Введение к работе
Актуальность работы. Рост интенсивности движения и нагрузок на ось автотранспортных средств приводит к снижению сроков службы Дорожных покрытий и дорожных одежд. Межремонтные сроки дорожных покрытий сократились до 4-6 лет на загородных дорогах и до 2-3 лет в городах. Замена асфальтобетона цементобетоном в ряде случаев нецелесообразна по технологическим, ремонтным и экономическим признакам. Поэтому применение материалов, сочетающих в определенной степени положительные параметры асфальто- и цементобетонов и исключающие их негативные свойства, является важной и актуальной задачей, особенно применительно к сложным климатическим условиям Республики Беларусь. Однако новый вид бетонов, содержащих в своем составе органическое и гидравлическое вяжущее, требует добавок воды для гидратации последнего в общем процессе твердения. Это и другие обстоятельства сдерживает широкое применение бетонов на органогидравлических вяжущих (бетоны на ОГВ). Возникает ряд нерешенных проблем. В частности, отсутствует физическая и структурная модель бетонов на ОГВ, позволяющая изучить механизм структурообразования и осуществить прогноз свойств. Требуется установить закономерности поведения таких бетонов в температурно-временном поле и разработать методику оптимизации их состава с точки зрения надежной и долговечной работы в дорожной одежде. Необходимо решить также некоторые технологические проблемы. В. этих направлениях представленная тема практически не разработана.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью решения важной народнохозяйственной задачи — повышения долговечности дорожных одежд путем применения новых материалов и технологий.
Связь с крупными научными программами. Результаты работы использованы при реализации республиканских научных программ 90.0IP «Строительный комплекс» и комплексной целевой программы но достижению высшего мирового уровня в транспортном строительстве (постановление Госстроя БССР № 139 от 18.07.88), а также госбюджетной научно-исследовательской темы Министерства образования и науки Республики Беларусь (ГБ 96-31) «Разработать теоретические основы получения новых композиционных материалов для дорожного строительства».
Целью работы является разработка теоретических и практических основ процессов структурообразования, деформирования и разрушения бетонов на ОГВ как системы, обеспечивающей повышение надежности и долговечности конструктивных слоев дорожных одежд.
Исходя из данной цели сформулирована генеральная гипотеза: при введении в состав асфальтобетонов и других органоминеральных смесей гидравлических вяжущих усиливается взаимодействие на границе раздела фаз, увеличивается прочность и деформационная устойчивость данного класса бетонов.
Для реализации указанной цели и генеральной гипотезы поставлены следующие задачи исследования.
-
Исследовать механизм структурообразования бетонов на ОГВ.
-
Разработать теоретические основы поведения бетонов на ОГВ в іемпературно-временном поле под действием нагрузки.
-
Исследовать влияние состава и структуры бетонов ОГВ на реологические, прочностные и деформационные свойства.
-
Изучить особенности кинетики накопления повреждаемости структуры бетонов на ОГВ под действием механических нагрузок и по-годно-климатических факторов.
-
Разработать методику оценки деформационной устойчивости и надежности бетонов на ОГВ в конструктивных слоях дорожной одежды.
-
Разработать методику подбора и оптимизации состава бетонов на ОГВ.
-
Провести технико-экономический анализ эффективности применения бетонов на ОГВ.
-
Выполнить опытно-промышленную проверку и внедрение результатов исследований в производство.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются конструктивные слои дорожных одежд, выполненные из бетонов на орга-ногидравлических вяжущих.
Методология исследования основана на использовании аналитико-экспериментального подхода. На основании теоретического анализа предложена структурная модель бетонов на ОГВ, которая с помощью математической модели доведена до выполнения прогнозных расчетов. При выполнении экспериментальных исследований использовались методы
физико-химического анализа (электронная микроскопия, рентгеновский и термографический анализ, фотоэлектронная и инфракрасная спектроскопия), методы компьютерного и структурно-имитационного моделирования, планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в разработке структурной модели бетонов на ОГВ, которая представлена прогидратировавшими агрегатами цемента и межфазными слоями кластерного типа, минимальные размеры кластеров которых находятся на уровне молекулярных групп, что позволило впервые объяснить механизм влияния гидравлического вяжущего на структуру и свойства бетонов. Путем использования ядер релаксаціпі, полученных на базе термодинамической модели деформирования твердого тела, разработаны основы теории поведения материалов в температурно-временном поле как системы упругих и вязких связей, что позволило усовершенствовать принцип температурно-временной и предложить принцип температурно-структурной аналогии. Впервые установлено, что при содержании упругих связей в пределах 0.5 наблюдаются максимальное упрочнение и восстановление структуры, повышаются усталостная долговечность и морозостойкость. На основе выработанного-теоретического подхода разработана методика подбора состава бетонов на ОГВ, позволяющая обеспечить требуемую надежность и долговечность дорожной одежды при их применении. Научная значимость исследований заключается в возможности использования установленных общих закономерностей поведения бетонов на ОГВ в температурно-временном поле, а также методик оценки деформационной устойчивости и подбора состава для оценки новых до-рожно-строительных материалов будущего поколения.
