Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время дорожные покрытия из материалов, обработанных катионными эмульсиями получили широкое распространение. Повышенная стойкость к износу, образованию деформаций особенно при повышенных температурах, привела к использованию их в регионах с жарким климатом. Наиболее целесообразным является применение различного рода гранулятов получаемых в процессе реставрации старых покрытий дорог. Это также относится и к восстанавливаемым дорогам в регионах мира, пострадавшим от природных катаклизмов и боевых действий, например, таких как республика Ирак. Данный регион обладает неблагоприятным климатом для использования традиционных технологий и материалов, в процессе приведения в нормативное состояние пострадавшей дорожной сети. Такие же проблемы сохраняются и при формировании новой экономически обоснованной, дорожнотранспортной инфраструктуры с использованием рециклированных материалов.
Стандартные технологии используют прямое смешивание асфальтовых
гранулятов с вяжущими или модифицированными катионными эмульсиями. Но
при использовании их в указанном регионе возникают ситуации
неконтролируемого образования асфальтовых покрытий пониженной прочности. Очевидно, это связано с высокой температурой воздуха и подстилающей поверхности, а использование гранулята приводит к понижению альбедо и как следствие локальному перегреву указанных участков. Также одним из факторов, влияющих на качество асфальтового покрытия, является концентрация вяжущего поэтому исследование, направленное на разработку эффективной технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята обработанного катионной битумной эмульсий с учетом ее концентрации важно при оценке прочности и срока службы покрытия.
В некоторых странах с жарким климатом ведутся разработки данной технологии, предусматривающей повторное использование строительных материалов и оперируя интегральными свойствами битумов добиваются положительных результатов. Правда это требует не только развитой химической промышленности, но и большого количества битума, что приводит к высокой стоимости вновь формируемого покрытия.
Понижение стоимости добиваются различными методами, в том числе и использованием катионных эмульсий, что позволяет экономить до 30 % битума. Высокая температура окружающей среды позволяет готовить эмульсионно-минеральные смеси без дополнительного нагрева, что обеспечивает сокращение сроков строительства дорог и снижение сопутствующих затрат. Применение битумных эмульсий с контролируемым временем распада повышает эффективность вяжущих, обеспечивает возможность разработки технологий, применяющих “холодные” грануляты для строительства дорожного покрытия. Полученный асфальтогранулобетон проявляет достаточно высокие прочностные свойства, успешно выдерживая повышенные температуры и нагрузки. Управляя индексом распада эмульсии, можно определить величину и характер ее распада при обработке гранулированного материала.
Поэтому разработка технологии, включающей расширение температурного интервала использования асфальтового гранулята обработанного катионной
битумной эмульсий в процессе укладки дорожного полотна в регионах с жарким климатом, является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является разработка технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсией, в регионах с жарким климатом.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
выполнить анализ применяемых современных технологий и условий производства дорожностроительных работ с использованием эмульсионноминеральных материалов в регионах с жарким климатом;
разработать физико-математическую модель работы покрытия, при термодинамическом равновесии материалов асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсий, при воздействии транспортной нагрузки;
обосновать возможность применения катионной битумной эмульсии с регулированием времени распада, для соответствия времени технологического процесса формирования дорожного покрытия;
разработать составы из композиции эмульсий и минеральных вяжущих с наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в конструктивные слои дорожной одежды;
разработать технологию строительства дорожного покрытия для регионов с жарким климатом из асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсий;
обосновать техникоэкономическую эффективность применения разрабатываемой технологии с применением асфальтового гранулята обработанного катионной битумной эмульсий с управляемым индексом распада.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана приближенная физико-математическая модель работы покрытия при высоких температурах, отличающейся учетом возникающего термодинамического равновесия взаимодействия в асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсий, формирующих покрытие. Поиск значений параметров модели производится решением обратной задачи теплопроводности, что позволяет производить оценку с последующим прогнозом состояния дорожного покрытия при воздействии транспортной нагрузки;
на основе результатов математического моделирования предложена технология строительства дорожного покрытия из асфальтогранулобетона, полученного методом холодного ресайклинга и катионо-активной битумной эмульсий с управляемым индексом распада при строительстве, реконструкции и ремонте дорог в регионах с жарким климатом;
предложены составы композиции эмульсий и минеральных вяжущих с наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в конструктивные слои дорожной одежды. Это дает возможность применения их в конструктивных слоях дорожной одежды, при устройстве под грунтовку и поверхностной обработки без нагревания каменных материалов, вяжущих и смесей;
— опробованы новые составы смесей с комплексным использование цемента и
битумной эмульсии, отличающиеся возможностью улучшения адгезии и
ускорения процессов твердения, при уменьшении времени ожидания момента
открытия движения. Для данных смесей получены аппроксимирующие
временные зависимости, позволяющие прогнозировать прочность покрытия в
заданный период эксплуатации.
