МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет информационных технологий и робототехники

Кафедра «Системы автоматизированного проектирования»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы информационных технологий»

на тему: «Применение прикладного программного обеспечения при проектировании и оптимизации состава асфальтобетонной смеси»

тема диссертации: «Вибролитой асфальтобетон с применением добавки гранулированного резинобитумного вяжущего «РБВ-Г» для устройства покрытия мостового полотна»

Исполнитель: Кошелев Дмитрий Владимирович магистрант кафедры «Строительство и эксплуатация дорог»

специальность 1-70 80 01 Строительство

Руководитель: к.т.н, доцент

Напрасников Владимир Владимирович

Минск 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	3
1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ	4
2. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАМНЫЕ КОМПЛЕКСЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ПОДБОРЕ И ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ	12
3. ПРИМЕР ПОДБОРА И ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДОБАВКИ ГРАНУЛИРОВАННОГО РЕЗИНОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО «РБВ-Г» С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ «EXCEL» И ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ «MATLAB»	17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	27

Введение

Асфальтобетон - конструктивный материал широко используется в дорожном строительстве для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог. При этом остро стоит вопрос повышения долговечности асфальтобетонных покрытий, так как ежегодно возрастает интенсивность движения большегрузного автотранспорта на дорогах общественного пользования.

Подбор состава, обеспечивающего материалу требуемую работоспособность и долговечность, - одна из наиболее ответственных задач технологии производства асфальтобетона.

Проектирование состава асфальтобетона традиционно производится по следующей схеме: подбор и испытание исходных материалов, подбор требуемого соотношения минеральных материалов (крупный, мелкий заполнители, наполнитель), определение оптимального количества вяжущего [1].

Существующие пути увеличения срока службы асфальтобетона хорошо известны и основаны на повышении качества исходных компонентов. Это может быть применение высококачественных битумов с оптимальным групповым составом, модификация битумов и асфальтобетона различными модифицирующими добавками, использование высокопрочных крупных заполнителей с низким содержанием лещадных зерен и т. д.

В настоящее время не существует нормированной методики, которая бы позволяла оптимизировать состав асфальтобетонной смеси, содержащий модифицирующие добавки. Сложность оптимизации состава асфальтобетонной смеси заключается в том, что необходимо учитывать влияние множества переменных (содержание щебня, отсева дробления, минерального порошка, битума, модифицирующей добавки, физико-механические свойства данных материалов, а также технологических режимы приготовления и уплотнения асфальтобетонной смеси) на физико-механические свойства асфальтобетона (средняя плотность, водонасыщение, прочностные свойства) в комплексе. Для повышения качества проектирования и снижения затрат времени, а также более оперативной корректировки производственных составов при изменении свойств исходных материалов, необходимо произвести разработку программного комплекса для выполнения работ по проектированию составов асфальтобетонных смесей.

В данной работе рассматривается один из множества вариантов решения данной проблемы с помощью прикладного программного обеспечения.

В первом разделе реферата приведено описание перечня задач, которые решаются при проектировании состава асфальтобетона. Второй раздел содержит аналитический обзор прикладных программных комплексов, необходимых для решения некоторых задач оптимизации состава асфальтобетонной смеси. В третьем разделе приведен пример использования программы «Excel» и программного комплекса «Matlab» при подборе состава асфальтобетонной смеси.

1. Задачи, решаемые при проектировании и оптимизации состава асфальтобетонной смеси

Отечественными и зарубежными исследователями разработано множество методов проектирования состава асфальтобетона. Каждый из них имеет свои особенности, достоинства и недостатки. Все методы можно разделить на экспериментальные и расчетно-экспериментальные.

Экспериментальные методы громоздки, так как предусматривают серию испытаний образцов из последовательно назначаемых составов, в результате таких «попыток» определяют наиболее качественный состав.

Расчетно-экспериментальными могут быть названы методы, в основу которых положены закономерности, выраженные в виде количественных зависимостей между составляющими и позволяющие производить теоретические расчеты. Расчетно-экспериментальный метод проектирования асфальтобетона используется и в Республике Беларусь.