Практическая значимость полученных результатов. Разработана методика оптимизации состава и структуры бетонов на ОГВ, обеспечивающая их максимальную надежность в дорожной одежде. Предложен метод температурно-структурной аналогии, позволяющий осуществлять прогноз свойств бетонов по минимуму экспериментальных данных. Разработаны новые составы и технологии приготовления бетонов на ОГВ, позволяющие расширить их применение в дорожном строительстве, использовать вторичные продукты производства (старый дробленый асфальтобетон, отходы производства), улучшить экологическую ситуацию (холодные технологии). Результаты исследований использовались при
подборе составов бетонов на ОГВ организациями дорожной отрасли Республики Беларусь и Минжилкомхоза, разработке шести нормативно-технических документов, что позволило на практике добиться снижения толщины дорожной одежды, энергозатрат, увеличить срок службы покрытия и получить экономический эффект более 600 тыс. долларов США. Положения диссертационной работы используются в Белорусской государственной политехнической академии при чтении лекций, дипломном проектировании, подготовке аспирантов.
Автор защищает: совокупность научных положений, экспериментально установленных закономерностей и теоретических обобщений, которые можно квалифицировать как вклад в новое научное направление дорожного материаловедения «Теоретические основы и практическое применение новых композиционных материалов на комбинированном асфальто-цементом вяжущем»."На защиту выносятся: экспериментально подтвержденный механизм структурообразования бетонов на ОГВ, позволивший объяснить влияние гидравлического вяжущего на свойства бетонов и использовать низкомарочные вяжущие; теоретические основы механики деформирования и разрушения бетонов, как системы упругих и вязкопластпческих связей, зпервые позволившие установить общие закономерности поведения бетонов с одинаковым количеством упругих связей и получить ряд практических результатов (при содержании упругих, связей 0.5 наблюдается максимальная усталостная долговечность, реком-бинационная способность,"упрочнение структуры); результаты экспериментальных исследований реологических, прочностных и деформационных свойств; теоретически и экспериментально установленные требования к деформационной устойчивости и методика подбора состава бетонов на ОГВ, которая в отличие от известных, позволяет в комплексе учесть спектр действующих нагрузок и природно-климатических факторов.
Личный вклад соискатели. Результаты исследований получены соискателем при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, научным руководителем которых являлся автор. Без соавторов опубликована монография, брошюра и 12 научных статей.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях, семинарах, совещаниях: Всесоюзная конференция по управлению структурообразованием, структурой и свойствами дорожных
бетонов (Харьков, 1983 г.); «Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов» (Харьков, 1989 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция «Пути совершенствования технологических процессов при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог»' (Минск, 1987 г.); Научно-техническая конференция «Строительство дорог общего пользования в нечерноземной зоне РСФСР» (Брянск, 1989 г.); Научно-техническая конференция «Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог» (Суздаль, 1989 г.); 50, 51 и 52-я международные научно-технические конференции БГПА (Минск, 1995, 1996, 1997 гг.), а также на конференциях в городах: Брянск, 1979; Таллин, 1982, Москва, 1980,1981, 1986, 1996; Владимир, 1982, 1984, 1985, 1987, 1988; Суздаль, 1983 и Ростов-на-Дону, 1985.
Опубликованиость результатов. По материалам диссертации опубликована одна монография (13 п. л.), две брошюры (3.44 п. л.), 23 статьи, 18 тезисов докладов. Получено 12 авторских' свидетельств на изобретение и издано шесть ведомственных нормативных документов..
Структура и объем работы. Диссертация включает 9 глав, выводы и 3 приложения. Общий объем — 389 страниц, в том числе 54 таблицы, 144 рисунка и 31 страница приложений, список использованных источников'из 250 наименований.