Теоретическая значимость заключается в разработке уточненной физико-математической модели работы защитного слоя дорожного покрытия из эмульсионно-минерального материала при воздействии динамической нагрузки, позволяющая производить оценку и прогнозирование его эксплуатационных свойств.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке технологии строительства, реконструкции и ремонта дорожного покрытия из асфальтогранулобетона, полученного методом холодного ресайклинга с использованием композиций, состоящих из катионо-активных битумных эмульсий и минеральных вяжущих;
в разработке композитных составов с использованием асфальтового гранулята и катионо-активных битумных эмульсий без дополнительного нагрева материалов, вяжущих и смесей, что сокращает срок дорожно-строительных работ, упрощает технологические процессы повторно-возвратного применения материалов от разборки дорог;
в обосновании техникоэкономической эффективности применения разрабатываемой технологии с применением асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсий с управляемым индексом распада.
внесены новые дорожные термины в учебное пособие, применяемое при подготовке иностранных специалистов в дорожной отрасли: «Русскоанглоарабский толковый словарь дорожника».
Методология и методы диссертационного исследования. Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили современные положения теории и практики развития технологии строительства дорожного покрытия из асфальтового гранулята, разработки отечественных и зарубежных ученых в области совершенствования использования современных материалов. Теоретические расчеты выполнены с использованием апробированных математических методов как существующих, так и вновь представленных. В работе использовалось численное моделирование с использованием известных математических пакетов и специально написанных подпрограмм. Обработка результатов натурных экспериментов проведена методами математической статистики.
Личный вклад соискателя состоит в решении исследуемых задач диссертационного исследования, он заключается: в обобщении результатов, систематизации фактов и развитии теоретических положений в области дорожного строительства, предложении физико-математической модели работы покрытия, при термодинамическом равновесии материалов асфальтового гранулята, в обосновании возможности применения катионной битумной эмульсии с регулированием времени распада, получение и анализ результатов исследований составов из композиции эмульсий и минеральных вяжущих с
наполнителем из асфальтового гранулята, в апробации и разработке технологии строительства дорожного покрытия для регионов с жарким климатом.
На защиту выносятся:
физико-математическая модель работы дорожного покрытия при высоких температурах, отличающаяся учетом возникающего термодинамического равновесия взаимодействия материалов, формирующих покрытие, позволяющая производить оценку с последующим прогнозом изменения состояния дорожного покрытия из асфальтового гранулята, обработанного катионной битумной эмульсий при воздействии транспортной нагрузки;
составы композиции эмульсий и минеральных вяжущих с наполнителем из асфальтового гранулята для последующей укладки в конструктивные слои дорожной одежды;
технология строительства дорожного покрытия из асфальтогранулобетона полученного методом холодного ресайклинга и катионо-активной битумной эмульсий с управляемым индексом распада при выполнении дорожностроительных работ в регионах с жарким климатом.
Реализация результатов работы производилась на сети автомобильных дорог юга России с последующим переносом технологического опыта на дороги республики Ирак.
Достоверность результатов, приведенных в диссертации, обеспечена методологией исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях точных наук; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; применением стандартных средств и современного оборудования; а также полученными результатами, которые не противоречат общепринятым положениям и данным других авторов.
Апробация результатов исследования:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно практической конференции «Градостроительство, инфраструктура, коммуникации» (г.Воронеж, 2014); (г. Воронеж, 2015); конференции «Актуальные проблемы инвестиционно-строительной деятельности в условиях кризиса» (г. Санкт Петербург, 2016); студенческой научно практической конференции ВГТУ «Студенческая наука в приоритетных направлениях развития техники и технологии» (г. Воронеж, апрель 2017); на научно образовательном форуме «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2017).
Публикации: По материалам исследований опубликовано 7 научных работ общим объемом 48 страниц и учебное пособие с грифом УМО «Русско англоарабский толковый словарь дорожника». 2016.- 479с; четыре статьи опубликованы в изданиях, выключенных в перечень ВАК РФ: «Наука и Техника в дорожной отрасли, № 3 2016», «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №1,2018». «Научный журнал строительства и архитектуры, № 1, 2018 и в других «ФЭС: финансы экономика стратегия, № 6 2016», «Наука и Мир, № 3 (43), март, 2017», «Инженерные системы и сооружения, 2014, № 3(16)», «Инженерные системы и сооружения, 2014, № 4(17)».
Структура и объем диссертации: