Повышение прочности дорожного асфальтобетона путем оптимизации зернового состава смеси Цеханский, Олег Эрнстович

Введение к работе

Актуальность работа, Асфальтобетон - моториал, широко приио-няемьй для дорохвых покрытий. В развитых зарубежных странах протяженность дорог с асфяльтоботошзй/и покрытиями состашіяет 80-90Ж от протяженности дорог о твердим покрытием. Столь широкое распространение асфальтобетонні,» покрытия получили благодаря многочисленным достоинствам, среди которых прочность, технологичность строительства, ровность, шероховатость* гигиеничность и ремонтопригодность. В практике строительство «.фВДЬТобетонных покрытий все большее распространение получают тонкие слои износа высокой плотности и дренирующие асфальтобетонные» покрытия. Первые, наряду с ііеречкс-леняыми дооташютвами, обладают еще высокой водонепроницаемостью и износостойкостью, а вторые позволяют обеспечить водоотвод, снизить транспортный шум и шныейть безопасность движения. Стремление по-повьюить прочность и долговечность «сфальтобетонных покрытий, особенно их новых видов, требует совершенствования методов проектирования составов асфальтобетонных смесей, в частности,- улучшения подбора гранулометрии минерального материала.

ПплапиппемеННС^ рвзрУїК^ИЙО ЙСфїїЛІ/ГОбеТОННЬІХ ПОКрЫТИЙ ЯВЛЯЄТ-

ся не только следствием низкого качества : строительства и эксплуатации, по и в значительной ототии обусловлено несовершенством методов проектирования составов афольтобетона в конкретных природно-климатических и транспортных условиях, В частности, диапазон рекомендуемых ГОСТ 9128-64 составов асфальтобетонной смеси настолько широк, что подбор наиболее ращоиаяьного состава из имеющихся материалов для конкретных условий работы покрытия является очень трудоемким..Кроме того, действующие нормативные документы ш позволяют непосредственна связать,характеристики состава асфальтобетонной смеси с расчетными механическими характеристиками материала покрытия. Эти же недостаткилриоущй американскому стандарту на асфальтобетонные смеси Ю515-89 и стандартам других стран.

Цйль исследования состоит в разработке методики повышения прочности асфальтобетонного покрытия путем оптимизации зернового 'состава смеси.

Научная новизне работы. Выведены зависимости показателей прочностных и деформационных свойств асфальтобетона.от состава смеси. Получено новое реишие задачи о плотности упаковки полидисперсной смеси твердых частиц в зависимости от зернового состава

этой сшей. Рошена 'задачо об определении рациинального зернового состава шлидаспорсной смеси тнердых частиц при заданной плотности упаковки и ограничениях на содержание отдельных фракций. Разработана модель, позволяющая оптимизировать состав асфальтобетонной смеси с цель» получения асфальтобетона максимальной плотности или для достижения заданных пористости минерального.остова и остаточной пористости асфальтобетона при минимальном расходе битума. Тем самым созданы предпосылки для направленного регулирования сопротивления растяжению при изгибе и модуля упругости асфальтобетона с помоцыо изменения зернового состава минеральной части асфальтобетонной смеси и содержания вяжущего.

Достоверность результатов. Теоретические решения найдены современными методами тоории вероятностей» геометрии на сфере и сферической тригонометрии, теории композиционных материалов, В -частных случаях резу-льтаты, следующие из полученных-зависимостей ле-форыативных и прочностных характеристик асфальтобетона от состава сшей, совпадают о известными решениями Фойгтаи Рейсса. Выполненные . экспериментальные исследования -качественно'. и - количественно подтвердили закономерности, полученные теоретически.

Практическое аначение. Разработана методика проектирования оптимального' зернового состава минеральной части смеси из имеющегося набора минеральных составляющих. Даны рекомендации по совершенствования нормативных требований к зерновому составу асфальтобетонных смесей. Оценена эффективность применения асфальтобетонов оптимальных составов в конструкциях дорожных одезд.

Внедрение. Результаты исследований нашли применение при разработке следующих документов:

3. Методические рекомендации по повышении ' деформатившети и морозостойкости асфальтобетонных покрытий при низких температурах (до минус 50С).- Москва,- Союздорнии, 1990.- 36 с.

4. Инструкция но проектированиз) дорожных одежд нежесткого типа городских улиц и дорог Украины. ВЩ 95.- Госкоммунхоз Украины.-Киев, 1995,- 148 с (в печати). ' .

5. Альбом КД-88. Типовые конструкции дорожных одезд для г.Киева.- Киев.- 1983. , ' -

6. Проектная документация на площадку для обработки хидкостьи "Арктика" и мойки воздушных судов с соединительными РД и бетонным ежнеаанием под башнные или козловые фермы в аарошрту "Борисполь" // Проект. В 2-х томах. " "

ПрйіШіч^екг» предложения, вытакахдае из результатов проведен-

ных исследований, используются в проектных организациях (Укргипро-доре,Киевпроекте, дюіпжоммуіуюрпроекте, Житомиркоммундорпроекте .и др.), в также- при строительстве и усилении дорожных покрытий В Черниговском и Тернопальском Обяавтодарах и аеродромних покритий в аэропортах "Боркеголь" я "Иваново".

