автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение долговечности покрытий автомобильных дорог за счет оптимизации структуры асфальтобетонов



На правах рукописи

005048164 £?Ж?ГГИ

КОТЛЯРСКИЙ Эдуард Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени ¡тора технических наук

1 1 ЯН8 2013

Белгород - 2012

005048164

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова»

Научный консультант - Доктор технических наук, профессор

Лесовик Руслан Валерьевич

Официальные оппоненты - Печеный Борис Григорьевич, доктор технических наук, профессор, Северо-Кавказский филиал ФГБОУ ВПО Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, заведующий кафедрой автомобильные дороги, стандартизация и сертификация

- Королев Евгений Валерьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственного строительный университет» (Национальный исследовательский университет), проректор по учебной работе

- Прокопец Валерий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), заведующий кафедрой дорожного и строительного материаловедения

Ведущая организация - ФГУП «Российский дорожный научно-исследовательский институт» Министерства Транспорта Российской Федерации (РосдорНИИ)

Защита состоится «15 » февраля 2013 г. в ауд. 242 на заседании диссертационного совета Д.212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308034, Белгород, ул. Костюкова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО БГТУ им! В.Г. Шухова.

Автореферат разослан « 25» декабря 2012 гола

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Г. А. Смоляго

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

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

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

Нормативные документы и рекомендации, регламентирующие методику проектирования составов асфальтобетонных смесей, применяемые технологические приемы пока не учитывают принципы структурообразо-вания асфальтобетона на всех технологических этапах, не отражают особенности и многообразие существующих типов и видов асфальтобетонных смесей, эксплуатационное назначения конструктивных асфальтобетонных слоев дорожной одежды.

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

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

Работа выполнялась в рамках тематического плана госбюджетных НИР по целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», аналитической целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2013 годы) Федерального агентства по образованию РФ, по подпрограмме «Автомобильные дороги» феде-

ральных целевых программ «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы» и «Развитие транспортной системы России 2010-2015 годы» финансируемых за счет государственного бюджета.

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

Для реализации поставленной цели необходимо было решить

следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

- разработать составы асфальтовяжущих и асфальтобетонов и технологии строительства;

- разработать нормативные документы. Осуществить опытно-промышленную апробацию и внедрение результатов диссертационной работы.

Научная новизна.

- Разработаны теоретические основы структурообразования асфальтобетона с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования, материалов, компонентов смесей и условий эксплуатации, заключающиеся в учете основных закономерностей синтеза высококон-

центрированных полиминеральных полидисперсных систем и создания материалов с требуемыми свойствами. С привлечением теории контактных взаимодействий обоснован физико-химический механизм формирования структуры асфальтобетона на основе фундаментальных закономерностей образования и разрушения структуры композиционных органоминераль-ных дисперсных систем.

- Выявлены основные параметры, характеризующие структуру асфальтобетона, что дало возможность произвести количественную оценку структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей как на технологической стадии, так и асфальтобетона в процессе эксплуатации. Установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, средним числом контактов между частицами в единице объема материала, средней силой сцепления в контакте между частицами, средней прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляционного) контакта и свойствами асфальтобетонов.

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

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

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

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

личных составов и получения асфальтобетонов с требуемыми свойствами.

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

Внедрение результатов исследования. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство составы и эффективные технологии уплотнения асфальтобетонных смесей в различных конструктивных слоях покрытий, методику проектирования составов асфальтобетонных смесей по требуемому комплексу структурно-механических показателей, методику проектирования технологических режимов уплотнения асфальтобетонных смесей, что нашло отражение в следующих нормативных документах:

- Смеси битумопесчаные. Технические условия. ТУ 218 РСФСР

365.;

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

- Стандарт организации СТО 94444005-001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований». Технические условия.;

- ГОСТ 9128-84. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;

- ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;

- ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные, дорожные , аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;

- Смеси асфальтобетонные щебнемастичные и асфальтобетон. Технические условия. ТУ 5718-001-00011168-00;

- Московский территориальный строительный каталог. МТСК — 5.5. «Машины и оборудование для транспортирования строительных материалов, конструкций, изделий и для погрузочно-разгрузочных работ.;

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

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

Часть 2. «Устройство асфальтобетонных покрытий из горячего асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.37-2011; Часть 3. «Устройство асфальтобетонных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОИ 2.25.38-2011;

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

Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ

2.25.47-2012;

Часть 4. Ликвидация колеи. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ

2.25.50-2012.

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

Теоретические результаты диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных и производственных исследований реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство», инженеров по специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», использованы в 3 учебных пособиях с грифом УМО.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 17 всесоюзных, всероссийских, республиканских и международных конференциях и симпозиумах в том числе: Республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" (Харьков. 1989 г.), на заседаниях Расширенного Президиума Международной Ассоциации исследователей асфальтобетона (г. Москва, 1993, 1999 г.), на пленарных заседаниях межгосударственной Ассоциации исследователей асфальтобетона» (Москва, 2000, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции "Экология автотранспортного комплекса" (Москва, 1996 г.), на пленарном заседании Региональной общественной организации «Исследователи асфальтобетона», на ежегодных научных сессиях Ассоциации Исследователей Асфальтобетона (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г.), на расширенном заседании «Повышение качества битумов в странах СНГ», посвященном Юбилею экспертного совета при Межправительственном совета дорожников (Москва, МСД, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2007 г.), на заседании Первого Всероссийского дорожного конгресса (Москва, 2009 г.), на ВДНХ СССР (2 серебряные и 2 бронзовые медали), на IV, V, VI Московских международных выставках «Доркомэкспо».

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

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

- Предложена система оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов, учитывающая свойства и содержание составляющих компонентов, технологические режимы в процессе формирования смесей, позволяющая обоснованно выбирать оптимальные технологии получения асфальтобетонных смесей в зависимости от состава и качества составляющих компонентов;

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 7 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 613 стр. машинописного текста, включающих 197 рисунков и фотографий, 107 таблиц, списка литературы из 449 наименований, 7-ми приложений на 145 стр.

На защиту выносятся.

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

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

- Влияние основных технологических факторов на процессы струк-турообразование асфальтобетонных слоев из высокопористых песчаных и плотных асфальтобетонов в конструктивных слоях покрытий автомобильных дорог;

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Повысить долговечность и надежность работы дорожных покрытий можно за счет оптимизации структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов (рис. 1). При этом необходимо учитывать постоянно возрастающую интенсивность дорожного движения, увеличивающиеся нагрузки на ось транспортных средств. Возрастает капитальность конструкций дорожных одежд. В силу более глубокой переработки нефти изменяется в состав и структура дорожных битумов, что ухудшило их деформа-тивные и адгезионные свойства. Более широко применяется разнообразное

техногенное сырье. Не менее важным является более полноценный учет влияния на асфальтобетонные покрытия климатических факторов, эксплуатационных воздействий, обусловленных использованием более эффективных противогололедных реагентов. Принципиально изменяются конструктивные особенности, энерговооруженность и технологические возможности дорожно-строительных машин и механизмов нового поколения, что отражается на современных технологических приемах производства дорожно-строительных работ. С этими обстоятельствами связана необходимость использования более эффективных многокомпонентных асфальтобетонных смесей.

Асфальтобетонные смеси и асфальтовый бетон, используемый для устройства дорожных покрытий, представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы. Они характеризуются сильно развитой межфазной поверхностью и высокой концентрацией дисперсной фазы ф в жидкой и газообразной дисперсионных средах. Это в первую очередь характерно для смесей при перемешивании и на начальной технологической стадии уплотнения конструктивных асфальтобетонных слоев.

Рис. 1 Факторы долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий

Изменение соотношения компонентов (составов) и их качественного состояния в контактных (межфазных) и пограничных слоях приводит к изменению структурных связей в асфальтобетоне и как следствие - его физи-

ко-механических характеристик при работе в слоях дорожной конструкции.

Для существенного повышения качества и долговечности автомобильных дорог на основе битумоминеральных композитов в современных условиях необходимы новые принципы проектирования, строительства и эксплуатации асфальтобетонных покрытий (рис. 2). Этому препятствует отсутствие научно обоснованной методики количественной оценки структурно-механических показателей, строгой классификации основных структурообразующих применительно к асфальтовому бетону факторов, их взаимосвязи с характером и динамикой разрушений и деформаций. Проектирование конструктивных монолитных асфальтобетонных слоев не связано с экспериментальным определением строительно-технических свойств материалов, в том числе асфальтобетона. Практически не учитывается неоднородность и технологическая сегрегация материалов и смесей. Все эти вопросы напрямую связаны с физико-химической природой структурообразования и разрушения асфальтобетона и необходимостью разработки теоретических основ структурообразования асфальтобетона (рис. 2).

С

Принципы проектирования асфальтобетонных смесей

^ Характер и динами— ка разрушений \ ^

Физико-химическая природа структур«) образования и разрушения асфальтное-

Методика количественной оценки струк-турпо-механнческих показателей

Пути повышения долговечности асфальтобетонных покрытий

Неоднородность технологическая сег регацня

:ег- )

Классификация основных структурообразующих факторов

роектнрование конструктивных монолитных слоев ;

Рис. 2 Этапы разработки теоретических основ структурообразования асфальтобетона

Аддитивные свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов определяются макро-, мезо-, и, в особенности, микроструктурой. Следовательно, создание оптимальных условий для формирования микроструктурных контактных связей может в значительной мере способствовать образованию смесей с необходимыми технологическими свойствами, а асфальтобетона с требуемыми эксплуатационными показателями. К сожалению,

применительно к дорожному асфальтобетону и асфальтобетонным смесям до последнего времени не было предложено количественных критериев оценки, характеризующих состояние структуры материала, как в процессе структурообразования на технологических этапах, так и при работе в конструктивном слое дорожной одежды при воздействии различных эксплуатационных факторов. В диссертационной работе эта задача решается с использованием основных положений физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем с учетом специфики контактных взаимодействий.

Наиболее существенное значение в технологии приготовления асфальтобетонных смесей имеют сложные физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии битума с зернами минеральных составляющих асфальтобетона в первую очередь с тонкодисперсными частицами минерального порошка.