Проектирование состава асфальтобетона заключается в определении рационального соотношения между составляющими его материалами, обеспечивающего определенные заданные технологические и эксплуатационные свойства.

Согласно [2] наиболее известны следующие методы проектирования состава асфальтобетона: по асфальтовяжущему веществу, предложенный в 1909 г. проф. П.В. Сахаровым; по растворной части, разработанный в Московском Ушосдоре; по методу М. Дюрье; по методу Маршалла; по заданным эксплуатационным условиям работы покрытия, предложенный проф. И.А. Рыбьевым; по методу поэтапного проектирования, разработанный в Белорусском политехническом институте под руководством проф. Б.И. Ладыгина; по предельным кривым плотных смесей.

На сегодняшний день в Республике Беларусь наиболее широкое применение получил усовершенствованный метод поэтапного проектирования состава асфальтобетона. Полное описание данного метода приведено в [3].

В данном методе подбор состава асфальтобетона разделен на два этапа:

- расчет и подбор зернового состава асфальтобетона по предельным кривым минеральной части асфальтобетонных смесей;

- определение оптимального содержания битума, технологических и модифицирующих добавок.

Расчет и подбор минеральной части асфальтобетонной смеси.

Для подбора состава минеральной части асфальтобетонной смеси с требуемой плотностью и заданной остаточной пористостью необходимо пользоваться предельными кривыми зернового состава, приведенными в ТНПА [4]. Методика подбора зернового состава смеси следующая:

1) Определяется зерновой состав всех исходных минеральных компонентов асфальтобетонной смеси.

Определение зернового состава каждого исходного материала (щебня, отсева, песка и минерального порошка) по результатам просеивания в виде частных, полных остатков и полных просевов (выраженных в процентах) осуществляется по формулам:

- частные остатки:

- полные остатки:

- полные просевы:

где m_i – масса остатка на данном сите, г;

a_i – частный остаток на сите с большим диаметром отверстий.

2) Определяется массовая доля щебня по формуле:

где У₅ – требуемое среднее содержание частиц мельче 5 мм, % (принимается по ТНПА);

Щ₅ – содержание частиц мельче 5 мм в исходном щебне, % (по массе).

3) Определяется массовая доля минерального порошка по формуле:

где К_0,071 – требуемое среднее содержание в минеральной части асфальтобетона частиц мельче 0,071 мм, % (принимается по ТНПА);

М_0,071 – содержание частиц мельче 0,071 мм в исходном минеральном порошке, % (по массе).

4) Определяется массовая доля песка (отсева дробления, либо смеси песка и отсева дробления) по формуле:

5) Рассчитывается фракционный состав минеральной части смеси по процентному содержанию всех компонентов и их зерновым составам по формуле:

где Y_i – содержание i-й фракции в смеси, % от всей минеральной части;

j – номер компонента;

n – количество компонентов в смеси;

a_j – содержание j-го компонента, % от всей минеральной части;

x_ij – содержание i-й фракции в j-м компоненте, % полного просева.

Далее по частным остаткам рассчитываются полные остатки и полные проходы минеральной части асфальтобетонной смеси.

6) Строится гранулометрическая кривая зернового состава асфальтобетонной смеси по полным проходам и требованиям ТНПА на материал, которая наглядно демонстрирует зерновой состав.

7) Проверяется выполнение требований по содержанию частиц крупнее 5 мм за счет щебня и содержание частиц мельче 0,071 за счет минерального порошка.

Для подбора одного состава асфальтобетонной смеси I марки необходимо построить как минимум 5 различных гранулометрических кривых перекрывающих всю область предельных значений для данного типа асфальтобетона, что при ручном расчете требует больших временных затрат, поэтому данный алгоритм необходимо автоматизировать. Наибольшее распространение для автоматизации процесса расчета минерального состава асфальтобетонной смеси на производстве получили такие прикладные программы как: «Excel» из программного комплекса «Microsoft office» и «РАБС» производитель компания «КРЕДО-ДИАЛОГ». Так же для автоматизации данного процесса используются и другие прикладные программные комплексы, но они не получили широкого распространения.

