автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка технологии ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата

На правах рукописи

1 8 Ш» 2001

ВИШНЕВСКИЙ Александр Витальевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ / ДОРОГ В УСЛОВИЯХ СУРОВОГО КЛИМАТА

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск 2001

Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете.

Научный руководитель: Д.т.н., профессор В.В. Ушаков

Официальные оппоненты: Д.т.н., профессор А.И. Ярмолинский

д.т.н., доцент В.М. Кочемасов

Ведущая организация: ГУП «Читинское областное дорожное

управление».

Защита состоится « 22 » июня_2001 г. в 1400 на заседании

диссертационного совета Д 212.294.01 при Хабаровском государственном техническом университете по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская 136, ХГТУ, ауд. 315л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Хабаровского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 21» мая_2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

,^-А.В. Лещинский

Ом.Чб-оаь. 43,0.9,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Концепцией развития дорожной отрасли России на современном этапе является сохранение и поддержание транспортно-эксплуатационного состояния существующей сети автомобильных дорог.

Получившие широкое распространение в период освоения промышленных территорий регионов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями эксплуатируются уже более 30 лет. Неблагоприятные воздействия суровых природно-климатических факторов, тяжелых транспортных нагрузок привели к существенному износу и образованию различных повреждений дорожных покрытий, одними из которых являются разрушения поверхностного слоя бетона. Следствием этого является рост потребности в выполнении и увеличение объемов ремонтно-восстановителышх дорожных работ.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями показывает, что существующие способы ремонта поверхностных разрушений недостаточно эффективны, особенно в регионах с суровым резко континентальным климатом. В условиях постоянного роста осевых нагрузок транспортных средств и интенсивности движения актуальной задачей является совершенствование методов восстановления поверхностного слоя бетоны с целью повышения надежности и работоспособности жестких покрытий автомобильных дорог.

Основная идея работы заключается в использовании полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ) для повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Цепью диссертационной работы является разработка и научное обоснование способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата путем его обработки полимерно-минеральными композициями на основе поливинилбутираля.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

1. Обосновать требования к свойствам материалов для ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий применительно к условиям сурового климата.

2. Подобрать оптимальные составы композиций на основе ПВБ. Определить физико-механические характеристики полимерно-минеральных покрытий, установить технологические параметры их устройства.

3. Разработать технологию ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

4. Оценить эффективность разработанного способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием

комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; физико-механическую оценку свойств получаемых покрытий; проверку качественных характеристик ремонтных слоев покрытий в натурных условиях; методы математического и физического моделирования. Использованы методы математической статистики и программные средства расчетов на ЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. содержащихся в работе, подтверждается достаточным объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предлагаемого решения, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью; применением ЭВМ при обработке полученных в ходе исследований данных; проверкой результатов исследований при ремонте поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Защищаемые научные положения:

1. При эксплуатации автомобильных дорог влияние природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя жестких покрытий в районах с суровым климатом значительно выше, чем в условиях умеренного климата, что предопределяет особые требования к физико-механическим характеристикам материалов для ремонта, а именно, высокой механической прочности, сцеплению с цементобетоном, повышенной деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости.

2. Повышение эффективности ремонта поверхностного слоя цементобеюнных покрытий автомобильных дорог достигается применением полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ), обладающих высокими прочностными, деформативными и адгезионными свойствами.

3. Высокие физико-механические свойства ремонтных слоев покрытий обеспечиваются при соблюдении оптимальных

'технологических параметров их устройства, а именно, толщины наносимого слоя, температуры и продолжительности нагревания полимерно-минеральной композиции.

4. Разработанная технология ремонта поверхностных разрушений цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием композиций на основе ПВБ позволяет создавать покрытия с высокими эксплуатационными качествами, а также сократить трудоемкость и повысить экологическую безопасность выполнения работ.

Научная новизна работы:

- обоснованы требования к свойствам материалов, используемых для ликвидации поверхностных разрушений бетона дорожных покрытий, применительно к условиям сурового климата;

- разработан способ ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, заключающийся в нанесении на ремонтируемую поверхность полимерно-минеральной композиции на основе ПВБ с последующей высокотемпературной обработкой;

- подобран оптимальный состав композиции ПВБ с природным песком, обеспечивающий при наименьшем содержании полимера высокие физико-механические характеристики получаемых покрытий;

- разработаны параметры обработки и технологические схемы ремонта поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ.

Практическая ценность работы заключается в обосновании нового метода ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог и разработке технологии устройства тонкослойных покрытий из полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля, которая обеспечивает высокое качество, сокращение трудоемкости работ, быстрый ввод в эксплуатацию и повышение срока службы отремонтированного покрытия.

Апробация работы. Представленная работа выполнена в соответствии с Межвузовской научно-технической программой «Архитектура и строительство» Министерства образования Российской Федерации; раздел 9.3.1.5 «Разработка методов повышения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в условиях Забайкалья».

Основные положения диссертационной работы и практические результаты обсуждались на 1-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса», Ростовский государственный строительный университет, 1998 г.; 1-й Международной научно-технической конференции «Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера», Архангельский государственный технический университет, 1999 г.; П-й Межрегиональной научно-технической конференции «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике», Хабаровский государственный технический университет, 2000г.; научно-технических конференциях Читинского государственного технического университета 1998, 1999, 2000 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе: 5 научных статей, 3 доклада на научно-технических конференциях. Получен патент на изобретение № 2101414 РФ, МКИ 6 Е 01 С 7/35, 7/10, 11/24. «Способ обработки цементобетонного покрытия» от 10.01.1998 г.

Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы более 100 наименований и включает 130_ страниц машинописного текста, 30 табл., _18 рисунков и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен краткий анализ основных видов деформаций цементобетонных покрытий автомобильных дорог и методов их ремонта.

Исследованиям в области строительства и эксплуатации цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов посвящены работы А.П. Васильева, В.П. Носова, C.B. Коновалова, В.А. Чернигова, Л И. Горецкого, М.С. Коганзона, Р.Э. Франклина, Э.М. Дашевского, О.П. Афиногенова, А.Е. Казаринова, В.В. Ушакова и др.

Большой вклад в разработку способов ремонта и содержания поверхностного слоя бетона, а также методов усиления жестких покрытий автомобильных дорог и аэродромов внесли В.К. Апестин, Н.В. Свиридов, C.B. Суханов, A.A. Малышев, И.Н. Христолтобов, Г.К. Сюньи, Я.И. Швидко, В.Д. Ставицкий, В.И. Соломатов, А.П. Платонов и другие исследователи. За рубежом аналогичными разработками занимались англоголландский концерн «Shell», фирмы «Schölten Рох1то1»(Германия), «Сальвиан»(Франция) и др.

Разрушение верхнего слоя бетона дорожных покрытий происходит под воздействием транспортных нагрузок и температурно-влажностных процессов, сопровождаемых колебаниями температуры наружного воздуха и расшатыванием структуры бетона по средством скапливания и замораживания воды в порах и капиллярах. Отличительными особенностям и сурового резко континентального климата Забайкалья, оказывающими влияние на снижение прочности верхнего слоя бетона являются: температурные напряжения в покрытии, возникающие в следствии значительных колебаний температур наружного воздуха в различные сезоны года, и особенно в диапазоне отрицательных температур; попеременное замораживание-оттаивание покрытия в переходные периоды года, и особенно осенью, когда в бетоне содержится большое количество влаги; водонасыщение верхнего слоя бетона в период интенсивных атмосферных осадков во второй половине лета; напряжения от капиллярной усадки в результате испарения и выветривания влаги в

весенний период и в первой половине лета. Одними из причин разрушения поверхностного слоя дорожных покрытий также служат отклонения от технологии укладки бетонной смеси, а также механические или химические способы борьбы с гололедом.

Современная концепция эксплуатации автомобильных дорог предусматривает выполнение ремонтных работ на ранней стадии возникновения повреждений поверхностного слоя бетона, не допуская их развития и накопления. Ремонт очагов разрушения поверхностного слоя бетона дорожных покрытий выполняют с использованием минеральных композиций на основе различных вяжущих (рис.1).