В различных технологических и эксплуатационных ситуациях асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны рассмотрены в работе как высококонцентрированные дисперсные системы, свойства которых во многом зависят от физико-химических процессов, происходящих при формировании материала в конструктивном слое. Оценка этих процессов производилась с учетом основных законов физико-химической механики и специфики формирования элементарных контактов. В работе предложено направленное управление свойствами асфальтобетонов производить путем регулирования свойств вяжущего в зоне межфазного контакта. На основании работ П.А. Ребиндера, Е.Д. Щукина, Л.Я. Марголис предложено использовать зависимость прочности пористых тел, учитывающую аддитивность прочности элементарных контактов:

P^K-F.-n^^k.-cp-S^k.-FrVdJ, (1)

где: Рш - предельное напряжение сдвига, Fc - средняя сила сцепления в контакте между частицами, п - среднее число контактов между частицами в единице объема, 9 - относительная плотность структуры, Sy„ - удельная поверхность частиц дисперсной фазы высококонцентрированной дисперсной системы, ф- характерный размер этих частиц.

Предельное напряжение сдвига Рт может быть количественно определено различными экспериментальными методами.

Для определения среднего числа контактов между дисперсными частицами в единице объема использовалось эмпирическое выражение, полученное в соавторстве с Н.Б. Урьевым, В.Н. Финашиным и В.Е. Черномазом:

/» = 6.7373- lO'V^'-O (2)

где: и - среднее число контактов между частицами в единице объема, - относительная плотность уплотненной (уплотняемой) асфальтобетонной смеси, е - основание натуральных логарифмов, d3K, - характерный размер частиц минеральной части асфальтобетонной смеси.

Различные варианты теории прочности пористых тел были предложены в работах Е.Д. Яхнина, А.Ф. Полака, Н.Б. Урьева, A.A., Потанина и

др. Сложность установления функциональной зависимости Рт от /•"<. и п состоит в том, что она была обоснована и экспериментально подтверждена для модельных систем, полученных с использованием монодисперсных мономинеральных сферических частиц. В реальных асфальтобетонных смесях необходимо учитывать полидисперсность и полиминеральность минеральных частиц случайной неправильной формы.

Средняя сила сцепления в контакте между частицами (Гс) определялась по экспериментально полученным значениям предельного напряжения сдвига и известным геометрическим параметрам исследуемой дисперсной системы расчетньм путем по преобразованной формуле проф. Е.Д. Яхнина:

(3)

Р(Р,~Р,)

где: р' - плотность минеральной части асфальтобетона, р - плотность асфальтобетона, Р1 - достигнутая в результате технологических воздействий плотность асфальтобетона, Рр - средняя плотность неуплотненной асфальтобетонной смеси, которая определяется экспериментально и зависит от средней плотности исходных компонентов, входящих в состав асфальтобетонной смеси и их весового соотношения, (1ЗК, - эквивалентный размер частиц минеральной части асфальтобетонной смеси.

Учитывая, что <р = — и <р = — , Р Р

где: де- относительная плотность, достигнутая в результате технологических воздействий на асфальтобетонную смесь, <рр - то же абсолютно рыхлой,

выражение (3) может быть представлено в виде:

(4)

Р. (?>,-¥>,)

Средняя площадь единичного контакта определялась из условия аддитивности прочности элементарных контактов дисперсной системы (1), тогда средняя площадь единичного контакта (£/) при их общем числе (п) равна:

п Р.

Средний размер единичного контакта может быть найден, если известны форма его поверхности, что зависит от условий формирования контакта, размера и формы минеральных частиц, вязкости битума и многих других факторов, которые не поддаются прямому количественному учету. Для упрощения принято, что коагуляционный контакт между частицами происходит по круговой поверхности, тогда размер (или средний диаметр) единичного элементарного контакта будет равен:

Средняя прочность единичного контакта (Р/) находилась из условия:

Для экспериментальной проверки предложенных теоретических представлений в диссертационной работе использован широкий спектр сырьевых ресурсов наиболее типичных как для регионов Центральной части Европейской территории России, так и для условий Сибири и Дальнего Востока, разработаны методики экспериментальных исследований. Обоснован выбор представительных асфальтобетонных смесей: высокопористых песчаных (составы 1-4) и плотных (составы 5-11) (таблица 1), а также исходных компонентов для их приготовления. Выявлены интервалы варьирования основных технологических и эксплуатационных факторов. Предложены составы асфальтобетонных смесей, которые подобраны таким образом, чтобы результаты исследований могли использоваться в условиях различных климатических зон и с широким спектром сырьевых ресурсов, в т.ч. с применением промышленных отходов.

Для оценки в лабораторных и производственных условиях процессов формирования структуры асфальтобетонных смесей на технологическом этапе и разрушения структуры асфальтобетона под воздействием эксплуатационных факторов различными методами определялось предельное напряжение сдвига (Р„). Для тонко- и мелкодисперсных модельных составов использовалась ротационная вискозиметрия и коническая пла-стометрия. Для каркасных составов применялись методики, предложенные в разное время Г.Н. Кирюхиным, Б.Н. Никольским, В.М. Гоглидзе, методика вдавливания штампа и стандартные методы. Это позволило определить значения, Р0 п, Р„ Л-,.

Таблица 1

Составы асфальтобетонных смесей_

05 №№ экспериментальных серий Содержание компонентов, % масс.

№№ состав« Щебень Песок Минеральный порошок Битум Номер (марка) битума

1 2 3 4 5 6 7

1 1,2,3,4, 5, 6, 7, 8 - 95 5 5 2 (БНД 60/90)

10 - 95 5 5 1(БНД 40/60)

11 - 95 5 5 3 (БНД 90/130)

2 15 - 92 8 5,3 2 (БНД 60/90)

3 13 - 90 10 6 1 (БНД 40/60)

4 9 - 80 20 7 2 (БНД 60/90)

12 - 80 20 7 3 (БНД 90/130)

1 2 3 4 5 6 7

5 14 40 50 10 5,5 2 (БНД 60/90)

6 15 57 37 6 4,5 2 (БНД 60/90)

7 16 43.2 (гранит) 48.6 8.2 5.7 (БНД 60/90)

8 43.3 (известняк) 48.3 8.4 6.0 (БНД 60/90)

9 - 85,9 14,1 8,3 (БНД 60/90)

10 34,1 55,2 10,7 5,79 (БНД 60/90)

11 32 50 18 5,5 (БНД 60/90)У

Экспериментальные исследования процесса формирования структуры асфальтобетонных смесей позволили установить, что наиболее весомыми технологическими параметрами являются температура уплотнения, интенсивность и время действия уплотняющей нагрузки.

На примере испытания наиболее перспективных для эксплуатации в условиях России и широко применяемых для устройства дорожных оснований в развитых странах мира разработанных высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей с содержанием битума 5% (таблица 1) показано, что с возрастанием уплотняющей нагрузки от 10 до 80 МПа наблюдается закономерное монотонное убывание пористости, водонасыщения и рост плотности. Происходит монотонное увеличение среднего числа контактов между частицами в единице объема, одновременно примерно в 2 - 2,5 раза снижается средний размер единичного контакта (рис. 3). Прочность при сжатии и динамический модуль упругости при изгибе сначала растут, а при достижении интенсивности уплотняющей нагрузки значений 40-60 МПа начинают снижаться. Более выражено этот характер проявляется у высокопористых бескаркасных смесей, менее - у плотных песчаных и щебенистых уплотненных асфальтобетонных смесей. При нагрузках 60-80 МПа у щебенистых асфальтобетонных смесей наблюдается частичное дробление грубодисперсных каркасных зерен, что корреспондируется с результатами, ранее полученными Н.В. Горелышевым.

Предельное напряжение сдвига в зависимости от температуры испытания носит экстремальный характер и может изменяться в 1,5 - 2,0 раза. Это связано с условиями формирования макро, мезо и микроструктуры композиционного материала и изменением вязкости объемного и пленочного битума при разных технологических температурах и временных параметрах уплотняющего усилия. Средняя прочность единичного контакта при уплотняющих нагрузках 40-60 МПа также имеет выраженный экстремум. Снижение контактной прочности при дальнейшем увеличении уплотняющей нагрузки объясняется образованием "обнаженных контактов" (рис. 3).

При увеличении температуры уплотнения относительная плотность асфальтобетонной смеси и среднее число контактов между частицами в единице объема монотонно уменьшается. Средний размер единичных контактов незначительно увеличивается (например, с 4,26 мкм2 при 80 °С до

5,20 мкм2 при 160 °С). При изменении технологических температур уплотнения происходит экстремальное изменение средней силы сцепления в контакте между частицами более выраженное при высоких технологических температурах испытания (80 - 130 °С) (рис. 3). При изменении времени действия уплотняющей нагрузки относительная плотность и среднее число контактов между частицами в единице объема монотонно увеличивается, а средний размер контактов - монотонно уменьшается. Более интенсивно для разных составов и режимов уплотнения это происходит при действии уплотняющей нагрузки в течение 120-300 с (рис. 3).

Рис. 3. Изменение структурно-механических параметров высокопористого песчаного асфальтобетона при температуре испытания 50 °С. при разной удельной интенсивности (1) температуре уплотнения (2), и времени действия (3) уплотняющей нагрузки

При увеличении температуры уплотнения относительная плотность асфальтобетонной смеси и среднее число контактов между частицами в единице объема монотонно уменьшается. Средний размер единичных контактов незначительно увеличивается (например, с 4,26 мкм2 при 80 °С до 5,20 мкм2 при 160 °С). При изменении технологических температур уплотнения происходит экстремальное изменение средней силы сцепления в контакте между частицами более выраженное при высоких технологических температурах испытания (80 -130 °С) (рис. 3). единице объема монотонно увеличивается, а средний размер контактов- монотонно уменьшается. Более интенсивно для разных составов и режимов уплотнения это происходит при действии уплотняющей нагрузки в течение 120-300 с (рис.

3).

