Разработка технологии устройства асфальтобетонных покрытий с применением щебеночно-мастичного асфальтобетона

Тип работы:
Статья
Предмет:
Строительство


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Разработка технологии устройства асфальтобетонных покрытий с применением щебеночно-мастичного асфальтобетона

Р.В. Куприянов,

А.Ф. Зубков

Введение

Постановка задачи. Увеличение использования щебеночно-мастичного асфальтобетона и отсутствие подробной технологии устройства покрытий из данного материала является проблемой с которой сталкиваются организации дорожной отрасли. Поэтому возникла необходимость исследования температурных и прочностных характеристик ЩМА, для разработки технологии устройства асфальтобетонных покрытий из ЩМАС.

Результаты. В представленной статье сделана попытка на основе экспериментальных данных установить связи между пределами прочности и температурой ЩМА, а также влияние толщины слоя на предел прочности. Представлены: зависимости температуры смеси и прочностных характеристик при сжатии и сдвиге, результаты математического моделирования.

Выводы. Экспериментально определена нижняя температурная граница эффективного воздействия нагрузки на уплотняемый слой покрытия. Получены зависимости температуры смеси и физико-механических характеристик ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20. Результаты математического моделирования позволяют определить влияния условий производства работ на продолжительность устройства покрытий из ЩМА. Полученные данные могут быть использованы при расчете параметров технологии укладки и уплотнения асфальтобетонных покрытий с применением ЩМА.

Увеличение количества транспорта в нашей стране приводит в повышению интенсивности движения и увеличение нагрузки на дорожное покрытие. Повышение интенсивности движения транспортными средствами предъявляет повышенные требования к транспортно-эксплуатационным показателям автомобильных дорог, которые обеспечиваются в процессе строительства. Анализ параметров грузопотоков показал, что имеется тенденция к увеличению грузоподъемности транспортных средств. Это способствует, с одной стороны, снижению транспортных расходов и является положительным фактором в экономике страны и, с другой стороны, приводит к росту нагрузки на дорожные одежды автомобильных дорог. В результате наблюдается интенсивный износ и разрушение дорожных покрытий, что приводит к снижению транспортно-эксплуатационным показателям автомобильных дорог и требует привлечения дополнительных инвестиций для приведения дорог в нормативное состояние. В настоящее временя при устройстве дорожных покрытий широко используются щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси. Отмеченные тенденции в развитии транспортной сети предъявляют новые требования к эксплуатационным параметрам асфальтобетонных покрытий, что способствует применению новых дорожно-строительных материалов, созданию новых и совершенствованию существующих технологий при устройстве покрытий нежесткого типа, именно таким материалом является ЩМАС.

Щебеночно-мастичный асфальтобетон является одной из разновидностей горячего асфальтобетона. В отличие от горячих асфальтобетонных смесей, в состав которых входит щебень до 60% от общей массы, в составе ЩМА содержится 70−80% щебня с улучшенной кубовидной формой зерен, способствующий созданию устойчивого каркаса при уплотнении покрытия. Более высокое содержание вяжущего материала (от 5,5 до 7,5% по массе) и минерального порошка (8−15%) обеспечивает низкий уровень пустот в уплотненном слое покрытия. В качестве стабилизирующих добавок применяют коротковолокнистый минеральный материал, чаще всего волокна целлюлозы длиной от 0,5 до 1,9 мм [1]. Этот тип асфальтобетона характеризуется более высокими параметрами по сдвигоустойчивости, водонепроницаемости и шероховатости слоя покрытия. Согласно нормативным документам ЩМА применяют как слой износа, укладывая слои толщиной от 20 до 40 мм. Практика строительства автомобильных дорог показала, что его также применяют при устройстве дорожного покрытия толщиной укладываемого слоя до 60 мм [2].

Существующие технологии устройства покрытий с ЩМА используют накопленный опыт строительства автомобильных дорог с применением горячих асфальтобетонных смесей, без учета особенностей параметров щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Установлено, что обеспечить качество дорожного покрытия можно только при учете конструктивных параметров покрытия, условий производства работ и свойств применяемых смесей [6].