СПОСОБЫ РЕМОНТА

Заливка Одиночная Двойная Нанесские Укладка тонкослойного покрытия

поверхностная повсркностая пневмоспосооом

обработка обработка

МАТЕ

РИАЛЫ

Герметики Минеральные смеси на основе Минеральные смеси на оаюае Мелкозернистые (песчаные) смсси Мелкозернистые (песчаяые) смсси К^тщсоернилье акхи

6 шумные. битумные и iwmvepMje ГЮЛНМерНЪП И по;1и«еуно-бтушых вевущт бтушп и реэююбшумньп мжутаих цеметобетокиьк и тлимербсто иные UFtfcKtnoeroHwe, полимербетонные и смеси ш юшом стеке opiw- беюмые

РАЗРУШЕНИЯ

Трещины и Шелушение Выкрашивание Сколы Выбоины. Сплошное Сплошное

повреждения h - 2-10 мм и шелмиение кромок и раковины послойное послойное

деформаци- h - 3-]5 мм отколы h - Ъ-1 см разрушение разрушение

онных швов углов плит покрытия 1г= 1-3 см покрытия h = 3-7 см

Рис. 1. Основные способы ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог

Недостатки наиболее распространенных материалов и способов их укладки снижают эффективность ремонта цементобетонных покрытий, особенно в регионах с суровым климатом. В этих условиях требуется применение новых видов вяжущих и разработка технологии устройства покрытий на их основе.

При анализе физико-механических и химических свойств различных синтетических материалов, выпускаемых отечественной промышленностью и используемых в строительстве, выявлены аморфные порошкообразные полимеры, предлагаемые в качестве связующих в композициях с минеральными заполнителями. Одним из широко распространенных представителей данной группы материалов является поливинилбутиралъ (ПВБ). Разработка методов ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием ПВБ позволила сформулировать цель научной работы и определить основные задачи исследований.

Во второй главе дается обоснование требований к свойствам материалов, используемых при ремонте цементобетонных покрытий автомобильных дорог, применительно к условиям сурового климата.

Основным условием обеспечения устойчивости ремонтных слоев покрытий при воздействии температурных колебаний и транспортных нагрузок является совместная работа полимерно-минеральных материалов с цементобетоном. Требуемое сопротивление ремонтного слоя покрытия сдвигу относительно поверхности цементобетона, определешюе по показателю интенсивности касательной силы, передающейся колесом расчетного автомобиля группы А, составляет 0,5 МПа.

Для проведения расчетов на температурные воздействия в системе «полимерно-минеральное покрытие - цементобетон» использованы методики, разработанные И.А. Медниковым, ВА Черниговым, Л.И. Горецким, М.С. Коганзоном, В.В. Ушаковым, и основанные на многочисленных экспериментальных исследованиях температурного режима и особенности работы цементобетонных покрытий автомобильных дорог, в том числе и в условиях сурового резко континентального климата. Расчетные значения изменения температуры поверхности покрытий установлены в пределах 25-гЗО "С.

I случай II случай

Рис. 2. Схема совместного деформирования полимерно-минерального покрытия с цементобетоном при температурном воздействии.

В условиях совместного деформирования слоя ремонтного материала и бетонного покрытия при понижении температуры (рис.2) фактические перемещения любых крайних сечений X/ и х2, находящихся на определенном расстоянии /х от геометрического центра О' полимерно-минерального материала, составляют:

в I случае

= A1J""» - (Л1> + Л12), (1а)

во II случае

Л1ф-Аитн-А1и (16)

где А1т,пш" - деформация полимерного покрытия при полной задержке свободного укорочения;

АU и Л12 - перемещения бетонной плиты (м), соответственно, в точках xi и х2.

В расчетах сделаны следующие допущения:

— температура по всей толщине ремонтного слоя покрытия и на поверхности цементобетона принята одинаковой;

-перемещение центрального сечения О' полимерно-минерального материала, а также во II случае перемещение сечения х2, в расчетах не учитывали.

На основе уравнения совместности деформаций определены горизонтальные растягивающие c™t и касательные напряжения ть возникающие в полимерно-минеральном покрытии в результате изменения температуры At:

в I случае

0™.= апмЕпмД! /(1-Цпм) - ст6,(1-№) Епи/[Еб(1-Цпм)], (2.1а)

т( = гст^Ь^ОЕм Ьпм /[Еб /пм(1-ц™)], (2.2а)

во II случае

0™,= апмЕ^ЛиП-ц™) - сб,(1-ЫЕГ[М/ДЕг^О-Ц™)], (2.16)

т, =2а6,(1-М<5)Епм Ь11Ч/,/[Еб /Зпм(1-Цт,)], (2.26)

где а™ Ьпм и Дп„ - коэффициент линейного температурного расширения ("С"1), модуль упругости (МПа) и коэффициент Пуассона полимерно-минерального материала; Е6 и (1б- модуль упругости (МПа) и коэффициент Пуассона бетона; 4м и Ьпм - длина и толщина слоя полимерно-минерального покрытия, м; и - расстояние от геометрического центра цементобетонной плиты О

до крайнего сечения лг/, м; с® - температурное напряжение в бетоне, МПа:

стб( = ОбЕвА1ср/(1-^) - Р^/Ре, (3)

где а« - коэффициент линейного температурного расширения бетона, °С~'; Д^ - температура перемещения плиты цементобетонного покрытия, "С; Ев - площадь поперечного сечения бетона, м2. Ре00" - сила сопротивления перемещению бетона по основанию, кН:

рс<хн=ТсОСн(/б£б)/2) (4)

где /б и Ь5 - длина и ширина бетонного покрытия, м

тг - удельное сопротивление материала основания перемещению плиты (Тс001 = 0,004 МПа).

На основе выполненных расчетов по формулам (2-4) определены значения нормальных и касательных температурных напряжений, возникающих в полимерно-минеральных покрытиях, в зависимости от деформативных свойств полимерно-минеральных материалов и геометрических размеров ремонтных покрытий на их основе.

Установлено, что с целью снижения концентрации горизонтальных растягивающих и касательных напряжений в контактной зоне полимерно-минерального покрытия, требуется, чтобы модуль упругости материала отличался не более, чем в 2-3 раза от значений для бетона, коэффициент линейного температурного расширения - соответственно в 1,5-2,5 раза, а

толщина наносимого слоя была бы минимальной. В условиях сурового климата требуемые показатели прочности на растяжение при изгибе материалов на основе ПВБ составляют 7,4-г7,9 МПа, а значения их сдвигоустойчивости -1,35+1,9 МПа.

Как показали результаты расчетов, при одинаковом содержании полимера в композиции материалы на основе ПВБ по сравнению с эпоксидно-минеральными смесями обладают более высокой деформативной способностью, в результате чего в них возникают меньшие температурные напряжения.

В результате изучения процесса сгруктурообразования полимерного покрытия из порошкообразных полимеров установлено, что оно основано на механизме пленкообразования полимера и одновременно сопровождается его взаимодействием с минеральным заполнителем и кольматацией расплавом поверхностного слоя бетона.

При формировании полимерного покрытия следует учитывать температуры, соответствующие физическим состояниям полимера: стеклообразному, высокоэластичному и вязкотекучему (табл.1).

Таблица 1

Температуры физических переходов поливинилбугираля

Температура, "С

хрупкости стеклования текучести деструкции

-60 53 180-195 250-260

Процесс формирования покрытия предусматривает полное самослипание частиц полимера. Сплавление частиц порошка происходит в начале за счет самодиффузии (взаимного проникновения и переплетения звеньев макромолекул), а затем в результате действия вязкого течения материала. «Сшивка» молекул ПВБ осуществляется как по линейной схеме, так и с образованием трехмерного полимера. Трехмерное сшивание макромолекул ПВБ способствует значительному повышению прочности и химической стойкости получаемых покрытий • по сравнению с неструктурированными. При полном сплавлении частиц полимера пленка ПВБ имеет максимальную прозрачность.

Капиллярно-пористая структура бетона способствует пропитке его поверхности расплавом полимера, что повышает сопротивление нагрузкам и трещиностойкость верхнего слоя бетона, предотвращает его разрушение и увеличивает механическую адгезию ремонтного покрытия.

В высокотемпературном режиме возможно химическое взаимодействие расплава ПВБ с компонентами минерального заполнителя и цементного камня.

На основе исследования структурообразования покрытий на основе порошкообразных полимеров установлено, что основными параметрами, оказывающими влияние на их прочностные и адгезионные свойства, регулирующими скорость составляющих процессов, являются температура и продолжительность нагревания полимерно-минерального материала, а также концентрация наполнителя в полимерной композиции.

В третьей главе приведены результаты исследований по определению основных физико-механических свойств композиций на основе ПВБ: прочности на растяжение при изгибе, величины сцепления покрытия с цементобетоном, сопротивления касательному сдвигу и истираемости. Для изготовления образцов покрытий на основе ПВБ была задействована установка, моделирующая нагрев под воздействием инфракрасного излучения.

В результате испытаний установлено, что прочностные и адгезионные свойства материалов на основе ПВБ соответствуют требуемым значениям по условиям эксплуатации ремонтных слоев полимерных покрытий. Экспериментально установлены оптимальные составы полимерно-минеральных композиций, которые обеспечивают наиболее высокие прочностные свойства тонкослойных покрытий. Так, для устройства покрытий толщиной до 5 мм рекомендуется использовать смесь ПВБ с природным песком при соотношении компонентов 1:10, а для устройства покрытий толщиной до 10 мм допускается снижать содержание полимера до соотношения 1:12. Покрытия на основе композиции данных составов обладают более высоким сцеплением с цементобетоном по сравнению с использованием эпоксидно-минеральных материалов.

С учетом особенностей сурового климата были проведены исследования прочности полимерно-минерального материала на отрыв при попеременном замораживании и оттаивании. Условия испытаний, а также количество образцов устанавливали в соответствии с нормативными требованиями по определению морозостойкости бетона. Результаты экспериментов показали, что адгезионная прочность к бетону полимерно-минеральных материалов на основе ПВБ сохраняется в течение 200 и незначительно снижается в течение 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

0,2 г

Рис. 3. Истираемость полимерно-минеральных покрытий на основе:

1 - ПВБ с природным песком состава 1:10; 2 - ЭД-20 с природным песком состава 1:5;

3 - ПВБ с природным песком состава 1:15; 4 - ПВБ с отсевом дробления состава 1:10;

5 - ЭД-20 с отсевом дробления состава 1:5.

Материалы на основе ПВБ являются более стойкими к истиранию по сравнению с бетоном и эпоксидно-минеральными композициями, особенно при использовании в качестве заполнителя природного песка (рис.3).

Для установления зависимости влияния технологических параметров нагрева на прочностные характеристики полимерного покрытия построена математическая модель. В качестве основных факторов (варьируемых в эксперименте величин) приняты (табл.2): температура Т и продолжительность нагрева т, толщина ремонтного слоя покрытия Ь„м, коэффициент наполнения полимера Кн. Функция отклика - прочность сцепления слоя ремонтного покрытия с цементобетоном

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования факторов______

X Уровень Интервал варьирования

верхний промежуточный ОСНОВНОЙ промежуточный НИЖНИЙ

Т = х/ 260 235 210 185 160 25

т = х2* 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 0,5*

т = х2 10 9 8 7 6 5 4 1

Ьпм= х3 15 - 10 - 5 5

1/6 1/8 - 1/10 1/12 -

•Примечание: Интервал продолжительности нагревания, равный 0,5 мин принят для исследований при толщине слоя 5 мм.

Наблюдения за формированием полимерно-минерального покрытия при нагревании под воздействием инфракрасного излучения и результаты эксперимента позволили установить следующие закономерности данного процесса:

1. Оплавление полимера происходит равномерно в направлении от поверхности к подложке, и поэтому необходимо, чтобы в момент полимеризации покрытия на подложке полимерный материал в верхнем слое не подвергался деструкции;

2. Продолжительность нагревания свыше 10 мин является критической, так как не зависимо от температуры нагрева на поверхности полимерно-минерального материала возникает эффект «пережога», а полимеризация на подложке не завершена;

3. Наибольшая толщина слоя полимерно-минерального покрытия на основе ПВБ составляет 10 мм, поскольку при большей толщине слоя температурно-временные условия нагрева материала не позволяют создавать покрытия с высокими физико-механическими свойствами и эстетическими качествами.

По результатам многофакторного эксперимента был выполнен множественный регрессионный анализ с использованием градиентного квазиньютоновского метода нелинейной оптимизации. В процессе определения вектора коэффициентов ^исходного полинома 3-й степени было введено условие, что вычисленные значения не могут быть отрицательными. Учет данного условия позволил подобрать оптимальные значения х^ при которых функция К^дО более точно описывала

экспериментальные результаты. Методом исключения переменных, для реализации которого были разработаны программные модули на ЭВМ, осуществлен выбор оптимальной формы регрессии. В результате получены аппроксимирующие уравнения множественной корреляции, значимость коэффициентов которых проверяли по критериям Стьюдснта и Фишера с 95 % доверительной вероятностью для покрытий толщиной до 5 мм

Исц = -57,16 К„ + 3,121т - 0,267 т2 + 91,78 К„2т - 2,812 К„г, (5а)

Я « 0,908; 5 * 0,215; 1К - 17,82>1Т=3,93; - 28,02>РТ=19,39 для покрытий толщиной 5+10 мм

Яо, = -167,84КН2 + 0,175т2- 4,212 Кнт-0,014т3 + 35,992К„Ч (56)

Я я 0,958; 5« 0,15; 1к - 44,59>1т=1,75; Ра - 82,68>РТ=19,43

Для проведения анализа зависимостей (5а) и (56) построены кривые влияния продолжительности нагревания полимерно-минеральных композиций различных составов на величину сцепления получаемого покрытия с цементобетоном при температуре нагрева 235 "С, толщине слоя до 5 мм (рис. 4а) и 10 мм (рис.4б).

Составы композиций ПВБ с песком и технологические параметры их нанесения легли в основу разработки технологии ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

а) МПа

б) Ясц, МПа

Рис. 4. Зависимость сцепления полимерно-минерального покрытия с цементобетоном от времени нагревашш материала при температуре 235 °С: а) для покрытий толщиной до 5 мм, б) для покрытий толщиной 5-И0 мм.

В четвертой главе дано описание технологии и приведены результаты опытного выполнения ремонта поверхностного слоя цементобетонного дорожного покрытия. Технологический процесс ремонта включает следующие операции:

-удаление непрочных участков поверхностного слоя бетона в месте разрушения;

-очистка, промывка и просушивание ремонтируемой бетонной поверхности;

-приготовление сухой смеси ПВБ с песком заданного состава, ее распределение по покрытию, выравнивание и легкое уплотнение;

-нагрев слоя полимерно-минеральной композиции установками инфракрасного излучения;

-твердение ремонтного покрытия в естественных условиях.

В местах с сильным загрязнением бетона масляными и топливными пятнами поверхность покрытия рекомендуется обработать 30 %-ным раствором соляной кислоты расходом 0,8-1 л/м2, и спустя 15-20 мин, промыть водой под давлением до получения нейтральной реакции. Перед укладкой полимерно-минеральной композиции для укрепления поверхностного слоя бетона в местах его разрушений и на прилегающих участках целесообразно выполнить пропитку ремонтируемой поверхности гидрофобизирующими упрочняющими составами. При ремонте разрушений глубиной от 5 до 10 мм перед укладкой основного слоя полимерного материала на поверхность бетона нужно предварительно нанести ПВБ расходом 200^300 г/м2.

Основным технологическим достоинством предлагаемого способа ремонта является простота его применения. Использование компонентов в сухом дисперсном состоянии значительно облегчает процесс приготовления смеси и ее нанесение на бетонную поверхность. Нагрев полимерно-минерального материала осуществляется установками инфракрасного излучения, широко применяемыми в практике ремонта и содержания дорожных покрытий.

Полимерный материал характеризуется быстрым набором прочности, что позволяет открыть движение по отремонтированному участку дороги через 2-3 ч после начала твердения.

Технология ремонта отработана в натурных условиях при реконструкции путепровода на автомобильной дороге обхода г. Читы с определением качественных характеристик отремонтированных покрытий: внешнего вида покрытия, прочности сцепления слоя полимерного материала с цементобетоном, ровности поверхности и коэффициента сцепления.

Для определения величины сцепления полимерно-минерального покрытия с цементобетоном на его поверхность в нескольких местах наклеивали металлические штампы 0 50 мм. Отрыв штампов от

поверхности бетона производили с использованием прибора ППГ-1. По усилию, отнесенному к площади отрыва полимерно-минерального покрытия, устанавливали величину его прочности сцепления с цементобетоном. После отрыва штампа определяли вид и площадь разрушения.

Таблица 3

Результаты определения прочности сцепления ремонтного слоя

полимерно-минерального покрытия с цементобетоном

Конструкция покрытия проезжей части Прочность сцепления между слоями» МП а Вид и площадь разрушения

Ремпшый ашй па оснше композиции пошлин»вЬутрча е природном о« схэм 1 Бетси ЮО- 130 мм 1 ГндроюошцмжСыстмяист") .10мм 1 Вырлевюыс&цм» бегая»-X мм 1,80 95 % по бетону 5% по контакту

Определение качества ремонтного слоя покрытия из смеси ПВБ с песком подтвердило результаты лабораторных исследований.

Ровность поверхности отремонтированного дорожного покрытия определяли путем дискретного измерения микропрофиля с использованием универсальной 3-метровой рейки КП-231. При этом просветы в местах сопряжения полимерно-минерального и цементобетонного покрытия отсутствовали.

Покрытия на основе композиций ПВБ обладают коэффициентом сцепления, соответствующим нормативным требованиям, и при устройстве обеспечивают однородность ремонтируемых участков цементобетонных покрытий по сцепным качествам.

Важное место в главе отведено охране окружающей среды при производстве ремонтных работ. Экологическая безопасность устройства полимерно-минеральных покрытий обусловлена способностью ПВБ к полимеризации без участия отвердителей и модификаторов, оптимальными температурно-временными условиями нагрева и небольшим расходом вяжущего, снижающими образование продуктов термоокислительной деструкции полимера. Поэтому, токсичность процесса формирования

полимерно-минерального покрытия в основном сопровождается выделением продуктов сгорания теплоносителя установки инфракрасного излучения, прежде всего окиси углерода СО и других углеводородных соединений.

Экспериментально установлено, что количество вредных выбросов, выделяемых в атмосферу при нагреве полимерно-минерального покрытия установками инфракрасного излучения, не превышает их предельно-допустимой концентрации. Следовательно разработанный способ ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог и дорожных сооружений можно характеризовать как экологически безопасный.

На основе результатов исследований и опытно-экспериментальных работ разработаны технологические схемы ремонта поверхности цементобетонных покрытий автомобильных дорог путем обработки смесью порошка ПВБ с природным песком.

В пятой главе дан комплексный технико-экономический анализ эффективности разработанного способа ремонта цементобетонных дорожных покрытий, осуществленный для условий Читинской области с учетом:

1) снижения издержек на автомобильные перевозки в результате повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорожного покрытия после проведения ремонтных работ;

2) сравнительного эффекта от снижения транспортных издержек в результате сокращения продолжительности ремонта и быстрого ввода отремонтированного участка дороги в эксплуатацию;

3) стоимости выполнения ремонтных работ.

Экономический эффект использования полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля при ремонте цементобетонных покрытий автомобильных дорог для условий Читинской области составил 7030 руб. на 100 м2 покрытия (в ценах 2000г.).

Предполагаемый эффект ремонта автомобильных дорог с цементобетонным покрытием в Краснокаменском районе Читинской области составил 3,5 млн. руб. (в ценах 2000 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнен комплекс научных исследований, обеспечивающий решение важной народнохозяйственной задачи повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Аналитически подтверждено особое влияние суровых природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, что предопределяет повышенные требования к адгезионной прочности, деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости используемых материалов для ремонта. Установлено, что с учетом разницы в деформативных свойствах бетона и полимерных материалов требуемые показатели прочности последних на растяжение при изгибе составляют 7,4-ь7,9 МПа, а сдвигоустойчивости - 1,35-5-1,9 МПа соответственно.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан новый способ ремонта цементобетонных покрытий путем обработки поверхности полимерно-минеральными композициями на основе поливинилбутираля, позволяющий создавать прочные и долговечные покрытия, предохраняющие верхний слой бетона от разрушения и обеспечивающие его защиту от внешних воздействий. Установлены составы полимерно-минеральных композиций, содержащих ПВБ и природный песок крупностью частиц 0,63ч-5 мм с соотношением компонентов 1:10 - 1:12, при использовании которых обеспечивается высокая прочность тонкослойного полимерно-минерального покрытия 7,6+8,8 МПа, его сцепление с цементобетоном 1,9 МПа и низкая истираемость 0,075 г/см2.

3. С помощью многофакторной эмпирической модели описано влияние технологических параметров устройства полимерно-минерального покрытия на его прочность сцепления с цементобетоном. Установлено, что оптимальная продолжительность нагревания материала на основе ПВБ при температуре 235 °С для покрытий толщиной до 5 мм составляет 3,5 мин и покрытий толщиной 5н-10 мм - 7 +8 мм.

4. Разработаны и реализованы в практических условиях технологические схемы обработки поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ, позволяющие сократить трудоемкость работ, а также за 2-3 ч ввести в эксплуатацию отремонтированный участок покрытия, обеспечить его ровность и сцепные качества, соответствующие нормативным требованиям.

5. Доказана экологическая безопасность выполнения ремонта цементобетонных покрытий с использованием ПВБ, обусловленная его самостоятельной способностью к полимеризации, значительно низким содержанием в смеси в 1,5-2 раза по сравнению традиционными синтетическими вяжущими, оптимальными температурно-временными режимами нагрева материала, при соблюдении которых снижается содержание вредных выбросов в атмосферу, образуемых в результате термоокислительной деструкции полимера.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог в регионах с суровыми природно-климатическими условиями. /Вестник Читинской организации НТО строителей. Сборник научных статей. Вып. 1. - Чита, 1997, с. 118-122.

2. Патент 2101414 РФ, МКИ 6 Е 01 С 7/35, 7/10, 11/24. Способ обработки цементобетонного покрытия /Ушаков В.В., Елисеева Л.И., Вишневский A.B. от 10.01.1998 г.

3. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Повышение транспортно-эксплуатационного состояния технологических автодорог. / Вестник Чтинской организации НТО строителей. Сборник научных статей. Вып.2. -Чита, 1998,с. 209-214.

4. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Технология ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог. / Тезисы докладов 1-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса». - Ростов-на- Дону: РГСУ, 1998, с.62-64.

5. Ушаков В .В., Вишневский A.B., Паргачев C.B. Оценка ровности покрытий автомобильных дорог. / Вестник Читинской организации НТО строителей. Сборник научных статей. Вып. 3. - Чита, 1999, с. 105-109.

6. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Нетрадиционные способы ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог. / Труды Международной научно-технической конференции «Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера».

- Архангельск: АГТУ, 1999, с. 176-180.

7. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Ремонт поверхности цементобетонных покрытий автомобильных дорог составами на основе поливинилбутираля. / Вестник Читинской организации НТО строителей. Сборник научных статей. Вып. 4. - Чита, 2000, с. 54-60.

8. Вишневский A.B., Немчин Н.П. Обоснование технологии ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог. / Вестник Читинского государственного технического университета. Вып. 16. - Чита, 2000, с. 8-13.

9. Ушаков В.В., Вишневский A.B. Повышение эффективности ремонта жестких покрытий городских дорог. / Труды Межрегиональной научно-технической конференции «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике».

- Хабаровск: ХГТУ, 2000, с. 196-202.

Вишневский Александр Витальевич.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ СУРОВОГО КЛИМАТА. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук.

* * *

Подписано в печать 14.05.01 Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз.

Форм. Бум. 60x84 1/16 Бум. Тип. № Заказ № 41

Читинский государственный технический университет 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30

РИК ЧитГТУ

Введение

Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные дефекты цементобетонных покрытий автомобильных дорог в регионах с суровым климатом ^

1.2. Анализ способов ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог

1.3. Цель и задачи исследований

Глава II. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА РЕМОНТА

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИМЕРОВ

2.1. Требования к свойствам материалов для ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий ^ *

2.2. Исследование структурообразования полимерно-минерального покрытия на основе поливинилбутираля

2.3. Выводы

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЯ

3.1. Определение прочности материала полимерного покрытия на растяжение при изгибе

3.2. Определение прочности сцепления с цементобетоном полимерно-минерального покрытия

3.3. Определение износостойкости материала полимерно-минерального покрытия

3.4. Определение технологических параметров ремонта поверхностного слоя бетона

3.5. Выводы

Глава IV, ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО РЕМОНТУ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИМЕРОВ

4.1. Ремонт поверхностного слоя цементобетонного покрытия

4.2. Оценка качества ремонта цементобетонного покрытия

4.3.Охрана окружающей среды при производстве ремонтных работ

4.4. Выводы

Глава V. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Методика расчета экономической эффективности

5.2. Уровень эффективности результатов исследований

Актуальность работы. Концепцией развития дорожной отрасли России на современном этапе является сохранение и поддержание транспортно-эксплуатационного состояния существующей сети автомобильных дорог.

Получившие широкое распространение в период освоения промышленных территорий регионов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями эксплуатируются уже более 30 лет. Неблагоприятные воздействия суровых природно-климатических факторов, тяжелых транспортных нагрузок привели к существенному износу и образованию различных повреждений дорожных покрытий, одними из которых являются разрушения поверхностного слоя бетона. Следствием этого является рост потребности в выполнении и увеличение объемов ремонтно-восстановительных дорожных работ.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями показывает, что существующие способы ремонта поверхностных разрушений недостаточно эффективны, особенно в регионах с суровым резко континентальным климатом. В условиях постоянного роста осевых нагрузок транспортных средств и интенсивности движения актуальной задачей является совершенствование методов восстановления поверхностного слоя бетона с целью повышения надежности и работоспособности жестких покрытий автомобильных дорог.

Основная идея работы заключается в использовании полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ) для повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата путем его обработки полимерно-минеральными композициями на основе пол ивинил бутираля.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

1. Обосновать требования к свойствам материалов для ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий применительно к условиям сурового климата.

2. Подобрать оптимальные составы композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ). Определить физико-механические характеристики полимерно-минеральных покрытий, установить технологические параметры их устройства.

3. Разработать технологию ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

4. Оценить эффективность разработанного способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; физико-механическую оценку свойств получаемых покрытий; проверку качественных характеристик ремонтных слоев покрытий в натурных условиях; методы математического и физического моделирования. Использованы методы математической статистики и программные средства расчетов на ЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается достаточным объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предлагаемого решения, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью; применением ЭВМ при обработке полученных в ходе исследований данных; проверкой результатов исследований при ремонте поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Защищаемые научные положения:

1. При эксплуатации автомобильных дорог влияние природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя жестких покрытий в районах с суровым климатом значительно выше, чем в условиях умеренного климата, что предопределяет особые требования к физико-механическим характеристикам материалов для ремонта: высокой механической прочности, сцеплению с цементобетоном, повышенной деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости.

2. Повышение эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог достигается применением полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля, обладающих высокими прочностными, деформативными и адгезионными свойствами.

3. Высокие физико-механические свойства ремонтных слоев покрытий обеспечиваются при соблюдении оптимальных технологических параметров их устройства, а именно, толщины наносимого слоя, температуры и продолжительности нагревания полимерно-минеральной композиции.

4. Разработанная технология ремонта поверхностных разрушений цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием композиций на основе ПВБ позволяет создавать покрытия с высокими эксплуатационными качествами, а также сократить трудоемкость и повысить экологическую безопасность выполнения работ.

Научная новизна работы:

- обоснованы требования к свойствам материалов, используемых для ликвидации поверхностных разрушений бетона дорожных покрытий, применительно к условиям сурового климата;

- разработан способ ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, заключающийся в нанесении на ремонтируемую поверхность полимерно-минеральной композиции на основе ПВБ с последующей высокотемпературной обработкой;

- подобран оптимальный состав композиции ПВБ с природным песком, обеспечивающий при наименьшем содержании полимера высокие физико-механические характеристики получаемых покрытий;

- разработаны параметры обработки и технологические схемы ремонта поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ.

Практическая ценность работы заключается в обосновании нового метода ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог и разработке технологии устройства тонкослойных покрытий из полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля, которая обеспечивает сокращение трудоемкости работ, высокое качество, быстрый ввод в эксплуатацию и увеличение срока службы отремонтированного покрытия.

Апробация работы. Представленная работа выполнена в соответствии с Межвузовской научно-технической программой «Архитектура и строительство» Министерства образования Российской Федерации; раздел 9.3.1.5 «Разработка методов повышения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в условиях Забайкалья».

Основные положения диссертационной работы и практические результаты обсуждались на 1-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса», Ростовский государственный строительный университет, 1998 г.; 1-й Международной научно-технической конференции «Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера», Архангельский государственный технический университет, 1999 г.; И-й Межрегиональной научно-технической конференции «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике», Хабаровский государственный технический университет 2000г.; научно-технических конференциях Читинского государственного технического университета 1998, 1999, 2000 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе: 5 научных статей, 3 доклада на научно-технических конференциях. Получен патент на изобретение № 2101414 РФ, МКИ 6 Е 01 С 7/35, 7/10, 11/24. «Способ обработки цементобетонного покрытия» от 10.01.1998 г.

Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы более 100 наименований и включает 130 страниц машинописного текста, 33 табл., 14 рисунков и приложение.

4.4. Выводы

На основе теоретических и лабораторных исследований разработана новая технология ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог путем обработки поверхности полимерно-минеральной композицией, содержащей поливинилбутираль и природный песок. Технологический процесс ремонта состоит из следующих операций:

- удаление непрочных участков поверхностного слоя бетона в месте разрушений;

- очистка, промывка и просушивание ремонтируемой бетонной поверхности;

- приготовление сухой смеси ПВБ с песком заданного состава, ее распределение по покрытию, выравнивание и легкое уплотнение;

- нагрев слоя полимерно-минеральной композиции установками инфракрасного излучения в соответствии с разработанными рекомендациями (п. 3.4);

- твердение ремонтного покрытия в естественных условиях.

В местах с сильным загрязнением бетона масляными и топливными пятнами поверхность покрытия рекомендуется обработать 30 %-ным раствором соляной кислоты расходом 0,8-1 л/м2, и спустя 15-20 мин, промыть водой под давлением до получения нейтральной реакции. Перед укладкой полимерно-минеральной композиции для укрепления поверхностного слоя бетона в местах его разрушений и на прилегающих участках целесообразно выполнить пропитку ремонтируемой поверхности гидрофобизирующими упрочняющими составами. При ремонте разрушений глубиной от 5 до 10 мм перед укладкой основного слоя полимерного материала на поверхность бетона нужно предварительно нанести ПВБ расходом 200+300 г/м2.

Основным технологическим достоинством предлагаемого способа ремонта является простота его применения. Использование компонентов в сухом дисперсном состоянии значительно облегчает процесс приготовления смеси и ее нанесение на бетонную поверхность. Нагрев полимерно-минерального материала осуществляется установками инфракрасного излучения, широко применяемыми в практике ремонта и содержания дорожных покрытий.