Изменение предельного напряжения сдвига при разном времени уплотнения также характеризуется экстремумом (при 180-240 с). Более интенсивно Рт увеличивается при времени действия уплотняющей нагрузки до 180 с (в 1,4 -1,8 раза, рис. 3). Аналогично, но с разной интенсивностью, изменяются величины средней силы сцепления в контакте между частицами и средней прочности единичного контакта. Эта закономерность

£ Е100 о то

и

5Г о о га о- з- оп

20 40 60 80 Удельная интенсивность уплотняющей нагрузки, МПа

80 100 120 140 160

I_I_I_I I

Температура уплотнения, °С

' 1_I I I

120 240 360 480 600 Время уплотнения, с

характерна в широком интервале температур испытания (от 20 до 130 °С) и скоростей сдвига (от 2,5 до 50,0 мм/мин).

Установлено, что уменьшение Рт, Гс и Р, с увеличением времени уплотнения вызвано разрушением коагуляционных контактов, образованием "сухих, обнаженных связей". С какого-то момента времени уплотнения деструктивные процессы в уплотняемом материале начинают доминировать над структурообразующими. Таким образом, структурообразование асфальтобетона на технологической стадии протекает поэтапно (рис. 4), а оптимальные структуры материала формируются на 2-м этапе.

Увеличение содержания высокодисперсного заполнителя минерального порошка (в пределах от 5 до 20 % масс.) вызывает монотонное (в 1.1 раза) увеличение плотности. Среднее число контактов между частицами в единице объема при этом возрастает в 1.8 раза, а средний размер контактов между минеральными частицами уменьшается в 2.2 раза. Эти структурные изменения приводят к монотонному увеличению предельного напряжения сдвига, которое в зависимости от температуры протекают с разной интенсивностью.

Сила сцепления в контакте между частицами при этом монотонно снижается в 1,5 - 2,2 раза, что, по нашему мнению, связано с изменением силовых условий структурообразования асфальтобетона (т.е. с увеличением содержания высокодисперсной фазы, при прочих равных условиях, общая уплотняющая нагрузка распределяется на большее число сопротивляющихся изменению структурного состояния элементарных контактов, а на формирование каждого единичного контакта приходится меньшее уплотняющее усилие). Интегральная прочность высококонцентрированной дисперсной системы увеличивается в основном за счет опережающего роста количества контактов. Средняя прочность единичного контакта при всех температурах и скоростях испытания монотонно растет в 1,4-3,0 раза.

С увеличением вязкости битума плотность, среднее число контактов в единице объема и средняя площадь единичного контакта в модельных смесях изменяется незначительно. Одновременно установлено, что и другие структурно-механические показатели в процессе структурообразования

сильно зависят от вязкости используемого битума. Они могут изменяться на 1,5-2 порядка (рис. 5). В свою очередь вязкость битума зависит от его марки и градиента сдвига и температуры.

Наглядную качественную картину структурных изменений позволили получить результаты электронно-микроскопических исследований. В лаборатории электронной микроскопии Института физической химии и электрохимии РАН с помощью электронного сканирующего микроскопа (фирмы "Джеол") были получены микрофотографии элементов структуры уплотненных модельных асфальтобетонных смесей. Для этого образцы, полученные при различных условиях уплотнения, подвергались расколу в жидком азоте, что дало возможность получить пробы соответствующего размера, необходимые для электронно-микроскопических исследований на свежем изломе.

Рис. 5. Построение и статистический анализ однофакторных регрессионных моделей зависимостей предельного напряжения сдвига, средней силы сцепления в контакте между частицами и средней прочности единичного контакта от вязкости битума при различном содержании тонкодисперсного наполнителя.

Для каждой серии образцов были получены микрофотофафии структуры исследуемых составов. Характерный вид структуры уплотненных асфальтобетонных смесей на электронных микроснимках показан на рис. 6. Разработанная оригинальная методика обработки электронных микроснимков предусматривала качественно-количественный анализ микрофотографий, полученных для модельных асфальтобетонов различного состава при различных технологических параметрах процесса формирования структуры материала. Наблюдаемые на микрофотографиях структуры характеризовалась размером единичных структурных элементов, их количеством, разбросом и неоднородностью. При анализе эти показатели сравни-

вались с показателями полученных структурно-механических свойств соответствующих серий образцов при различных условиях формирования структуры асфальтобетона.

40

30

20

10

Рис. 6. Микроструктура асфальтобетона (снимок получен на электронном микроскопе «Джэол»).

На микроснимках кроме минеральных частиц и пор хорошо наблюдаются еще два элемента структуры асфальтобетона. Это - поверхности минеральных частиц, не покрытые битумом (или "обнаженные поверхности" разрушенные в процессе уплотнения и появившиеся в результате разлома образцов в жидком азоте), и непосредственно коагуляционные битумные связи. Наблюдаемый размер обнаженных поверхностей при различных режимах структурообразования лежит в пределах от 2 до 50 мкм, а коагуляционных контактов в пределах от 2 до 8 мкм.

Качественная и количественная оценка результатов электронно-микроскопических исследований четко корреспондируется с результатами определения структурно-механических свойств, что подтвердило основные положения и рабочую гипотезу диссертации.

Таким образом, установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, средним числом контактов между частицами в единице объема материала, средней силой сцепления в контакте между частицами, средней прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляционного) контакта и свойствами асфальтобетонов.

Подбор составов, режимов уплотнения и процессов структурообразования предопределяет принципы направленного комплексного регулированием структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей,

что позволяет получать асфальтобетон с заранее заданными свойствами. Показана принципиальная возможность получения асфальтобетонных покрытий повышенной долговечности и надежности с требуемыми эксплуатационными показателями с использованием различных видов сырья и нового парка машин и механизмов, что позволило сформулировать алгоритм дорожно-строительной техники нового поколения.

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

Апробация теоретических и экспериментальных результатов определена на примере использования широкого спектра асфальтобетонов с использованием битумов разных марок, наиболее применяемого минерального порошка карбонатных пород и заполнителей, используемых в различных регионах России, в том числе районах Сибири и Дальнего Востока.

Представленные выше теоретические и экспериментальные результаты были обработаны по методикам и алгоритмам с использованием корреляционного и регрессионного анализа с построением многофакторных математических моделей. Статистическая оценка указанных зависимостей показала высокую корреляционную связь исследуемых показателей и структурообразующих факторов.

По экспериментально полученным в лаборатории значениям показателей структурно-механических свойств на ЭВМ были исследованы линейные, степенные, логарифмические, экспоненциальные, многочленные второй и третьей степени регрессионные модели. Это позволило выявить количественные взаимосвязи и корреляцию оцениваемых факторов с исследуемыми структурно-механическими свойствами, как отдельно по каждому, так и при совместном многофакторном воздействии. Одновременно для каждой модели оценивалась статистическая значимость (весомость) факторов-аргументов. Наибольшую точность и адекватность показали многочленные модели 2-ой и 3-й степени. К сожалению, многочленные математические выражения трудно поддаются физическому объяснению и от их применения было решено отказаться. Кинетическая модель, приведенная в формуле 8, для всех оцениваемых показателей физико-механических свойств показала достаточную надежность и сходимость:

у = е *' • П е • П х ' (8)

/-1 ¡"1

где: У - значения показателя строительно-технических свойств асфальтобетона; Х| -значения параметров процесса уплотнения (например, Х1 - уплотняющая нагрузка в МПа, Х2 - температура уплотнения, °С, Х3 - время действия уплотняющей нагрузки).

После нахождения частных производных выражения (8) были получены значения факторов-аргументов, соответствующие экстремальным значениям исследуемых показателей свойств:

Установлено, что "главные" экстремумы по всем технологическим структурообразующим факторам при лабораторном уплотнении для различных составов и показателей свойств не всегда совпадают. Наибольшая вариация экстремумов наблюдается при изменении интенсивности и времени действия уплотняющей нагрузки.

Для практической реализации полученных закономерностей в диссертации разработана расчетно-экспериментальная методика проектирования асфальтобетонных смесей с требуемыми структурно-механическими свойствами. Она учитывает анализ эксплуатации материала в условиях различных регионов России, свойства исходных компонентов, технологию приготовления, доставки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей в конструктивном слое дорожной одежды, непосредственно вариантный подбор составов с требуемыми структурно-механическими и строительно-техническими показателями с экспериментальной проверкой полученных свойств и оценку экономических соображений по каждому составу по выбранному критерию. Расчетная часть методики реализована на ЭВМ в виде алгоритмов и программ.

Изменение технологических приемов устройства асфальтобетонных покрытий, связанное с применением эффективных современных дорожно-строительных машин и оборудования, использованием многокомпонентных асфальтобетонных смесей отражается на формировании структуры и свойств асфальтобетона.

Структурообразование асфальтобетонных смесей в процессе производства работ по устройству дорожных покрытий и оснований зависит от множества факторов. Это - вид и технологические возможности асфальто-укладочной техники (принцип действия и энергетические возможности укладчиков), вид уплотняющего оборудования, технологические возможности машин и механизмов (весовые и геометрические параметры дорожных катков, число проходов катка по одному следу, ширина укладываемой и уплотняемой полосы, ширина перекрытия смежных полос, скорость технологического потока), проектная дорожная конструкция (толщина слоя), температура укладываемого слоя и др. Методика предусматривала учет влияния этих технологических факторов на комплекс показателей строительно-технических свойств, полученных при испытании образцов, отобранных при уплотнении опытных секций покрытия (среднюю плотность, водопоглощение, устойчивость и пластичность по Маршаллу)

Исследование процессов структурообразования при уплотнении асфальтобетонных смесей непосредственно в конструктивных слоях асфальтобетонных покрытий позволили, как и ожидалось установить, что количество проходов катка по одному следу является одним из наиболее весо-

мых технологических факторов, определяющих при прочих равных условиях структурообразование битумоминеральных смесей. Динамика изменения плотности с увеличением числа проходов катка зависит как от выше перечисленных технологических факторов, так и от состава смеси. Установлено, что достигаемая плотность с достаточной достоверностью описываются логарифмической зависимостью и характеризуется показателем "уплотняемости" У—/(л), который определяет скорость изменения плотности при последовательных проходах катка по одному следу. В полулогарифмических координатах этот процесс удовлетворительно описывается линейной зависимостью, что существенно облегчает обработку полученных результатов и проведение сравнительного анализа влияния различных технологических условий и состава смесей на результаты структурообра-зования асфальтобетона:

к =к0 + У-ln/i, у = (10)

Inn

ИЛИ

<р = <р +У-ЫП, y = L, (11)

In/»

где ky и ко - коэффициенты уплотнения после и до начала уплотнения, ф' и (р0- относительная плотность после и до начала уплотнения.