. Апробация, работы. Оснопкыо положения диссертационной работы долояеш на научно-технических конференциях КЛДИ (Киев, 1987-1995 гг.), XI Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в Саюгдорши {Москва, 1987 г.). Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Скоростное строительство и новые материалы для дородного строительства" (Владимир, 1Й38 г.), сввднаре школы передового опыта "Совершенствование технологии ремонта дорожных покрытий при. потканных температурах" (Луцк, 1988 г.), XII Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов а Союздорнии (Jtocraa, 1989 г.), V Республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" в ХДЦИ (Харьков, 1989 т.), научно-технических конференциях "Основные проблемы развития наземной базы гражданской авиации" (Киев* 1988г.; Лввингпяп.

« ґ*Гч — » і »:? г 7 «

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

' ООпш' работы. 'Диссертация включает введение, пять глав, заключение, библиографический список из 372 наименований и приложе-ложвния. Основной текст изложен на 138 страницах маиинописи и содержит 26 рисунков.и 32 таблицы.

2. СОДЕРЯАНйЕ РАБОТЫ ' . 2.1. Состояние вопросе

Зерновой состав является одним из важнейших факторов, опреде
ляющих сопротивляемость асфальтобетонного покрытия различным вадам
внешних воздействий. '

Влияние зернового состава минеральной чести асфальтобетонных смесей ка физико-механические свойства асфальтобетона и прочность асфальтобетонного покрытия изучалась в работах многих исследователей как в кашей стране, так и за рубежом: Н.М.Авласовой, И.И.Ба-ловневой, Я.И.Борца,. В.А.Верегько, Д.И.Рвгелия, Л.Б.Резенцвея, Н.Ц.Горельиюва, И.М.Грушко, В.А.Золотарева, Н.Н.Иванова, Э.А.Казарновский, Г.Н.Кирюхина. Б.А.Козловского, В.Н.Кононова, И.В.Ко-

.1

ролева, Б.И.Ладыгина, Г.В.Иэлэвадакого, Ю.Е.Никольского, Н.Ф.По-чапскаго, В.А.Псюрника, С.Ю.Рокаса, И.А.Рыбьева.А.О.Салля, П.В.Сахарова, В.А.Соменова, А.ЇІ.Скрьшьшка, Ю.В.Соколова, М.Б.Сокальской, Г.К.Сшьи, В.С.Титаря, Г.Р.Фомонко, И.Ы.Щербакова, И.К.Яцевича, М.Блямера, А.Годама, И.Дюрье, У.Мать», Г.Хорсфивда, Г.Хербсти, Ю.Юдицки, У.Ли, Ф.Робортса, Л.Фршкеиа, Дж.Феритротеяа и до.

Благодаря иссдедоиаїшім этих учених установлены основные притдепы проектирования зернових составов минеральной части сшей для асфальтобетонов, применяемых в дорохном покрытии. Установлено, что при достаточна-большом количестве мозезерновых контактов наиболее крупных частиц, чтобы получить наиболее устойчивый пространственный каркас, образованный зернами, минеральная часть плот-шх асфальтобетонов додана обеспечивать максимально, плотную упаковку зерен. При этом битум является, с одной стороны, вяжущим.ва-ходяшимся в виде структурированных пленок на минеральных зернах"и склеивающим их в монолит,'а о другой, - играет роль смазки в зонах контькта при уплотнениии формировании пространственного каркаса й, крома того, заполняет меазернояые поры, обеспечивая водонепроницаемость асфальтобетонного слоя из плотной смеси. Эти представления положены в основу многих известных методов проектирования состава асфальтозого батона: го асфальтовому вяхущему веществу (П.В.Сахаров), по предельным кривым плотных смесей (Н.И,Инаноа.В.В.Охотин), по растворной части {И.А.Рыбьш}, по'.-модуле' насыщения {М.Дюрье), по керосиновому эквиваленту {Ф.Хвим), по заданным.эксплуатационным, условиям работы покрытия (И.А.Рыбьев) и др.'

В настоящее время в СНГ состав асфальтобетонной смеси проектируют в соответствии с ГОСТ 9128-84 по предельным кривым плотных смесей. В основу метода положено выражение, предложенное. Н.Н.Ивановым и В.В.Охотиным, которое является"одной из многочисленных эмпирических попыток математического , описания/"плотнейших" зерновых составов голвдисперешх смесей (уравнения фуллера.Гелбота-Ричардв, Боломея, Граф}>а, Кит-Пефм, Фюрна и др.), среда которых за рубежом наибольшее распространение получила формула Фуллеро.

Диапазон возможных зерновых составов, ограниченный эмпирическими "кривыми плотных смесей", весьма широк. Это обуславливает чрезмерное разнообразие зерновых составов, определяемых этими кривыми. Экспериментальная проверка свойств асфальтобетонов из смесей многих возможных составов оказывается чрезвычайно трудоемкой и требует большого практического опыта, так как приходится варьиро-.

петь в" широких продолах содормшо однопроюшга нескольких или даже всех фракций. Причем для некоторых фракций нормативные кривые ыгатшх смесей допускают варьирование по массе и пределах до 30 -40«, и эти изменения нужно увязать с содержанием битума'и минерального порошки. В результате' нот увор«нности, что запроектированный состав сшей является оптимальном, то ость обеспечивает требуемые физико-механические свойства асфальтобетона при минимальных затратах.