1. Определение температуры окончания процесса эффективного воздействия нагрузки на уплотняемый слой покрытия

Существующими нормативными документами предусматривается при приготовлении смесей использование разных марок вяжущего материала и с учетом этого устанавливается температура приготовления и укладки ЩМАС. Анализ значений температуры для ЩМАС показал, что рекомендованные значения выше по отношению к горячим асфальтобетонным смесям. В тоже время рекомендуемая температура окончания укатки для ЩМА научно не обоснована и имеет диапазон от 120 до 60? С, что влияет на качество уплотнения и организацию работ. Анализ существующих рекомендаций по температурным режимам укладки и уплотнения ЩМА показал, что температура укладки смеси зависит от марки битума и находится в пределах 175−140?С. С точки зрения организации работ и обеспечения параметров уплотнения важным параметром является эффективная температура окончания уплотнения, обеспечивающая высокие параметры уплотнения покрытия. Существующий разброс численных значений температур окончания уплотнения ЩМА (120−60?С) требует обоснованного подхода к этому параметру [2,3]. Известно, что достигаемая плотность материала при действии циклической нагрузки зависит не только от величины контактных напряжений, но и времени действия. Используя стандартную методику для определения предела прочности асфальтобетона, определялось требуемое время для формования образца с заданной плотностью при разных температурах ЩМАС. Полученные результаты представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость времени действия нагрузки для достижения требуемой прочности асфальтобетона от температуры. (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20, h=70 мм, D=70мм, P=40МПа, S=3мм/мин, битум марки БНД 60/90.)

Каждая точка на графике соответствует среднему значению полученных результатов при испытании 3 образцов. Из представленных результатов видно, что с понижением температуры горячей смеси ниже 110 °C время для достижения заданной плотности возрастает. В интервале температуры 170−110°С требуемое время для обеспечения заданной прочности образца остается постоянным. На основании этого можно сделать вывод, что минимальная температура эффективного уплотнения горячей ЩМАС соответствует температуре в пределах 110−115 °С. Установлено также, что изменение толщины слоя не влияет на характер зависимости. Следовательно, температура эффективного окончания уплотнения ЩМАС выше, чем при использовании горячих асфальтобетонных смесей. Для сравнения — температура окончания эффективного уплотнения для горячего асфальтобетона с битумом марки БНД 60/90 равна 80? С.

2. Влияние толщины укладываемого слоя на деформационно-прочностные характеристики ЩМАС

В зависимости от конструктивных параметров дорожной одежды толщина укладываемого слоя материала может быть разной. Нормативными документами при применении горячих смесей установлены пределы прочности на сжатие, которым должны отвечать применяемые материалы. С учетом типа смеси размеры кернов разные, но в тоже время высота образца равняется его диаметру. С целью уточнения влияния толщины слоя на предел прочности на сжатие асфальтобетона были изготовлены образцы с разной высотой (рис. 2).

Рис. 2. Образцы ЩМА для определения влияния толщины слоя одежды на прочностные параметры.

По результатам установлено, что толщина слоя влияет на прочностные характеристики дорожной одежды. Полученные результаты представлены на рис. 3,4,5.

Рис. 3. Зависимость предела прочности на сжатие (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20) от относительной толщины слоя (температура 80? С).

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате исследования предела прочности при сжатии приведены в табл. 1.1.

Таблице 1 Математические зависимости предела прочности на сжатие от относительной толщины слоя

Вид ЩМА

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

ЩМА-10

y = 0,3514x2 — 3,2146x + 7,278

0,9913

ЩМА-15

y = 0,3207x2 — 3,3693x + 8,948

0,9869

ЩМА-20

y = 0,3207x2 — 3,3693x + 8,948

0,9869

Рис. 4. Зависимость предела прочности при сдвиге (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20) от относительной толщины слоя (температура 80? С).

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате исследования предела прочности при сжатии приведены в табл. 1.1.

Таблице 2 Математические зависимости предела прочности на сжатие от относительной толщины слоя

Вид ЩМА

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

ЩМА-10

y = 0,0014x2 — 0,0846x + 0,49

0,9984

ЩМА-15

y = -0,0021x2 — 0,0541x + 0,486

0,999

ЩМА-20

y = -0,005x2 — 0,035x + 0,47

1

Рис. 5. Зависимость времени набора прочности (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20) от относительной толщины слоя (температура 80? С).

За единицу принято значение предела прочности стандартного керна (диаметр равен высоте образца). Из передставленных данных видно, что при укладке тонких слоев дорожной одежды, при выборе параметров уплотняющих машин, необходимо учитывать толщину слоя, поскольку от этого зависит обеспечение требуемого условия уплотнения.