При уплотнении асфальтобетонных смесей дорожными катками интенсивность уплотняющей нагрузки зависит от их конструктивных, весовых и геометрических параметров. Статистическая оценка указанных зависимостей показала высокую корреляционную связь между числом проходов катка и показателями, характеризующими плотность асфальтобетона (коэффициент корреляции 0,997 - 0,999). Установлено, что с ростом весовых параметров катка в 1,5-2,0 раза показатель У для песчаного высокопористого асфальтобетона увеличивается на 20-25%.

После статистической и графоаналитической обработки полученных результатов были найдены значения показателей уплотняемости для различных типов дорожных катков при различной толщине уплотняемого слоя и рабочей скорости уплотнения. Полученные по предлагаемой методике закономерности позволяют с определенной надежностью прогнозировать требуемое число проходов катка по одному следу для достижения уплотняемым асфальтобетоном требуемой проектной плотности (табл. 2).

Таблица 2

Рекомендуемое количество проходов катка по одному следу для достижения оптимальных структурно-механических свойств асфальтобетона в конструктивном слое

Тип катка Марка катка Число проходов по одному следу

Гладковальцовый статический ДУ48А 16

Вибрационный ДУ 47А 11

На пневмошинах ДУ 31А 9

Установлено, что при прочих равных условиях большие значения устойчивости по Маршаллу (Рм) при уплотнении достигаются при уплотнении вибрационными катками, меньшие - при использовании катков на пневматических шинах. Экстремальные значения показателя достигаются для каждого вида катка при различном числе проходов по одному следу. Аналогично изменяется и условная пластичность по Маршаллу, а экстремумы имеют выраженный минимум. Рабочая скорость всех типов катков при уплотнении в меньшей степени влияет на формирование структуры и свойств асфальтобетона уплотняемого дорожными катками, чем рассмотренные выше технологические факторы. На результаты уплотнения влияет толщина уплотняемого слоя и составы асфальтобетонных смесей.

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

В процессе эксперимента варьировалось содержание в асфальтобетонной смеси различных минеральных порошков и битумов, а также песков и щебня, наиболее широко применяющихся при строительстве автомобильных дорог в России. Как и предполагалось, изменение содержания тонкодисперсного заполнителя в пределах от 5 до 22 % также приводит к изменению всех строительно-технических свойств уплотненных асфальтобетонных смесей. При уплотнении гладковальцовым катком асфальтобетонных смесей с разным количеством порошка происходит монотонное, примерно четырехкратное, увеличение устойчивости по Маршаллу. При использовании для тех же составов вибрационного и пневмоколесных катков при 10 % содержании тонко дисперсного компонента наблюдается экстремум. Значения показателя по Маршаллу для вибрационного катка в экстремальной точке превышают значения при других концентрациях в 1,7 -1,85 раза, а для катка на пневматических шинах в 1,4 - 1,7 раза.

Статистическая оценка указанных зависимостей показала высокую корреляционную связь. Установлено влияние соотношения компонентов асфальтобетонной смеси битум/минеральный порошок (Б/МП), асфальто-вяжущее/песок (АВВ/П), асфальтовый раствор/щебень (АР/Щ) на показатели свойств уплотненного асфальтобетона.

Для этого регрессионные выражения (9) были приведены к виду:

= А - к1 • к1- к} • кА • к5 • к6-

Р„ = 4 • Рх • Рг • Рь • Р* ■ Р, ' Л ' />7

где: Л п А] (Л = е>°)- постоянные, к/ - к7 (Л, = еь,х' • X, ь'*1) - функциональные коэффициенты влияния параметров на коэффициент уплотнения, и Р1 - р? (р, = е>,х' • Х^'*')- функциональные коэффициенты влияния параметров на механические показатели (устойчивость по Маршаллу).

Проведенные расчеты и статистический анализ позволили предложить метод функциональных коэффициентов для назначения технологии эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей. На основании разработанного в работе метода функциональных коэффициентов был подготовлен и внедрен в дорожных организациях приведенный в приложении к диссертации стандарт организации СТО 94444005-001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований». Технические условия.

Таким образом, установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, числом контактов в единице объема, силой сцепления в контакте между частицами, структурой и свойствами органических вяжущих, прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляционного) контакта со свойствами асфальтобетонов.

С привлечением теории контактных взаимодействий обоснован физико-химический механизм формирования структуры асфальтобетона, заключающийся в учете основных закономерностей образования и разрушения структуры высококонцентрированных полиминеральных и полидисперсных систем. Выявлены основные параметры характеризующие структуру асфальтобетона, что дало возможность произвести количественную оценку структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей как на технологической стадии, так и асфальтобетона в процессе эксплуатации.

На различных технологических этапах приготовления, доставки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей наблюдается их сегрегация. Неоднородность асфальтобетона в конструктивном слое дорожной одежды возникает по многим причинам. Температурная сегрегация связана с технологическими возможностями конкретной асфальтобетонной установки, принципом ее работы, производительностью, конструктивными особенностями отдельных узлов и агрегатов. Еще в большей степени температура смеси изменяется в кузове автомобилей-самосвалов при ее доставке на объект и укладке в конструктивный слой. Сегрегация может быть следствием неоднородности состава асфальтобетонной смеси, вызванной неравномерностью перемешивания и ошибками в дозировании компонентов. Не в меньшей степени сегрегация зависит от неоднородности свойств исходных компонентов асфальтобетонной смеси, связанной с различием показателей их строительно-технических свойств между разными партиями поставки материалов на асфальтобетонный завод (АБЗ), а также вариацией показателей в одной партии.

Технологическая неоднородность связана с организацией дорожно-строительных работ и культурой производства. Это: ритмичность доставки

смеси на объект, точность соблюдения проектных требований (толщины слоя, ширины полосы укладки, уклонов и др.), технология уплотнения асфальтобетонного слоя. Большой температурной неоднородностью характеризуется процесс уплотнения дорожными катками.

На многих объектах наблюдается расслоение асфальтобетонных, особенно многощебенистых смесей, по ширине укладки в поперечном направлении. Это обстоятельство приводит при эксплуатации к интенсивному шелушению поверхностного слоя асфальтобетонного покрытия.

Проведенный расчетный анализ и последующая опытно-производственная проверка результатов уплотнения различных асфальтобетонных смесей при ширине укладки 3,75 м дорожными катками с различной шириной уплотняемой полосы и при ширине перекрытия смежных полос от 0.1 до 0,5 м при прочих равных условиях показали, что даже при жестком соблюдении технологического регламента, уплотненный асфальтобетон имеет значительную неоднородность. Уплотнение требует более высокой культуры производства и строгого соблюдения температурного режима и других параметров технологического процесса. Перечисленные обстоятельства, связанные с сегрегацией при доставке смесей на объект, не всегда можно оперативно устранить, что отражается на свойствах асфальтобетона и его долговечности. Для получения требуемых строительно-технических свойств уплотнение асфальтобетонных слоев должно производиться при температурах эффективного уплотнения:

, min ^ , ^ , тах

эфф — Ч — эфф Q3)

где 1эфф - температура эффективного уплотнения.

В конечном счете, сегрегация (неоднородность материала) приводит к сокращению сроков службы асфальтобетонных покрытий, появлению на них локальных очаговых разрушений и ухудшению транспортно-эксплуатационного состояния асфальтобетонных покрытий в целом.

Для оценки долговечности и обоснования надежности работы асфальтового бетона в конструктивных слоях дорожной одежды разработана методика экспериментального определения изменений структурно-механических и строительно-технических свойств асфальтобетонов различного состава после комплексного совокупного воздействия различных эксплуатационных факторов - действия воды и попеременного замораживания-оттаивания, растворов противогололедных реагентов.

В диссертации представлено обоснование критериев долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий и рассмотрен ряд основных факторов, способствующих преждевременному разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации.

В работе детально характеризуются основные эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные дорожные покрытия и другие конструктивные слои дорожной одежды. Это воздействия автотранспортных

3,6 ■ * 3,2 ■ 5 2,8 ■ Л . 5 2,4- >» 3 2,0-о , § 1,6. 0 1 1.2; |о,8. 1 0,4.

-Яги?

;

0 6 12 18 Число проходов катка

0^90 0,94 0,98 1,02 Коэффициент уплотнения

-ку1 -ку2 -куЗ

5 7 9 11 13 Предел прочности при

сжатии при 0 "С

-Предварительное -Основное -Окончательное_

2,0 2,5 3,0 3,5 Предел прочности при сжатии при 20 °С

-Предварительное

-Основное

-Окончательное

г3,6 ¿3,2

I2'8

5 2,4

3 2,0 о ° 1,6

21,2

¡0,8

|о,4

3 0,0

к> о

0,9

1,4

1,9

Предел прочности при сжатии при 50 °С

Рис. 7. Вариация числа проходов катков по одному следу, коэффициента уплотнения и предела прочности при сжатии при 0, 20 и 50 °С при уплотнении асфальтобетонной смеси типа В отрядом катков с ведущей машиной ДУ 47Б

средств, влияние факторов, связанных с поддержанием асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог в требуемом транспортно-эксплуатационном состоянии, в первую очередь химических средств борьбы с гололедом и воздействие окружающей среды, что вызывает снижение физико-механических характеристик асфальтобетонов.

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

Произведена количественная оценка характера и динамики разрушений в объеме и в поверхностном слое асфальтобетонных образцов. Раскрыта физико-химическая природа и разрушения структуры асфальтобетона, сформулированы принципы выбора компонентов и вяжущих с учетом требуемой долговечности композита в современных условиях эксплуатации.

Экспериментально установлено, что по степени разрушающего воздействия на асфальтобетон в этой группе на первом месте стоят влажност-ный и температурный режимы работы материала в дорожной конструкции. В работе рассмотрено химическое воздействие на асфальтобетон противогололедных реагентов, теплового старения материала, попеременного замораживания и оттаивания. Раскрыт механизм деструктивных процессов и экспериментально установлены происходящие при этом количественные изменения строительно-технических и структурно-механических свойств.

