Введение к работе
Актуальность. Дальнейшее развитие Российской Федерации на современном этапе тормозится в связи с отсутствием развитой сети автомобильных дорог с надежными конструкциями дорожных одежд с использованием высококачественных долговечных материалов.
Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России на 2010-2015 г.г. (Подпрограмма «Автомобильные дороги») ставит задачи по повышению транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, что стимулируется высокими темпами роста автомобильного парка России.
Накопленный опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий свидетельствует о том, что они часто выходят из строя значительно раньше срока, определяемого износом от воздействия колес транспортных средств, в связи с увеличением интенсивности дорожного движения, усилением осевых нагрузок, изменением условий эксплуатации и дорожно-эксплуатационных воздействий. В результате этого возникают различные деформации и разрушения, что отражается на транспортно-эксплуатационном состоянии автомобильных дорог и приводит к увеличению затрат на работы по их восстановлению и ремонту.
Нормативные документы и рекомендации, регламентирующие методику проектирования составов асфальтобетонных смесей, применяемые технологические приемы пока не учитывают принципы структурообразования асфальтобетона на всех технологических этапах, не отражают особенности и многообразие существующих типов и видов асфальтобетонных смесей, эксплуатационное назначения конструктивных асфальтобетонных слоев дорожной одежды.
Технологические возможности машин и оборудования, в том числе ведущих зарубежных производителей не всегда сочетаются со свойствами уплотняемых асфальтобетонных смесей, что проявляется в неоднородности уплотненных конструктивных слоев дорожной одежды и отражается на их эксплуатационной надежности.
Современная технология позволяет использовать машины, оборудование, поверхностно-активные добавки с принципиально новыми технологическими возможностями, что позволяет направленно регулировать строительно-техническими, технологическими и эксплуатационными свойствами асфальтобетона. Этому препятствует отсутствие надежной теории, объясняющей структурообразование асфальтобетона и деструктивные процессы, происходящие при его эксплуатации в современных условиях.
Работа выполнялась в рамках тематического плана госбюджетных НИР по целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», аналитической целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2013 годы) Федерального агентства по образованию РФ, по подпрограмме «Автомобильные дороги» федеральных целевых программ «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы» и «Развитие транспортной системы России 2010-2015 годы» финансируемых за счет государственного бюджета.
Цель работы. Разработка теоретических основ повышение долговечности покрытий автомобильных дорог за счет оптимизации структуры асфальтобетонных конструктивных слоев с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования и условий эксплуатации.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- предложить механизм процессов структурообразования и разрушения асфальтобетона с использованием положений физико-химической механики и специфики контактных взаимодействий, а также явлений на границе раздела «битум - каменный материал» с учетом современной транспортно-эксплуатационной ситуации;
- разработать и научно обосновать методику количественной оценки структурно-механических показателей и методов определения строительно-технических свойств асфальтобетонных смесей для устройства долговечных слоев покрытий и оснований автомобильных дорог;
- определить и классифицировать основные структурообразующие факторы, влияющие на формирование структуры асфальтобетонов, на технологические и строительно-технические свойства, от которых зависят транспортно-эксплуатационные показатели асфальтобетонных дорожных покрытий;
- установить качественно-количественные взаимосвязи между структурообразующими факторами, строительно-техническими и структурно-механическими свойствами асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог для достижения показателей, отвечающих технологическим и эксплуатационным требованиям;
- оценить характер и динамику разрушения структуры асфальтобетонов при воздействии транспортных нагрузок, погодно-климатических и агрессивных факторов и определить их долговечность;
- предложить принципы проектирования асфальтовяжущих и асфальтобетонов с учетом использования современного оборудования, нагрузок на ось и условий эксплуатации;
- разработать составы асфальтовяжущих и асфальтобетонов и технологии строительства;
- разработать нормативные документы. Осуществить опытно-промышленную апробацию и внедрение результатов диссертационной работы.
Научная новизна.