Составы дорожных и аэродромных асфальтобетонов, кок плотных, так и дренирующих, кйк литых, так и мштоцебеиистых, разработаны на основе накопленного опыта сдухсы покрытий. В настоящее вромя нет- общепринятого расчетного штода, позволяющего связать состав асфальтобетона со свойствами материала покрытия. Между тем очевидно, что все прочностные и деформационные характеристики асфальтобетонного покрытия зависят от свойств компонентов асфальтобетон-ц и их содержания в смеси. Назначение составляюцкх с требуемыми езой-ствеад и направленное изменений зернового состава минеральной части смесей долано позволить регулировать водо- и морозостойкость, сопротивление растяжении при изгибе, модуль упругости, сдвигоус-тойчивость, температурную- трешиностойкость, усталостную прочность, годрлропуокяуй епсезбпзот';, ;; другие свойства асфальтобетонных слоев. Какопленшй опыт о влияние зернового состава смеси на' эти свойства позволяет успешно применять в дорожных покрытиях многсле-бонистыа штатные и дренирувяцта асфальтобетоны, а з последние годы - литые и "камекно-мастичные" смоеи для тонких -защитных слоев и сверхтонких слоев усиления. Несмотря на то, что зерновые состазы некоторых из этих смесей не регламентируются национальными стандартами, зарубежный опыт их- службы в покрытиях автомобильных дорог свидетельствует оО их большей эффективности по сравнении с традиционными- штатными смесями.

Проектирование зерновых составов минеральной части асфальто
бетонных смесей ставит своей целью достижение заданной (для плот
ных асфальтобетонов - максимальной) объемной доли минеральной час
ти.' В настоящее время не существует общепринятого метода, позволя
вшего рассчитать объемную долю, занимаемую в пространстве упаков
кой честиц заданной гранулометрии, или определить горновой состав
смеси, обеспечивающей заданную пористость асфальтобетона. Нет так
же аналитических зависимостей, связывающих состав и свойства ком
понентов асфальтобетонной смеси с прочностными свойствами асфаль
тобетонного покрытия. Это не позволяет соединить' проектирование
' 5

зернового состава минеральной части асфальтоСетонной сшей с проектированием дорожной одвзды.

Исходя из цели работы, были поставлены следующие задели: 1. Разработать теоретические зависимости, связывающие сопротивление растяжении и модуль упругости асфальтобетона с его составом и свойствами компонентой. 2. Разработать теоретические» зависимости, позволяющие определить пористость минерального остова и остаточную пористость асфальтосетона па заданному зерновому соетя-тазу минеральной части сшей и содержанию'вяжущего. 3. Разработать методику оптимизации состава асфальтобетонной .смеси о целью получения асфальтобетона максимальной плотности или достижения заданной пористости минерального остова и остаточной пористости асфальтобетона, при минимальном расхода битума или. минимальной''стоимости сшей. 4. Экспериментально проверить достоверность полученных зависимостей. . 5. Реализовать результаты, исследований» разработав предложения по методике проектирования зернового состава смеси из имеющегося набора минеральных составлязоідих, а также - по совершенствованию нормативных требований к зерновым составам асфальтове- -тонных смесей, и приманить некоторые из втих Предложений при проектировании и строительстве дорошых и аэродромных покрытий.

2.2. Теоретическое исследование зависимости деформатизных и прочностных характеристик асфальтобетона or зернового состава смеси

Асфальтобетон рассматривался как многокомпонентный композиционный материал, свойства которого, определяются структурой минерального остова, свойствами минеральных составляющих и органического вяжущего, особенностями их взаимодействия, содержанием я взаимным расположением компонентов. Считалось, что асфальтобетон как композиционный материал состоит из матрицы и"включений. Матрица представляет собой вяжущее и обладает ярко выраженными вязко-упругими свойствами, зависящими от температуры и длительности действия нагрузки. Включения, являются составными частицами. Каждая составная частица содержит шарообразное минеральное зерно Сориентированным вяжущим вокруг него и свободное. вянущее, свойства которого таковы же, что и у материала матрицы. Размеры включений определяются размерами расположенных в них верен. Зерна обладают линейно-упругими свойствами. В зависимости от .объемной доли С_к зерен в вдмпозмте орк&кткрозе^-ис вкжуаае рассматривалось как пленка

:&'' "

в виде шарового слоя, окружающего зерно (при С_к< С₍, где С_к - критическая объемная дил.ч шшьрэлызых зерен, при превышении которой . образуется хотя бы одна цепочка контактирующее зорои), либо как пленка с менисками - в зонах контакта с соседними зернами (при К.*- ^ск^{< С}к"' ^{г>(в с}" ~ мг'^ш'альиая объемная доля зерен в композите). Значения С* и С** устанавливали на основе теории перколяции. Рассматриваемый композит имеет воздушные поры, расположенные в матрице и составляющие остаточнув пористость асфальтобетона.

.'Деформационные и прочностные свойства компонентов и их объемные доли в асфальтобетоне полагали 'известными.