Это связано со структурными изменения на всех уровнях. Взаимодействие с солевыми растворами и высокие летние эксплуатационные температуры приводят к изменению группового состава битумов, что отражается на снижении трещиностойкости асфальтобетонных покрытий и потере адгезии битума с каменными материалами (рис. 8). Под воздействием солевых растворов происходит растворение и вынос малостойких к данной среде составляющих асфальтобетона, составляющих макро- и микроструктуру.

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

Для экспериментальной оценки динамики деструктивных процессов в асфальтобетоне в диссертационной работе использована предложенная C.B. Шестоперовым лабораторная модель погодно-климатических условий II климатической зоны РСФСР. Известно, что при тепловом воздействии

асфальтовый бетон набирает прочность, действие воды и мороза снижают механические свойства материала. Интенсивность протекания этих процессов зависит от сочетания конкретных эксплуатационных условий и температуры испытания. В осенне-зимне-весенний период асфальтобетонное покрытие подвергается воздействию попеременного замораживания -оттаивания и низких эксплуатационных температур. В летний период происходит некоторое упрочнение покрытия за счет старения органического вяжущего и увеличения его вязкости. Одновременно с этим идет процесс частичного восстановления нарушенной в зимний период структуры материала.

вода

ЛЬС/

НИХ

Рис. 8. Оценка адгезионных свойств органических вяжущих при воздействии противогололедных реагентов. ( №№ 2, 3, 5 - марки БНД 60/90, №№ 1, 4, 6 - полимер-битумное вяжущее марки ПБВ 60

Экспериментально установлено (рис. 9), что более интенсивное разрушение образцов асфальтового бетона под действием попеременного замораживания и оттаивания, оцениваемое по потере предела прочности при сжатии, происходит у образцов, подвергшихся более глубокому тепловому старению (или прогретых в течение большего количество час.). Моделируемое в лаборатории прогревом тепловое старение асфальтобетонных образцов приводит к увеличению предела прочности при сжатии независимо от температуры испытания. Так после 160 часов прогрева она при температурах испытания 20 и 50 °С возрастает на 12 - 20%, после 240 часов на 40%, после 320 часов более, чем на 65 - 80%. В меньшей степени это проявляется при температуре испытания 0 °С. После 160 часов - на 5 %, 240 часов на 10 %, 320 часов - на 25%.

Приведенные результаты стандартных испытаний позволяют установить лишь общий характер изменения исследуемых показателей, хотя непосредственному разрушению подвергается только поверхностных слой

образца толщиной = /(г„Лр) .

Если предположить, что поверхность асфальтобетонных образцов при испытании на морозостойкость разрушается относительно однородно, то через А/гр (рис. 10) можно подсчитать объем материала, в котором элементарные контакты после очередного цикла попеременного замораживания и оттаивания еще способны сопротивляться.

Рис. 9 Изменение коэффициента морозостойкости асфальтобетона после различного количества часов предварительного теплового старения

Изменение объема образца в процессе испытания:

Л V = V""4 -V

'-1 г п г обр у обр

(14)

где Д Vп - изменение объема образца в про-

т г пач

цессе испытания, ' 0бр - первоначальный

V

объем образца, процессе испытания

ж/2

обр

4

■К

(15)

V" = -

у обр

я-

V"

г обр объем образца в

где с/ и И первоначальные диаметр и высота цилиндрического образца.

г(с/ - 2Д/г )2

Рис. 10. Расчетная схема для определения текущего объема и поверхности цилиндрических асфальтобетонных образцов при испытании на морозостойкость

■Мд/^Л

где Л^р - глубина поверхностного разрушения образца.

Количество часов предварительного

прогрева

Число циклов замораживания-оттаивания

Тогда изменение объема образца запишется в виде:

ж/2 л{с1-2АИв)2

4 '{И-АИр). (17)

Определив среднее число контактов в единице объема в каждом из исследуемых составов, можно количественно оценить количество контактов, не работающих после очередного числа циклов испытания (например, на морозостойкость).

Поверхность образца в процессе испытания составит:

ц = 2. П(<1~ 24М^)2 + (к - 2АЬразр) • /г • {Л - АЬр), (18)

Тогда средняя величина глубины разрушения выразится через формулу:

Оценка морозостойкости материалов может производиться по величие потери массы (Дт). Экспериментально полученные в процессе испы-

(19)

ост

тания на морозостойкость значения остаточной пористости У„ор со средней плотностью образцов рх:

' ргост 4

связаны

Л = Р

1 _ "ор К 100

(20)

Потеря массы образца при этом составит Д т = т0-т, = р0-Г0- ргГг (21)

Для получения относительной потери массы образца необходимо

Ат 0ТНести к первоначальной массе образца и умножить на 100%.

Из рис. 11 видно, что, даже при весьма незначительных разрушениях поверхностного слоя действующий объем изменяется. Расчеты показали, что при 5% потере массы образцов диаметром 101 мм величина Лкразр не превышает 1 мм.

Анализ характера изменения остаточной пористости испытанных составов после попеременного замораживания и оттаивания позволил количественно оценить глубину разрушения поверхностного слоя асфальтобетонных образцов, количество условно разрушенных микроконтактов и коэффициент морозостойкости поверхностного слоя (рис. 12).

С использованием уравнений (14-21) были установлены взаимосвязи между потерей массы образцов различного размера с глубиной разрушенного поверхностного слоя. Линейная регрессионная модель обладает высокой степенью точности (коэффициент множественной корреляции Я2 у 0.99 ), Параллельно для оценки относительной поверхностной прочности асфальтобетона использовалась методика испытания на приборе «Оникс» . Установлено, что в начальный период испытания, примерно до

20-25 циклов разрушение поверхностного слоя асфальтобетонных образцов протекает довольно интенсивно.

Рис. 11. Зависимость потери массы образцов от глубины разрушения поверхностного слоя.

Для асфальтобетона типа Б на гранитном щебне поверхностный слой разрушается на глубину примерно 150 мкм, на гранитном типа В, известняковом типа Б - 240 мкм, а у песчаного асфальтобетона — 280 мкм. Затем процесс разрушения стабилизируется и после 75

Рис. 12. Изменение относительной прочности асфальтобетона после прогрева при температуре 90 °С (а) и попеременного замораживания и оттаивания (б).

циклов замораживания-оттаивания соответственно достигает 200, 400 и 340 мкм. После 75 циклов испытания интенсивность разрушения поверхностного слоя резко возрастает и к 100 циклам составляет уже 680, 920 и 910 мкм.

Количество часов прогрева

0.90

0.80

0.50

0.40

0 50 100 150 200 250

Число циклов замораживания-оттаивания

0 40 80 120 160 200 240 280 320

О 7 14 21 28 Водологлощение в 5% растворе НКММ, сут.

О 7 14 21 28 Водологлощение в воде сутки

Водологлощение в 5% растворе N л СI, сут.

песчаный

м/зна гранитном щебне 'м/а на известняковом щебне.

'песчаный

м/зна гранитном щебне м/3 на известняковом щебне

■песчаный

>м/з на гранитном щебне •м/з на известняковом щебне

Морозостойкость в 5% растворе сут.

- песчаный

- м/з на гранитном щебне -м/з На известняковом щебне

Рис. 13 Изменение структурно-механических свойств

асфальтобетонов при длительном водопоглощении

- - средняя сила

сцепления в контакте между частицами

средняя

прочность единичного контакта

ы м

Рис. 14 Изменение структурно-механических свойств асфальтобетонов после попеременного замораживания и оттаивания

————— - средняя сила сцепления в контакте между частицами

_ _ _ _ - средняя прочность единичного контакта

Это подтвердилось и при оценке относительной поверхностной прочности.

£ =Д100 /£<>

Коэффициент морозостойкости мр' "ок'" поверх после 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания у асфальтобетона на гранитном щебне составил 0,54, на известняковом щебне -0,33. У песчаного и малощебенистого асфальтобетона типа В на гранитном щебне при высоком содержании известнякового минерального порошка слой разрушается интенсивнее и на большую глубину, кмрз достигает значения 0,32.

Таким образом, установлено, что при попеременном замораживании и оттаивании основные разрушения происходят в поверхностном слое, интенсивность разрушения поверхностного слоя зависит от природы крупного заполнителя и содержания известнякового минерального порошка. Природа поверхностных разрушений связана с контактными взаимодействиями структурных элементов асфальтобетонов. Деструктивные процессы в поверхностном слое усиливаются при длительном водопоглощении в агрессивных растворах противогололедных реагентов, их интенсивность разрушений зависит от вида противогололедных реагентов и от адгезионных свойств используемых органических вяжущих. Воздействия различных противогололедных химических реагентов на составляющие асфальтобетон структурные элементы и изменения в их составе и свойствах существенно отличаются по природе и характеру. Необходимо учитывать еще, что эти процессы идут при постоянном воздействии колес автомобилей, поэтому процессы разрушения структуры материала происходят гораздо интенсивнее, чем процессы ее восстановления. Выше приведенное классификационное разделение этих эксплуатационных воздействий по основным признакам представлено в табл. 3. Агрессивные среды после нарушения сплошности пленки вяжущего на поверхности минеральных частиц способны химически взаимодействовать и вымывать частицы тонкодисперсного наполнителя из микроструктуры асфальтобетона (асфальтовяжущего вещества), разрушая микроконтактную структуру материала.

Установлено, что по сравнению с кислыми горными породами компоненты асфальтобетона из основных пород более чувствительными к действию агрессивной водной среды. Это объясняется различием в характере химических связей, рвущихся при разрушении. Насыщенные солями водные растворы способны проникать в поры каменного материала при более низкой температуре, чем не минерализованная вода. В результате экспериментально доказано, что прочность и коррозионная стойкость структуры асфальтобетона более интенсивно снижается при воздействии различных агрессивных сред. Процессы разрушения структуры асфальтобетона быстрее протекают в растворах сульфата магния и натрия, чем в растворах хлористых солей. При одновременном действии попеременного замораживания-оттаивания и агрессивной среды деструктивные процессы в асфальтовом бетоне заметно ускоряются. Динамика деструктивных процессов зависит от сочетания и интен-

сивности воздействия эксплуатационных факторов и начальных структурно-механических свойств асфальтобетонных дорожных покрытий.

