автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Технологии строительства и очистки ото льда лесовозных дорог с антигололедным покрытием

005531075

На правах рукописи

А

ВЕЮКОВ Евгений Валерианович

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ОЧИСТКИ ОТО ЛЬДА ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С АНТИГОЛОЛЕДНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ИЮН 2013

Йошкар-Ола 2013

005531075

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель:

Салихов Мухаммет Габдулхаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Официальные оппоненты:

Сушков Сергей Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Смирнов Михаил Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Защита диссертации состоится «29» июня 2013 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 при ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Автореферат разослан «27» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

К. П. Рукомойников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Освоение лесных массивов связано с транспортировкой (вывозкой) деревьев и сортиментов по лесовозным автодорогам с верхних складов на деревоперерабатывающие предприятия и к другим потребителям и поскольку лесозаготовки выполняются преимущественно в зимнее время, возникает необходимость обеспечения безопасного проезда автопоездов по лесовозным дорогам. При этом с целью обеспечения круглогодичного безопасного движения лесовозных автопоездов на лесовозных автодорогах особое внимание необходимо уделять современным дорожно-строительным материалам и технологиям. Одним из наиболее перспективных материалов для строительства дорожных покрытий является щебеноч-но-мастичный асфальтобетон (ЩМА), который обеспечивает высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, высокое сопротивление постоянной деформации, долговечность и снижение расходов на обслуживание. Особенностью структуры ЩМА является наличие щебеночного каркаса, в котором все пустоты между щебнем заполнены смесью битума с дробленым песком, минеральным порошком и стабилизирующей добавкой. Наибольший интерес представляет исследование возможности использования в составе смеси противоморозных добавок, в качестве которых могут быть смеси хлористых солей (NaCl и СаС12), взамен части дробленого песка. Применение антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов (АЩМА) в покрытиях лесовозных дорог в условиях температур ниже -7 °С может снизить адгезию льда и снежных отложений, а также уменьшить стоимость зимнего содержания дорог. Это будет способствовать борьбе с зимней скользкостью на лесовозных дорогах.

Цель работы. Разработать технологии строительства покрытий лесовозных автомобильных дорог из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с пониженной адгезией льда и способ очистки их поверхностей от снежно-ледяных отложений.

Объест и предмет исследования. Объектом исследования является конструкция лесовозной автомобильной дороги. Предметом исследования являются покрытия из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с противо-морозными добавками.

Методы исследования. Математическая статистика, теория планирования эксперимента, испытание строительных материалов, математическое моделирование. Прикладные программные пакеты MS Excel, MS Word, Curve Expert, AutoCad.

Научной новизна:

- щебеночно-мастичные асфальтобетоны для покрытий лесовозных автомобильных дорог, отличающиеся уменьшенным льдообразованием;

- разработанные устройство (патент РФ № 2357038) и методика для изучения коэффициента сцепления колес автомобиля с покрытием из орга-

нических бетонов, отличающиеся возможностью изучения в лабораторных условиях, и результаты экспериментальных исследований для АЩМА;

- обоснована возможность сохранения антигололедных, физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий из АЩМА при отрицательных температурах воздуха (ниже -7 °С) и длительном воздействии агрессивной среды (воды);

- разработан способ очистки ото льда покрытий лесовозных дорог (положительное решение по заявке № 2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ), отличающийся тем, что покрытие устраивается из АЩМА и перед механическим удалением льда производится вибрирование его поверхности.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения адгезии льда с поверхностью ЩМА при присутствии противоморозных добавок, позволяющие прогнозировать силы межслойного сцепления.

2. Результаты экспериментальных исследований прочностных и физико-механических свойств АЩМА в зависимости от количества противоморозных добавок, позволяющие использовать их в качестве материала для верхнего слоя покрытия лесовозной дороги.

3. Методика исследования коэффициента сцепления колес автомобиля с покрытием, позволяющая прогнозировать изменение его значений на стадии проектирования составов органических бетонов и результаты ее использования при анализе сотавов АЩМА.

4. Способ очистки покрытия лесовозных дорог от снежно-ледяных отложений, защищенный положительным решением по заявке № 2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ, позволяющий осуществить процесс более качественно и с меньшей трудоемкостью.

Прастическая значимость заключается в разработке составов, технологий производства и укладки АЩМА в покрытие лесовозной автодороги. При использовании АЩМА в покрытиях лесовозных дорог уменьшается прочность сцепления ледяных отложений с поверхностью покрытия и сокращаются затраты на удаление прослойки льда с поверхности покрытия.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследования подтверждается: экспериментами с погрешностью не более 5 %; доверительной вероятностью не менее 95 % у полученных закономерностей изменения свойств АЩМА при различном содержании противоморозных добавок. Построенные закономерности для свойств антигололедных асфальтобетонов согласуются с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации автора А. Н. Котухова, по патенту на изобретение РФ авторов С. В. Гриневича, Л. Б. Каменецкого и др.

Личное участие автора в получении результатов. Автором проводились исследования: дорожно-строительных материалов, разработка составов АЩМА; предложены технологии приготовления и содержания лесовозных дорог с покрытием из АЩМА. Автором произведены обработка данных и обобщение результатов исследований; разработана методика по определению коэффициента сцепления колес с поверхностью лесовозных дорог. Автором теоретически обоснована норма расхода антигололедных добавок для асфальтобетонов, построена математическая модель, позволяющая определить оптимальные технологические режимы по предлагаемому способу очистки, и выполнен расчет экономической эффективности.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования внедрены в производство при устройстве выравнивающего (ремонтного) слоя покрытия толщиной 5 см на автомобильной дороге «Вятка» на участке с км 35+360 по км 35+410. Площадь экспериментального участка составила 400 м2, объем выпущенной смеси — 26 т. За опытным участком установлено наблюдение. Автором разработаны рекомендации по производству и укладке АЩМА, которые были одобрены в научно-техническом совете ОАО «Марийскавтодор».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях: научно-технические конференции Марийского государственного технического университета (Йошкар-Ола, 2009...2012); всероссийская научная конференция «Информационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций: Пятнадцатые Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола, 2011); международная научно-практическая конференция «Новые дороги России» (Пенза, 2011); международная научно-практическая конференция «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, Пшемысль, 2011); международная научно-практическая конференция «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 2012); всероссийские научно-практические конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплекса» (Йошкар-Ола, 2010, 2011, 2012); международная конференция «Проблемы архитектуры и строительства» (Казань, 2012); международная научная конференция «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2012); международная научно-практическая конференция «Инновационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций» (Йошкар-Ола, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах общим объемом 17,38 пл. (авторский вклад - 6,79 пл.), в т.ч. две монографии в соавторстве, одна статья в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ (0,63 пл.), десять статей - в материалах международных и всероссийских конференций (1,63 пл.). Получено положительное решение по заявке №2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 158 наименований и 8 приложений. Основное содержание работы изложено на 117 стр., в том числе 23 рисунка и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели, научная новизна, выносимые на защиту положения, научная и практическая значимость, личный вклад автора.