- Разработаны теоретические основы структурообразования асфальтобетона с учетом технологических возможностей современных машин, оборудования, материалов, компонентов смесей и условий эксплуатации, заключающиеся в учете основных закономерностей синтеза высококонцентрированных полиминеральных полидисперсных систем и создания материалов с требуемыми свойствами. С привлечением теории контактных взаимодействий обоснован физико-химический механизм формирования структуры асфальтобетона на основе фундаментальных закономерностей образования и разрушения структуры композиционных органоминеральных дисперсных систем.
- Выявлены основные параметры, характеризующие структуру асфальтобетона, что дало возможность произвести количественную оценку структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей как на технологической стадии, так и асфальтобетона в процессе эксплуатации. Установлен характер взаимосвязи между удельной поверхностью минеральной части асфальтобетонной смеси, средним числом контактов между частицами в единице объема материала, средней силой сцепления в контакте между частицами, средней прочностью, площадью и размерами единичного (коагуляционного) контакта и свойствами асфальтобетонов.
- Подбор составов и режимов уплотнения, процесс структурообразования предопределяет принципы направленного комплексного регулированием структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей, что позволяет получать асфальтобетон с заранее заданными свойствами. Показана принципиальная возможность получения асфальтобетонных покрытий повышенной долговечности и надежности с требуемыми эксплуатационными показателями с использованием различных видов сырья и нового парка машин и механизмов, что позволило сформулировать алгоритм дорожно-строительной техники нового поколения.
- Обоснованы методологические принципы проектирования асфальтобетона по требуемому комплексу показателей структурно-механических свойств, учитывающие качественные характеристики и количественное соотношение исходных компонентов, технологические воздействия в процессе формирования смесей. которые впервые реализованы в расчетно-экспериментальных методиках проектирования составов асфальтобетонов и рекомендациях по их эффективному уплотнению. Разработаны алгоритмы и программы, методика проектирования материала с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств.
- Разработаны методические принципы оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтового бетона возможности нового технологического оборудования и специфику условий эксплуатации.
- Установлены количественные соотношения показателей структурно-реологических и механических свойств уплотняемых асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов с реальными производственными технологическими параметрами процесса уплотнения, составом смеси и свойствами составляющих компонентов. Установлена взаимосвязь факторов и их корреляционные зависимости с оцениваемыми свойствами. Полученные регрессионные зависимости положены в основу номограмм, необходимых для назначения эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей различных составов и получения асфальтобетонов с требуемыми свойствами.
- Выявлены основные закономерности изменения свойств асфальтобетонов при комплексном совокупном воздействии эксплуатационных факторов: транспортных нагрузок, погодно-климатических факторов, противогололедных реагентов и установлена динамика деструктивных процессов, протекающих в асфальтовом бетоне в дорожных покрытиях в процессе эксплуатации. Определены составляющие компоненты и составы асфальтобетонов наиболее устойчивых к действию эксплуатационных факторов.
Внедрение результатов исследования. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство составы и эффективные технологии уплотнения асфальтобетонных смесей в различных конструктивных слоях покрытий, методику проектирования составов асфальтобетонных смесей по требуемому комплексу структурно-механических показателей, методику проектирования технологических режимов уплотнения асфальтобетонных смесей, что нашло отражение в следующих нормативных документах:
- Смеси битумопесчаные. Технические условия. ТУ 218 РСФСР 365.;
- Руководство по применению битумопесчаных смесей для устройства оснований дорожных одежд. М, Минавтодор;
- Стандарт организации СТО 94444005-001-2011 «Рекомендации по эффективному уплотнению асфальтобетонных покрытий и оснований». Технические условия.;
- ГОСТ 9128-84. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;
- ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;
- ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные, дорожные , аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.;
- Смеси асфальтобетонные щебнемастичные и асфальтобетон. Технические условия. ТУ 5718-001-00011168-00;
- Московский территориальный строительный каталог. МТСК – 5.5. «Машины и оборудование для транспортирования строительных материалов, конструкций, изделий и для погрузочно-разгрузочных работ.;
- Стандарты организации. Автомобильные дороги. «Устройство асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог:
Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.36-2011;
Часть 2. «Устройство асфальтобетонных покрытий из горячего асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.37-2011;
Часть 3. «Устройство асфальтобетонных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона». Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.38-2011;
- Стандарты организации. Автомобильные дороги. «Ремонт асфальтобетонных покрытий»:
Часть 1. Общие положения. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.47-2012;
Часть 4. Ликвидация колеи. Издание официальное. СТО НОСТРОЙ 2.25.50-2012.
