Введение к работе
Актуальность темы
Вопросы математического обоснованного повышения долговечности дорог и снижения эксплуатационных затрат на их содержание всегда являлся актуальным для дорожников. Создание методов оптимизации структуры строительных материалов, обеспечивающих улучшение физико – механических и эксплуатационных показателей, снижение материалоемкости и трудоемкости их изготовление – важная задача в области разработки программ применимых в строительном материаловедении.
Одним из путей повышения экономичности и ускорения строительства оснований дорожных одежд и повышающих срок эксплуатации является разработка методов оптимального поиска строительных материалов для массового применения. В число важнейших направлений теории оптимизации входит обоснование методологических принципов существования и точности решений задач оптимальности типовых и индивидуальных решений.
Задачи такого вида включают в себя поиск методов для оценки оптимальных таких физических переменных материалов как размер фракции щебня, песка, влажность компонентов, плотность материала. С другой стороны, они должны включать в себя и экономические законы, регулирующие меру расхода и соотношение компонентов, необходимых для данного материала (стоимости материалов, услуг, эксплуатационные затраты на содержание, ремонт, скорости строительства).
Наиболее интенсивно такие исследования материалов начались в 50 – х годах. Вопросам оптимального проектирования материала посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов. Одним из преобладающих направлений в области оптимизации физико – механических свойств материала являлось использовании добавок портландцемента, извести, битумов, дегтей, синтетических высокомолекулярных реагентов и других химических реагентов. Существенным недостатком многих работ является высокая стоимость компонентов, влияние на окружающую среду и сложность для математического представления.
В настоящее время вопросы проектирования оптимальных материалов стоят особенно остро, и нужны эффективные методы оценки оптимальности строительных материалов, позволяющие быстро и с минимальными затратами средств оценить рациональность принятого технического решения
Данная работа посвящена моделированию структуры, оптимизации составов и разработке технологии получения щебеночно – песчаного каркасного (ЩПК) материала.
Цель диссертационной работы
Цель работы заключается в научном обосновании приемов и методов оптимизации составов строительных материалов широко использующихся в строительстве.
Для выполнения поставленной цели ставились следующие задачи:
Разработать и применить комплекс программ, включающий качественные и количественные методы оценки оптимальности структуры и соотношений компонентов в материале, позволяющий получить высокопрочный щебеночно-песчаный каркасный материал (ЩПК материал).
Выявить возможности качественного метода при оценке оптимальности структуры материала с использованием общих критериев: универсальность, актуальность, модность, красота структуры материала и частных критериев: однородность, максимальная плотность, минимум неоднородностей и вяжущего в материале.
Количественными методами оценить оптимальность соотношений компонентов в материалах, получить целевые функции для щебеночного и ЩПК материалов. В качестве переменных параметров использовать крупность щебня от 10 до 70 мм, усилия на материалы при его укатке от 1 до 3 кг/см2 и прижим 0,25-1 кг/см2 при испытании материала.
В качестве количественных критериев оптимальности использовать сопротивления щебня и ЩПК материалов сдвигу и сжатию.
Внедрение в практику строительства материалов с оптимальной структурой.
Методы исследования
В ходе выполнения работы были использованы математические методы теории устойчивости, теории управления, методы нелинейного программирования и аналитические методы. Проводится расчет оптимальных параметров строительных материалов с помощью первого метода Ляпунова, градиентными методами и методами деформируемого многогранника.
Научная новизна
Разработан и применен комплекс программ, включающий качественные и количественные методы оценки оптимальности структуры и соотношений компонентов в материале, позволяющий получить высокопрочный щебеночно-песчаный каркасный материал (ЩПК материал).
Разработан комплексный метод оценки сдвиговых прочностных свойств строительных щебеночно-песчаных материалов при разных параметрах на базе математической теории устойчивости и теории управления динамическими процессами.
Разработаны теоретические положения по использованию критериев для качественной оптимизации структуры щебеночно - песчаного каркасного (ЩПК) материала с повышенными эксплуатационными свойствами.
Выявлены оптимальные количественные зависимости напряженно-деформированного состояния дорожных оснований от основных структурообразующих факторов ЩПК.
Предложены математические модели для оценки прочности щебеночно – песчаного каркасного (ЩПК) материала с оптимальным составом основных составляющих компонентов.
Доказана возможность использования щебня низкой прочности при длительных циклических нагрузках в условиях замораживания и оттаивания.
Практическая значимость работы
Разработаны и применены на практике эффективные методы оценки оптимальности свойств строительных материалов.
Предлагаемые методы могут быть использованы не только для строительных материалов, но и для объектов в других областях технических наук.
Математически обоснована и применена технология изготовления строительного ЩПК материала для дорожного строительства.
Обоснован и применен оптимальный состав каркасного строительного ЩПК материала, на основе щебня и песка, с повышенной долговечностью и улучшенными технологическими свойствами.
Использование полученных результатов позволило снизить затраты и время на строительство дорожных оснований.
Результаты исследований внедрены в учебном процессе.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты работы внедрены: в учебный процесс на строительном факультете ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева» при чтении курса «Дорожно – строительные материалы», «Экономико – математические методы в строительстве».
Используются в практике в дорожно-строительных организаций г. Саранска: при изготовлении дорожного основания автомобильной дороги от Лямбирьского шоссе до автомобильной дороги №8 (ул. Титова). (ОАО “Мордовспецстрой”, 2004 г.); Автомобильная дорога Капасово - граница Дубенского района в Атяшевском районе. (ООО “Саранскдорстрой”, 2005г.); Реконструкция автодороги Рузаевка – Инсар – Ковылкино - Торбеево, (ООО “Саранскдорстрой”, 2005г.); Автодорога г. Саранска - Б.Березники, (ООО “Саранскдорстрой”, 2005г.); Реконструкция автодороги Рузаевка – Инсар – Ковылкино – Торбеево, (ООО “Саранскдорстрой”, 2006 г.).
Апробация работы
Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в Белгородской государственной архитектурно-строительной академии (Белгород, 2004),на научно-технических конференции «Роль науки и инновации в развитии хозяйственного комплекса региона». (г. Саранск 2004 г.); в Мордовском государственном университете в сборниках: «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2003, 2004, 2005, 2006); «Естественно – технические исследования: теория, методы, практика.», (г. Саранск 2005 г.); «Наука и инновации в Республике Мордовия.» (г. Саранск 2005 г.); «Материалы XI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева.» (г. Саранск 2006 г); на научно-практической конференции «Город и экологическая реконструкция жилищно-коммунального комплекса XXI века» (г. Москва 2006 г);на научно – технических семинарах Пермской государственной архитектурно – строительной академии (Пермь, 2004), на семинаре Средневолжского математического общества под руководством проф. Е.В.Воскресенского (г. Саранск, 2007г.)
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, 1 из которых в перечне ВАК. Получен патент на сдвиговую установку (Патент РФ № 2289654) и патентуется технология строительства основания из ЩПК материала.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, общих выводов, заключения, библиографического списка. Объем диссертации 191 – страница. Работа включает 67 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список содержит 136 наименований. Диссертационная работа выполнена на кафедре ”Автомобильные дороги и специальные инженерные сооружения” Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева.