В первой главе проведены обзор и анализ дорожно-транспортных условий перевозки лесоматериалов в РМЭ, существующих методов борьбы с зимней скользкостью на лесовозных и автомобильных дорогах. Выполнено обоснование расчетной нагрузки на покрытие лесовозной дороги.

Лесовозные дороги во многих лесозаготовительных предприятиях республики преимущественно имеют грунтовое или грунтовое улучшенное покрытие. Из-за отсутствия развитой сети лесовозных дорог, лесоматериалы в РМЭ вывозятся в основном по дорогам общего пользования.

Анализ эксплуатации лесовозных автопоездов в РМЭ показал, что наиболее распространенными для вывозки леса являются автомобили Урал-55571 и КамАЭ-5320.

Вопросами борьбы с гололедообразованием и снижения скользкости на дорогах в зимнее время занимались многие ученые: Р. Блекберн, А. П. Васильев, С. В. Гриневич, Э. Дигон, С. Данн, Ю. Б. Зонов, Г. Л. Карабан, И. В. Королев, В. Е. Лысенко, Л. Ф. Николаева, В. П. Подольский, В. А. Попов, Ю. Д. Силуков, Т. В. Самодурова, В. Ф. Скорченко, П. Эльсенар, А. П. Кудрявцев, А. Н. Котухов и др.

В результате анализа зарубежного и отечественного опыта выявлено, что на покрытиях из органических бетонов одним из прогрессивных методов борьбы с гололедообразованием выступают способы размещения про-тивоморозных добавок внутри материалов покрытий дорог. В то же время предложенные к настоящему времени по этому методу противоморозные добавки и способы их использования (например, швейцарский метод «Ver-glimit», отечественный - «Грикол», предложенный А. Н. Котуховым, и некоторые другие) не в полной мере позволяют реализовать главную цель — получить долговременно работающий антигололедный эффект при отрицательных температурах ниже -7 °С. При этом ставится задача реализации данной идеи применительно к покрытиям из прогрессивных перспективных в настоящее время материалов - ЩМА. Поэтому основной целью диссертационной работы является разработка ЩМА для верхнего слоя покрытий с пониженным льдообразованием на их поверхности или АЩМА.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи исследований:

- обосновать метод борьбы с льдообразованием на покрытии лесовозной автодороги путем использования антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов (АЩМА);

- экспериментально установить зависимости прочности сцепления льда с поверхностью покрытия из АЩМА (адгезию) от содержания противомо-розных добавок;

- изучить физико-механические свойства АЩМА;

- разработать лабораторную установку и методику для определения коэффициента сцепления и экспериментально изучить сцепные качества покрытий из АЩМА;

- разработать технологии приготовления и укладки АЩМА в верхний слой покрытия лесовозных дорог;

- разработать способ очистки поверхности покрытия из АЩМА от ледяного покрова.

Во второй главе обоснован выбор материала для придания ЩМА антигололедных свойств, описаны математическое планирование экспериментальных исследований и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований. Для обеспечения достоверных результатов при заданной вероятности р = 0,95 установлено требуемое количество опытов на каждую точку. При определении прочности сцепления льда с поверхностью образцов АЩМА требуемое количество опытов составило -11. Установлены статистические параметры изучаемых характеристик (М - среднее арифметическое; а - среднее квадратическое отклонение; V - коэффициент вариации). Проверка однородности дисперсий осуществлена при помощи критерия Бартлета. При определении значений прочности сцепления льда с поверхностью образцов из ЩМА критерий Бартлета составил В = 2,20 < х о,95= 19,7, что говорит об однородности дисперсии.

В данной главе обоснованы методики и приведены результаты экспериментальных исследований свойств АЩМА, в том числе после длительного выдерживания в агрессивной среде (воде). Составы смесей ЩМА подобраны согласно требованиям ГОСТ 31015-2002. Стандартные образцы ЩМА изготавливались по ГОСТ 1280-98. Испытания образцов проводились как по стандартным, так и по авторским методикам (исследование прочности сцепления льда с образцом, коэффициента сцепления колеса с моделью и др.). Исходный состав образцов ЩМА следующий (% по масс.): гранитный щебень М 1200 фр. 5-20 мм - 77; дробленый песок - 12,2; известняковый минеральный порошок - 10,8; битум вязкий нефтяной БНД 90/130 -6,0; стабилизирующая добавка УЫор-бб - 0,4.

В зависимости от содержания в составе ЩМА, вида вводимой противогололедной добавки (ЫаС1, СаС12 или их смеси), а также крупности зерен солей определены следующие свойства ЩМА: величина прочности сцепле-

ния льда с поверхностью ЩМА; значения предела прочности при сжатии при +20°С; значения коэффициента сцепления колеса с покрытием. Исследованы составы, в которых от 0 до 9 % массы песка заменена смесью кристаллических хлористых солей ИаС1 и СаС12.

Прочности сцепления льда с поверхностью образцов устанавливались путем расчета силы сдвига по формуле:

Рсдв'Кс-,МПа, (1)

5Л

где Рсдв — усилие сдвига кольца льда относительно поверхности образца, Н; 5Л - площадь контакта льда с поверхностью асфальтобетонного образца; Кс - коэффициент, учитывающий структуру льда.

Динамику изменения сцепления колес автомобиля с сухой и влажной поверхностью покрытия из АЩМА в зависимости от количества вводимых противоморозных добавок исследовали с помощью изобретенной на кафедре автомобильных дорог ПГТУ (МарГТУ) устройства (Патент РФ № 2357038 опубл. 27.05.2009 г., бюл. № 15). Схема проведения опытов показана на рис. 1. Для сравнения полученных результатов сцепления колес автомобиля с поверхностью покрытия

Рис. 1. Схема проведения опьгга по изобретению №2357038:1 - экспериментальная установка; 2 - резиновая подстилка; 3 - неподвижный блок; 4 - груз; 5 - трос; V - скорость перемещения устройства по резиново-

му коврику

данное свойство исследовали известным методом - методом наклонной плоскости.