использовались известные методамеханики композитов, позволяющие, определить "вилку" эффективных характеристик для . двух предельных случаев:однородного напряш&шго состояния и однородного деформированного состояния . композита. Применяя эти методы, учитывали особенности асфальтобетона - наличие'. ориентированного и свободного, вяжущего и'-воздушных пор. .линейно-упругие свойства минерального материала и вязко-упругие свойства-органического вяжущего. При определении прочности" асфальтобетона на растяжение рассматривался различный- возможный характер его разрушения в зависимости от. соотношения прочностейминеральной и органической состав-

Выражения для определения эффективных вязко-упругих деформа-тивных-и-прочностных свойств асфальтобетона получены в виде интервала (для Е- тина "вилки" Фойгта-Рейсса):

i^lT.t) E*(T,t) ^^,¹ >'

fi*(T,t)-s l«\t) sF${?,t),''. где E*T,t), R* (T.ty - эффективные функция релаксации и прочность на растяжение асфальтосЗетона;'Ек(Т»И}і Rjj(T>th - нижние граниш эффективных функции релаксации и прочности на растяжение, определенные из условия однородного напряженного состояния композита; е (T.tJ, l(T,t) - верхние границы аффективных функции релаксации и прочности на растяхегаїе, определенные из условия однородного деформированного состояния ; композита; T,t - температура и длительность действия нагрузки,, при которых Определятся характеристики асфальтобетона. При этом для. нижней и верхней границ были получены зависимости от обьэмнык додай соответствующих компонентов: минеральных зеренС_к, ориентированного C_0Q и свободного вяжущего С_св и порСдУ а таюга их дадулай упругости Ejj, 1. %,_а. и прочностей на

рВОТЯХеНШ 1. I^jg, %_в>

При определедаи "юижй⁴ аффективных характеристик осфальтобе-

?

тона,минеральная часть которого состоит из час.иц различных горных цород, предусмотрен учот свойств материала частиц каждой горной порода.

Поскольку в зависимости от температуры и длительности действия нагрузки деформационные и прочностнш свойства минеральной и органической составляющих могут отличаться на несколько порядков, а объемная доля минерального материала в асфальтобетоне мохот приближаться к 0,8-0,85, то для направленного регулирования свойств асфальтобетона особой сшачошю приобретает проектирование оптимального состава смеси.

2.3. Теоретическое исследование методики проектирования оптимальных вораоаых составов асфальтобетонной, смеси

В данной работе была решена задача о плотности упаковки шарообразных частиц различных диаметров, учтены иесферичность реальных .частиц, а также разброс их размеров 8 пределах фракций, принято во внимание образование ориентированной пленки битума на поверхности минеральных зерен. Таким путем была разработана математическая модель определения пористости минерального остова и остаточной пористости асфальтобетона в зависимости от зернового состава и содержания вяжущего. '.

Вначале решалась задача расчета объемной доли р (плотности
упаковки), занимаемой в пространстве смесью случайно расположенных
частиц заданного зернового состава. С этой целью был реализован и
развит подход, предложенный М.Вайсом, а затем М.Гогеццейком и не
давно - Дх.Додсои при построении тетраэдральной модели упаковки
иаров. '.

Рассматривалась штатная случайная упаковка сферических частиц п различных разшров. Частицы одинакового размера считали одним из компонентов упаковки. Если мысленно соединить центры соприкасающихся сфер отрезками, упаковка окажется разбитой на четырехгранники ({правильные-тетраэдра'),восьмигранники (неправильные октаэдры) и неправильные многогранники с иным количеством граней (трехгранные призмы, антипризмы Архимеда, тетрагональные додекаэдры и др.). При соединении центров любых четырех соприкрсающихся частиц с радиусами 1\, R, R^, R, (l.d.K.l = 1,2,...п) прямолинейными отрезками образуется разносторонний (неправильный) тетраэдр ijkl, шести соприкасающиеся частиц с радиусами . R_m. R_e, R₍. R-< R , R_d . (ra.s.t.g.q.d - 1.2....П) - разносторонний октаэдр nstgqd (рис.1),

Рис. 1.-: Наиболее часто встречающиеся сочотолия частиц: а схема образования тетраэдра и "трауголь^шл" пора в трехмерном И даушрвом изоОршсеиипх; б "четырехугольная" пора а трох- и двумерном изображениях; l,j,K,l и а,э^Ь,в,Ч,й - центры соприкающіхся-чаотиц.

є другого количества частиц - многогранник иного вида. При этом известно, что тотраэдров и октаэдров гораздо больше, чем многогранников всех других видов.

Образование многогранника каждого типа рассматривается как событие, кмвюцео иеоколько возможных исходов в виде появления с некоторая вероятностью п вершинах многогранника'сферических частиц того иди иеоі'о pa оме pa. 3 соответствии о известным в теории веро-' ятностей обобцонием теоремы о'повторении опытов, в результате которых возможно нисколько различных исходов, относительные частости, с которыми в упаковке встречаются .тетраэдры P_{t t} к октаэдры P_{msl d}, можно представить в виде;

4-! ГУ. П Г* Г.

^?ijvj⁼-n. IiiMil Ln.l ^Pi^{l p}i ^pk ^pi '

^J (2)

P = ptnps pi _?g т)Чр<і

^mjtsqd U in In, 111 IH LI, Г *m a .1 ^lg *q *

Здесь P = (faA.VECJ./k)» «<,3ik,l для тетраэдра, a-ffl,3,t,g,q,d

a-i

для октаэдра, P_a - относительны частости появления телесных углов Л_ц в сферах-радиусом R_a; п.,--:,^ или n_m,...,n_d - число сфер соответственно с радиусом R,...,1^ или R_m,...,R_d в тетраэдре' ljkl или октаэдре B3tgqd; t_a - относительное количество сфер, ишвдих радиус R_a, в упаковке; л_а - средний телесный угол*-образуемый гранями многогранников в сферах о радиусом R^ и определяемый как отношение суммы всех телесных углов, вырезаемых в сферах радиусом R_a, к их общему количеству в этих сферах; п - число компонентов упаковки.