Полимерный материал характеризуется быстрым набором прочности, что позволяет открыть движение по отремонтированному участку дороги через 2-3 ч после начала твердения.

Технология ремонта отработана в натурных условиях с определением качественных характеристик отремонтированных покрытий: внешнего вида покрытия, прочности сцепления слоя полимерного материала с цементобетоном, ровности поверхности и коэффициента сцепления.

Определение качества ремонтного слоя покрытия из смеси ПВБ с песком подтвердило результаты лабораторных исследований (п.3.2). В местах сопряжения тонкослойного покрытия с цементобетоном отсутствуют перепады высот поверхности. Покрытия на основе композиций ПВБ обладают коэффициентом сцепления, соответствующим нормативным требованиям, и при устройстве обеспечивают однородность ремонтируемых участков цементобетонных покрытий по сцепным качествам.

Экспериментально установлено, что количество вредных выбросов, выделяемых в атмосферу при нагреве полимерно-минерального покрытия установками инфракрасного излучения, не превышает их предельно-допустимой концентрации. Следовательно, разработанный способ ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог и дорожных сооружений можно характеризовать как экологически безопасный.

97

ГЛАВА V

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 5Л. Методика расчета экономической эффективности

Эффект от ремонта дорожных покрытий выражается в улучшении их транспортно-эксплуатационных показателей, способствующих повышению удобства, скорости и безопасности движения автомобилей в течении длительного периода эксплуатации дорог при низких затратах на выполнение работ [18]. На основе влияния характеристик транспортно-эксплуатационного состояния дорог на себестоимость автомобильных перевозок разработаны различные методики оценки экономической эффективности дорожно-ремоитных работ [65,88].

Технико-экономический критерий эффективности ремонта дорожного покрытия включает в себя следующие показатели:

Э = А - Арем - Дь-► шах, (5.1) где А - экономия издержек на автомобильные перевозки в результате повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорожного покрытия после проведения ремонтных работ, руб.;

Арем - величина увеличения транспортных издержек в период проведения ремонтных работ, руб.;

Дь - затраты на ремонт участка автомобильной дороги протяженностью L км, руб.

Показатель экономии издержек на автомобильные перевозки в результате проведения ремонтных работ определяется [64,85]: i

А = S^Svi/NoLS^n^n-n'c^^q'-O^l+EHn)', (5.2) где No - среднесуточная интенсивность движения на дороге в год проведения ремонта, авт/сут;

S3 - себестоимость перевозки в дорожных условиях, принятых за эталон, коп./т км; vy - параметр, учитывающий долю грузовых автомобилей в составе движения, среднюю грузоподъемность автомобилей и коэффициент использования пробега (у*1,62);

П°сп , П'сп - показатели себестоимости перевозки до и после проведения ремонтных работ; q - показатель роста интенсивности движения; t - срок суммирования затрат, лет;

Енп - нормативный коэффициент для приведения разновременных затрат к исходному периоду (Е„п= 0,08);

L - протяженность ремонтируемого участка дороги, км.

Величина увеличения транспортных издержек в период проведения ремонтных работ определяется [85]:

Арем = 0,0lH/Ni0LXS3(nicn-n°cn), (5.3) где П'сп - показатель себестоимости перевозки в период проведения ремонтных работ;

X - продолжительность ограничения движения на ремонтируемом участке, сут.

Затраты на ремонт участка автомобильной дороги определяются [94]:

Дь = С + ЕнК, (5.4) где С - себестоимость единицы конструкции, руб;

Ен = 0,12 - нормативный коэффициент эффективности; К - капиталовложения в основное производство на единицу конструкции с учетом сопряженных отраслей, руб.

Себестоимость включает в себя стоимость применяемых материалов, зарплату рабочих и затраты на эксплуатацию машин и механизмов, занятых на выполнении ремонтных работ [70,71].

Капиталовложения определяются [94]: 1 С,/(НПЧ(к), (5.5) где С, - стоимость основных машин и механизмов, выполняющих ремонтные работы, рур^

N, - нормативное число часов работы в год машин и механизмов; Л

ПЧ( - производительность машин и механизмов, м /час; к = 0,8 - коэффициент неравномерности выхода на работу.

Себестоимость перевозок на единицу транспортной работы определяется [42]: $вод + SnocrT +SnepL) / Р, (5-6) где SBM- расходы по заработной плате водителей, руб.;

Snocr - постоянные затраты, зависящие от количества автомобиле-дней работы, руб.;

Т - средняя продолжительность одного оборота, дни;

Snep - переменные затраты, зависящие от пробега подвижного состава, руб.;

Р - объем транспортных услуг, т' км.

Переменные затраты включают расходы на горюче-смазочные материалы, износ шин, проведение обслуживаний и текущих ремонтов, амортизационные отчисления на восстановление автомобилей [88,92].

Показатели себестоимости перевозок определяют по скорости Пу, безопасности движения Пб, прочности дорожной конструкции Ппр, непрерывности движения по дороге Пн, которые характеризуются соответствующими коэффициентами (Kv, Кб, Кпр и Кн), влияющие на себестоимость перевозок [88] : ncn = Kv + K6 + Knp + KH-3,

5.7)

Показатель безопасности движения Пб соответствует итоговому коэффициенту аварийности участка дороги Ка, представляющему собой произведение частных коэффициентов, значения которых приведены в нормативной литературе [33].

Влияние прочности дорожной конструкции на себестоимость перевозок оценивается [88]:

1,024-В,

Knp=Bj+ -(Тф-1), (5.8)

Тн-1 q(q'-l)

C = Npo -; t= Тн-Тф, (5.9) q-1 где В] - величина, зависящая от значений показателя прочности Ппр и параметра С;

Тн и Тф - нормативный и фактический срок службы дорожной конструкции на год проведения оценки ее прочности, считая от момента сдачи дороги в эксплуатацию после строительства или последнего капитального ремонта, лет;

Np0 - среднесуточная интенсивность движения на полосу (в год оценки прочности дорожной конструкции), приведенная к расчетному автомобилю.

Влияние непрерывности проезда по дороге на увеличение себестоимости перевозок оценивается [88] :

1,008-В2

Кн=в2+ -(Тф-1), (5.10)

Т„-1 где В2 - величина, зависящая от значений показателя прочности Ппр и параметра С.

Выше приведенная методика использована для оценки эффективности результатов исследований.

5.2. Уровень эффективности результатов исследований

Экономические расчеты выполняли на примере ремонта автомобильных дорог с цементобетонным покрытием в Краснокаменском районе Читинской области, общая протяженность которых составляет 80 км, площадь разрушений поверхностного слоя бетона - 50000 м2(п.1.1). Автомобильные дороги относятся к Ш-й технической категории, среднесуточная интенсивность движения -1000 авт/сут, показатель ежегодного роста интенсивности q = 1,05, межремонтный срок службы дороги - 15 лет [40,87]. Состав транспортного потока принят по результатам исследований транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в условиях Забайкалья.

В основу расчетов изменения состояния цементобетонных покрытий положены результаты многолетних экспериментальных исследований, выполненных в России и за рубежом, и опыта эксплуатации автомобильных дорог в различных климатических условиях [16,36,45,65,74,87]. Это позволяет определить динамику изменения состояния дорог по прочности дорожной одежды и ровности покрытия в зависимости от срока службы и числа приложений транспортной нагрузки.

При сравнении различных методов ремонта поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий рассматривали следующие варианты:

1. Ремонт на ранней стадии появления деформаций и разрушений бетонной поверхности (шелушения бетона) путем обработки участков различными материалами, в том числе и на основе ПВБ. При этом глубина разрушений незначительно влияет на транспортно-эксплуатационное состояние дороги, а отремонтированное покрытие сохраняет требуемую прочность, ровность и сцепные качества в течении межремонтного срока службы.

2. Ремонт на более поздней стадии поверхностных разрушений бетона, в результате чего существенно снижаются транспортно-эксплуатационные качества дорог, ровность покрытия достигает предельно-допустимых значений. Ремонт осуществляют путем укладки выравнивающих слоев из цементобетона методом торкретирования.

В качестве сравниваемых вариантов представлены способы ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием композиций на основе битума БНД 90/130, эпоксидной смолы ЭД-20 и поливинилбутираля. Для выполнения ремонтных работ подобраны типовые комплекты дорожных машин и установок по приготовлению материалов [46,51,68,99]. Результаты расчета единовременных затрат на ремонт поверхности цементобетонного покрытия представлены в табл. 5.14-5.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнен комплекс научных исследований, обеспечивающий решение задачи повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Аналитически подтверждено особое влияние суровых природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, что предопределяет более жесткие требования к адгезионной прочности, деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости используемых материалов для ремонта. Установлено, что с учетом разницы в деформативных свойствах бетона и полимерных материалов требуемые показатели прочности последних на растяжение при изгибе составляют 7,4-5-7,9 МПа, а сдвигоустойчивости - 1,35-5-1,9 МПа соответственно.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан новый способ ремонта цементобетонных покрытий путем обработки поверхности полимерно-минеральными композициями на основе поливинилбутираля, позволяющий создавать прочные и долговечные покрытия, предохраняющие верхний слой бетона от разрушения и обеспечивающие его защиту от внешних воздействий. Установлены составы полимерно-минеральных композиций, содержащих ПВБ и природный песок крупностью частиц 0,63-5-5 мм с соотношением компонентов 1:10 - 1:12, при использовании которых обеспечивается высокая прочность тонкослойного полимерно-минерального покрытия 7,6^8,8 МПа, его сцепление с цементобетоном 1,9 МПа и низкая истираемость 0,075 г/см2.

3. С помощью многофакторной эмпирической модели описано влияние технологических параметров устройства полимерно-минерального покрытия на его прочность сцепления с цементобетоном. Установлено, что оптимальная продолжительность нагревания материала на основе ПВБ при температуре 235 °С для покрытий толщиной до 5 мм составляет 3,5 мин и покрытий толщиной 5-10мм -7-^8мин.

4. Разработаны и реализованы в практических условиях технологические схемы обработки поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ, позволяющие сократить трудоемкость работ, а также за 2-3 ч ввести в эксплуатацию отремонтированный участок покрытия, обеспечить его ровность и сцепные качества, соответствующие нормативным требованиям.

5. Доказана экологическая безопасность выполнения ремонта цементобетонных покрытий с использованием ПВБ, обусловленная его самостоятельной способностью к полимеризации, значительно низким содержанием в смеси в 1,5-2 раза по сравнению традиционными синтетическими вяжущими, оптимальными температурно-временными режимами нагрева материала, при соблюдении которых снижается содержание вредных выбросов в атмосферу, образуемых в результате термоокислительной деструкции полимера.

108

1. Автомобильные дороги. СНиП 2.05.02-85. -М: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.-51 с.

2. Автомобильные дороги. СНиП 3.06.03-85. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.-112 с.

3. А. с. 487196 (СССР) МКИ Е 01 с 7/30 . Полимербетонная смесь /Андреев Л.В., Шнейдорова В.В., Хасанов P.M., Лубяко А.А.

4. Агроклиматические ресурсы Читинской области. //Гидрометиздат. Л.: 1973. - 162 с.

5. Александров А.Я., Алимов B.C., Макарчук А.И., Бибик П.М. Инфракрасные излучатели на ремонте автодорог. Рига: Авотс, 1982.-99 с.

6. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. -Л.: Химия, 1967.

7. Архипов A.M., Мальцев К.А., Соколов Б.И. О влиянии воды на прочность бетона. «Доклады АН СССР», 1959. Т. №2. -С. 205-209.

8. Баженов Ю.М. Технология бетона. Учебное пособие для технологических специальностей строительных вузов. 2-е изд. Переработ. -М: Высшая шк., 1987. 415 с.

9. Баженов Ю.М. Бетонополимеры. -М.: Стройиздат, 1983. 472 с.

10. Белый В.А., Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Полимерные покрытия. Минск: Наука, 1976. 416 с.

11. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. Минск: Наука и техника, 1971.

12. Бетонные и железобетонные конструкции. СНиП 2.03.01-84*. ~М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. -80 с.

13. Бетонные покрытия автомобильных дорог /Защепин А.Н., Левицкий Е.Ф., Овчаров В.И. и др. М.: Автотрансиздат, 1961. -382 с.

14. Бетонные покрытия автомобильных дорог / Левицкий Е.Ф., Чернигов В.А. М.: Транспорт, 1980. -288 с.

15. Бетоны. Методы определения морозостойкости. ГОСТ 10060.0-95 ГОСТ 10060.4-95. - М.: ГУП ЦПП. - 72 с.

16. Бируля А.К., Михович С.И. Работоспособность дорожных одежд. М.: Транспорт, 1968. -172 с.

17. Закурдаев И.Е.,. Закурдаева О.А, Козырева Г.В. Совершенствование методов ремонта, содержания и строительства дорожных одежд с цементобетонным покрытием и основанием. /Копия отчета о НИР/ М.: ВНТИЦ, 1986. - 128 с.

18. Инструкция по проектированию жестких дорожных одежд. ВСН 197-83. -М.: Союздорнии, 1983. -130 с.

19. Инструкция по учету потерь народного хозяйства от дорожно-транспортных проишествий при проектировании автомобильных дорог. ВСН 3-81/Минавтодор РСФСР.-М.: Транспорт, 1982. -54с.

20. Калиниченко Н.Н., Несвитская Л.Я. Двойная поверхностная обработка на цементобетонном покрытии /ЦБНТИ Минавтодора РСФСР/ -М, 1983. -С. 7-12. (Экспресс-инф., №14)

21. Классификация работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования /Федеральная дорожная служба РФ.- М.: ФДД, 1997. 12 с.

22. Коганзон М.С. Повышение работоспособности дорожных одежд нежесткого и жесткого типов //Совершенствование технологии и организации строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр./ МАДИ. -1987. -С. 21-27.

23. Коновалов С.В., Коганзон М.С. Практическая методика расчета жестких дорожных покрытий с учетом повторяемости нагрузок.- М.: Высшая шк., 1970. -219 с.

24. Коновалов С.В., Коганзон М.С., Боскерман М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния цементобетонных покрытий автомобильных дорог при совместном действии динамической нагрузки и температуры // Труды / МАДИ. -1975. -Вып.94 С. 89-100.

25. Коновалов С.В., Ушаков В.В. Об особенностях работы жестких покрытий в условиях сурового климата. //Повышение прочности и надежности дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог: Сб. науч. тр./ МАДИ. 1981. - С. 98-101.

26. Корсунский М.Б. Межремонтные сроки службы дорожных одежд и покрытий // Автомобильные дороги. -1984. -№1. С.4-6.

27. Кракович Г.А., Безкоровайный К.Г. Напыление порошковых полимерных и олигомерных материалов. /Под редакцией Брагинского В.А. Л.: Химия, 1980. - 112 с.

28. Краткий автомобильный справочник. 10-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1985. - 220 с.

29. Кубасов А.У., Чумаков Ю.Л., Широков С.Д. Строительство, ремонт и содержание автомобильных дорог: Учебник для автомобб-дорожных техникумов. 3-е изд., перераб и доп. М: Транспорт, 1985. - 336 с.

30. Кучма М.И. Современные методы устройства защитных слоев дорожных покрытий // Обзорная информация. Киев, 1975. -34с.

31. Лещицкая Т.П., Попов В.А. Современные методы ремонта аэродромных покрытий: Учебное пособие / МАДИ-ТУ. -М: 1999. -132 с.

32. Лифшиц Б.А., Гончаров Ю.П. Справочник по ремонту и содержанию дорожных покрытий. -М.: Стройиздат, 1979. -166 с.

33. Магдеев У.Х. Свойства отделочных бетонных плит с полимеррастворным покрытием. //Строительные материалы. -1987. -№1.-С. 7-9.

34. Малышев А. А., Христолюбов И.Н., Агалаков Ю.А. Ресурсосберегающий метод ремонта цементобетонных покрытий. //Наука и техника в дорожной отрасли. -1997. -№4. -С. 24-25.

35. Материалы и изделия для строительства дорог. Справочник. Под ред. Горелышева Н.В. М.: Транспорт, 1986. 288 с.

36. Медников И.А., Садовой В.Д. Термоупругие напряжения и долговечность бетонных покрытий дорог и аэродромов //Расчет и конструирование дорожных одежд: Сб. науч. тр./ Союздорнии. 1971.-С. 128-139.

37. Методические рекомендации по ремонту цементобетонных покрытий с применением эпоксидных и полиэфирных полимербетонов. -М.: Союздорнии, 1975. -17 с.

38. Микульский В.Г., Игонин Л.А. Сцепление и склеивание бетона в сооружениях. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. 130 с.

39. Микульский В .Г., Козлов В.В. Склеивание бетона. -М.: Стройиздат, 1975.-236 с.

40. Мираманов М.М. Исследование условий и способа усиления жестких дорожных одежд. Автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: МАДИ, 1981. - 18 с.

41. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965.

42. Никитин А.С., Селиванов В.П., Лукьянчик Г.В., Казанир Н.С. Повышение адгезии бетонов при ремонте цементобетонных покрытий//Автомобильные дороги. -1991. -№3. -С. 16-17.

43. Нормы затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт автомобилей и автобусов (для целей планирования). /Минавтотранс РСФСР. М., 1979. - 16 с.

44. Носов В.П. Расчет цементобетонных покрытий автомобильных дорог: Учебное пособие. М.: МАДИ, 1980. - 62 с.

45. Перегуд Е.А. Санитарная химия полимеров. М., 1967.

46. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. 2-е изд., перераб. и допол. -Киев: Наукова Думка, 1988.- 736 с.

47. Платонов А.П. Новые дорожно-строительные материалы. Учебное пособие. -Л.: ЛИСИ, 1980. -64 с.

48. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий. Учебное пособие для строительных специальностей втузов. -М.: Высшая шк., 1984. -168 с.

49. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И., Селяев В.П. Полимерные покрытия для железобетонных конструкций. -М.: Стройиздат, 1973. -128 с.

50. Потатуева Т.В., Базавлук В.А. Конструкции дорожных одежд на карьерных дорогах в условиях вечной мерзлоты //Эффективность и качество дорожного строительства: Сборник научных трудов/ МАДИ. М.: 1983. -С. 101-105.

51. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. ВСН 6-90 / Минавтодор РСФСР. ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. -М., 1990.- 168 с.

52. Правила техники безопасности при строительстве, ремонте и содержании дорог. М.: Транспорт, 1979. -175 с.

53. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1 Перевод с англ. М.: Мир, 1986. - 356 с.

54. Рекомендации по технологическим схемам ремонта городских дорог //Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. М.: Стройиздат, 1978. - 119 с.

55. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и допол. -М.: Недра, 1984. -359 с.

56. Сборник единых районных единичных расценок на строительные конструкции и работы. СНиП IV-5-82. Сб. 27. Автомобильные дороги. М.: Стройиздат, 1983. - 34 с.

57. Сборник сметных цен эксплуатации строительных машин. СНиП IV-3-82. Правила определения сметной стоимости эксплуатации строительных машин. -М.: -Стройиздат, 1982. 42с.

58. Свиридов Н.В. Повышение долговечности цементобетонных аэродромных покрытий. М.: Транспорт, 1979. - 167 с.

59. Селяев В.П., Потапов Ю.Б., Люпаев Б.М. Подбор составов эпоксидных композиций методом планирования эксперимента //Сб.: «Применение полимерных смол в бетонных и железобетонных конструкциях». Вильнюс, 1971.

60. Сильянов В. В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог. -М.: Транспорт, 1984. 287 с.

61. Слободчиков Ю.В. Условия эксплуатации и надежность работы автомобильных дорог. -М.: Транспорт, 1987. -123 с.

62. Смирнов А.В., Агалаков Ю.А. Расчет толщины асфальтобетонных покрытий на жестком основании по условиям сдвига. //Наука и техника в дорожной отрасли. -1997. -№1. -С. 7-8.

63. Соломатов В.И., Баповнева И.И., Швидко Я.И. Эпоксидно-каменноугольный полимербетон для ремонта бетонных покрытий // Автомобильные дороги. -1971. -№9. -С. 21-22.

64. Справочник по климату СССР. Вып. 23. Температура воздуха и почвы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 317 с.

65. Справочник по климату СССР. Вып. 24. Солнечная радиация. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 317 с.

66. Справочник по климату СССР. Вып. 25. Облачность, атмосферные явления. -JL: Гидрометеоиздат, 1968. 295 с.

67. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов./Львовский ЕИ. М.: Высш. шк., 1988.- 239 с.

68. Суханов С.В., Аверкина М.М., Гурьев Б.А. Повышение прочности цементобетонных дорожных покрытий //Эффективность и качество дорожного строительства: Сборник научных трудов/ МАДИ. М.: 1983. -С. 33-37.

69. Сюньи Г.К. Дорожные пластбетоны. -М: Транспорт, 1976. -208 с.

70. Сюньи Г.К., Шуляк В.Г. Полимербетон на основе пирофена //Автомобильные дороги. -1978. -№2. -С. 23-24.

71. Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог. ВСН 24-88. /Минавтодор РСФСР. М.: Транспорт, 1989. - 128 с.

72. Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. ВСН 38-90. М.: Транспорт, 1990. - 47 с.

73. Указания по оценке прочности и расчету усиления нежестких дорожных одежд. ВСН 52-89 / Минавтодор РСФСР. М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1989. - 77 с.

74. Указания по оценке эффективности дорожно-ремонтных работ. ВСН 2-80 / Минавтодор РСФСР. М.: Транспорт, 1981. - 32 с.

75. Ушаков В.В. Повышение эффективности проектирования и строительства автомобильных дорог горнопромышленных предприятий Забайкалья. Чита: Забтранс, 1999. 164 с.

76. Феодосьев. Сопротивление материалов. 3-е изд., исправ. и допол. -М.: Физматгиз, 1963. - 540 с.

77. Цыплина Л.П., Ларина Н.Б. Организация и планирование производства. Управление автотранспортным предприятием: Метод, указ. Чита: ЧитПИ, 1993. 48 с.

78. Швидко Я.И., Марьямов Э.Л. Аэродромные покрытия с применением полимерных материалов: Ремонт и содержание.-М.: Транспорт, 1982. -89 с.

79. Экономика строительства / Под ред. И.С. Степанова. -М.: Юрайт, 1997.-416 с.

80. Энциклопедия полимеров // Редколлегия: В.А. Каргин и др. Том 2. -М.: Сов. Энциклопедия, 1974. 1032 стб.

81. Энциклопедия полимеров // Редколлегия: В.А. Каргин и др. Том 3. -М.: Сов. Энциклопедия, 1977. 1150 стб.

82. Юмашев В.М., Басурманова И.В. Повышение трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на жестких основаниях (зарубежный опыт) // Обзорная информация. М.: Инф. центр по автомобильным дорогам, 1998. Вып. 1. -70 с.

83. Яковлев А.Д., Здор В.Ф., Каплан В.И. Порошковые полимерные материалы и прокрытая на их основе. 2-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1979.-256 с.

84. Яковлев А. Д. и др. //Лакокрасочные материалы и их применение, 1967. № 4. 48 с.

85. Янчевская Э.И. Технология устройства слоев износа с повышенными сцепными качествами // Автомобильные дороги. -1990. -№7. -С. 9-10.

86. Ярмолинский А.И., Пугачев И.Н., Ярмолинский В.А. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Учебное пособие. Хабаровск: Изд. ХабГТУ, 1999. - 107 с.

87. R.E. Franklin. Frost scaling on concrete roads. RRL Report LR 117, Crowthorne: Road Research Laboratory, 1967, p.24.