Результаты полученных значений показаны в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Некоторые физико-механические свойства образцов АЩМА

Количество соли, % от массы мин. части Вид соли, А1аС1, (IСаС1г), % от массы соли Vм, % V0, % w> % сеж, МПа Кв КВД Сл, МПа Яр, МП а В,%

20 °С 50 °С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Требования ГОСТ 31015-2002 1519 1,54,5 1-4 >2,2 > 0,65 - >0,85 >0,93 >0,18 >2,5 <6 <0,2

0 - 16,7 2,5 2,7 4,7 1,1 0,99 0,88 0,94 0,21 3,8 0,14

1 100(0) 16,6 2,3 2,3 5 1Д 0,99 0,9 0,93 0,22 3,9 0,15

3 100(0) 16,6 2,4 2,1 5,1 1Д 0,95 0,87 0,95 0Д2 4,1 0,12

5 100(0) 16,7 2,5 2 5 1,2 0,96 0,88 0,94 0,22 4 0,11

7 100(0) 17 2,9 2 5,2 1,2 0,96 0,87 0,93 0,23 4,1 0,11

9 100(0) 17,4 3,3 2,2 4,4 1,0 0,96 0,87 0,94 0,19 3,5 0,12

5 87,5 (12,5) 16,6 2,4 2,2 4,4 1,0 0,96 0,87 0,94 0,19 3,5 0,1

Окончание таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13

5 75 (25) 16,8 2,6 2,4 4,2 1,0 0,94 0,85 0,93 0,19 3,3 0,09

5 50 (50) 17,4 3,3 3,2 3,7 0,9 0,91 0,82 0,94 0,16 3 0,08

5 25(75) 18,2 4,2 3,7 3,5 0,8 0,87 0,79 0,95 0,15 2,8 0.06

Vм - пористость минеральной часта; V0 - остаточная пористость; W - водонасыщение; Лсж -предел прочности при сжатии; Кв - водостойкость; КВд - водостойкость при длительном водо-насыщении; - коэффициент внутреннего трения; Сл - сцепление при сдвиге при температуре 50 °С; Яр - трещиностойкость - предел прочности на растяжение при расколе при температуре О °С; В - стекание вяжущего.

Таблица 2

Показатели прочности сцепления льда и коэффициента сцепления колес автомобиля _сАЩМА

Количество ихар-ка соли, % от массы мин. части Вид соли, ЫаС1, ССаС12), % от массы соли Прочность сцепления льда с поверхностью АЩМА, МПа Коэффициент сцепления колес автомобиля покрытием

сухих образцов после водонасыщения 90 суток методом наклонной плоскости с сухой поверхностью при помощи изобретения №2357038 с сухой поверхностью при помощи изобретения №2357038 с влажной поверхностью

0 - 0,360 0,380 0,67 0,78 0,65

1 100 (0) 0,280 0,320 0,95 0,79 0,66

3 100(0) 0,195 0,270 0,99 0,83 0,69

5 100 (0) 0,145 0,200 1,04 0,86 0,72

5* 100(0) 0,150 0,230 1,04 0,86 0,72

7 100(0) 0,115 0,190 1,09 0,91 0,76

9 100(0) 0,115 0,180 1,11 0,92 0,77

5 87,5(12,5) 0,120 0,170 1,02 0,85 0.71

5 75 (25) 0,105 0,150 1,02 0,85 0,71

5 50 (50) 0,090 0,125 0,99 0,83 0,69

5 25(75) 0,080 0,115 0,99 0,83 0,69

5 0(100) 0,070 0,100 0,99 0,83 0,69

* - для фракции 3,0-5,0 мм

По результатам экспериментов получены регрессионные модели следующего вида:

А* = 0,0029(?с2 - 0,0474<?с + 0,3750, (1)

0+20 °с = 0,0011<?с2 - 0,0695<?с + 3,8043, (2)

(Рсц = -0,0003(21 + 0,0166 0с + 0,6463, (3)

где Л® - прочность сцепления льда с поверхностью АЩМА после водона-сыщения; ст|2о «с _ значение предела прочности при сжатии при температуре +20 °С после водонасыщения; <р®ц - значение коэффициента сцепления колеса автомобиля с влажным покрытием при определении с помощью устройства по изобретению № 2357038; - содержание соли ИаС1 в % от массы дробленного песка. Коэффициент корреляции г для полученных моделей составил 0,98.

Из табл. 1 видно, что при увеличении в ЩМА содержания ЫаС1 повышается пористость минеральной части, уменьшаются значения водонасы-щения. При введении в ЩМА ИаС1 в количестве до 5-7 % значительных изменений его свойств не наблюдается, некоторые из свойств незначительно ухудшаются, а другие — улучшаются (прочность при сжатии, водонасы-щение). Сцепление битума с минеральной частью с введением соли усиливается, что видно по показателям стекания вяжущего. При содержании соли свыше 7 % снижаются значения прочности при сжатии и трещиностойко-сти. Однако ЩМА с содержанием ЫаЫ в количестве 1-9 % соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002.

В ЩМА с общим количеством смеси солей 5 % (от массы песчаной части) при росте количества СаС12 более значительно повышаются значения пористости, водонасыщения и наблюдаются падение прочности при сжатии, трещиностойкость. ЩМА с содержанием соли СаС12 5 % имеют худшие физико-механические свойства. Образцы с содержанием в смеси солей более 50% СаС12 не соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002 по ряду показателей.

Значительное изменение свойств ЩМА, обусловленное длительным воздействием воды при увеличении доли СаС12 вызвано, возможно, большей гигроскопичностью хлористого кальция. Снижение величины предела прочности при сжатии и трещиностойкости, повышение значений пористости минеральной части, вероятно, вызвано увеличением битумоемкости смеси с добавлением хлористого кальция, поскольку при аналогичном с другими смесями количестве битума наблюдалось недостаточное количество битума на минеральной части.

Из табл. 2 видно, что с увеличением содержания противоморозных добавок в составе ЩМА происходит снижение силы сцепления льда. Прочность сцепления льда зависит от вида добавки. При применении ИаС1 значение прочности сцепления, по сравнению со случаем без добавки, уменьшается в 2,4 раза, при применении СаС1г - в 5,1 раза. Значения предела прочности при сжатии при +20 °С при введении в состав ЩМА ДОаС/ возрастают, при введении СаС12 - уменьшаются. Значения коэффициента сцепления колеса с покрытием при введении противоморозной добавки повышается не зависимо от вида применяемой соли.

Изменение прочностей сцепления льда с поверхностью ЩМА образцов с различным содержанием и крупностью соли изучалось после их вакууми-рования и выдерживания в агрессивной среде в течение расчетного времени. Результаты опытов представлены на графиках рис. 3 и 4.

Как видно из рис. 3, прочность сцепления льда с поверхностью образцов после выдерживания в воде для всех составов возрастает. Этот рост для образцов с различным содержанием соли протекает быстрее в первые 15 су-

ток, затем скорость их роста для всех образцов несколько снижается. При этом противогололедный эффект сохраняется, и значения прочности сцепления льда с поверхностью образцов остаются прямо пропорциональными первоначальному содержанию противоморозных солей. У образцов, содержащих более крупную соль, степень снижения прочности происходит с большей скоростью. При добавлении до 5 % от массы минеральной части хлористых солей в ЩМА обеспечиваются сравнительно низкие значения прочности сцепления льда с их поверхностью после длительного выдерживания в воде. Это говорит об относительно большой стабильности антигололедных ЩМА в агрессивных средах. Значения прочности сцепления льда с поверхностью образцов после выдерживания в воде для всех составов возрастают. Мелкая соль из структуры образцов вымывается медленнее, чем крупная.

СаС12) от времени выдерживания в воде 5,50

Время выдерживания в воде, сут -♦-Síicawtaawcacbor.) -»-?%«>™(ло-..СаСЪ Время выдерживания в воде, суг

-*-3%сола(доляСаС1::?%) —<-5% соли (доля СаСЬ. , , „ л , ,, '

-*-5Чсоли(ж>1мС.С1г75%) -*-5Ч«ш|(мнС«СЬ -♦-«• сошСаш С»СЬ 0%) -»-5 Со.таСло.и C«C1¡ 12.SW)

„ , _ -*-5 •/. соли (дои СаСЬ 25!») соли (доля CaCl¡ 504)

ГИС. 3. зависимости изменения прочности —5 •• соли(до.-u С«СЬ 75"í) -#-5 Ч соли (доля CaCl: 100'i)

сцепления льда для ЩМА с комбинированной Рис. 4. Зависимости предела прочности при противогололедной добавкой (смесью NaCl и сжатии ЩМА с комбинированной противогололедной добавкой (смесью NaCl и СаС12) от времени выдерживания в воде

Из рис. 4 видно, что при введении хлористых солей значения прочности при сжатии при +20 °С у щебенонно-мастичных асфальтобетонов несколько снижаются. Причем значения прочности образцов без соли и с любым содержанием соли также снижаются по мере выдерживания в воде. У образцов, содержащих более крупную соль, степень снижения прочности происходит с большей скоростью. У ЩМА с содержанием хлористых солей до 7 % при выдерживании в воде до 30 суток значения прочности при сжатии выше, чем у образцов без добавок. При этом по динамике изменений значений прочности при сжатии можно утверждать, что при совместном использовании солей NaCl и СаС12 их соотношение лучше принять: 87,5:12,5 (в % по массе). На основе анализа ЩМА с добавками различной крупности к практическому использованию можно рекомендовать неизмельченные соли.

В третьей главе рассмотрены теоретические основы адгезии льда с поверхностью асфальтобетонов, получены формулы, позволяющие прогнозировать прочность сцепления льда с поверхностью АЩМА в зависимости от количества и вида противоморозной соли; выполнено обоснование нормы расхода противоморозных солей для ЩМА, позволяющее назначить необходимое количество соли для составов ЩМА с целью получения продолжительного антигололедного эффекта.

Сцепление льда с поверхностью покрытия происходит за счет механического сцепления и адгезионных сил. Механическое сцепление возникает в результате сращивания ледяных кристаллов, образовавшихся в порах покрытия со сплошной ледяной коркой на поверхности, и адгезионных связей за счет сил межмолекулярного взаимодействия между молекулами льда и ЩМА.

При воздействии химических реагентов разрушается кристаллическая структура льда на поверхности покрытия, в результате образуется раствор с температурой замерзания ниже О °С. При этом скорость таяния льда зависит от скорости растворения солей и эвтектической температуры растворов.

Экспериментально в главе 2 доказано, что прочность сцепления льда с поверхностью ЩМА зависит от количества и вида противоморозной соли, поэтому получена формула, позволяющая прогнозировать данные зависимости:

А = ■

1-

' РнаС1' МНаС1\*

2

(2 ' Рсас12 • МСаС12\'

V 18(0СаС,2) )

.(4)

где Аг — прочность сцепления льда с поверхностью ЩМА, МПа; Сыаси СсаЫ2 ~ содержание противоморозных солей ИаС1 и СаС12 соответственно, в долях от единицы; рцась Рсаа2~ истинная плотность противоморозных солей ЫаС1 и СаС12 соответственно, в гр/см3; Мцась МСаС12- плавящая способность противоморозных солей ЫаС1 и СаС12 соответственно, в см3/ гр; 0цас1> всаа2- краевой угол смачивания поверхности ЩМА растворов противоморозных солей УУаС7 и СаС12 соответственно, в град.

При присутствии ионов солей хлоридов для отрыва льда с поверхности щебеночно-мастичного асфальтобетонного покрытия потребуется затратить значительно меньшее количество работы, т. к. происходит влияние подтаивания корки льда не на поверхности, а на границе поверхности покрытий асфальтобетона и льда. Поскольку количество противоморозных добавок, вводимых в ЩМА, влияет не только на адгезию льда, но и на его прочностные свойства, а также на его стоимость, выполнено обоснование нормы противоморозных добавок и получена следующая формула:

^соли = 45 • 10 3 • • йш, (5)

где С£лси - требуемая концентрация растворов солей при температуре воздуха Т °С; /гш - средняя высота шероховатости, м; К - коэффициент, учитывающий количество примесей в соли.

В четвертой главе рассмотрены технологические процессы производства и укладки антигололедных щебеночно-мастичных смесей (АЩМАС) и зимнего содержания автомобильной дороги.

При приготовлении антигололедных щебеночно-мастичных смесей (АЩМАС) вносить значительные изменения в технологический процесс не требуется. Асфальтобетоносмесительную установку для подачи противомо-розных солей оборудуют отдельным агрегатом питания и дозирования. Введение в смесь хлористых солей ввиду их низкого содержания в смеси не повлияет на время и температуру приготовления асфальтобетонной смеси. В работе разработана конструкция дорожной одежды из АЩМА и способ очистки покрытий дорог от снежно-ледяных образований.

При использовании в покрытии АЩМА для очистки его ото льда предложен способ очистки, позволяющий более качественно и менее трудоемко ликвидировать образующиеся на его поверхности ледяные отложения. Сущность данного способа заключается в использовании в качестве покрытия АЩМА и в предварительном вибрировании его поверхности перед очисткой механическим способом. При этом может быть использован виброкаток с последующим удалением снежно-ледяной массы отвалом автогрейдера или специальной навесной машиной с совмещенными вибрационным и режущим рабочими органами.

Для изучения параметров очистки выполнены специальные экспериментальные исследования влияния значений времени вибрирования и угла резания режущего инструмента на силы сцепления льда с поверхностью покрытия. Схемы лабораторных установок приведены на рис. 5 и 6.

При изучении влияния угла резания режущего органа на адгезию на половину площади торца стандартных образцов намораживался

Рис. 6. Схема установки для определе- ЛЗД ТОЛЩИНОЙ 20 ММ. Устанавливали СДВИГаю-

ния сил сцепления льда в зависимости ШУЮ СИЛу При раЗЛИЧНЫХ углах реЗЭНИЯ режу-

от времени вибрирования: 1 -образец щеГ0 Органа МОДвЛИ. При ИЗуЧвНИИ ВЛИЯНИЯ ЩМА, 2-лед, 3-вибростол 435А, '

4-устройство для фиксации образца процесса предварительного вибрирования на

Рис. 5. Схема установки для определения силы сцепления льда в зависимости от угла резания: 1 -образец ЩМА, 2 - лед, 3 - ручной пресс,4 - хомут для фиксации образца, 5 -резец с устройством для изменения угла резания

изменение сил сцепления льда с поверхностью асфальтобетонных образцов использовали лабораторную площадку вибростола 435А (частота колебаний - 2800/мин, амплитуда колебаний - 0,05...0,85 мм). Образец с намороженным льдом на торце неподвижно закрепляли над площадкой вибростола. Производили вибрирование в течение расчетного времени и затем испытывали на адгезию льда. Содержание солей в образцах АЩМА составляло 5...7 % от массы дробленого песка. Результаты проведенных опытов представлены на рис. 7 и 8.