2.1 Влияние температурных режимов на деформационно-прочностные характеристики ЩМАС

Известно, что предел прочности горячего асфальтобетона зависит от его температуры. Анализ нормативных документов по устройству дорожных покрытий с применением горячих асфальтобетонных смесей (ГОСТ 9128−97) и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ГОСТ 31 015−2002) показал, что имеются различия в пределах прочности горячего асфальтобетона в зависимости от его температуры. Так, если при температуре испытания на сжатие при 50 °C предел прочности для горячего асфальтобетона должен быть не менее 0,9−1,0 М Па, то для ШМА он составляет 0,6−0,7 МПа [4. 5]. В тоже время пределы прочности на сжатие при температуре испытания 20 °C практически одинаковы (2,0−2,5). Это указывает на то, что на прочностные характеристики горячего ЩМА в значительной степени зависят от его температуры. Представленные значения в номативных документах соответствуют эксплуатационным температурам дорожного покрытия. При устройстве дорожного покрытия, как видно из рис. 1 асфальтобетон имеет высокую температуру при распределении и уплотнении, что влияет на его прочностные параметры. С учетом требуемого условия уплотнения необходимо, чтобы контактные напряжения под рабочим органом уплотняющей машины были близки к пределу прочности уплотняемого материала. На рис. 4 представлена зависимость предела прочности на сжатие горячего ЩМА от температуры.

Для достижения высокого качества уплотнения дорожного покрытия возможно при соблюдении определенного соотношении между развивающимися контактными напряжениями под рабочим органом катка и прочностными характеристиками уплотняемого материала, который имеет вид:

где ук — контактные напряжения под вальцом катка, МПа; [у]- предел прочности уплотняемого материала, МПа.

Рис. 6. Зависимость предела прочности при сжатии (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20) от температуры.

Рис. 7. Зависимость предела прочности при сдвиге (ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20) от температуры.

Из представленных на рис. 6,7 данных видно, что с повышением температуры горячего асфальтобетона его прочностные характеристики резко меняются и подчиняются зависимостям представленные в табл. 3, что необходимо учитывать при устройстве дорожных покрытий с применением ЩМА.

Таблице 3 Математические зависимости предела прочности при сжатии и сдвиге от температуры

Вид ЩМА

Предела прочности при сжатии

Предела прочности при сдвиге

Математические зависимости

Величина достоверности аппроксимации, R2

Математические зависимости

Величина достоверности аппроксимации, R2

ЩМА-10

y = 0,0944x2 — 1,7074x + 7,6373

0,9887

y = 0,0446x2 — 1,0173x + 10,302

0,9918

ЩМА-15

y = 0,0995x2 — 1,8127x + 8,1892

0,9862

y = 0,0744x2 — 1,4042x + 12,609

0,9967

ЩМА-20

y = 0,098x2 — 1,8107x + 8,4533

0,9811

y = 0,069x2 — 1,3952x + 13,093

0,9929

Моделирование тепловых процессов.

Одной из задач при устройстве дорожных покрытий является определение продолжительности строительства. В дорожной отрасли основное влияния на определение продолжительности строительства оказывает темп охлаждения асфальтобетонной смеси, который зависит от характеристик смеси, погодных условий и конструкции возводимого полотна.

фстр = f (tсм; hсл; tв; tосн; Vв; Мс); (1)

где фстр — продолжительность строительства; tсм — температура смеси; hсл — толщина слоя; tв — температура окружающего воздуха; tосн — температура основания; Vв — скорость ветра; Мс — фактор, учитывающий свойства материала.

Применить выражение (1) можно и для определения продолжительности строительства дорожных покрытий из щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС).

Особое влияние на производство работ, оказывает температура окружающего воздуха при низкой температуре асфальтобетонная смесь более интенсивно остывает, что приводит к сокращению времени на укатку и уплотнение смеси. С помощью математического моделирования были установлена зависимость времени охлаждения ЩМАС от температуры воздуха рис. 1. 1

Рис. 1.1. Зависимость времени охлаждения ЩМА от температуры воздуха (ЩМА-15; БНД 60/90; толщина слоя 7 см; температура окружающего воздуха — 20?С; скорость ветра — 0 м/с; начальная температура смеси 175?С)

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате математического моделирования приведены в табл. 1.2.