Определение оптимального содержания битума, технологических и модифицирующих добавок.

Для каждого подобранного зернового состава минеральной части асфальтобетонной смеси делают несколько замесов (обычно для I марки асфальтобетонной смеси содержащей модифицирующую добавку делают 9 замесов) с разным содержанием битума и добавок. Количество битума и добавок устанавливается на основе имеющегося опыта.

Рекомендуемы шаг изменения содержания битума в подбираемом составе смеси должен быть равен 0,2-0,3 %, а добавки в зависимости от имеющегося опыта ее применения или по рекомендации производителя.

Первоначально готовят пробные замесы, достаточные для изготовления не менее 6 (9) образцов и определения зависимостей показателей средней плотности, водонасыщения, предела прочности при сдвиге при 50 ⁰С, предела прочности при сжатии при 50 ⁰С, предела прочности на растяжение при расколе при 0 ⁰С от содержания битума и модифицирующей добавки. По полученным данным для каждого зернового состава стоятся графики зависимости физико-механических свойств асфальтобетона от содержания битума и модифицирующей добавки. По графикам-поверхностям определяется области оптимального содержания битума и добавок в составе асфальтобетона.

Обычно для статистической обработки экспериментальных данных и построения графиков-поверхностей с одним значением и двумя изменяющимися факторами (поверхностей откликов) применяются следующие программные комплексы: специальная функция программного комплекса «Matlab», статистическая графическая система «Statgraphics plus for windows» и др.

Дополнительные критерии при проектировании состава асфальтобетона.

Так же на особо ответственных объектах строительства применяются дополнительные критерии подбора состава асфальтобетона. Одним из таких критериев является разработанный в ГП «БелдорНИИ» метод проектирования состава асфальтобетона [5] с оптимизацией по показателю «расчетный срок службы». Данный метод основан на определении расчетного срока службы асфальтобетона по критериям устойчивости к пластическим деформациям, температурной и усталостной трещиностойкости при нормальных условиях эксплуатации и содержания, а также методике оценки экономической эффективности применения высококачественных исходных материалов.

Методы определения расчетного срока службы асфальтобетона могут быть использованы для определения остаточного срока службы асфальтобетонного покрытия на стадии эксплуатации по критериям устойчивости к пластическим деформациям и усталостной трещиностойкости при нормальных условиях эксплуатации и содержания.

За расчетный срок службы асфальтобетона Т_расч, который представляет собой период времени безотказной работы материала покрытия (без появления сдвиговых деформаций, усталостных трещин) в течение всего расчетного срока службы, принимают наименьший срок службы из всех по перечисленным выше критериям: Т_пласт, Т_уст.

Расчетный срок службы по критерию устойчивости к пластическим деформациям Т_пласт определяют по формуле:

где К_усл – коэффициент условий движения; для стесненных условий движения (мосты, путепроводы, тоннели) принимают 1,0, в остальных случаях – 1,3;

Н_кр – критическая деформация (допустимая глубина колеи); для расчетов принимают 0,01 м;

Н₁ – величина пластической деформации (глубина колеи), м, после одного цикла воздействия колесной нагрузки при температуре 50 ^оС;

И_расч – интенсивность движения по полосе расчетных автомобилей авт./ч; определяют по результатам наблюдений за конкретным участком автомобильной дороги;

Т₅₀ - количество часов в году с температурой покрытия 50 ⁰С и выше, ч/год; определяется по данным метеостанций в каждом конкретном регионе; при отсутствии данных рекомендуется принять 190 ч/год.

Величина пластической деформации Н₁ определяется на цилиндрических образцах диаметром 100 мм, изготовленных в лабораторных условиях или на кернах, извлеченных из существующего покрытия. Для закрепления цилиндрических образцов в форме используется цементный раствор (рис. 1.1).