£

0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

ч

л 8 = 0.014 _

1 * Ч г = = 0.976

N

1 ч 1 ►

1

Угол резания, град. Рис. 7. График зависимости прочности сцепления льда от угла резания: Б - дисперсия, г - коэффициент корреляции

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0

Время вибрирования I, с Рис. 8. График зависимости прочности сцепления

льда от времени предварительной вибрации: сплошная линия - для образцов АЩМА, прерывистая - для ЩМА

По результатам экспериментов получены регрессионные модели следующего вида:

А = 0.12040 -а

-0.52454 ,

ехр(0.05612 ■ а),

(6)

А = 3.93803 ■ елр(—0.00933 ■ О - 3.74625, (7)

где А - прочность сцепления льда с поверхностью образцов; а - угол резания, град; t - время вибрации поверхности льда.

Анализ полученных результатов позволяет рекомендовать угол резания в пределах 1... 11°. При вибрировании поверхности снежно-ледяных отложений в течение 5 с происходит резкое снижение прочности сцепления льда и полное отделение льда от поверхности образцов. С учетом проведения операции очистки покрытия ото льда комплексным способом время вибрирования окончательно рекомендуется принять в пределах 2.. .4 с.

Технологический процесс очистки поверхности от ледяной корки в этом случае отличается от традиционного тем, что на очищаемую поверхность покрытия предварительно проводится вибрационное воздействие. В результате внедрения предлагаемого способа достигается резкое снижение энергозатрат при очистке покрытия от снежно-ледяных образований. Это позволяет: а) использовать для дальнейшей очистки относительно маломощные машины или повысить эффективность использования традиционных машин с отвально-плужным рабочим органом; б) использовать, напри-

мер, круглогодично простаивающие зимой виброкатки (повысить эффективность их использования в течение года).

Для изучения технологических особенностей приготовления и укладки АЩМА по сравнению с ЩМА проведены экспериментальные исследования по установлению уплотняемости АЩМАС. Результаты экспериментов представлены табл. 3. В числителе показаны значения средней плотности в г/см3, в знаменателе - показатели относительной деформации.

Таблица 3

Содержание соли, % от массы мин. части Соотношение солей ЫаС1 и СаС12, %от массы всей соли Нагрузка при формовании, МПа,при времени уплотнения 3 мин. Время уплотнения, мин. (нагрузка при формовании 40 МПа)

20 30 40 50 1 2 3 4

0 - 2.43 0,20 2.47 0,23 2.51 0,25 2.55 0,28 2.45 0,22 2.48 0,24 2.51 0,25 2,54 0,26

5 100(0) 2.39 0,19 2.43 0,22 2.47 0,24 2.51 0,27 2.41 0,22 2.44 0,23 2.47 0,24 2,50 0,25

5 87,5 (12,5) 2.38 0,20 2.42 0,23 2.46 0,25 2.50 0,28 2.42 0,23 2.44 0,24 2.46 0,25 2,48 0,27

Полученные результаты показывают, что значения средней плотности стандартных образцов из АЩМА растут прямо пропорционально величинам нагрузки и времени уплотнения смеси. При этом значения средней плотности образцов снижаются по мере увеличения содержания в смеси противоморозных добавок.

Уплотняемость для всех видов образцов независимо от количества и вида противогололедной добавки практически не отличается при одинаковых условиях уплотнения образцов. То есть значения деформации (измене______, ние высоты образца в процессе уплотнения смеси) для образцов разных составов при одинако-

ЕдоДОЗОМПа

Е*рИ400МПа

ЕЕ

г 228,МЛ« —X 179 МП«

зоОсОс

',»»■> вых нагрузках и времени уплотнения примерно равны, что говорит о схожей уплотняемости ЩМА и АЩМА.

При расчете конструкции дорожной одежды ¿й"» за расчетный автомобиль принят лесовозный автопоезд Урал-55571+УСТ94651-С. Значение коэффициента перегруза в среднем принят: для тягача автопоезда - 1,4; для прицепа - 1,3. При проектировании дорожной одежды расчетная нагрузка принята с учетом коэффициента динамичности и коэффициента перегрузки на заднюю ось тягача - 174 кН, расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля - 43 см. Конструкция дорожной одежды приведена на рис. 9.

Сугтмж тяжелый Егррл»*28 МГл

Рис. 9. Конструкция дорожной одежды

Расчетное значение модуля упругости АЩМА принято на основании выполненных экспериментальных исследований. Оно устанавливалось путем фиксации упругой деформации при одноосном нагружении образцов через штамп (0=25мм) нагрузкой, равной удельному давлению от колеса автомобиля р=0,6 МПа при температуре +10 °С. Модуль упругости образцов определялся у стандартных цилиндрических образцов диаметром и высотой 71,4 мм. В результате проведенных испытаний установлено, что среднее значение модуля упругости при +10 °С для образцов АЩМА составляет 2560 МПА, для образцов ЩМА - 2630 МПА.

Выбранная конструкция (рис. 9) удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу, сдвигу в грунте земляного полотна и песчаном подстилающем слое, а также сопротивлению монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе. Значение расчетного активного напряжения сдвига в грунте земляного полотна по ОДЫ 218.046-2001 составляет Тф расч= 0,0123 МПа, а фактическое значение касательных напряжений от расстановки лесовозных автопоездов Тф.эксп= 0,008 МПа. Коэффициент прочности по сдвигу в грунте земляного полотна К„р = 1,53.

В пятой главе рассмотрены экономические и экологические аспекты применения АЩМА.

Устройство верхних слоев покрытий из АЩМА позволяет снизить расходы на зимнее содержание автомобильных дорог за счет отсутствия скользкости на таком покрытии при температуре воздуха до -10 °С, замедленного образования снежно-ледяных отложений при более низких температурах воздуха, и достичь достаточно низкого их сцепления с поверхностью покрытия, что дает возможность применять механический способ удаления снежно-ледяных отложений с проезжей части автомобильных дорог и не прибегать к дополнительному распределению химических реагентов.

Снижение расходов на зимнее содержание дорог происходит за счет уменьшения количества посыпок противогололедными реагентами. Экономический эффект от использования в покрытиях дорог АЩМА в ценах первого квартала 2012 г. составил 64 374,80 руб/км.

Применение в покрытиях дорог АЩМА позволит улучшить экологическую обстановку придорожной полосы и снизить коррозионное воздействие антигололедных реагентов на металлические части дорожных сооружений и автомобилей и повысить безопасность движения по автодорогам в зимний период, что приведет к уменьшению количества ДТП и потерь от них.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Основные выводы

1. Экспериментально доказано, что введение в состав минеральной части щебеночно-мастичных асфальтобетонов противоморозных добавок приводит к снижению прочности сцепления льда, а при содержании таких доба-

вок 5...7 % от массы дробленого песка значения прочности уменьшаются в 3 раза. Установлено, что при этом одновременно замедляются процессы льдообразования на покрытиях дорог и, соответственно, снижаются затраты на удаление уже появившихся снежно-ледяных отложений.

2. Доказано, что введение противоморозных добавок до 5.. .7 % от массы дробленого песка в состав ЩМА не приводит к значительному ухудшению его физико-механических свойств.

3. Установлено, что при добавлении хлористых солей в щебеночно-мастичные асфальтобетоны до 5...7 % от массы песка сохраняются сравнительно низкие значения прочности сцепления льда с их поверхностью после длительного водонасыщения по сравнению с образцами без добавок. Это подтверждает гипотезу о большой стабильности антигололедных ЩМА в агрессивных средах.

4. Получены регрессионные модели, позволяющие установить прочность сцепления льда, коэффициент сцепления колеса автомобиля с поверхностью покрытия, устроенного из АЩМА, а также предел прочности при сжатии при температуре + 20 °С в зависимости от количества противомо-розной добавки.

5. Выявлено, что для производства АЩМАС серийно выпускаемые ас-фальтосмесительные установки необходимо дооборудовать агрегатом подачи и дозирования противоморозной добавки. При этом введение противоморозных добавок в состав ЩМА не влияет на продолжительность и температуру перемешивания компонентов смеси.

6. Разработана методика изучения коэффициента сцепления колес автомобиля с покрытием из АЩМА, позволяющая определить сцепные качества материала в лабораторных условиях.

7. Разработан способ очистки покрытий автомобильных дорог от снежно-ледяных отложений, заключающийся в использовании АЩМА, предварительном вибрировании поверхности покрытия и очистке разрушенной корки льда механическим способом. Установлены оптимальные параметры очистки предлагаемым способом: время вибрирования - 2 ...4 с; угол резания рабочего органа - 7... 11°. Внедрение данного способа позволяет снизить стоимость зимнего содержания дорог.

8. Осенью 2012 г. проведено строительство опытного участка на действующей автомобильной дороге «Вятка» на участке км 35+360 - км 35+410 и в настоящее время за ним установлено наблюдение. Экономический эффект от внедрения АЩМА в ценах 2012 г. составил около 64 тыс. руб./км.

Рекомендации

1. Разработанная конструкция дорожной одежды лесовозных дорог с устройством верхнего слоя покрытия из антигололедного ЩМА рекомендуется к внедрению в проектных и строительно-эксплуатационных организациях при разработке инженерных и рабочих проектов на строительство, реконструкцию и ремонт автомобильных дорог.

2. Разработанные лабораторное устройство (патент РФ № 2357038) и методика по определению коэффициента сцепления колеса с покрытием рекомендуются к внедрению в строительных лабораториях производственных и научно-исследовательских организаций.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

а) в рецензируемых научных журналах и изданиях для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Веюков, Е. В. Технологии производства и применения антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов для покрытий лесовозных дорог / Е. В. Веюков, М. Г. Салихов // Фундаментальные исследования. — Москва: Изд-во РАЕ, 2012. - №11, ч. 4 - С. 917-921. (0,63/0,44).

б) патенты на изобретения

2. Положительное решение по заявке на патент РФ на изобретение № 2011147881/13. Способ очистки покрытия от снежно-ледяных отложений / М. Г. Салихов, Е. В. Веюков; заявитель и патентообладатель Марийский гос. техн. университет. -№ 2011147881/13; заявл. 24.11.2011. (0,38/0,15).

в) монографии

3. Веюков, Е. В. Щебеночно-мастичные асфальтобетоны с уменьшенным льдообразованием: монография / Е. В. Веюков, М. Г. Салихов, А. В. Исаев. -Германия: Электронное изд-во «LAMBERT», 2012. - 92 с. (5,75/1,90).

4. Салихов, М. Г. Антигололедные щебеночно-мастичные асфальтобетоны: монография / М. Г. Салихов, А. В. Исаев, Е. В. Веюков. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2012. - 130 с. (8,13/2,68).

г) в других изданиях и материалах конференций

5. Уплотняемость щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей с противогололедными добавками / А. В. Исаев, Е. В. Веюков, А. М. Хапиуллин, М. Г. Салихов; Казанская наука. - Казань: Казанский издательский дом, 2010. — № 8, вып. 1. - С. 75-79. (0,31/0,09).

6. Веюков, Е. В. Норма расхода антигололедной добавки NaCl в асфальтобетонные и щебеночно-мастичные смеси / Е. В. Веюков, М. Г. Салихов // Ежегодная науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ «Исследования. Технологии. Инновации», 22-25 марта 2011 г.: сборник статей / редкол.: В. А. Иванов и др. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2011. - С. 224-227. (0,19/0,13).

7. Салихов, М. Г. Об экологии применения антигололедных покрытий на автомобильных дорогах / М. Г. Салихов, Е. В. Веюков // Perspektywiczne opracowaia sq nauka I techniami. - Przemysl (Польша), 2011. - Vol. 44. - C. 69-71. (0,19/0,11).

8. Салихов, M. Г. Исследование сцепления колес автомобиля в лабораторных условиях различными методами. / М. Г. Салихов, А. В. Исаев, Е. В. Веюков // Новые дороги России // Сборник трудов междунар. конф. Пенза, 14-17 ноября 2011 г. / под общ. ред. д.т.н., проф. Г. Г. Болдырева. - Саратов, 2011. - С. 415-420. (0,38/0,15).

9. Веюков, Е. В. Стабильность антигололедного эффекта щебеночно-мастичных асфальтобетонов с противоморозными добавками / Е. В. Веюков // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы междунар. молодежной науч. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам (20 - 21 апреля, 2012). - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012. - Ч. 3. - С. 154-156. (0,19/0,19).

10. Веюков, Е. В. Антигололедный щебеночно-мастичный асфальтобетон / Е. В. Веюков // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы междунар. молодежной науч. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам (20 - 21 апреля, 2012). - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012. - Ч. 3. -С. 156-158. (0,19/0,19).

11. Веюков, Е. В. Обоснование нормы расхода противоморозных добавок в асфальтобетонные и щебеночно-мастичные смеси / Е. В. Веюков, М. Г. Салихов // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г. (26-28 апреля 2012 г).- Пермь: НГИПУ, 2012. -Т. 3. - С. 37-43. (0,44/0,26).

12. Веюков, Е. В. О разработке составов, технологий производства и применения антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов для покрытий лесовозных дорог / Е. В. Веюков, М. Г. Салихов // Актуальные вопросы науки и образования: материалы междунар. науч. конф. в РАЕ (21-23 мая, 2012). - М.: Изд-во РАЕ, 2012. - С. 77-78. (0,25/0,13).

13. Веюков, Е. В. Технологические процессы производства и укладки антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов / Е. В. Веюков // Инновационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций: материалы постояннодействующей всерос. междисциплинар. науч. конф. с междунар. участием. Ч. 2. - Йошкар-Ола: МарГТУ 2012. -С. 143-144. (0,13/0,13).

14. Веюков, Е. В. Изучение предварительной вибрации в зоне очистки от льда антигололедного покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона / Е. В. Веюков // Ежегодная науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ «Исследования. Технологии. Инновации», 1923 марта 2012 г.: сборник статей / редкол.: В. А. Иванов и др. - Йошкар-Ола: ПГТУ 2012. - С. 128-131. (0,25/0,25).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направлять по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, ПГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.115.02. Тел/факс (8-8362) 68-68-05 / 41-08-72.

Подписано в печать 27.05.2013

_Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 5090._

Редакционно-издательский центр ПГТУ Поволжского государственного технологического университета 424006 Йошкар-Ола ул. Панфилова, 17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Диссертационный совет Д 212.115.02

04201360400

ВЕЮКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРИАНОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

«ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ОЧИСТКИ ОТО ЛЬДА ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С АНТИГОЛОЛЕДНЫМ ПОКРЫТИЕМ»

Специальность 05.21.01 -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Йошкар-Ола 2013 г.

ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЕЮКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРИАНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ОЧИСТКИ ОТО ЛЬДА ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С АНТИГОЛОЛЕДНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

М. Г. Салихов

Йошкар-Ола 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................6

1. Состояние вопроса и задачи исследования................................................11

1.1. Дорожно-транспортные условия перевозки лесоматериалов в РМЭ ....11

1.2. Обоснование расчетной нагрузки на покрытие лесовозной автомобильной дороги.......................................................................................14

1.3. Зимняя скользкость на автомобильных дорогах......................................16

1.4. Существующие способы борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах.....................................................................................19

1.5. Опыт применения на автомобильных дорогах материалов покрытий, обладающих антигололедными свойствами....................................................25

1.6. Опыт применения щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей в России и зарубежом............................................................................................27

1.7. Задачи исследований...................................................................................32

2. Экспериментальные исследования антигололедных асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов....................................................33

2.1. Обоснование выбора материала для придания щебеночно-мастичному асфальтобетону антигололедных свойств........................................................33

2.2. Цель и условия экспериментов..................................................................35

2.3. Обоснование методик экспериментальных исследований свойств антигололедных асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов.................................................................................................36

2.3.1. Методика для изучения антигололедных свойств асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов..................................................38

2.3.2. Разработка прибора для изучения коэффициента сцепления колес автомобиля с поверхностью антигололедных асфальтобетонов и антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов........................40

2.3.3. Метод определения модуля упругости антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов..........................................................................44

2.4. Планирование и статистическая обработка экспериментальных исследований.......................................................................................................45

2.5. Результаты экспериментальных исследований........................................48

2.6. Выводы по второй главе.............................................................................54

3. Адгезия льда к поверхности асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов...................................................................................................55

3.1. Теоретические основы адгезии льда к поверхности асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов.........................................................55

3.2. Вымываемость хлористых солей из структуры асфальтобетонов и щебеночно-мастичных асфальтобетонов.........................................................64

3.3. Обоснование нормы расхода противоморозных добавок в

асфальтобетонные и щебеночно-мастичные смеси........................................66

3.5. Выводы по третьей главе............................................................................71

4. Технологические процессы производства и укладки антигололедных асфальтобетонов и антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов...................................................................................................73

4.1. Изучение технологических показателей антигололедной щебеночно-мастичной смеси.................................................................................................73

4.2. Технология приготовления антигололедных щебеночно-мастичных смесей...................................................................................................................77

4.2.1. Технология приготовления смесей по первой схеме........................77

4.2.2. Технология строительства антигололедных покрытий по второй схеме.................................................................................................................78

4.3. Разработка конструкции дорожной одежды из антигололедного щебеночно-мастичного асфальтобетона..........................................................81

4.3.1. Расчет конструкции дорожной одежды с использованием щебеночно-мастичного асфальтобетона в покрытиях лесовозных дорог. 81

4.3.2. Расчет конструкции дорожной одежды лесовозной автодороги с покрытием из антигололедного щебеночно-мастичного асфальтобетона.83 4.4. Способ очистки от снежно-ледяных отложений покрытий дорог устроенных из антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов .85

4.5. Выводы по четвертой главе........................................................................90

5. Экономические и экологические аспекты применения антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов........................91

5.1. Экономический эффект применения антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов.............................................................................91

5.2. Влияние применения антигололедного щебеночно-мастичного асфальтобетона на окружающую среду...........................................................93

5.3. Влияние применения антигололедного щебеночно-мастичного асфальтобетона на коррозию металлических конструкций...........................98

5.4. Выводы по пятой главе...............................................................................99

Основные выводы и рекомендации...............................................................101

Литература..........................................................................................................103

Приложение 1. Обзор и анализ материалов для покрытий автомобильных дорог, обладающих антигололедными свойствами......121

Приложение 2. Результаты лабораторных исследований прочности сцепления льда...................................................................................................129

Приложение 3. Результаты лабораторных исследований прочности при сжатии...................................................................................................................136

Приложение 4. Результаты лабораторных исследований плотности.....139

Приложение 5. Результаты лабораторных исследований коэффициента сцепления.............................................................................................................142

Приложение 6. Акт о внедрении результатов диссертации в производство.......................................................................................................145

Приложение 7. Акт о внедрении результатов диссертации в учебный процесс..................................................................................................................147

Приложение 8. Рекомендации по производству и укладке антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей......148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Освоение лесных массивов связано с транспортировкой (вывозкой) деревьев и сортиментов по лесовозным автодорогам с верхних складов на деревоперерабатывающие предприятия и к другим потребителям и поскольку лесозаготовки выполняются преимущественно в зимнее время, возникает необходимость обеспечения безопасного проезда автопоездов по лесовозным дорогам. При этом с целью обеспечения круглогодичного безопасного движения лесовозных автопоездов на лесовозных автодорогах особое внимание необходимо уделять современным дорожно-строительным материалам и технологиям. Одним из наиболее перспективных материалов для строительства дорожных покрытий является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА), который обеспечивает высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, высокое сопротивление постоянной деформации, долговечность, и снижение расходов на обслуживание. Особенностью структуры ЩМА является наличие щебеночного каркаса, в котором все пустоты между щебнем заполнены смесью битума с дробленым песком, минеральным порошком и стабилизирующей добавкой. Наибольший интерес представляет исследование возможности использования в составе смеси про-тивоморозных добавок, в качестве которых могут быть смеси хлористых солей (ЫаС1 и СаС12), взамен части дробленого песка. Применение антигололедных щебеночно-мастичных асфальтобетонов (АЩМА) в покрытиях лесовозных дорог в условиях температур ниже -7 °С может снизить адгезию льда и снежных отложений, а также уменьшить стоимость зимнего содержания дорог. Это будет способствовать борьбе с зимней скользкостью на лесовозных дорогах.

Цель работы. Разработать технологии строительства покрытий лесовозных автомобильных дорог из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с пониженной адгезией льда и способ очистки их поверхностей от снежно-ледяных отложений.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является конструкция лесовозной автомобильной дороги. Предметами исследования являются покрытия из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с противомо-розными добавками.

Методы исследования. Математическая статистика, теория планирования эксперимента, испытание строительных материалов, математическое моделирование. Прикладные программные пакеты MS Excel, MS Word, Curve Expert, AutoCad.

Научная новизна:

- щебеночно-мастичные асфальтобетоны для покрытий лесовозных автомобильных дорог, отличающиеся уменьшенным льдообразованием;

- разработанные устройство (патент РФ № 2357038) и методика для изучения коэффициента сцепления колес автомобиля с покрытием из органических бетонов, отличающиеся возможностью изучения в лабораторных условиях, и результаты экспериментальных исследований для АЩМА;

- обоснована возможность сохранения антигололедных, физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий из АЩМА при отрицательных температурах воздуха (ниже -7 °С) и длительном воздействии агрессивной среды (воды);

- разработан способ очистки ото льда покрытий лесовозных дорог (положительное решение по заявке № 2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ), отличающийся тем, что покрытие устраивается из АЩМА и перед механическим удалением льда производится вибрирование его поверхности.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения адгезии льда с поверхностью ЩМА при присутствии противоморозных добавок, позволяющие прогнозировать силы межслойного сцепления.

2. Результаты экспериментальных исследований прочностных и фи-

зико-механических свойств АЩМА в зависимости от количества противомо-розных добавок, позволяющие использовать их в качестве материала для верхнего слоя покрытия лесовозной дороги.

3. Методика исследования коэффициента сцепления колес автомобиля с покрытием, позволяющая прогнозировать изменение его значений на стадии проектирования составов органических бетонов и результаты ее использования при анализе составов АЩМА.

4. Способ очистки покрытия лесовозных дорог от снежно-ледяных отложений, защищенный положительным решением по заявке № 2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ, позволяющий осуществить процесс более качественно и с меньшей трудоемкостью.

Практическая значимость заключается в разработке составов, технологий производства и укладки АЩМА в покрытие лесовозной автодороги. При использовании АЩМА в покрытиях лесовозных дорог уменьшается прочность сцепления ледяных отложений с поверхностью покрытия и сокращаются затраты на удаление прослойки льда с поверхности покрытия.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследования подтверждается: экспериментами с погрешностью не более 5 %; доверительной вероятностью не менее 95 % у полученных закономерностей изменения свойств АЩМА при различном содержании противомороз-ных добавок. Построенные закономерности для свойств антигололедных асфальтобетонов согласуются с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации автора А. Н. Котухова, по патенту на изобретение РФ авторов С. В.Гриневича, Л. Б. Каменецкого и др.

Личное участие автора в получении результатов. Автором проводились исследования: дорожно-строительных материалов, разработка составов АЩМА; предложены технологии приготовления и содержания лесовозных дорог с покрытием из АЩМА. Автором произведены обработка данных и обобщение результатов исследований; разработана методика по определению

коэффициента сцепления колес с поверхностью лесовозных дорог. Автором теоретически обоснована норма расхода антигололедных добавок для асфальтобетонов, построена математическая модель, позволяющая определить оптимальные технологические режимы по предлагаемому способу очистки, и выполнен расчет экономической эффективности.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования внедрены в производство при устройстве выравнивающего (ремонтного) слоя покрытия толщиной 5 см на автомобильной дороге «Вятка» на участке с км 35+360 по км 35+410. Площадь экспериментального участка составила 400 м , объем выпущенной смеси - 26 т. За опытным участком установлено наблюдение. Автором разработаны рекомендации по производству и укладке АЩМА, которые были одобрены в научно-техническом совете ОАО «Ма-рийскавтодор».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях: научно-технические конференции Марийского государственного технического университета (Йошкар-Ола, 2009...2012); всероссийская научная конференция «Информационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций: Пятнадцатые Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола, 2011); международная научно-практическая конференция «Новые дороги России» (Пенза, 2011); международная научно-практическая конференция «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, Пшемысль, 2011); международная научно-практическая конференция «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 2012); всероссийские научно-практические конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплекса» (Йошкар-Ола, 2010, 2011, 2012); международная конференция «Проблемы архитектуры и строительства» (Казань, 2012); международная научная конференция «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2012); международная научно-практическая конференция «Инноваци-

онные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций» (Йошкар-Ола, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах общим объемом 17,38 пл. (авторский вклад - 6,79 п.л.), в т.ч. две монографии в соавторстве, одна статья в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ (0,63 п.л.), десять статей - в материалах международных и всероссийских конференций (1,63 п.л.). Получено положительное решение по заявке №2011147881/13 на получение патента на изобретение РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 158 наименований и 8 приложений. Основное содержание работы изложено на 118 стр., в том числе 23 рисунка и 23 таблицы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Дорожно-транспортные условия перевозки лесоматериалов в РМЭ

В настоящее время на территории республики Марий Эл работают 170 лесозаготовительных предприятий, в том числе 156 - постоянно. Численность лесовозного автомобильного транспорта на 01.01.2012 г составила 1598 единиц подвижного состава. По данным министерства лесного хозяйства РМЭ, общий объём вырубки лесного фонда республики ежегодно составляет 1,3... 1,7 млн. м3 деловой древесины.

С целью установления потребности в лесовозных дорогах, по которым проходят маршруты лесовозных автопоездов в РМЭ, было изучено состояние дорожных покрытий, как на дорогах общего пользования, так и на лесовозных и лесохозяйственных дорогах [2]. Используемые для вывозки лесоматериалов дороги общего пользования имеют асфальтобетонное покрытие и находятся в удовлетворительном состоянии. Лесовозные дороги во многих лесозаготовительных предприятиях республики преимущественно имеют грунтовое или грунтовое улучшенное покрытие. Лишь отдельные магистрали имеют участки с колейным покрытием из железобетонных плит, из древесины или с щебеночным покрытием. При выпадении обильных дождей, например осенью, они становятся труднопроезжаемыми. В большинстве лесхозов дороги относятся ко второму типу с низшим покрытием: грунтовым, улучшенными различными добавками; профилированным грунтовым и не профилированным. Поскольку движение гружёных автопоездов при вывозке лесоматериалов во всех случаях начинается по лесным грунтовым дорогам, а затем уже по дорогам с переходными или усовершенствованными типами покрытий, за проектную величину основного удельного сопротивления движению следует принимать значения, которые рекомендуются д