Отдельные результаты диссертационной работы прошли апробацию, и нашли применение на предприятиях дорожно-строительной индустрии Росавтодора Минстранса РФ, предприятиях Ассоциации дорожников Москвы, в ГУП Мосавтодор, при инспекционном контроле в органах систем сертификации «Мосстройсертификация» и «Росдорсертификация».
Теоретические результаты диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных и производственных исследований реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство», инженеров по специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», использованы в 3 учебных пособиях с грифом УМО.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 17 всесоюзных, всероссийских, республиканских и международных конференциях и симпозиумах в том числе:
Республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" (Харьков. 1989 г.), на заседаниях Расширенного Президиума Международной Ассоциации исследователей асфальтобетона (г. Москва, 1993, 1999 г.), на пленарных заседаниях межгосударственной Ассоциации исследователей асфальтобетона» (Москва, 2000, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции “Экология автотранспортного комплекса” (Москва, 1996 г.), на пленарном заседании Региональной общественной организации «Исследователи асфальтобетона», на ежегодных научных сессиях Ассоциации Исследователей Асфальтобетона (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г.), на расширенном заседании «Повышение качества битумов в странах СНГ», посвященном Юбилею экспертного совета при Межправительственном совета дорожников (Москва, МСД, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2007 г.), на заседании Первого Всероссийского дорожного конгресса (Москва, 2009 г.), на ВДНХ СССР (2 серебряные и 2 бронзовые медали), на IV, V, VI Московских международных выставках «Доркомэкспо».
Под руководством автора защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Практическое значение работы. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, позволили решить ряд прикладных задач по созданию долговечных покрытий автомобильных дорого за счет оптимизации структуры асфальтобетонных конструктивных слоев, а именно:
- Предложена система оценки строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов, учитывающая свойства и содержание составляющих компонентов, технологические режимы в процессе формирования смесей, позволяющая обоснованно выбирать оптимальные технологии получения асфальтобетонных смесей в зависимости от состава и качества составляющих компонентов;
- Разработаны составы и технология устройства оснований дорожных одежд из высокопористых песчаных асфальтобетонов, обеспечивающих снижение материалоемкости конструкции и повышение несущей способности и долговечности, что подтверждено многолетним применением этих материалов в дорожном строительстве. Предложены новые конструкции дорожных одежд меньшей материалоемкости, большей несущей способности и долговечности с использованием высокопористых песчаных асфальтобетонов;
- Предложены оптимальные режимы уплотнения асфальтобетонных конструктивных слоев дорожных покрытий в зависимости от конструктивных и весовых параметров, числа проходов и рабочих скоростей уплотняющей техники, толщины уплотняемого слоя, особенностей состава асфальтобетонных смесей. Предложены номограммы, позволяющие выбирать оптимальные температуры уплотнения асфальтобетонных смесей различных типов, в зависимости от содержания щебня, длины уплотняемой полосы покрытия, времени с момента укладки смеси, температуры смеси, температуры воздуха, скорости ветра и др.
- Классифицированы основные виды эксплуатационных воздействий, способствующие преждевременному разрушению асфальтобетонных покрытий. Предложены рекомендации по выбору противогололедных реагентов для асфальтобетонных покрытий в зависимости от состава, природы минерального заполнителя, содержания и типа минерального порошка в асфальтобетонных смесях, обеспечивающих повышенную долговечность покрытий.
Практические результаты работы защищены 5 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 125 работах, в том числе 20 статьях в научных журналах по списку ВАК России, отражены в 3 монографиях, 3 учебных пособиях с грифом УМО, 7 авторских свидетельствах на изобретение СССР и патентах России, 8 иностранных журналах и сборниках трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 7 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 604 стр. машинописного текста, включающих 197 рисунков и фотографий, 107 таблиц, списка литературы из 449 наименований, 7-ми приложений на 146 стр.