Рис. 1.1 – Образец, подготовленный к испытанию на колееобразование

Асфальтобетонные образцы подвергаются расчетной циклической нагрузке при температуре 50 ⁰С в специальной колесной установке (рис. 1.2).

Колесо установки совершает возвратно-поступательное движение по испытуемой поверхности – два цикла нагружения. После завершения 1000, 2000, 6000, 10 000, 15000, 20000, 25000 и 30000 циклов нагружений измеряется глубина колеи в каждом образце с точностью до 0,01 мм.

Пластическую деформацию асфальтобетона после одного цикла нагружения Н₁, м, определяют по формуле

где N₁ – минимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 10000;

N₂ – максимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 30 000;

h₁ – деформация образца после минимального количества циклов нагружений, мм;

h₂ – деформация образца после максимального количества циклов нагружений, мм.

Рис. 1.2 - Установка циклического нагружения

Расчетный срок службы асфальтобетона по критерию усталостной долговечности Т_уст определяется в соответствии с [5] по по формуле:

где Д_кр – критическая усталостная повреждаемость асфальтобетона, %;

Д_п – прогнозируемая усталостная повреждаемость асфальтобетона вновь устроенного покрытия, %.

Значение прогнозируемой усталостной повреждаемости вновь устроенного покрытия Д_п определяется по методике, предназначенной для определения степени повреждаемости образцов асфальтобетона при испытании по схеме циклического одноосного сжатия.

Сущность метода заключается в оценке изменения высоты асфальтобетонного образца под воздействием импульсной нагрузки, действующей параллельно его вертикальной оси, при температуре 40 ºС и последующем анализе соотношения упругой и пластической деформаций, деформации упругого последействия и определения коэффициентов аппроксимирующих функций максимальной деформации при циклической нагрузке и упругой составляющей деформации образца.

Испытательный комплекс Cooper Technology представлен на рис. 1.3.

1 – испытательная рама; 2 – нагрузочные пластины;

3 – прибор периодического импульсного нагружения; 4 – датчики деформации

Рис. 1.3 – Схема размещения образца в испытательном комплексе

Cooper Technology

На рис. 1.4 представлены синхронизированные графики «Сила (Нагрузка) – Время» и «Деформация – Время» процесса определения относительной деформации под действием циклической нагрузки.

Деформация, мкм Сила (Нагрузка), Н
Рис.1.4 – Синхронизированные графики «Сила (Нагрузка) – Время» и «Деформация – Время» процесса определения относительной деформации асфальтобетона под действием циклической нагрузки

Продолжительность испытания - 1 800 циклов нагружения образца давлением 100 кПа в течение 1 с, с паузой (разгрузкой) продолжительностью 1 с.

Обработка полученных результатов и расчет прогнозируемой усталостной повреждаемости асфальтобетонного образца выполняется с помощью специального программного обеспечения.

Для автоматизации некоторых расчетов данного метода используется наиболее популярная программа «Microsoft Exсel» с богатой библиотекой статистических методов.

Таким образом, исходя из поставленных задач, можно сделать следующие выводы:

- проектирование асфальтобетона включает в себя решение множества разноплановых задач с изменяемыми начальными условиями (изменение предельных кривых в зависимости от типа асфальтобетона, изменение условий эксплуатации, которые влияют на расчетные характеристики материала, изменяются и физико-механические характеристики исходных материалов, разработка и расчет новых узко специализированных материалов);

- в данное время не существует универсального программного комплекса позволяющего в полной мере автоматизировать весь процесс расчета и проектирования состава асфальтобетона по всем необходимым критериям;

- для решения частных задач при подборе состава асфальтобетона используются наиболее применимые для данных целей широко распространенные программные комплексы;

- существует необходимость в разработке специализированного программного обеспечения, которое позволило бы в комплексе решать все задачи и ускорить, а также поднять на новый качественный уровень процесс проектирования и оптимизации состава асфальтобетонной смеси.