Связь между объемными долями тетраэдров всох видов в упаковке T_v, октаэдров всех.видов O_v и других многогранников всех видов Х^ получена из следующих соображений. С одной "стороны,общее количество телесных углов, вырезаемых всеш многогранниками во всех сферах

упаковки, равно произведению общего числа сфер,в упаковке на сумму п Е(Х /А_а). С другой стороны, грани каждого тетраэдра вырезают в

в сферах 4 телесных угла, грани каждого октаэдра - б, а грани каждого из многогранников остальных видов - в среднем х телесвк" углов. С учетом этого из условия заполнения всого пространства различили многогранниками, прилегащими. друг к другу без "просвета" швду гранями, можно прийти к выражении:

v=

^РІЛ^/Л« 2T₇ МС,

&-E-J&, 3_ZP_iJUV_ljH 6ЕРЛ

J* mstgqd mctgqd* "'

^{гда v}iiM'⁷mst- Vk ~ ^{осіьемьі} тетраэдров ІДО, октаэдров niatgqd и многограников x соответственно; с се - означают суммирование со-

' т О «

ответственно по тетраэдрам всех типов, октаэдрам всех типов и дру-им.многогранникам всех типов: b - среднее количество вершин у многогранников других типов.

Для случайной упаковки одинаковых сферических частиц ровонст-' во (3) становится тождеством.

Искомая плотность упаковки р определяется как суммарная объемная доля зарои и «охот быть выражена формулой:

" ^{= ї}уЕ V *W ⁺ v I ^lc_msl9,d *»,„., +^2. <⁴>

где p_lltt, p.,.., _d, p, - объемные доли материала частиц внутри соответствующего многогранника; k._H, k^ _d, к_х - сбьемные доли: тетраэдра ІДО ы общем обьода тетраэдров, октаэдра m3t,gqd в общем объеме октаэдров и многогранника. х в обідем объеме многогранников всех других типов, определяемые выражениями:

k * (P V )/ (P 7 )

Кроме плотности упаковки, на основа теоремы Эйлера, связывааний между собой число вершин v, ребер * и граней < многогранника {^+0-1..=2), было найдеш среднее число контактов частиц любого данного размера R с соседними:

г» 3

е_4«— fig ^liv^{l Ul}"ir. "Т"" "^"''ХІ-ОС-Н'І^. (5)

** 1^ P * ^ T 'ijkl О m.l₉qd ' « ^V« >

^Jkl * V^JH» ^KlMH_g,d ⁼ ^«el^d' . ^K« ⁼ W

где a"_jkl, a^ _d, a" - количество сфер с радиусом R_a, чьи ц?ві-ры являются вершинами тетраэдра ІДО, октаэдра matgqd или многогранника х соответственно.

Общее среднее координационннов число упаковки а можно пред'
ставить в виде:

^а Ez_ef_a. (6)

Бели с учетом (5) пренебречь последним слагаемым в выражении 14), считая \ = О, а T_v + O_w - 1, то получим модель упаковки.

состоятся только из тетраэдров и.октаэдров. Такая модель будет давать завышенные значения плотности и координационного числа,- поскольку объемная доля материала частиц внутри тетраэдров и октаэдров выше, чем внутри.многогранников других видов. Чтобы учесть нелично других типов многогранников' в упаковке, шяно принять

^Tv ⁺ v ^{F S}v> № О < S_y < 1.

Величина S_v имеет смысл суммарной объемной дели всех тетраэдров и октаэдров "в упаковке.. D честности, значение S_v можно оценить в первом приближении- из известных данных Дж.Бе риала о плотности и координационном число случайной упаковки равных-сферических-частиц: S_v = 0.86, T_v =.0.29, O_v = Q.57. .

Значение S_v = 0.85 было принято при'проведении расчетов для упаковок частиц различных размеров;а значения T_v и О_у определялись из (3) с'помощью итерационной процедуры. '.

Выражения (2)-(6) представляют.собой основные уравнения, описывающие предлагаемую тетриэдрально-октаэдральнуа. математическую модель плотной случайной упаковки частиц. Число этих уравнений зависит ОТ' количества компонентов в упаковке. При определении плотности упаковки р и сроденго каорданационного числа z для двухком-покентного зернистого материала решается система из 16 уравнений, для пяти компонентов число уравнений достигает 237,а для десяти компонентов (минеральная часть мелкозернистого асфальтобетона содержит 10 фракций) - 5732 уравнения.

Математическая модель ^пользовалась для решения двух основных задач: определения плотности упаковки зернистого материала при заданном распределении частиц по размерам -(прямая задачо); определения требуемого зернового состава для получения упаковки заданной плотности (обратная задача). .Конкретизация решения обратной задачи достигается введением ограничения на максимальные и минимальные размеры частиц, содержание отдельных компонентов," предельную стоимость смеси и т.д.

В математической модели применительно к асфальтовому Сетону учтена шефоричшеть аервн, & твкяе наличие вяжущего. Отклонение форм» зерен от сферической учтено введением эффективного размера частиц, равновеликих по объему зернам фактической формы, а также -коэффициентов форм зерен и коаффициентов ширины фракции. Это позволяет представить фракции реального зернистого, материала непрерывного зернового состава в виде дискретного набора одаородзих совокупностей -равных сферических частиц (эквивалентных фракций). .

Bpjsyiu&e в асфальтобетоне роооматриаалооь d двух с ост акциях: оріадігітрезашое. полос-рэдетвокко взаимодействующее с микорвльЕЬМИ

". - 12" ' '

частицами и находящееся в. виде- шюнки на поверхности частиц и в ваде мениска в зоно их контакта; свободное вяжущее, непосредственно нэ взаїаюдайствувдее с шнеральнькя зернами и заполнявшее пустоты шзду'иими. Содержание ориентированного' вряуцего, находящегося в вида пленки ка минеральных зернах, определялось из толщин тонки, рассчитанных на основании известных из литературы данных о бпту-моемкости минеральных зерен различных фракции и гг-шых город. Содержание ориентированного вяжущего, паходяїдогося в видо мениска в зоно, контакта зорен, определялось путем расчета объемов менисков для частиц различных фракции. При отом форма менисков, описывалась уравнением Кельвина и учитывалось неполное смачивание поверхности зерен. Содержание свос5одного вяжущего определялось кок разность-общего, содержания вяжущего и суммарного содержания ориентированного пяжуцого, где обцее содержаний вяжущего в смеси может определяться из известных данных о битумоемкости минеральных зерен или задаваться.

Компьютерная реализация описанной математической модели позволяет анализировать и в краткие сроки осуществлять оптимизацию зерновых составов различных зернистих материалов и асфальтобетонных смесей.

2.4. Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования выполпяли На бинарных, (двух-компенентных) и тернарных <трехкомгонентних) смесях шаров, поли-диегорсных смесях минеральных зерен и асфальтобетонных образцах. При отом для смесей гаароз и минеральных зорен изучали изменения плотности и пористости а зависимости от состава смесей, о на асфальтобетонных образцах - влияние зернового , состава минеральной чести на *физика-1.»ханичёскиэ' свойства асфальтобетона.

. При исследовании упаковок бинарных и -тернарных смесей шаров использовали метода математического плакирования эксперимента. Эксперименты проводили по методико Т.Скотта. Смесь шариков засыпали в сосуд цилиндрической формы, высота которого более, чом в три раза, прбвьгшала-его диаметр. Покачиванием и легким постукиванием по стенкам сосуда достигалась плотная случайная упаковка шаров, после чего определяласі объемная доля шаров в этой упаковке.

Для опредеяния коэффициентов формы несферических зерен были выполнены эксперименты с смесями фракций минеральных . частиц. Эксперименты Выполняли на фракциях известнякового и гранитного щэб-

13.-

юз, отсева и природного кварцевого лоска. Частицы катэдой фракции помещали в цилиндрический сосуд и измеряли объем, занятый упаковкой минеральных зерен. Объем упаковки определялся как среднее результатов нескольких испытаний. Кооффицковг форми зерен вычислялся как отношение плотности упаковки к - произведению рассчитанного коэффициента ширины соответствующей фракции на плотность упаковки равных сферических частиц.

Экспериментальные исследования свойств асфальтобетона проводили па образцах из смесей 16 составов, которые относились к мелкозернистым типов А, Б и В, песчаным типа Г и дренирующей (по требованиям ГОСТ для высокогаристых смесей). Все смеси готовили го стандартной методике в лабораторных условиях, а .образцы форюзали на секторном прессе. Испытанию подвергали образцы в виде балок размером 16x4x4 см. Кроме того, из смеси дренирующего асфальтобе- тона изготавливали цилиндрические образцы с диаметром основания и высотой, равными 7 см, для, определения фильтрационной способности.

По стандартным физика-механическим' свойствам асфальтобетона, определяемым согласно ГОСТ 9128-84 и ГОСТ 12801-84,устанавливалось оптимальное содержание битума. Для асфальтобетонов из смесей с оптимальным содержанием битума определяли модуль упругости и сопротивление растяжению при изгибе при различных температурах, а также изменение сопротивления растяжению при изгибе после 10 циклов замораживания-оттаивания.

Кроме того, для образцов дренирующего асфальтобетона определяли дренирующую (фильтрационную) способность и сопротивляемость асфальтобетона колееобразоваяию. Для определения скорости дренирования на поверхность цилиндрического образца накладывали кольцо из пластилина, в которое вдавливали металлический стакан о наружным диаметром 71,4 мы и высотой 15 см. В стакан выливали 500 сі? вот и отсчитывали время, за которое вода полностью профильтруется через образец. Скорость фильтрации определялась как объем воды, проходящий через рассматриваемое сечение в единицу времени.

Для оценки стойкости дренирующего асфальтобетона к колееобра-зованию на приборе "TIRA-TEST" испытывали ідшшдрическиа образцы и определяли модуль деформации асфальтобетона.

Результаты экспериментальных исследований (рис, 2, 3) подтвердили полученные теоретические решения.

0.62" ; 1 1 1 і~. І

а аг а4 йв as '

МассаЗая дет мсиьыик частиц (<3uatiempotiD.) а.

І І _| і

о аг 0.4 ас о.г

Пассовая допя зап-о/шцющсй. .срракции. б Рис. 2. СравнэЕко теоретические к оксдаримэЕтгльыкх двшгых: а ' для бинерных смэсей штгиимчо'еккх к стзі'лянеьіх пержов; 1,...в-теоретичеекко клише; ;уш соотеоеоНия диаметров шариков 2i/Di= 2.0 Da ЛЬ- 3.0 призвдэны эхсперхиэЕтадънио данные автора, для остальных соотнокешй -.оксп.орям-зЕт глинко данные Р.."г:окр7.; (3 для сшеей фракций і.-іЕврал>ньйс ооовя; 1,2,3 - те-,глт>:ч'.-с:'-игі кривее; точками обозначены зкспєрх'.йятальЕьга дезошэ 'fezzsze у. Охотилй.

о о са

3-Гг.

.ё:

го.о но

І5Д (4.0

II

Я.

a Rn.ma «5а ,

*

^~\

_г^"

' І S a а

1*1'

_Ші

IS 3.0 ..« - 6.0 ' « to

Содержание Stunt/we,% лонассе минеральной '-Пасти

t$

Рио. ЗлЗавклйшзйть физшо^і^ханйческиХ свойств асфальтобетона от содержания-битума: 1 - Ьптиьадьный зерновой состав для.гранулометрии типа Ai 2-то ко, типа Б; 3- то хві типа Г; сплошная линия означаат, что используется известняковый нинзральшй порошок {МП), пунктирная линия - что половину Оассы-Щ составляет .природ-* выи песок, дробленый до кругаоотиЖ; треутлманиками показаны теоретические значения, рассчитанные дляі составив с известняковым -МП;

Т-диапазон воздамся значений, рассчитанный по разработанным зави-
X симостям для составов о- известняковым -Щ..'... ' .

2.5. Практическое применение результатов исследования

Результаты исследования предлаї'аетоя использовать для проектирования составов асфальтобетонных смесей.

Разработанная математическая модель плотной случайной упаков
ки частиц реализована в виде двух компьютерных програш: PACKING
для оптимизации гранулометрического состава зернистого материала и
ASPHALT, которая позволяет с учетом пленок вяжущего на минеральных
зернах и менисков вяжущего з контактах зерен рассчитать пористость
минерального остова и остаточную пористость асфальтобетона. Кехдая
из программ дает возможность решать как прямув (определение порис
тости минерального остова и остаточной гористости), так и обратную
'(определение оптимального зернового состава и содержания битума)
задачи. Эти программа были использованы для анализа рациональны?
зерновых составов. "

Например, расчеты показали, что если да ограничиваться пределами зерновых составов по ГОСТ.9128-84, то "плотневший асфальгобе-тоа с минеральной частью прерывистой гранулометрии получается из

СлтаСИ Сил ЧоСТИЦ ^раКЦгі>ї tu-чи wyvi, іХїл ЧаОтУЦД ФУНКЦИИ 2.0—0 MM И

8% частиц фракции менее 0.071 мм. Пористость минерального остова такого асфальтобетона составляет 13.12, а для получения остаточной гористости ,2% необходимо 4.422 битума марки БНД 90/130.

По выполненным расчетам шютнейший асфальтобетон с ыкнораль-ной частью непрерывной гранулометрии мохет быть получен из-смеси, зерновой состав которой примерно соответствует формуле Фуллера с показателем степени,0.55. Такая "гиютнейшая" смесь содержит 6955 по массе щебеночных частиц (5-40 мм),28Ж песчаных частиц (0,071-5 им) и 32 частиц фракции менее 0.071 мм, что соответс; зует коэффициенту сбега 0.69 в формуле Н.Н.Иванова. Пористость минерального остова такого асфальтобетона составляет 13.ЗЯ, а для получения остаточной гористости 255 необходимо 4.53 битума марки БНД 90/130 (сверх 1002 минеральной части). .

Эти расчеты проводили для гранитного щебня, кварцевого песка и известнякового мінерального горошка. При.оптимизации стремились к минимальному расходу битума, учитывая необходимость образования пленки на всех зернах и получения заданной остаточной пористости асфальтобетона.

Рассчитанные нами зерновые составы минеральной части смесей, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 9128-84,с гранулометрией типов к, Б, В, Г и Л, которые обеспачизазт миЕишльяуа пористость минераль-ного остова, приведены в табл. 1. "Плогнбйлие" смеси содергат иак-

Содержал % от

45 1 35 I 24 1 17 1 12 1 9 62 ( БО ( 33 I 28 1 20 | 14

1 5.4

1 є.і

Прерывистые гернозые составы

Крупноаебнисть» емэск типов:

Зерновые состааы минеральной частя смесей для многошебениетья плотных

и дренирунаш: асфальтобгтоноз

Массовая доля,' X, частиц минерального материала мельче, к»

1.25.

Содержанке битуме., '

Ж. от массы минеральной части

10 і 2-9 | их эерея-10 1 4-= I

:-6

. Мкогощэбенистая смесь для плотных есфздысбетоког

9S-1O0 | 55-78 \ 4Я-50. | 27-35. | 17-27 f 10-17 | 6-12 | 4-11 | 3-

3 том числе! аксгощеЗеяистая смесь, устойчивая к сегрегации кикералы

95-100 Г 75-70 1.55-60 I 32-35 ] 23-27 1'15-17 | 10-12 | 6-11 15

многощебеняс-тая смесь, ке устойчивая к сегрегации минер:

96-100 | Є5-75 1 :42-55 . 1 27-32 1 17-23 1 10-15 | 5-Ю | 4-6 1 3

Дреннругоцаа смесь

'. » j 95-100 [15-100 } 10-25 [ 6-SS j 5-25 [ 4-15 | 3-Ю ,} 2

4. 5 - с. с

5.2-6.5 - .=. о

і. О

7.0

3.