Воздействие агрессивной среды способствует разрушению структуры асфальтобетона и составляющих его компонентов. Воздействие хлористых солей приводит к изменению группового состава битума. При этом тяжелые масла переходят в легкие смолы, а тяжелые смолы - в легкие асфальтены. Это способствует снижению деформативности вяжущего, что приводит к снижению трещиностойкости асфальтобетона при его работе в покрытиях.

Таблица 3

Классификация химического воздействия противогололедных реагентов на асфальтобетонные покрытия

Структурные изменения Результат воздействия Типичные реагенты

.Увеличение количества полярных групп и растворимости отдельных компонентов битума Вымывание легкорастворимых соединений, снижение адгезии битума и каменного материала Реагенты, содержащие нитраты N03"

. Изменение группового состава органических вяжущих Увеличение жесткости пленки вяжущего, снижение трещиностойкости Реагенты, содержащие хлориды СГ, сульфаты 8042'

. Уменьшение краевого угла смачивания асфальтобетона Проникновение агрессивных растворов на большую глубину Мочевина, этиленг-ликоль и др.

. Совокупное воздействие нескольких признаков Снижение основных характеристик компонентов асфальтобетона НКММидр.

. Вымывание карбоната кальция из известнякового наполнителя Снижение прочности асфальтобетона, разуплотнение структуры, ослабевание контактов Реагенты, содержащие сульфаты БО/", нитраты Ж)3"

. Реагенты, не вызывающие изменений Ацетаты СН3СОО\ формиаты НСОО", фосфаты РО43"

В дальнейшем агрессивные среды способны химически взаимодействовать и вымывать частицы тонкодисперсного минерального наполнителя из асфальтовяжущего вещества, разрушая микроконтактную структуру материала. Воздействие химически агрессивной среды вызывает необратимые изменения в структуре асфальтобетона. Уменьшается среднее количество элементарных контактов в единице объема и средняя прочность единичного контакта. Таким образом, при агрессивном воздействии противогололедных регентов снижаются все структурно-механические показатели свойств асфальтобетона. Увеличивается пористость, снижается прочность. Наблюдает-

ся шелушение и выкрашивание поверхностного слоя асфальтобетона. Причем, как было установлено, наиболее агрессивной по отношению к асфальтобетону с химической точки зрения является нитратная среда. Асфальтобетон, в минеральной части которого содержится большее количество карбоната кальция, в грубо- и тонкодисперсных компонентах смеси, разрушается быстрее, т.к. после нарушения сплошности битумной пленки и разрушения части элементарных контактов эти контакты вступает в обменную химическую реакцию с агрессивным раствором реагентов и растворимые продукты реакции после чего легко вымываются из структуры материала.

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

Опытно-производственная апробация результатов теоретических исследований, технологических приемов, разработанных конструкций и составов смесей в Ярославской, Московской, Калужской, Курской областях, в Калмыкии подтвердили технико-экономическую эффективность внедрения результатов диссертационной работы.

По данным Федерального казенного учреждения «Дороги России», Федеральной дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия» и Росавто-дора на построенных в 70-х 90-х годах участках в настоящее время эксплуатируется 1922 км автомобильных дорог с применением около 10 млн. т песчаных высокопористых асфальтобетонных смесей. Участки находятся в хорошем эксплуатационном состоянии, работы по капитальному ремонту не производились.

Наблюдения за построенными участками федеральных автомобильных дорог с основаниями из уплотненных битумопесчаных смесей показали повышенную эксплуатационную надежность дорожных одежд и повышенные фактические межремонтные сроки по сравнению с традиционными типами дорожных оснований на контрольных участках.

В городах Курске, Бендеры Молдавской ССР, Чебоксары, Калинине, Ярославле построено около 43 км городских автомобильных дорог с дорожными основаниями из высокопористых песчаных смесей. Всего выпущено 219 400 т смесей. Установлено снижение эксплуатационных расходов за счет образования меньшего количества продольных и поперечных трещин и сохранением более высокой ровности при аналогичных условиях работы дорожной конструкции с традиционными основаниями.

Экономическая эффективность внедрения разработанных технологий по СТО 94444005-001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению

асфальтобетонных покрытий и оснований» по данным Федеральной Дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия» составляет до 20 млрд. рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

5. В результате лабораторных и опытно-производственных работ получены количественные взаимосвязи между структурообразующими и деструктивными факторами со структурно-механическими и строительно-

техническими свойствами асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог. Впервые установлено, что при уплотнении асфальтобетонных смесей достижение нормативной плотности асфальтобетона в конструктивных слоях дорожной одежды не гарантирует получения всего требуемого комплекса физико-механических свойств и структуры материала, отвечающих эксплуатационным условиям.

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

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

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

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

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

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

- Смеси битумопесчаные. Технические условия. ТУ 218РСФСР 365

- Руководство по применению битумопесчаных смесей для устройства

оснований дорожных одежд;

- ГОСТ 9128-84, ГОСТ 9128-97, ГОСТ 9128-2009, позволившие получить экономический эффект от применения разработанных песчаных высокопористых асфальтобетонов, подтвержденный актами и справками ФКУ «Дороги России», Федеральной дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия» и Росавтодора Минтранса РФ.

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

- Результаты исследований использованы при разработке Стандартов организации. Автомобильные дороги. «Устройство асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.36-2011, Часть 2. «Устройство асфальтобетонных покрытий из горячего асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.37-2011, Часть 3. «Устройство асфальтобетонных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.38-2011, стандартов организации. Автомобильные дороги. «Ремонт асфальтобетонных покрытий» Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.47-2012 и Часть 4. Ликвидация колеи. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.502012.

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

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

Основные публикации по теме диссертации

Монографии и учебные пособия:

1. Воробьев В. А. Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси. Книга 2. Практические разработки. /Воробьев В.А., Суворов Д.Н., Котлярский Э.В., Доценко А.И., Попов В.П. //Изд-во Российской инженерной академии. М. 2009, 732 с (141 с)

2. Котлярский Э.В. Факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий. /Котлярский Э.В., Гридчин A.M., Лесовик Р.В. //Белгород, БГТУ им. Шухова, 2012, 187 с.

3. Котлярский Э.В. Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации. /Котлярский Э.В., Воейко O.A., //Техполиграфцентр, М. 2007, -136 с.

4. Котлярский Э.В. Строительно-технические свойства дорожного ас-

фальтобетона. Учебное пособие. /Котлярский Э.В. // УМО Агентства по образованию Мин-ва науки и образования РФ, М., Техполиграф-центр, М. 2004,-183 с.

5. Авсеенко A.A. Технико-экономические обоснования дипломных проектов по производству и применению дорожно-строительных материалов. Учебное пособие. /Авсеенко A.A., Котлярский Э.В. //М., МАДИ, 2012,37 с.

6. Котлярский Э.В. Органические вяжущие материалы. Учебное пособие. /Котлярский Э.В., Акимова Т.Н. // М., МАДИ, 2012,98 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

7. Урьев Н.Б. Формирование структуры высококонцентрированных дисперсных материалов с учетом контактных взаимодействий в процессе уплотнения (на примере асфальтового бетона). / Урьев Н.Б., Финашин В.Н., Котлярский Э.В., Черномаз В.Е. Коллоидный журнал. № 1. 1987, с.72-76.

8. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетона и асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //В сб. докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндуст-рии», ч. 2; «Эффективные материалы, технологии, машины для строительства и эксплуатации, автомобильных дорог. Обеспечение безопасности движения. 18-19 сентября 2007, Белгород, Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, с.

9. Котлярский Э.В. Изменение свойств асфальтобетона в присутствии химически агрессивных растворов. //Международный научно-технический журнал «Наука и техника в дорожной отрасли» № 2, 2008 с. 21-24.

10. Котлярский Э.В-., Ваулин Э.М. Работоспособность асфальтобетона при тепловом старении и попеременном замораживании и оттаивания. /Котлярский Э.В., Ваулин Э.М. //Транспортное строительство» № 9, 2008, с.13-18.

11. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетона. //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Научно-теоретический журнал, № 4, 2008, с.4-8.

12. Котлярский Э.В. Влияние противогололедных реагентов на свойства битумов и асфальтобетонов. /Котлярский Э.В., Воейко O.A. //Международный научно-технический журнал «Наука и техника в дорожной отрасли» № 4, 2008, с.39-42.

13. Котлярский Э.В. Моделирование в лаборатории термореактивных воздействий слой асфальтобетонного покрытия. /Котлярский Э.В., Рамос А., Миронов H.H. //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Научно-теоретический журнал, № 1,2010, с.39-42.

14. Котлярский Э.В. Изменение характеристик дорожного покрытия из асфальтобетона в зависимости от эксплуатационных воздействий. /Котлярский Э.В., Кондратьев М.С. //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Научно-теоретический журнал, № 1,2010, с. 53-59.

15. Котлярский Э.В. Требования к битумным эмульсиям для приготовления эмульсионно-минеральных смесей. /Котлярский Э.В., Гридчин A.M., Коротков A.B. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Научно-теоретический журнал, № 1, 2010, с. 10-13.

16. Котлярский Э.В. Расчетно-экспериментальная оценка битумоемкости минеральных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Гридчин A.M. // Строительные материалы, № 2, 2011, с. 40-44.

17. Котлярский Э.В. Процесс проектирования асфальтобетонных смесей с заданными структурно-механическими свойствами с использованием автоматизированных систем. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И., Николаев А.Б. //Журнал «Автомобильные дороги и мосты», Беларусь, № 1, 2011.

18. Котлярский Э.В. Процесс проектирования асфальтобетонных смесей с заданными структурно-механическими свойствами с использованием автоматизированных систем. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И., Николаев А.Б. //Автомобильные дороги и мосты, Беларусь, № 1, 2011.

19. Котлярский Э.В. Научно-методические основы оценки структурно-механических свойств композиционных материалов на основе органических вяжущих. /Котлярский Э.В. //Журнал «Строительные материалы», № 10,2011, с. 36-41.

20. Котлярский Э.В. Научно-методические основы оценки структурно-механических свойств композиционных материалов на основне органических вяжущих. /Котлярский Э.В., Гридчин A.M. //В сб. докладов Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии», ч. 1, «Эффективные материалы, технологии и машины в строительстве» (XX научные чтения), 11-12 октября 2011 г., Белгород, Изд-во БГТУ, с. 257-271.

