить до 7-10° по условию прочности. С учетом работы кулачкового катка, при перекатывании которого образуется свободная поверхность от разрушенного материала, условно можно считать, что второй ряд уже будет работать в полублокированном пространстве. Поэтому угол заострения кулачков можно снизить до минимума. Предел прочности асфальтобетона при сжатии больше их предела прочности при разрыве, поэтому асфальтобетон, как и мерзлый грунт разрушается, главным образом, вследствие напряжений растяжения. При этом, если разрушение мерзлого грунта носит хрупкий характер, то асфальтобетона - упруго-пластичный, т.е. разрушение происходит с некоторым запаздыванием во времени от момента приложения разрушающей нагрузки.

Следовательно, для разрушения асфальтобетона необходимо определить рациональные скорости приложения нагрузки, как при движении кулачкового катка, так и при вращении валков дробилки.

Необходимо учитывать, что при вращении вальца кулачкового катка разрушение асфальтобетона не всегда будет происходить за счет вдавливания кулачков вертикально.

При определенных условиях (повышенной температуре, малых скоростях движения) асфальтобетон может разрушаться за счет вдавливания кулачков под некоторым углом, который находится в пределах от 45° и выше от горизонтали.

В этом случае для определения сопротивления асфальтобетона рыхлению, можно использовать формулу И.К.Растегаева, который предложил для определения сопротивления вечномерзлого грунта аналитическую зависимость, учитывающую геометрические параметры наконечников и особенности процесса рыхления по формуле:

Ро1=Рв + РС+Рр,

(И)

где Рв» Рс и Рр - касательные составляющие силы сопротивления унта в зонах сдавливания, сжатия и развала.

Для дробления кускового асфальтобетона, полученного после вскрытая лачковым катком и получения готового полуфабриката дорожной смеси, обходимо использовать дробилки валкового типа. Валковые дробилки геют некоторые преимущества перед другими типами дробилок: щековыми, нусными, молотковыми и т.д.. Асфальтобетон, как уже отмечалось, упруго-:астичный материал. Поэтому необходимо определить рациональные скоро-и приложения нагрузки при вращении валков дробилки. Обычно, частота ащения (1/с) валковой дробилки не должна превышать величины, опреде-емой по формуле:

пшах = 5^^, (12)

где Д -плотность дробимого материала, кг/см3;

г и Я- радиусы исходного материала и валка, см; £■ коэффициент трения (0,3-0,35)

Дробление асфальтобетона необходимо осуществлять по битумным язям, т.е. на разрыв, а не на сжатие, т.к. при сжатии возможно измельчение гбня, которое приводит к неоднородности и изменению зернового состава одукции. Дробление асфальтобетона путем его разрыва в валковой дро-лке можно осуществить путем:

- снабжения валков зубьями или деками и их расположения в шахмат-м порядке;

- разных скоростей вращения валков.

Для исключения дробления щебня в асфальтобетоне необходимо, что-I усилие сжатия валков Р не превышало прочности каменного материала сжатие Исж, т.е. Р<11сЖ

Схема к определению параметров валковой дробилки

/ X 1\/ /\г \

^ хр к ( 1 е Я

а-угол захвата; Р-усилие сжатия валков

Рисунок 4

При дроблении кусков старого асфальтобетона с помощью валке дробилок, вращающимися с разными угловыми скоростями, зубья одногс рабана располагаются между зубьями другого барабана таким образом, бы кусок асфальта разламывался по схеме простой балки на двух опорах груженной сосредоточенной силой по середине пролета (рис.5)

Схема разрушения кусков асфальтобетона

ста а

Валок 1 Р

у"Ч УЧ /Ч

Валок 2 Р

я—

тпг

р

1 ш

Рисунок 5

Максимальные нормальные напряжения определяются из раЕ

От ах =

ке-6

4£Ь2 2 <уь2

(13)

Если вместо | Опвх I принять предел прочности Яр асфальтобетон; при растяжении по Н.ВГорелышеву, то на основании (13) получим

ловие

Ь

26 Ь^ Яраст

ЗР

(14),

где Ь- расстояние между деками дробилки.

В этой же главе излагаются разработанные соискателем вероятное^ теоретические научные положения, обосновывающие технологические рел мы строительства дорожных одежд с использованием медленнотвердеюш вяжущих и повторно материалов реконструируемых дорог. Обосновываю: прочностные свойства медленнотвердеющих материалов в процессе стр( тельства и ранней эксплуатации дорог на основе современных представлен механизма структурообразования минеральных вяжущих веществ.

Первые попытки подвести под технологию бетона фундаменталыг научную основу были в разное время предприняты в Б( В.В.Михайловым, Б.Г.Скрамтаевым, П.А.Ребиндером, А.Г.Десовы Н.А.Мощанским, С.В.Шестоперовым, И.Н.Ахвердовым; во Франции Р.Фере, Е.Фрейсине и Р.Лермитом; в США - Т.Пауэрсом; в Великобритании А.Невиллем; в Чехословакии - С.Бехине и Ю.Сторком.

и

Результаты исследования процессов струкгурообразования с целью обоснования технологии строительства дорожных одежд с использованием минеральных вяжущих на основе зол уноса, металлургических и фосфорных шлаков, глиноземных шламов и других промышленных отходов приведены в работах В.М.Безрука, А.Я.Тулаева, М.И.Волкова, И.В.Королева, В.М.Могилевича, В.М.Юмашева, В.С.Исаева, Б.П.Паримбетова, К.К.Куатбаева, Б.В.Белоусова, В.М.Бескровного, Л.В.Юдиной и др. Все вышеуказанные работы способствовали выбору общего научного направления и формированию теоретических представлений о структуре, технологических и технических свойствах обработанных медленнотвердеющими вяжущими материалов, получивших развитие в данной работе соискателя.

Исследованиями фазового состава затвердевшего камня минеральных вяжущих, полученных на основе зол уноса ТЭЦ, доменных и фосфорных шлаков, бокситового шлама показано, что основными структурообразующими новообразованиями в них являются низкоосновные гидросиликаты кальция. Преобладающий в составах вяжущих медленнотвердеющнй минерал СгБ, переходит в гидросиликат следующего состава:

2СаО х БЮг + Н20 = 3,3 СаО х 28Ю2х 2,3 Н20 +0,7Са(ОН)2

Образующийся гидросшгакат обозначается С8Н(1)

Следовательно, определяющим свойства и технологию применения вяжущих на основе зол уноса, доменных и фосфорных шлаков и бокситового шлама являются гелевидные низкоосновные гидросиликаты кальция типа СЭН (1).

Известно, что при нормальной температуре гидросиликаты СЭН (1) формируются в виде пластинчатых субмикрокристаллов, средняя длина которых близка к 10 ООО ангстрем (1 мк), а ширина и толщина составляют, соответственно, 360-560 и 20-30 А0. Очень малые размеры частиц гидросиликатов, а также их способность адсорбировать на своей поверхности воду, придает им свойства коллоидов, обладающих тиксотропией длительного действия.

Наиболее слабым звеном в структуре гидросиликата СБН (1) является водная пленка, возможный разрыв которой может быть восстановлен при повторном сближении субмикрокристаллов. По-видимому, этим и может быть объяснена тиксотропия коагуляционной структуры, а образование в преобладающем количестве именно таких субмикрокристаллов и их замедленное уплотнение обуславливает сохранение в течение длительного времени тиксо-гропии медленнотвердеющего вяжущего.

При понижении температуры, твердение медленнотвердеющих вяжущих еще более замедляется, что должно значительно увеличить период сохранения тиксотропной коагуляционной структуры. Этому должно способствовать и выкристаллизовывание при низкой температуре более дисперсных субмикрокристаллов. Следовательно, рекомендуемое нормативными документами ограничение продолжительности технологических процессов при

строительстве дорожных одежд с применением неорганических вяжущих до конца их схватывания, является недостаточно обоснованным, т.к. тиксотроп-ные свойства вяжущего должны сохраняться и за его пределами. Чем ниже температура среды, в которой используется вяжущее, тем продолжительнее сохраняет оно тиксотропные свойства. Повторная обработка материала в период тиксотропного состояния должна увеличить прочностные свойства. Следовательно, для гарантированного обеспечения качества строительства дорожных одежд из материалов, приготовленных на основе этих вяжущих, необходимо своевременное прогнозирование сроков выдерживания готовых смесей, укладки их на дорожное полотно и начала работ по уходу за материалом, которые для медленнотвердеющих вяжущих должны быть отличны от нормативных, установленных для применения цементов. Автором предлагается математическая модель, которая позволяет расчетным путем в зависимости от температуры воздуха, начала и конца схватывания вяжущих установить продолжительность периода Т- периода сохранения тиксотропных свойств , в течение которого повторная обработка должна обеспечить повышение прочности материала.

Т=Т2 + К(Т2-Т03 (15)

где Т2 и Т1 - соответственно начало и конец схватывания при прогнозируемых температурах воздуха. ( К- коэффициент, учитывающий продолжительность тиксотропии).

Обобщая вышеизложенное, основные теоретические положения по технологии строительства дорожных одежд из органоминеральных и обработанных материалов на основе медленнотвердеющих вяжущих можно сформулировать следующим образом:

- строительство дорожных одежд из обработанных материалов ( измельченный асфальтовый лом или ПЩС и ПГС) можно осуществлять по обычной технологии, как с применением цемента, но для более эффективного использования свойств вяжущего необходимо предусмотреть следующие изменения:

- перед началом производства работ необходимо определить сроки схватывания и прогноз температуры воздуха на период строительства и расчетным путем по предлагаемой математической модели установить период времени, в течение которого возможно сохранение в вяжущем тиксотропной структуры;

- готовые смеси следует перед распределением и уплотнением выдерживать в течение установленного времени «Т» для обеспечения более глубокой гидратации вяжущего;

- потерянную влагу до проведения работ по уходу или устройства вышележащего слоя можно восстановить путем увлажнения материала;

- строительство дорожных одежд в зимнее время следует осуществлять по обычной технологии и нет необходимости создавать для них специальные условия для набора «критической» прочности, так как основное затвердевание материала будет происходить в теплый период года - летом, что обеспе-

чит набор прочности материала не ниже проектной за счет углубления процессов гидратации вяжущего в зимнее время;

-утепление материалов также не производят и не предохраняют их от вымораживания влаги, недостающая влага будет восстановлена весной от капиллярного поднятия воды из грунта земполотна и таяния снега или искусственно - путем полива водой;

-в условиях Казахстана готовые смеси можно храните в течение зимнего периода без снижения их качества для обеспечения фронта работ на теплое время года. При этом не следует превышать расчетный период «Т» - период сохранения тиксотропной коагуляционной структуры в вяжущем.

Прочность медленнотвердеющих материалов можно характеризовать следующими уравнениями:

Я^Яр +ДЯт + ДШс + Л11д ( при строительстве в теплый период) (16) Я^Кр +АЯт + ДИк + ДЯд + ДЯу (при строительстве зимой), (17)

где Ир- прочность, зависящая от расчетного состава; АЯт , АКк, АИд, Л11у соответственно прирост прочности за счет предварительного выдерживания смеси до уплотнения (период Т); уплотнения (при Ку>1,0); динамических нагрузок от движения транспорта; углубления гидратации вяжущего зимой

В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров кулачкового катка, используемого для вскрытия и разрушения асфальтобетонных покрытий и валковой дробилки для измельчения кускового асфальтобетонного лома с получением полуфабриката для использования его в дорожной смеси.

При достаточно прочном покрытии для перекатывания катка требуются значительные тяговые усилия (Т), не обеспечиваемые тягачом. Для устранения этих недостатков предложено принципиально новое шарнирное закрепление кулачков катка ( новизна защищена авторским свидетельством СССР ;№ 870564)

т = (^=(ррг)г, (18)

где { - сопротивление перекатыванию; при шарнирном закреплении кулачков £=0 . При сравнении сил сопротивления разработке различных грунтов и асфальтобетонов выявлена сопоставимость их с глинистыми грунтами в твердомерзлом состоянии (табл. 1,2).

Таблица 1 Трудность разработки грунтов по числу ударов «С»

динамического плотномера

Состояние грунта Шкала трудности разработки грунтов по числу ударов плотномера ДорНИИ

VI VII VIII IX X

Глинистый твердомерзлый 70-140 141-280 281-420 421-560 561-700

Таблица 2 Прочность асфальтобетона по числу ударов «С»

плотномера До рНИИ

Тип асфальтобетона Прочность асфальтобетона по числу ударов плотномера «С» и на сжатие, МПа при 1°С

>35°С ¿25°С >15°С ¿5° С

1. Асфальтобетон мелкозернистый па вязком битуме 150-250 1,3 + 2,2 251-450 2,2 -=- 4,0 451-550 4,0 + 4,9 551-700 4,9-6,3

2. Асфальтобетон крупнозерн. На вязком битуме 100-220 0,9 + 2,0 221-400 2,0+3,6 401-490 3,6 + 4,4 491-650 4,4 + 5,8

2. Асфальтобетон холодный на жидком битуме 80-180 0,7 + 1,6 181-360 1,6 + 3,2 361-440 -',2 + 3,9 441-530 3,9 + 4,7

Учитывая сопоставимость свойств мерзлого глинистого грунта со свойствами старых асфальтобетонов для обоснования параметров кулачкового катка используем методику расчета, предложенную И.К.Растягаевым

По этой методике рассчитываем количество кулачков в одном ряду на вальце катка.

Основными геометрическими параметрами кулачка является угол заострения у, ширина наконечника В и его длина Ь, радиус заострения Л.

Параметры, характеризующие износ, следующие: длина наклонной «а» и горизонтальной «£» площадок затупления к горизонтали «аз» и радиус затупления И; К геометрическим параметрам прорези, создаваемой >в процессе разрушения (прокалывания ) асфальта, относим глубину разрушения Ь.

Общий вид кулачкового катка

Рисунок 6

Схема для определения параметров кулачкового катка

и

Ъона

Рисунок 7

Обычно глубина прокалывания или разрушения асфальтобетона равна толщине слоя покрытия. Считаем, что для вскрытия старого покрытия, покрытого сеткой трещин, достаточно его прокалывания кулачками катка на всю его толщину (рис.6 ).

Шахматное расположение кулачков позволяет легко вскрывать асфальтобетонное покрытие без смешения с нижними слоями основания.

Касательные составляющие сопротивления асфальта рыхлению в зоне сжатия, вдавливания и развала при блокированной схеме рыхления определяем по формулам:

Рс= (асж вал + а» ВЛБ) К3 (19)

Рв = ув ВК3 [Б+Б] +аЕ + й (20)

Рр=сгр Рр К1 Соб© (21)

Касательная составляющая общего сопротивления асфальта рыхлению составит

Р0, = Рс + Рв + Рр = 107.9+213.35+ 56.8 =378.05 кН

Это значение сопротивления ниже усилия нагрузки, принятого для кулачкового катка.

Таким образом, количество кулачков в одном ряду с большим запасом с учетом разрушения старого асфальта с прочностью более 5 МПа принимаем равным четырем. Для расчета количества кулачков по окружности используем метод конечных элементов, при этом количество кулачков принимаем от 15 до 25 по всем 4 рядам, т.е. их общее количество будет в пределах от 60 до 100. Для расчета слоистая конструкция дорожной одежды предварительно приводится к двухслойной расчетной схеме (рис.8)

Расчетная схема слоистой дорожной одежды

Рисунок.8

Первый слой расчетной схемы имеет толщину Ь], модуль упругости Е] и коэффициент Пуассона VI Второй слой с модулем упругости Е2 и коэффициентом Пуассона у2 бесконечно простирается вниз, т.е. со

Расстояние между кулачками 1, расположенными вдоль одной окружности по периметру катка, зависит от его диаметра Д и числа кулачков п. Эта зависимость представлена в табл.3 для Б= 1.5 м.

Таблица 3 Зависимость расстояний менаду кулачками от их количества «п»

п 10 15 20- 25

L,m 0.47 0.35 0.24 0.18

Деформативные характеристики слоев расчетной схемы приняты следующими: Ei=2000 МПа; Е2=300 МПа; vi=0,25 и v2=0,30

Основное уравнение метода конечных элементов имеет вид:

И{и Нр}.

где [ К]- матрица жесткости системы; {и }-искомый вектор перемещений; {р }-вектор узловых нагрузок Для обработки результатов МКЭ была разработана специальная программа для ПЭВМ на алгоритмическом языке FORTRAN. Конечноэлемент-ная дискретизация расчетной области выполнена по схеме, приведенной на рис.9.

Результаты расчетов приведены в табл. 4, где через ау обозначено среднее значение сжимающего напряжения в асфальтобетонном слое.

Таблица 4 ..

10 15 20 25

1.14 1.45 1.46 1.49

Конечноэлементная дискретизация расчетной области

Рисунок 9

Как показывает анализ данных таблицы 4 с учетом таблицы 3, на эффективность разрушения асфальтобетонного покрытия число кулачков, расположенных по одной окружности более 15 и до 25 практически не влияет. Существенное влияние оказывает, как следовало ожидать, величина температуры. Поэтому рекомендуется расположить кулачки в шахматном порядке с числом кулачков 15 по периметру.

Оптимальной температурой разрушения асфальтобетонного по-1фытия является 30-35°С, которая обычно достигается при температуре воздуха 22-25°С

Приводятся также результаты экспериментальных исследований но обоснованию параметров дробилки для получения готового полуфабриката дорожной смеси. При этом используется метод математической теории планирования эксперимента. Влиянием п- факторов на свойства полученного материала оценивалась работоспособность дробилки, которая может быть описана полиномом второго порядка:

У =В0Хс+ЁВ,Х1+ЁВ,!Х,Х, + ЁВ,Х1г (22)

1У1 1-1

После отсева незначимых коэффициентов математическая модель принимает вид:

Мкрг = -39.7+2.6Р-14.38У+0.4Мкр1-0.2 РУ-0.02Р2-У2-0.01М2кр1,

где: Мкрг - зерновой состав дробленого полуфабриката, оцениваемого условным показателем - модуль крупности; Р - соотношение силы сдавливания валков (Р) к прочности асфальтобетона на сжатие.; V- соотношение скоростей вращения валков дробилки.

Кинетика изменения зернового состава измельченного асфальта в зависимости от Р и V

Рисунок 10

Полученная математическая модель зависимости зернового состава измельченного асфальта свидетельствует о следующем :

- основное влияние на зерновой состав продукции дробления оказывает разность скоростей вращения валков. При этом , более оптимальные зерновые составы получаем при разности скоростей в пределах К=0.75 - 0.85.

Меньшее влияние оказывает сила сдавливания валков в пределах варьирования от 10 до 30 раз превышающее прочность асфальта па сжатие. Очевидно, основной силой разрушения является растяжение защемленного между зубьями дек куска асфальтового лома за счет разности вращения валков. Поэтому, практического разрушения каменных фракций асфальта не происходит. Проведенные испытания стационарной и передвижной установок подтверждают достоверность полученных результатов теоретических исследований.

Установка работает следующим образом (рис. 11 вид сверху)

Технологическая схема установки для измельчения вязко-упруго-пластичных материалов ( по патенту РК № 980641.1)

4

Рисунок 11

После включения приводов 1 и 2 вращение через редукторы 3 и 4 передается па валки 5 и 6. Валок 5 вращается со скоростью 0.75-0.85 относительно скорости вращения валка 6 за счет установленного на приводе 1 редуктора -вариатора. Асфальтовый лом подается сверху на валки 5 и 6 и захватывается коническими зубьями , установленными на валках 5 и 6 со смещением на половину расстояния по длине валков, где происходит разлом с одновременным

разрывом материала за счет разпости скоростей вращения валков. В результате получается измельченный материал, размер которого устанавливается ограничителем сближения валков 7 , установленным на раме установке 8 . Валок 6 прижимается к ограничителю пружинами 9 посредством винтового устройства 10. При попадании крупных недробимых материалов валок 6 отходит от валка 5 , а недробимый материал проваливается между валками 5 и 6, после чего валки принимают установленное положение с заданной величиной щели между ними. Пружины 9 устанавливаются на величину 0.90-0.95 от прочности каменного материала в асфальтобетоне.

В четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований по обоснованию технологических режимов работы смесительных установок при производстве дорожных смесей.

Приготовление органоминералышх смесей из измельченного асфальтового лома - полуфабриката отличается от аналогичного процесса по традиционной технологии. В первом случае отсутствует введение в смесь жидкого органического вяжущего. Асфальтовое вяжущее вещество в виде тонкой затвердевшей пленки обволакивает поверхность щебня и песка , т.е. заполнителем являются гранулы фракций от 0 до 40 мм. При приготовлении органоминералышх бетонов используются отгрохоченные фракции черного щебня 520 мм и песчаные смеси фракции 0-5 мм для осуществления подбора бетонной смеси.

Установлено, что виды и сроки перемешивания влияют на прочность и морозостойкость органоминеральных и обработанных материалов. Качество обработанных материалов из некондиционных каменных смесей определяется не только от вида перемешивания и его сроков , но и от вяжущего, которого должно быть достаточно, чтобы обеспечить полное насыщение поглощающего комплекса тонкодисперсной части двух или трехвалентными катионами (Са2+,М^+, Ре3+).

Для сокращения числа опытов технологические режимы приготовления смесей установлены с применением теории планирования эксперимента. Результаты испытаний приведены на рис12

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

Введение в смесь добавки ПЩ в оптимальном количестве, равном 5+8% и СЩС в количестве 4-5-7% от массы вяжущего позволяет за счет улучшения удобообрабатываемости смеси сократить время ее перемешивания на 15-20% и повысить прочность материала на 35-45% за счет более полной реализации вяжущих свойств известково-зольного вяжущего. Наиболее эффективно раздельное приготовление смеси, заключающееся в предварительном перемешивании обрабатываемого материала с золой и частью воды затворения ( водного раствора добавки) с последующей подачей в смеситель извести, что позволяет повысить прочность золоминерального материала на 10-12% по сравнению с одновременной подачей компонентов вяжущего в смеситель. Полученные математические модели дают возможность оптими-

зировать технологические параметры приготовления многокомпонентных зо-ломинеральных смесей в смесительных установках цикличного действия.

Зависимость прочности золоминерального материала от времени перемешивания смеси и дозировки подмылыгого щелока.

14,8

Рисунок 12

Для подбора составов органоминеральных и обработанных материалов на шлаковых вяжущих варьировали количествами вяжущего, черного щебня и модулем крупности ПГС. Результаты испытаний органоминералыюго материала на основе черного щебня показаны на рис. 13

После проверки гипотезы об адекватности математической модели при помощи Б- критерия Фишера, на 5% уровне значимости и обоснования ноль-гипотезы, значимости коэффициентов регрессии при помощи 1- критерия Стыодента, математическая модели, описывающие зависимость качества (по прочности) от технологического фактора и состава имеют вид :

- при использовании в качестве заполнителя черного щебня и песка из измельченного лома:

У= 301,86 + 50,8 XI + 14,45 Х2 -18,2 XV 37,45 х22-3,25 X) Х2 и в натуральных величинах :

КРСЖ = -659,59 + 35,087 В + 16,803 Щ - 0,036 ВЩ - 0,506 В2 - 0,16 Щ2

-при использовании в качестве заполнителя песчано-гравийной смеси:

У= 256,45 = 37,44 Хг + 51,34 Хг-28,73 - 3,99 Х22 + 17,75 Х^ и в натуральных величинах:

Крассх= -369,24 + 35,22В - 0,798В2 + 5,27М1ф - 2,36М2,ф + 2,28М1р

В = 35,084 -0,036Щ -1,42-^15,55Щ-0,165Щ2-0,7611СЖ -50,138

Изменение прочности при сжатии органоминерального материала от количества черного щебня и вяжущего

Рисунок. 13

Увеличение содержания вяжущего в составе укатываемого органоминерального материала приводит к повышению его прочности при сжатии. При увеличении количества черного щебня в составе смеси происходит постепенное увеличение прочности до достижения максимума, затем ее сниже-

ние, т.е. экстремальное значение прочности достигается при строго определенном значении количества щебня. Оптимальным количеством щебня, независимо от количества вяжущего (от 16 до 32% от массы смеси), является 4055% от массы смеси.

В пятой главе излагаются результаты экспериментальных исследований по уточнению технологических режимов строительства дорожных одежд из материалов реконструируемых дорог. Установлено, что предварительное выдерживание готовой смеси из обработанного материала положительно влияет на прочностные показатели. Подтверждается достоверность теоретических исследований о том, что готовые смеси с медленнотвердеющими вяжущими сохраняют длительное время тиксотропные свойства. Для получения положительного эффекта смесь предлагается выдерживать определенный период Т , зависящий от сроков начала Т1 и конца Т2 схватывания вяжущего.

Т=Т2+0,1 -0,3 (Т2-Т)) (23)

Для медленнотвердеющих вяжущих при выдерживании смеси повышаются физико-механические свойства на 35-45% (табл.5)

Таблица 5 Результаты испытания предварительно выдержанных смесей

Время выдерживания смеси до изго- Соотношение физико-механических

товления образцов показателей образцов, приготовлен-

ных из выдержанных смесей к кон-

трольным, в %

Условное обозначение Натуральное обозначение По пределу прочности при изгибе По коэффициенту морозостойкости

Т=Т(контроль ные образцы) 2 ч. 100 100

Т=Т2+ 0.05(T2-Ti) 21ч.ЗЗ мин 122 104

Т=Т2+ 0.1(T2-Ti) 22ч.24 мин 142.1 134

Т=Т2+ 0.2(Т2-Т,) 24ч.02 мин 145.6 135

Т=Т2+ 0.3(T2-Tj) 25ч.41 мин 145.4 135

Т=Т2+ 1.35(T2-TI) 26ч.21 мин 118.4 110

Т=Т2+ 1.75(T2-Ti) 49ч.48 мин 104.3 102

Т=Т2+ 3.2(Т2-Т,) 73ч.28 мин 101 98

Установлено, что до 14 суток влажность материала можно восстановить путем периодического увлажнения до оптимальной величины один раз перед устройством слоя износа. В условиях жаркого климата и дефицита влаги этот способ более эффективен.

Свыше 14 суток за материалом следует осуществлять уход в соответствии с требованиями СНиП 3.06.03-85 путем 2-Зх разового полива водой аналогично уходу за материалом с использованием цемента.

Для повышения эффективности работ в южных областях Казахстана по уходу в условиях жаркого климата предложено использование гелиотех-нологии. Установлено, что солнечные лучи, проходя через прозрачную пленку, нагревают обработанный материал. При этом происходит «парниковый» эффект, материал пропаривается при температурах, превышающих температуру окружающего воздуха более, чем в 1.5 раза. При температуре воздуха +25-30°С в тени, температура под пленкой достигает 60°С. Новизна способа защищена авторским свидетельством № 1578242

Изменение температуры среды

1°С

2 „1

/3

8 11 14 17 20 23 2 5 8 1- под пленкой; 2 и 3 - на солнечной стороне и в тени

Рисунок 14

Длительность тиксотропного хранения смесей при различных температурах воздуха

125 сут 140 сут

150 сут

55 сут

3 сут

+20°С

0 °С

-5 С

-10Х

-15°С

Рисунок 15

В результате исследований технологии зимнего строительства дорожных одежд из органоминеральных и обработанных материалов, установлено,

го интенсивность набора прочности материала под действием низких и от-ицательных температур резко снижается. При этом материал сохраняет тик-отропные свойства практически весь зимний период, что позволяет с насту-лением теплого периода материалу твердеть и достигать 100%-ной расчет-ой прочности. Результаты испытания материала при постоянных отрица-гльных температурах и попеременно изменяемых температурах (табл 6, и ис 15) подтверждают достоверность выводов, сделанных в теоретической асти работы. Подтверждено, что готовую смесь материала с медленнотвер-еющим вяжущим можно в зимнее время складировать и хранить до исполь-эвания. Время хранения зависит от температуры воздуха и рассчитывается о предложенной формуле, учитывающей сроки начала и конца схватывания яжущего.

Таблица 6

Прочность образцов в % по отношению к контрольным в зависимости от предварительного температурного режима выдерживания смеси

10 20 35 90 10 циклов 20 циклов 35 циклов

[ИКЛОВ циклов циклов циклов -5 и +5, -5 и +5, -5 и +5,

-5 и -5 и -5 и -5 и 20 циклов 20 циклов 20 циклов

+5°С +5°С - +5°С +5°С -15 и -20°С -10 и -15°С -5 и -10°С

100 102 101 98 103 102 104

Для условий уплотнения обработанного материала при отрицательных емпературах разработаны математические модели:

1=223-^а)14Т+]388>^/17-1(Г6-Т-3-1Г9-Т2--14-1(Г4-У-+АООВЗ (24)

"[=28,42-0,ШТ+3357,43^Т-3-10~8-Т2-56- КГ5-У+0,00133, (25)

где: П- количество проходов тяжелого катка по одному следу; Т- тем-ература смеси; У- требуемая плотность материала, позволяющая установить еобходимое количество проходов тяжелого катка по одному следу в зависи-гости от температуры смеси (до -20°С) без добавок (уравнение 24) и с добав-ой 1.5% хлористого кальция (уравнение 25).

Свежеуплотненный материал, обработанный вяжущим, в зимнее время е требует ухода при условии восстановления оптимальной влажности после го оттаивания. Гарантия полного сохранения тиксотропных свойств в обра-отанном материале после зимнего периода возрастает с увеличением расхо-;а вяжущего в материале. В зимнее время рекомендуется применять обрабо-анные материалы с содержанием вяжущего в количестве 15-30% по массе.

В шестой главе дается обоснование технологических режимов работы азличных мельниц с выбором эффективного оборудования для производства

безобжиговых медленнотвердеющих вяжущих, получаемых на основе втс ричных (попутных) продуктов промышленности Казахстана.

Исследованиями показано, что после достижения определенной крип ческой тонкости, происходит налипание и комкование частиц, поэтому дал нейшее увеличение времени помола в шаровых мельницах не рационально.

При совместном помоле бокситового шлама и сталелитейного шлак остаток на сите 0.08 представлен в основном шлаком. Значительное содерж! ние в шлаке марганца (12-13%) повышает тонкость помола шлама. Добавка шламу и шлаку песка (до 10%) улучшает помол всех компонентов и снижас время помола.

Установлено, что гидравлическая активность шламового вяжущего, п< лучаемого совместным помолом компонентов, выше, чем при их раздельно помоле и последующем смешении. Разработаны технологические линии и предложены карты контроля технологического процесса производства вяжг щих и оптимальные сроки их хранения с утверждением необходимых норм; тивно-технических документов.

Экономический эффект от использования разработки состоит из эс фекга за счет экономии энергозатрат при вскрытии покрытий и основан? дорог и переработки материалов с получением готового полуфабриката д рожной смеси, а также эффекта за счет снижения стоимости строительсп путем повторного использования материалов реконструируемых дорожнь одежд. Экономический эффект только за счет снижения стоимости стро: теяьства составил 61 млн. тенге на 100 км дорог.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе изложено решение актуальной научн технической проблемы по обоснованию параметров и созданию новых э( фективных рабочих узлов дорожно-строительных машин, работа которь взаимоувязана с разработкой, применением новых технологий и состав! медленнотвердеющих вяжущих веществ, дорожных смесей при реконстру ции дорожных одежд с повторным использованием материалов всех коне руктивных слоев, имеющих важное значение для технологического развил экономики Казахстана.

2. Разработаны теоретические основы по обоснованию параметров к лачкового катка, используемого для вскрытия и разрушения старого асфал тобетонного покрытия и песчано-щебеночных (гравийных) оснований реко струируемых дорог. Предложены математические модели для расчета разм ров и количества кулачков, необходимых для разрушения асфальтобетонно покрытия с получешем кускового лома заданных размеров (не более 500 м: Установлена масса катка в зависимости от прочности и температуры асфал тобетона. Наиболее оптимальной температурой для разрушения асфальтоб тона является 30-3 5°С при температуре воздуха 22-25°С. Количество кула ков в одном ряду должно быть 4-5, а по периметру от 15 до 25.

Для снижения сопротивления перекатыванию катка, предложено шар-фиое закрепление кулачков, обеспечивающее свободный их выход из по-(ытия. Для разрушения песчано-щебеночных (гравийных) оснований предается использовать обычные кулачковые катки среднего и тяжелого типов.

3 Получены уравнения регрессии для обоснованиия параметров валко-IX дробилок стационарного и передвижного типов для измельчения куско->го асфальтового лома с максимальными размерами до 500 мм с получени-I готового полуфабриката дорожной смеси однородного зернового состава, редложена математическая модель для определения технологических ре-имов работы дробилок с целью сохранения однородности полуфабриката и эоблепия асфальтового лома на разрыв по битумным связям. Установлено, го частота вращения валков принимается в соотношении У^0.80+0.85 У2, а ша сдавливания «Р» валков не должна превышать прочности каменного ма-¡риала Р<0.95 ЯсЖ. При этих условиях полученный полуфабрикат состоит из >анул, размерами до 40 мм, поверхность которых покрыта пленкой из ас-альтового вяжущего.

4. Опытно-промышленные испытания кулачковых катков при разруше-ии старого асфальтобетонного покрытия при реконструкции автодороги лматы-Астана (участок Акчатау- Балхаш) и дробильных установок стацио-арного и передвижного типов при измельчении кускового асфальтового ло-а со строительством опытных участков полностью подтвердили достовер-осхъ теоретических расчетов и научных положений сделанных в работе.

5. Разработаны математические модели, позволяющие оптимизировать гхнологические режимы смесительных установок в зависимости от количе-гва пластифицирующих веществ и времени перемешивания смеси для полу-ения качественных органоминеральных и обработанных материалов. Уста-овлено, что время перемешивания сокращается при добавках ПАВ; опти-альным временем является 90-105 сек. Добавки ПАВ одновременно активи-яруют гидравлическую активность медленнотвердеющих вяжущих, что по-ьппает прочность полученного материала на 20-30%.

Для получения качественных материалов, приготовление обработанных месей целесообразно осуществлять в смесителях принудительного действия, [ри гравитационном перемешивании смеси увеличивается время смешения а 15-20%.

6. Дано обоснование теоретических основ и предложены новые спосо-ы технологических режимов строительства дорожных одежд с повторным «пользованием материалов асфальтобетонных покрытий и песчано-щебеночных (гравийных) оснований реконструируемых дорог путем обрастай их медленнотвердеющими вяжущими.

Полученные материалы обладают тиксотропными свойствами длитель-юго действия, в результате чего значительно упрощается технология строи-ельства дорожных одежд; предложены ряд новых способов и операций. Ус-ановлено, что при выдерживании готовых смесей перед их уплотнением в ечение времени Т=Т2+ 0.1+0.3 (Т2-Т1) прочность и морозостойкость мате-

риала повышается на 30-40%, что полностью подтверждает результаты теоретических исследований.

Отрицательное влияние испарения влаги их материала в течение 14 суток можно восстановить путем дополнительного увлажнения дорожной смеск водой.

При низких отрицательных температурах воздуха длительность тиксо-тропного действия продлевается и достигает 150 суток при минус 15°С. Доказана возможность продления строительного сезона за счет круглогодичногс производства работ по заготовке смесей из медпеннотвердеюпщх материалов

7. Разработаны математические модели для поиска оптимальных составов медленнотвердеющих органоминеральных и обработанных материалов I зависимости от количества и вида заполнителя и вяжущих. На основе измельченного асфальтового лома (полуфабриката) и некондиционных песча-но-щебеночных (фавийных) смесей путем их обработки медленнотвердею-щими вяжущими можно получить обработанные материалы марки М 10ч-ЮС и бетоны М 150+250, которые удовлетворяют требованиям к материалам дл; устройства нижних слоев покрытий и оснований дорожных одежд.

Дополнена классификация обработанных материалов по действующем) стандарту с учетом свойств полученных материалов.

8. Разработаны новые составы и технологические режимы производстве медленнотвердеющих безобжиговых вяжущих на основе вторичныл (попутных) продуктов промышленности для восстановления физико-механических свойств повторно используемых материалов дорожных одежд Медленнотвердёющие вяжущие на основе шлаков, зол уноса ТЭЦ, бокситового шлама и фосфогяпса твердеют медленно с набором расчетной прочности в течение Зх месяцев и обладают тиксотропным свойством длительногс действия. ••

9. Разработанные нормативно-технические документы обеспечили широкое промышленное производство медленнотвердеющих вяжущих в городах Шымкепте, Курдае, Караганде, Петропавловске, Кустанае, Павлодаре сс строительством более 650 км дорог, результаты испытаний которых подтвердили достоверность теоретических положений и.разработанных моделей пс прогнозированию технологических режимов

Экономический эффект достигается за счет снижения затрат на производство новых каменных материалов, асфальтобетонных смесей, экономив топлива и продления срока эксплуатации дорог. Общий экономический эффект только за счет указанного составил 6110 тыс тенге на 1 км дороги.

Применение побочных продуктов промышленности содействует охране окружающей среды путем снижения отвальных запасов, а также безобжигового производства вяжущих.

Содержание диссертации опубликовано в 80 работах, основные из которых следующие:

1. Асматулаев Б.А. Использование шлако- и золоминеральных материалов для устройства дорожных одежд зимой. Автомоб. дороги-1988-№9- с. 25

2. Асматулаев Б.А. Обоснование параметров машин и технологических режимов строительства дорожных одежд из органоминеральных материалов// Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог- Алматы-Бишкек-1998- с. 96-103 (Сб. Научных трудов П-78/ КазАТК-Б; КГУСТА)

3. Асматулаев Б.А.. Ларичев С.Л., Кабашев Р.А., Чумаченко В.И. Опыт повторного использования асфальтового лома после вскрытия старых асфальтобетонных покрытий при реабилитации (реконструкции) автомобильных дорог- КазГосИНШ- Алматы,-1996- 53 с.

4. Асматулаев Б.А. Перспективы использования медленнотвердеющих безобжиговых вяжущих для дорожного строительства// Особенности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в ВосточноСибирском регионе / Иркутск- 1998- с.151-161( сб научных трудов)

5. Асматулаев Б.А. Прочность шлако- и золоминеральных оснований в период ранней эксплуатации// Автом. дороги-1989- №1- с.11-18

6. Асматулаев Б.А. Применение фосфорных гранулированных шлаков и зол уноса в качестве вяжущих в дорожном строительстве Казахстана// ЭИ Автомобильные дороги-вып.5- Отечественный опыт/ ЦБНТИ Минавтодора РСФСР-М,- 1984-е 1-21.

7. Асматулаев Б.А. Применение местных некондиционных каменных материалов, укрепленных шлаковым вяжущим, в дорожном строительстве// Тр. СоюздорНИИ- М. 1982- с. 44-50

8. Асматулаев Б.А. Перспективы повышения эксплуатационных качеств покрытий путем использования укрепленных материалов// Повышение качества строительства автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР/ (Сб. Докладов Научно-технической Конференции)- Владимир- 1987- с. 27-30.

9. Асматулаев Б.А. Технология круглогодичного строительства дорожных одежд с применением вяжущих на основе шлаков и зол уноса// Применение каменных материалов и отходов промышленности и укрепленных грунтов в дорожных конструкциях/ - М. 1987- с. 47-54 -(Сб. Трудов СоюздорНИИ)

10. Асматулаев Б.А.. Филатов С.Ф. Использование бокситового шлама в строительстве местных дорог// Автомобильные дороги-1988- №1-1988,

с. 11-12.

11. Асматулаев Б.А., Шейнин А.М., Сыдыков Ж.О., Чумаченко В.И. Перспективы использования бетона на основе шлакового вяжущего для строительства дорожных одежд// Автомобильные дороги-1990- №4-с.11-12

12. Асматулаев Б.А.. Сыдыков Ж.О. Результаты исследования по уточнению технологии зимнего строительства дорожных одежд из шлакомине-ральных материалов// Повышение эффективности строительства и эксплуатации автомобильных дорог/ Омск- ОМПИ- 1987- с. 21-30. ( сб. Трудов )

13. Асматулаев Б.А.. Тимофеев Б.П. Технология приготовления смесей и устройство дорожных оснований из каменных материалов, обработанных золоизвестковым вяжущим// Производство и применение каменных материалов из горных пород и отходов промышленности в дорожном строительстве/-

1984- с. 102-106.( сб. трудов. СоюздорНШ)

14. Асматулаев Б.А., Сыдьгков Ж.О. Способ раннего замораживания при укреплении грунтов медленнотвердеющими вяжущими// М., 1984, с 99-101( Тр. СоюздорНШ)

15. Асматулаев Б.А.. Тимофеев Б.П., Алексеев Ю.Ф. Технология устройства оснований с использованием малоактивных зол уноса// Автом. Дороги- 1986-№4-с/16-17.

16. Асматулаев Б.А., Тимофеев Б.П. Влияние химических добавок на повышение уплотняемости золоминеральных смесей// Повышение эффективности строительства и эксплуатации автомобильных дорог/- Омск, ОМПИ-1987-С.34-38

17. Асматулаев Б.А.. Ларичев СЛ., Малиннн П.К. Повторная переработка асфальтобетона и получение высококачественных асфальтобетонных смесей// Особенности проекгировани, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в Восточно-Сибирском регионе/ Иркутск-1998- с.161-165

( сб. Трудов)

18. Асматулаев Б.А.. Шейнин A.M., Чумаченко В.И., Сыдыков Ж.О. Перспективы использования бетона на основе шлакового вяжущего для строительства дорожных одежд// Автомоб. дороги-1990- №4-с. 19-20.

19. Асматулаев Б.А.. Шейнин А.М., Чумаченко В.И., Укатываемый бетон па основе медленнотвердеющего шлакового вяжущего// Автом. Дороги-1993-№9-с 18-20

20. Асматулаев Б.А.. Ларичев С.Л.,Гончаров Б.Л. Основные требования к установке для качественной переработки асфальтобетонного лома с целью его повторного использования в дорожном строительстве// Бишкек- 1997-

с. 101-107. (сб. научных трудов/ выц.5- МОН и ККР, КАСИ)

21. Асматулаев Б.А.... Технология укрепления грунтов шлаковым вяжущим в зимних условиях// Автомоб. дороги-1980- №7 -с. 11-15

22. Асматулаев Б.А., Каганович Е.В. Результаты исследований по применению фосфогипса в качестве компонента вяжущих для укрепления грунтов и каменных материалов// «Вопросы применения фосфогипса в дорожном строительстве/- 1986- с 41-52(Тр. СоюздорНИИ)

23. БезрукВ.М., Юмашев В.М. , Исаев B.C., Асматулаев Б^АУПособие по строительству покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов из грунтов, укрепленных вяжущими материалами // К СНиП 3.08.03-85 и СНиП 3.06.06-88/ 1988- с.200 -Миетрансстрой- Союздорнии-

24. Асматулаев Б.А. Новое в технологии использования бесцементных вяжущих при строительстве автомобильных дорог// Интенсификация дорожного строительства / Материалы докладов в НТО, AT и ДХ- Владимир- 1988-с. 33-35 (сб. Всесоюзной Научно-технической Конференции/ Владимирское ПРСОиПТИ)

25. Асматулаев Б.А., Кабашев P.A., Бочаров B.C., Ларичев С.Л. Установка для дробления упруго-пластичных материалов (асфальтобетона)// Ал-маты-1998- Патент PK -№ 960315.1

26. Асматулаев Б.А., Сыдьпсов Ж.О., Чумаченко В.И., Дьяченко А.П., гапин Г.А. Способ возведения бетонного покрытия в условиях жаркого

шмата// М.-1990-8с. Авторское свидетельство СССР № 1578242/, Бюлл. № >,

27. Асматулаев Б.А.. Хазаяович Л.Л., Куатбаев К.К., Быковских Ю.А., илатов С.Ф. Вяжущее/7 М.1989- бс.-Авторское свидетельство СССР »1518317/Бюлл. № 40,

28. Асматулаев Б.А.. Куатбаев К.К., Сыдыков Ж.О., Рузиев А.У., Хаза->вич Л.Л. Способ возведения дорожного основания// 1990, 4 с.-Авторское ¡идетельство СССР № 1615271/ Бюлл. № 47

29. Асматулаев Б.А.. Тимофеев Б.П., Чумачеико В.И. Смесь для уст-шства оспований автомобильных дорог// М. 1992, 6 с.-Авторское свиде-льство СССР № 1728177/ Бюлл. № 15

30. Тимофеев Б.П., Асматулаев Б.А.Лумаченко В.И., Блохин В.П. Спо-)б строительства дорожной одежды// 1992, 6 с. Авторское свидетельство ССР № 1784707/ Бюлл. № 48

31. Сулейменов С.Т., Куатбаев К.К., Асматулаев Б.А.. Филатов С.Ф., /зиев А.У.. Вяжущее// М., 1986 , 4 е.- Авторское свидетельство СССР № »73342/Бюлл. №44

32. Абулханов Р.Г., Асматулаев Б.А.. Валец кулачкового катка// М.->81- 6 с.-Авторское свидетельство СССР № 870564/ Бюлл. № 37

33. Асматулаев Б .А., Блохин В.П., Жадановский В.Н. Способ устройст-I дорожного основания// Алматы- 1996- 8 с-.Патент РК № 4006/ Бюлл. № 4

34. Асматулаев Б.А.. Чумаченко В.И., Ларичев С.Л., Десюпов Р.Б. пособ регенерации асфальтобетона// Алматы, 1998, 6с. Патент РК № 6371/ олл. №6

35. Асматулаев Б.А.. Малинин П.К., Гончаров Б.Л. Установка для юбления асфальтового лома// Алматы,1998, 5с.-Патент РК на изобретете. >980641.1

Керытынды

Асмгпулаев Борис Айсаулы

К,азакртаннын крйта салынатьщ жолдарыныц жол тосемелер материалдарын кайталай пайдалану жене машиналардын параметрлер! мен технологиялык шарттарын непздеу.

05.05.05 - жол жане курылыс машиналары

05.23.11 - автомобиль жолдары жэне аэродромдар курылысы

Диссертациялыв; жумыста автомобиль жолдары »¡айта салганда есм жамылгылар мен непздердщ томенгг кабагтарыньш, асфальт сыныв^арынан алыпган материалдарды даярлау урдасшн технологиясы мен кешендок механикаландырудьщ жана талыми ерсжелер! жасалган.

Теориялыцжэне тежрибелш зергтеулердш нэтижелер1 Казахстандагы 650 км автомобиль жолдары салганда пайдаланылган. 25-тен астам нормалык-тсхникалык кужаттар жасалган, олардын жаналынл пагенттермен жэне онертабыстармен дэлелденген, сондай-ак, машиналардын тэжрибелк-oHflipicTiK; ^гшершдеп сынак^ары бар.

Диссертация орыс тшвде жазылган,юрюпеден жэне кестелер суреттер эдебиетгер тоМ мен косымшалар юретш 6 тараудан турады.

SAMMARY Asmatulaev Boris Aysaevich

Substantiation of machine s parameters and technological modes oi construction of road covers with a reuse of materials in reconstructed roads ir Kazakhstan paivemens

05.05.04 - road and building machines

05.23.11 - construction of highways and air stations

The new scientific rules on technologies and complex mechanization ol processes to preparation of materials from an asphalt breakage of old covers and bottom layers of the basis for repeated application for want of reconstruction oi highways in the dissertation are developed.

The results theoretical and experimental researches are realized for want of construction of 650 kms of highways in Kazakhstan. More then 25 normal-technical documents are developed, their novelty is confirmed by the patents and inventions, and also there are experiments on natural trial samples of machines.

The dissertation is stated in Russian, consists of introduction and 6 chapters, including tables, illustrations, the lisn of literature and apposisions.