Таблице 1.2 Математические зависимости tв

tв, ?С

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

10

y = 167,03x-0,196

0,9769

20

y = 166,64x-0,212

0,9779

30

y = 167,3x-0,18

0,9748

Асфальтобетонные покрытия их ЩМАС укладываются слоями разной толщины в зависимости от конструкционных особенности покрытия. Слои с разной толщиной покрытия имеют различие во времени охлаждения. При математическом моделировании были получены зависимости времени охлаждения ЩМАС взятых при разной толщине слоя (hсл =3; 5;7;10см) на рис. (1. 2) представлена зависимость времени охлаждения ЩМАС от толщины слоя.

Рис. 1.2. Зависимость времени охлаждения ЩМАС от толщины слоя (ЩМА-15; БНД 60/90; толщина слоя 7 см; температура окружающего воздуха — 20?С; скорость ветра — 0 м/с, начальная температура смеси 175?С)

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате математического моделирования приведены в табл. 1.2.

Таблице 1.2 Математические зависимости hсл

hсл, ?С

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

3

y = 174,63x-0,659

0,9998

5

y = 176,55x-0,373

0,9966

7

y = 174,98x-0,279

0,9926

10

y = 170,99x-0,213

0,9846

В зависимости от дальности транспортировки, в момент уплотнения смесь имеет разную температуру, исходя из этого, время на уплотнения изменяется. Чем дальше транспортируется смесь или транспортировка в черте города затрудняется загруженностью движения, тем меньшее значение температуры, при этом процесс уплотнения приходится ускорять. При математическом моделировании были проанализирована зависимость времени охлаждения ЩМАС взятых при разной температуре смеси. Данная зависимость представлена на рис. (1. 3)

Рис. 1.3. Зависимость времени охлаждения ЩМАС от температуры смеси (ЩМА-15; БНД 60/90; толщина слоя 7 см; температура окружающего воздуха — 20?С; скорость ветра — 0 м/с; начальная температура смеси — 170?; 160?С; 150?С; 140?С)

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате математического моделирования приведены в табл. 1.3.

Таблице 1.3. Математические зависимости tсм

tсм, ?С,

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

170

y = -26,48ln (x) + 165,85

0,9864

160

y = -24,04ln (x) + 156,71

0,9859

150

y = -22,5ln (x) + 148,22

0,9939

140

y = -19,06ln (x) + 140,26

0,9967

Покрытия из ЩМАС укладываются как верхний слой дорожной одежды. На температуру смеси при укладки влияет не только климатические условия, но и температура нижележащего слоя. Возведение дорожного покрытия состоящего из нескольких слоев производится двумя методами. В первом, верхний слой покрытия укладывается через значительное время после укладки нижележащего слоя, при этом температура нижележащего слоя зависит от погодных условий. Во втором, верхний и нижние слои укладываются через незначительный промежуток времени, при этом нижний слой имеет более высокую температуру. Охлаждение верхнего слоя покрытия в первом и во втором случаи различаются, данную закономерность удалось проанализировать с помощью программы, зависимость времени охлаждения смеси ЩМАС от температуры нижележащего слоя представлена на рис. (1. 4)

Рис. 1.4. Зависимость времени охлаждения ЩМАС от температуры нижележащего слоя (ЩМА-15; БНД 60/90; толщина слоя 7 см; температура окружающего воздуха — 20?С; скорость ветра — 0 м/с; температура смеси — 170?С)

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате математического моделирования приведены в табл. 1.4.

Таблице 1.4. Математические зависимости tосн

tосн, ?С,

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

70

y = -26,74ln (x) + 173,4

0,9862

40

y = -27,73ln (x) + 166,48

0,9889

При определении температурных режимов укладки покрытий с использованием ЩМАС следует обратить внимание, что разница температур смеси и воздуха может достигать более 180?С. Немаловажным фактором передачи температуры от смеси в воздушную среду, является движение воздушных масс в месте производства работ. При увеличение скорости ветра взаимодействие частиц воздуха и смеси возрастает, тем самым более интенсивно происходит обмен тепла смеси и воздуха. Анализ влияния скорости ветра на продолжительность охлаждения смеси представлен на рис. (1. 5)

Рис. 1.4. Зависимость времени охлаждения ЩМАС от скорости ветра (ЩМА-15; БНД 60/90; толщина слоя 7 см; температура окружающего воздуха — 20?С; температура смеси — 170?С)

Математические зависимости и величины достоверности аппроксимации полученные в результате математического моделирования приведены в табл. 1.5.