оимальное количество щебня (песчаные ;'смеси - максимальное количество частиц крупных фракций) и достаточное количество фракций мелкого песка и митрального порошка для создания плотдайшой упаковки минеральных частий, без раздвижки' крупных зерен.

РеКОШНДУОМПЭ ЗОрНОВЫО СОСТаВЫ МИНерОЛЬНОЙ чести многощебе-

нистых плотных и дренирующих асфаяьтоботонншх смесей приведеш в табл. 2. Расчеты показали, что приведенные составі- многощебенистых ' плотных асфальтобетов обэспечивоют пористость минерального остова 13-17Ж по объему, остаточную пориотость - 2-455 по объему, а составы дренирущкх асфальтобетонов обеспечиваю? пористость минерального остова 24-36% по объему, остаточную пористость - 18-26% по объему.

Приведенные зерновые составы были рассчитаны для осредненных условий г.Киева. При этом составы оптимизировались по расходу вяжущего и го- стоимости. Такие расчеты целесообразно выполнять дій. каждого конкретного случая (набора исходных каменных материалов, набора .Фракций, задаваемых ограничений и т.д.).

. Подтвердилась возможность я целесообразность замены части известнякового минерального горошка неизвостняковым материалом,дробленым до крупности минерального порошка.!Это ппапплял-г. испольэозать в верхнем слоа асфальтобетон ВЫРОКОЙ плотности и, вместо о тем, с пониженным расходом вяжущего. Такое покрытие целесообразно применять а сочетании с одним или двумя осфальтоботонными слоями. Это .может позволить снизить стоимость'конструкции дорожной од^вды при том «в сроке службы или увеличить срок службы конструкции дорожной одежды, не изменяя еэ стоимости.

Результаты исследования были применены для ряда объектов при оптимизации зерновых составов минеральной части асфальтобетонов, используемых а покрытиях Дороги аэродромов.

Так, был рассчитан зерновой состав дренирующего асфальтобетонного аэродромного покрытия для проекта "Разработка проектной документации на площадку для обработки жидкостью "Арктика" и мойки воздушных судов с соединительными РД и бетонным основанием под Ja-шенше или козловые фермы", разработанного длп аэропорта Борисполь. Особенность этого объекта состояла в том, что нужно было одновременно обеспечить высокув остаточвуп пористость материале, открытув структуру пор и, вместе с тем, необходимые прочностные свойства (морозостойкость, температурную трещиностойкость, сдвигоустойчи-вость и др.).

Результаты работы нашли также приимененш при оптимизации (по расходу вшущего, а в некоторых случаях - по стоимости смеси) эор-

новых составов минеральной части. асфальтобетонных сшсой, производимых заводом объединения Киевгоргидродормост для уліщ и дорог г.Киева и Киевской области, а также асфальтобетонных смесей для дорог в Ленинградской области и г.Санкт-Штербурго.

Расчеты и испытания образцов сыэсей, проводившиеся для ряда конкретных объектов, свидетельствуют, что за счет оптимизации состава смеси на основе разработанных рощений, и алгоритмов может быть достигнута экономия приблизительно до 5-12% битума либо до 6-10% стоимости смеси по сравнении с составом, полученным по традацион-дай тторжв. Время счета по програшів АБРИАЪТ при определении расхода битума и остаточной пористости для исходного зернового состава из 10 фракций на ГОВМ IBM PC 486 но превышает 5 минут. Это позволяет использовать разработанную программу для получения оптимальных составов сшей из имеющегося набора составляющих.

Похожие диссертации на Повышение прочности дорожного асфальтобетона путем оптимизации зернового состава смеси

Повышение прочности и водостойкости асфальтобетона путем модифицирования поверхности минеральных заполнителей органоаминосиланамиКарапетян Арсен Саркисович

Оптимизация составов композиционных смесей на основе местных песков и техногенного сырьяКорнеев, Константин Александрович

Оптимизация зерновых составов цементно-минеральных смесей для производства строительных композитов методами компьютерного моделирования Образцов Илья Вячеславович

Повышение прочности холодного асфальтобетона для дорог САРСайед Хессо Зияд

Регулирование свойств керамических заполнителей для бетона изменением состава сырьевой смеси Чумаченко Наталья Генриховна

Разработка составов сухих смесей и технологии получения на их основе неавтоклавных пенобетоновЕмельянов Алексей Иванович

Комплексный подход к проектированию составов сухих строительных смесей общестроительного назначенияДергунов Сергей Александрович

Отделочные составы на основе сухих смесей с использованием местных материаловВеликанова Ирина Сергеевна

Составы, свойства и технология укладки закладочных смесей из отходов промышленности для закладки подземных выработок (на примере рудника "Каульды" ассоциации "Узалмазз..)Ризаев, Ходжиакбар Абдуллаевич

Влияние компонентного состава на реологические и другие технологические свойства пеноцементных смесейТвердохлебов Денис Владимирович