21. Котлярский Э.В. Блок исходных данных автоматизированной программы проектирования составов асфальтобетонных смесей с требуемыми структурно-механическими свойствами. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И. //В сб. докладов Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии», ч. 1, «Эффективные материалы, технологии и машины в строительстве», 11-12 октября 2011г., Белгород, Изд-во БГТУ, с. 272-281.

22. Котлярский Э.В., Морозостойкость асфальтобетона. /Котлярский Э.В., //Строительные материалы, № 5,2011, с.81-84.

23. Котлярский Э.В. Автоматизированная программа проектирования состава асфальтобетонных смесей с требуемыми структурно-

механическими свойствами. Часть 1. Блок исходных данных. / Кот-лярский Э.В., Кочнев В.И. Строительные материалы, № 10, 2011, с. 5-10.

24. Котлярский Э.В. Морозостойкость асфальтобетона. / Котлярский Э.В., //Строительные материалы, № 5,2011, с.81-84.

25 Котлярский Э.В. Оптимизация отряда машин для эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Черкасов В.Г. //Справочник-каталог строительства и ремонта автомобильных дорог «Дорожная техника» № 1, 2012, с. 26-28.

26 Котлярский Э.В, Исследование процессов структурообразования при уплотнении асфальтобетонных смесей в конструктивных слоях асфальтобетонных покрытий. /Котлярский Э.В., Гридчин A.M., Лесовик Р.В., //Автомобильные дороги. М., № 8,2012, с. 66-72.

27. Котлярский Э.В. Температура - всему голова. Оптимальные температурные режимы структурообразования при устройстве асфальтобетонных конструктивных слоев. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И., Гридчин

A.M., Лесовик Р.В., М., «Автомобильные дороги» № 8, 2012, с. 73-78.

В сборниках трудов и научно-технических журналах:

28. Финашин В.Н. Оценка уплотняющей способности дорожных катков. /Финашин В.Н. Соколов В.А. Котлярский Э.В. //Сборник научных трудов "Исследование свойств дорожно-строительных машин". М., МАДИ, 1980,

29. Котлярский Э.В. Экспериментальные исследования уплотняющей способности и нагруженности вибрационных катков. /Котлярский Э.В., Кустарев Г.В. //Сборник научных трудов. М., ЦНИИС, 1980, вып. 5.

30. Котлярский Э.В. Уплотняемость асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //Тезисы сообщений Всесоюзной научно-технические конференции "Пути ускорения научно-технического прогресса в дорожном хозяйстве". ЦПНТО AT и ДХ Минавтодор, 1986.

31. Финашин В.Н. Этапы формирования асфальтобетонных смесей при их уплотнении. /Финашин В.Н., Котлярский Э.В. Урьев Н.Б., Черномаз

B.Е. //Сб. научных трудов МАДИ. "Пути совершенствования технологии и повышения качества дорожно-строительных материалов". М., МАДИ 1987, с.118-128.

32. Швагирева O.A. Исследование влияния противогололедных реагентов на изменение структуры и свойств асфальтового бетона. /Швагирева O.A., Котлярский Э.В. //Пленарное заседание Ассоциации исследователей асфальтобетона. М., МАДИ, 2000.

33. Котлярский Э.В. Критерии качества уплотнения асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //В книге Интенсификация инженерного строительства. М., Общ-во Знание 1987, с. 153-156.

34. Котлярский Э.В. Контактные взаимодействия при формировании асфальтобетонных смесей в процессе уплотнения. / Котлярский Э.В., Финашин В.Н., Урьев Н.Б //Сб. "Повышение качества асфальтобетон-

ных и черных покрытий". М., СоюздорБИИ, 1987, с. 65.

35. Котлярский Э.В. Структурообразование асфальтобетонных смесей при уплотнении. /Котлярский Э.В. //Тезисы докладов республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов". Харьков. 1989, с.15-16.

36. Котлярский Э.В. Методика определения предельного напряжения сдвига асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Урьев Н.Б., Тараканов В.М.,Черномаз В.Е. Богонин В.А. //В сб. Повышение эффективности использования материалов при строительстве асфальтобетонных и черных покрытий. Труды Союздорнии.М., 1989, с. 99-104.

37. Котлярский Э.В. Остывание уплотняемых асфальтобетонных слоев. /Котлярский Э.В. //В сб. научных трудов "Пути совершенствования технологии производства и повышения качества дорожно-строительных материалов", -М., МАДИ, 1990.

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

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

40. Левин И.В. Обоснование возможности нормирования однородности материалов с применением математико-статистических методов. /Левин И.В., Котлярский Э.В. //Сб. научных трудов "Методы и средства повышения надежности материалов и сооружений на автодорогах с учетом транспортных воздействий", М., Госкомвуз РФ, МАДИ, 1996.

41. Котлярский Э.В. Методика оценки удельной поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси. /Котлярский Э.В. //В сб. докладов ежегодной научной сессии Ассоциации Исследователей Асфальтобетона. М„ МАДИ (ГТУ), 2007, с 33-41

42. Котлярский Э.В. Методика оценки структурно-реологических свойств асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //Сб. научных трудов "Дорожно-строительные материалы, их свойства и работа в конструкциях". М., МАДИ, 1992.

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

44. Котлярский Э.В. Современные аспекты исследований долговечности материалов. /Котлярский Э.В., Беляков А.Б., Васильев Ю.Э., Евгень-ев Г.И. //Сб. научных трудов "Методы и средства повышения надежности материалов и сооружений на автодорогах с учетом транспортных воздействий". М., Госкомвуз РФ, МАДИ, 1996.

45. Котлярский Э.В. Прогноз дисперсности минерального порошка для асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //В сб. трудов «Проблемы создания информационных технологий. Сб. научных трудов, вып.

14. Международная Академия информационных технологий. -Минск. 2006, с. 100-107.

46. Котлярский Э.В. Прогноз дисперсности минерального порошка для асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //В сб. научных трудов «Проблемы создания информационных технологий», вып. 14, Международная Академия информационных технологий, Минск. 2006

47. Котлярский Э.В. Роль битумоемкости в формировании структуры и свойств асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В. //В сб. трудов «Информационные технологии в автотранспортном комплексе» вып. 1. Международная Академия информационных технологий. Отделение при МАДИ (ГТУ). -М. 2006, с. 45-52.

48. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетона. /Котлярский Э.В. IIВ сб. научных трудов «Проблемы создания информационных технологий», вып. 15, Международная Академия информационных технологий, Минск. 2007, с. 149-159.

49. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетона. /Котлярский Э.В., Коротков А.В //В сб. научных трудов «Проблемы создания информационных технологий». вып. 15, Международная Академия информационных технологий, Минск. 2007, с. 160-162.

50. Котлярский Э.В. Расчетно-экспериментальная методика проектирования состава асфальтобетона с учетом структурно-механических характеристик асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Урьев Н.Б. //В сб, докладов ежегодной научной сессии Ассоциации Исследователей Асфальтобетона. М., МАДИ (ГТУ), 2007, с. 62-66

51. Котлярский Э.В. Механизм воздействия агрессивных факторов на битум. /Котлярский Э.В., Воейко O.A. //В сб. научных докладов «Повышение качества битумов в странах СНГ», посвященных Юбилею экспертного совета при Межправительственном совета дорожников, Издание МСД, Москва 2007, с. 54-58.

52. Котлярский Э.В. Механизм воздействия агрессивных факторов на асфальтобетон и причины разрушения структуры асфальтобетона при его работе в дорожных покрытиях. /Котлярский Э.В., Воейко O.A. //В сб. научных трудов «Строительство и эксплуатация дорог; научные исследования и их реализация». М., Издание МАДИ (ГТУ), 2008 , с. 84-100.

53. Котлярский Э.В. Влияние воздействия противогололедных реагентов на изменение структуры и свойств битумов м асфальтобетонов. /Котлярский Э.В., Воейко O.A. // В сб. статей и докладов ежегодной научной сессии Ассоциации Исследователей Асфальтобетона. М., МАДИ (ГТУ), 2008, с. 30-39.

54. Котлярский Э.В. Исследование влияния эксплуатационных факторов на сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий аэродромов в условиях республики Перу. /Котлярский Э.В., Рамос А. //В сб. статей и

докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2009, с. 21-25.

55. Котлярский Э.В. Критерии назначения требований к сдвигоустойчи-вости асфальтобетона для аэродромных покрытий в Республике Перу. /Котлярский Э.В., Рамос А. //Труды Первого Всероссийского дорожного конгресса. Межрегиональное общественное объединение «Дорожный конгресс», МАДИ (ГТУ), М. 2009, с. 311-320.

56. Котлярский Э.В. Автоматизированная система проектирования состава асфальтобетона с требуемыми структурно-механическими свойствами. /Котлярский Э.В., Черкасов В.Г. //Пленарное заседание Второго Всероссийского дорожного конгресса. Межрегиональное общественное объединение «Дорожный конгресс», МАДИ, секция «Дорожно-строительные материалы», М. 24 ноября 2010,11с.

57. Котлярский Э.В. Технологический регламент уплотнения асфальтобетонных и битумоминеральных смесей с учетом технологических возможностей средств уплотнения и состава асфальтобетона. / Котлярский Э.В., Рамос А., Давлятова Д.Ю. //Пленарное заседание Второго Всероссийского дорожного конгресса. Межрегиональное общественное объединение «Дорожный конгресс», МАДИ, секция «Дорожно-строительные материалы», М. 24 ноября 2010,11с.

58. Котлярский Э.В. Физико-химические основы формирования структуры и свойств асфальтобетона. Пленарное заседание Второго Всероссийского дорожного конгресса. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И. //Межрегиональное общественное объединение «Дорожный конгресс», МАДИ, секция «Дорожно-строительные материалы», М. 24 ноября 2010, 11 с.

59. Котлярский Э.В. Моделирование в лаборатории термореактивных воздействий на верхние слои асфальтобетонных аэродромных покрытий. /Котлярский Э.В., Рамос А., Миронов H.H. //В сб. статей и докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2010, с. 117-123.

60. Котлярский Э.В. Технологический регламент уплотнения асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Черкасов В.Г. //В сб. статей и докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2011, с. 205-219.

61. Котлярский Э. В. Методика проектирования состава асфальтобетонных смесей с заданными структурно-механическими свойствами. /Котлярский Э.В., Кочнев В.И., Николаев А.Б. //В сб. статей и докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2011, с. 131-139.

62. Котлярский Э.В. Оптимизация отряда машин для эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., Черкасов В.Г.//В сб. статей и докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2012, с. 113-120.

63 Котлярский Э.В., В.И. Кочнев. Разработка блока исходных данных ав-

томатизированной программы проектирования состава асфальтобетонных смесей. /Котлярский Э.В., В.И. Кочнев. //В сб. статей и докладов Ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей Асфальтобетона, М., МАДИ, 2012, с. 201-210.

Подписано в печать 24.12.2012г. Формат 60х 84/16

Печать офсетная Усл.печ. л. 2,6 Уч.- изд. л. 2,3

Тираж 150 экз. Заказ 432

Ротапринт МАДИ,125319, Москва, Ленинградский просп., 64

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА

На правах рукописи

05201350395 КОТЛЯРСКИЙ Эдуард Владимирович

УДК 625.855.32: 624.138.22

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Специальность - 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

<Г

1\иы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Белгород -2012

Содержание

Введение................................................ 7

1. Современные представления о структурообразовании в высококонцентрированных дисперсных системах, теоретические предпосылки управления этими процессами в асфальтобетонах...... 29

1.1. Физико-химическая природа структурообразования в высококонцентрированных дисперсных системах и особенности ее образования в асфальтовых бетонах............................... 29

1.2. Возможности создания требуемой структуры асфальтобетонов регулированием сил сцепления в контакте между частицами, числа единичных контактов и удельной поверхности частиц минерального заполнителя.................................... 49

1.2.1. Структурирование в асфальтобетонах в зависимости от сил сцепления и числа контактов между частицами заполнителей........ 49

1.2.2. Влияние удельной поверхности минеральной части асфальтобетонных смесей и ее отдельных компонентов на структуру асфальтобетонов ................................................ 74

1.3 Выводы по главе 1........................................ 91

2. Теоретические предпосылки получения оптимальной структуры асфальтобетонов с требуемыми свойствами для конструктивных слоев дорожных одежд..................................... 93

2.1 Общие положения конструирования и выбор материалов конструктивных слоев нежестких дорожных одежд.................. 93

2.1.1 Конструирование дорожной одежды, задачи и основные принципы конструирования...................................... 95

2.1.2 Конструирование покрытий и оснований дорожных одежд капитального типа............................................ 99

2.1.3 Конструирование покрытий и оснований дорожных одежд облегченного и переходного типов............................... 99

2.1.4 Основные положения расчёта на прочность дорожных одежд 100

2.2 Основные требования к дорожным.......................... 104

2.3 Песок для приготовления песчаного высокопористого асфальтобетона.................................................. 106

2.4 Влияние состава на расчетные характеристики песчаного высокопористого асфальтобетона и рекомендуемые конструкции дорожной одежды........................................... 112

2.5 Выводы по главе 2. Предпосылки, программа и объекты исследования.................................................. 114

3 Экспериментальные исследования параметров образования и разрушения структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов ........................................ 117

3.1 Особенности подбора материалов для получения оптимальной

структуры высокопористого асфальтобетона.................. 117

3.1 Материалы, принятые для экспериментальных исследований .... 117

3.2 Методы определения структурно-реологических характеристик 130

асфальтобетонных смесей и асфальтобетона..................

3.3 Методика статистической обработки экспериментальных иссле-

дований асфальтобетонных смесей........................... 137

3.4 Выводы по главе 3........................................ 145

4 Исследование процессов структурообразования асфальтобетонных смесей в зависимости от режимов уплотнения............. 147

4.1 Физико-механические свойства высокопористых песчаных асфальтобетонов в зависимости от режимов уплотнения......... 149

4.2. Влияние режимов уплотнения высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в лаборатории на структурно-механические свойства асфальтобетона................................... 167

4.3. Влияние асфальтовяжущего на структуру и структурно-механические свойства песчаных асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов........................................... 176

4.4. Электронно-микроскопические исследования образования структуры песчаных асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов в зависимости от режима уплотнения образцов.................. 193

4.5 Выводы по главе 4........................................ 208

5 Исследование процессов структуробразования при уплотнении асфальтобетонных смесей в конструктивных слоях асфальтобетонных покрытий.......................................... 212

5.1. Исследование уплотняемости высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в зависимости от технологических факторов.. 212

5.1.1. Влияние скорости и количества проходов катков на структурооб-разование высокопористых песчаных асфальтобетонных смесей в конструктивных слоях дорожной одежды..................... 212

5.1.2. Влияние на формирование структуры и свойства высокопористого песчаного асфальтобетона в покрытии толщины уплотняемого слоя.................................................... 226

5.2. Формирование структуры и свойств высокопористого асфальтобетонов в зависимости от содержания в смеси битума и минерального порошка на при уплотнении смесей в покрытии....... 237

5.3. Особенности структурообразования плотных асфальтобетонов при уплотнении смесей различных составов в покрытиях в зависимости от вида уплотняющей техники...................... 245

5.4. Оптимальные технологические режимы структурообразования при устройстве асфальтобетонных слоев...................... 267

5.4.1. Процессы структурообразования в асфальтобетонных покрытиях

в зависимости от температуры............................... 267

5.4.2. Причины и последствия сегрегации асфальтобетонных смесей на различных технологических этапах устройства асфальтобетонных покрытий............................................ 281

5.4.3. Статистическая оценка неоднородности уплотнения асфальтобетонных слоев дорожными катками. Изменение однородности уплотненного слоя на разных этапах уплотнения отрядами дорож- 292

ных катков...............................................

5.5. Выводы по главе 5........................................ 299

6. Факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации, разработка критериев и определение долговечности асфальтобетонных покрытий............... 302

6.1. Эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные дорожные покрытия................................................ 302

6.2. Воздействие агрессивных сред на свойства вяжущих и асфальтобетонных покрытий........................................ 310

6.2.1. Взаимодействие битума и минеральных наполнителей с противогололедными реагентами .................................. 310

6.2.2 Изменение структуры и свойств асфальтобетона при длительном

водопоглощении в химически агрессивных средах............. 330

6.3. Влияние совокупности климатических факторов на разрушение структуры асфальтобетонов при работе в дорожных покрытиях . 340

6.3.1. Исследование теплового старения и морозостойкости асфальтобетонов ................................................. 340

6.3.2 Изменение структуры и структурно-механических свойств асфальтобетонов при попеременном замораживании и оттаивании в растворах противогололедных реагентов..................... 368

6.4 Выводы по главе 6........................................ 397

7. Расчет экономической эффективности производственного внедрения высокопористого песчаного асфальтобетона для строительства оснований дорожных одежд....................... 400

7.1 Расчет экономической эффективности производственного внедрения высокопористого песчаного асфальтобетона для строительства оснований дорожных одежд на автомобильных дорогах различных технических категорий........................... 400

7.1.1. Автомобильные дороги II и III технической категории (тип I) .... 403

7.1.2. Автомобильные дороги II и III технической категории, (тип II) ... 410

7.1.2 Автомобильные дороги IV технической категории (тип III)..... 416

7.2. Расчет экономической эффективности внедрения СТО 94444005001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований» в ДЭП-19 Федеральной Дирекции автомобильных дорог «Центральная Россия»........... 425

7.2.1. Общие положения и основные исходные данные для проведения

расчетов................................................. 425

7.2.2 Расчет затрат на приобретение исходных материалов........... 426

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................... 431

Литература.............................................. 434

Том 2. Приложения.......................................

Приложение I Проектирование составов модельных асфальтобетонных смесей........................................... 2

Приложение II. Электронно-микроскопические исследования .... 19 Приложение III Результаты математической обработки (коэффи- 40

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

лабораторных исследований)................................

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

уплотнения.............................................. 45

Приложение V. Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований (для опытно производственных работ)............................................ 49

Приложение № VI. Опытно-производственные работы по отработке эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей..... 100

Приложение № VII. Акты внедрения результатов работы....... 114

Условные обозначения основных величин

Рт - предельное напряжение сдвига;

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

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

<р - относительная плотность - характерный размер частиц;

БУд. -удельная поверхность минеральной части асфальтобетонной смеси;

Б~ битумоемкость фракции;

Х1 - значения, полученные при экспериментальном определении показателя;

п - количество измерений (или определений);

р -. интенсивность уплотняющей нагрузки;

^упл _ температура уплотнения;

/ - время действия уплотняющей нагрузки;

Б/МП- соотношение битума к минеральному порошку;

АВВ/П - соотношение асфальтовяжущего вещества к песку;

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

Ураб, - скорость движения катка (рабочая скорость уплотнения;

У- показатель уплотняемости;

Рлин- линейное давление вальцового катка;

Ьо-Ь1 — коэффициенты регрессии математических моделей;

Упор - пористость асфальтобетона;

IVн- водонасыщение по объему асфальтобетона;

Рт -устойчивость по Маршаллу асфальтобетона;

Ьт - текучесть по Маршаллу;

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

Яповерхносн..........^поверх« " поверхностная прочность;

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

Введение

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

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

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

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

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

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

Интенсивность дорожного движения

Нагрузки на ось транспортных средств

Дорожно-строительные машины и механизмы нового поколения

Современная технология производства

дорожно-строительных работ

Использование техногенного сырья

Применение более

эффективных

противогололедных

реагентов

Использование многокомпонентных асфальтобетонных смесей

Рисунок 1 Факторы долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий

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

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

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

- он обладает достаточной механической прочностью;

- способностью воспринимать упругие и пластические деформации;

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

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

- гигиеничность асфальтобетона, позволяет легко промывать и очищать покрытия;

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

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

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

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

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

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

Увеличение скорости движения и плотности транспортных потоков влечет за собой увеличение аварийности на автомобильных дорогах, приводит к росту числа погибших и пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях. Если в 1990 году среди всех причин, по которым люди болели и умирали, ДТП занимало шестое место, то по прогнозу ООН в 2020 году по этой причине они займут третье место среди причин заболеваний и смерти после болезней системы кровообращения и депрессии. По данным социологов аварийность на автомобильном транспорте связана с большими отрицательными экономич