Таблице 1.5. Математические зависимости Vв

Vв, м/с

Зависимость

Величина достоверности аппроксимации, R2

0

y = -32,26ln (x) + 173,12

0,9844

10

y = -28,07ln (x) + 171,87

0,9932

20

y = -26,74ln (x) + 173,4

0,9862

Выводы

покрытие деформационный щебеночный асфальтобетон

1. Определены факторы влияющие на продолжительность строительства дорожных покрытий из ЩМАС,

2. С помощью математического моделирования определены зависимости времени охлаждения ЩМАС от следующих факторов:

— температуры смеси

— толщины слоя

— температуры окружающего воздуха

— температуры основания

— скорость ветра.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Прочностные характеристики ЩМА зависят от температуры смеси и толщины слоя дорожной одежды, что необходимо учитывать при выборе звена уплотняющих машин.

2. Температура окончания эффективного уплотнения ЩМА с битумом марки БНД 60/90 составляет 115−110°С.

3. Определены факторы влияющие на продолжительность строительства дорожных покрытий из ЩМАС.

4. С помощью математического моделирования определены зависимости времени охлаждения ЩМАС от следующих факторов:

— температуры смеси

— толщины слоя

— температуры окружающего воздуха

— температуры основания

— скорость ветра.

Библиографический список

1. Кирюхин Г. Н. Строительство дорожных и аэродромных покрытий из щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. М., 2003. Вып.2. 96с.

2. Методические рекомендации по устройству верхних слоев дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА)./ ФГУП «Союздорнии». -М., 2002. -36с.

3. Артюхов В. Первый опыт строительства покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона в России /Артюхов В., Кирюхин Г., Юмашев В. /// Дороги России 21века. -2002.- № 3. -С. 58−61.

4. ГОСТ 9128–97. СМЕСИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ДОРОЖНЫЕ, АЭРОДРОМНЫЕ И АСФАЛЬТОБЕТОН.

5. ГОСТ 31 015–2002. СМЕСИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ И АСФАЛЬТОБЕТОН ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫЕ.

6. Зубков А. Ф. Технология устройства дорожных покрытий с учетом температурных режимов асфальтобетонных смесей. Тамбов, 2006.

7. Сергеева Т. Н.

8. Хархута Н. Я. Машины для уплотнения грунтов/ Н. Я. Хархута. — Л.: Машиностроение, 1973. — 173с.

9. А. П. Васильев и друг. Строительство и реконструкция автомобильных дорог. СЭД., Т.1. Под ред. д.т.н., проф. А. П. Васильева, М.: Информавтодор, 2005., с207.

References

1. Kiryukhin G.N. The construction of the road and aerodrome pavement of stone-mastic asphalt concrete mixtures. M., 2003. Вып.2. 96с.

2. Methodological recommendations on the device of the upper layers of the road surface of the stone-mastic асфальобетона (of stone-mastic asphalts)./ Federal state unitary enterprise «Союздорнии». -M., 2002. -36с.

3. Artyukhov In. The first experience of construction of coatings from щебоночно-матсичного asphalt concrete in Russia /Artyukhov. Kiryukhin Str., Yumashev In. /// Roads of Russia 21века. -2002.- № 3. -P. 58−61.

4. GOST 9128−97. A MIXTURE OF ASPHALT-CONCRETE ROAD, AIRFIELD AND ASPHALT CONCRETE.

5. GOST 31 015−2002. A MIXTURE OF ASPHALT AND ASPHALT CONCRETE STONE-MASTIC.

6. Zubkov A. The technology of the device of road coatings with the account of temperature regimes of asphalt mixes. Tambov, 2006.

7. Sergeeva so-CALLED.

8. Хархута N. YA. Machine for sealing of soil/ Н. Я. Хархута. — L.: Machinery, 1973. — 173с.

9. A.P. Vasilyev and a friend. Construction and reconstruction of motor roads. The ERMS., Vol.1. Edited by doctor of technical science., prof. А. П. Васильева, M.: Информавтодор, 2005., с207.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой