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»
Необходимо запроектировать горячий плотный асфальтобетон типа ЩМСц-I/2.2 с содержанием резинобитумного вяжущего «РБВ-Г». Максимальная крупность зерен минерального заполнителя – 10 мм.
Исходные материалы:
- щебень гранитный фракции 5-10 мм по ГОСТ 8267 производства РУПП «Гранит»;
- песок из отсевов дробления по ТУ BY 200161167.003-2010 производства РУПП «Гранит»;
- порошок минеральный не активированный МП-1 по ГОСТ 16557 производства ПО «Доломит»;
- битум дорожный 70/100 по ТУ BY 400091131.009-2011, СТБ EN 12591-2010 ОАО, «Мозырский НПЗ»;
- резинобитумное вяжущее РБВ-Г по СТБ 2302-2013, ДУП «Мадикор»;
- присадка адгезионная для дорожных битумов «Дорос-АП» по СТБ 1463-2011, ООО «Дорос», г Ярославль, РФ.
Проектирование состава асфальтобетонной смеси начинают с расчета минеральной части. Для этого производят ситовой гранулометрический анализ всех исходных минеральных материалов. Полученные результаты при рассеве заносят в таблицу «EXCEL» с заранее введенными формулами для расчета минерального состава асфальтобетонной смеси. Вариант размещения таблиц данных в книге «EXCEL» представлен на рисунке 3.1.
В графы C9-G9 заносятся данные о массе каждого минерального материала до рассева. В зону ячеек, помеченную желтым цветом, вносятся значения масс остатков на каждом сите после рассева для каждого вида минерального материала. В зону ячеек помеченную зеленым цветом введены формулы для подсчета частных остатком для каждой фракции всех минеральных материалов исходя из их дозировки. В ячейки H9-L9 вводятся последовательно дозировки каждого минерального материала в %.
После введения данных о дозировке минеральных материалов, проверяется их сумма по ячейке L7 (она должна быть равна 100 %), значения полных просевов минеральной части асфальтобетонной смеси по ячейкам О10-О19 (они должны соответствовать требованиям ТНПА, предельные значения которых вводятся в ячейки P10-P19, Q10-Q19). Соответствие полных просевов минеральной части асфальтобетонной смеси требованиям ТНПА можно проверить по кривой, которая изображена под таблицей (черными линиями изображены требования ТНПА, красной прерывистой линией полученные значения проектируемого зернового состава минеральной части). Так же необходимо проверить выполнение требований ТНПА по содержанию частиц крупнее 5 мм за счет содержания щебня и частиц мельче 0,071 мм за счет содержания минерального порошка. Эти значения рассчитываются в ячейках H25 и H26.
Рис. 3.1 – Пример расчета минеральной части асфальтобетонной смеси.
Таким образом, изменяя значения дозировки исходных минеральных компонентов и выполняя изложенный выше алгоритм, при возможности подбирается пять различных гранулометрических составов минеральной части асфальтобетонной смеси, перекрывающих всю область предельных значений, обозначенную требованиями ТНПА. Если невозможно определить дозировки минеральных компонентов, при которых полные просевы зернового состава соответствуют требования ТНПА, то принимается решение о замене, либо обогащении одного из минеральных компонентов смеси недостающей фракцией.
Далее производится пять пробных замесов асфальтобетонной смеси для каждого минерального состава с изготовлением 3 образцов при одинаковом значении содержания битума. Содержание битума определяется исходя из имеющегося опыта подбора состава данного типа асфальтобетонной смеси (для ЩМСц с максимальным размером зерен 10 мм обычно берут содержание битума в пределах 6,0-6,3 %). Определяются следующие показатели: средняя плотность, водонасыщение, предел прочности на сдвиг при 50 0С (предел прочности на сжатие при 50 0С, в зависимости от типа подбираемого состава асфальтобетонной смеси).
В таблице 3.1 представлены составы асфальтобетонных смесей для определения оптимального зернового состава минеральной части.
Таблица 3.1 – Составы асфальтобетонных смесей для определения оптимального зернового состава минеральной части.
Наименование материала |
Содержание в смеси №, % |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Щебень фракции 5-10 мм |
68 |
70 |
70 |
72 |
74 |
Отсев |
22 |
18 |
22 |
18 |
18 |
Минеральный порошок |
10 |
12 |
8 |
10 |
8 |
Битум 70/100 (сверх 100 % минеральной части) |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
6,3 |
Целлюлозное волокно (сверх 100 % минеральной части) |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
Результаты определения физико-механических свойств асфальтобетонных смесей при определении оптимального состава минеральной части приведены в таблице 3.2
По результатам определения физико-механических свойств можно сделать вывод, что состав асфальтобетонной смеси № 2 имеет оптимальный зерновой состав минеральной части.
Таблица 3.2 – Физико-механические свойства асфальтобетонных смесей, для оптимизации состава минеральной части.
Наименование показателя |
Значение показателя для состава № |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Средняя плотность, г/см3 |
2,46 |
2,48 |
2,47 |
2,45 |
2,44 |
Водонасыщение, % |
2,2 |
1,6 |
1,8 |
2,3 |
2,4 |
Предел прочности на сдвиг при 50 0С, МПа |
1,92 |
2,22 |
2,18 |
2,10 |
2,08 |
Далее производится оптимизация содержания битума и модифицирующей добавки. Для этого составляется план экспериментальных составов с различным содержанием битума и добавки, включая граничные значения.
В таблице 3.3 представлен план экспериментальных составов для данного, конкретного случая с результатами определения физико-механических свойств асфальтобетонов.
Таблица 3.3 – Экспериментальные составы для определения оптимального содержания битума и модифицирующей добавки.
№ |
Содержание в а/б смеси |
Р, г/см3 |
W, % по объему |
R50, МПа |
Rсдв, МПа |
|
битума, % |
РБВ-Г, % |
|||||
1 |
5,6 |
0,0 |
2,45 |
3,1 |
0,97 |
2,26 |
2 |
5,6 |
1,0 |
2,48 |
1,8 |
1,48 |
2,85 |
3 |
5,6 |
2,0 |
2,44 |
0,7 |
1,30 |
2,36 |
4 |
6,1 |
0,0 |
2,47 |
2,3 |
1,07 |
2,24 |
5 |
6,1 |
1,0 |
2,47 |
1,8 |
1,36 |
2,65 |
6 |
6,1 |
2,0 |
2,44 |
0,4 |
1,15 |
2,11 |
7 |
6,4 |
0,0 |
2,48 |
1,4 |
0,97 |
2,07 |
8 |
6,4 |
1,0 |
2,47 |
0,8 |
1,22 |
2,27 |
9 |
6,4 |
2,0 |
2,46 |
0,2 |
1,01 |
2,01 |
Полученные экспериментальные данные статистически обрабатываются с помощью программного комплекса «MATLAB».
Для этого создаются шесть векторных переменных. Им присваиваются значения по каждому столбцу из таблицы 3.3. Далее с помощью функции из «Toolbox» построения трехмерных графиков и обработки экспериментальных данных «Surfase fitting tool» строятся зависимости физико-механических свойств асфальтобетона от двух факторов: содержание битума и содержание РБВ-Г. По графикам строятся поверхности отклика, по которым определяются оптимальные значения факторов для наилучших физико-механических свойств.
На рисунках 3.2 – 3.9 представлены трехмерные графики и поверхности отклика зависимости физико-механических свойств асфальтобетона от двух факторов: содержания битума и РБВ-Г.
Рис. 3.2 – Зависимость плотности от содержания битума и РБВ-Г
Рис. 3.3 – Поверхность отклика, плотность
По поверхности отклика можно определить, что е асфальтобетон будет наиболее плотным при содержании битума и РБВ-Г в области помеченной темно-бардовым цветом.
Рис. 3.4 – Зависимость водонасыщения от содержания битума и РБВ-Г
Рис. 3.5 – Поверхность отклика, водонасыщение
Из поверхности отклика водонасыщения видно что оптимальным содержанием битума и РБВ-Г будет область помеченная зеленым цветом.
Рис. 3.6 – Зависимость предела прочности при сжатии от содержания битума и РБВ-Г
Рис. 3.7 – Поверхность отклика, предел прочности при сжатии
Из поверхности отклика представленной на рисунке 3.7 видно, что предел прочности при сжатии будет максимальным при содержании битума в пределах 5,6 – 5,75 %, и содержании РБВ-Г - 0,85 – 1,4 % (бардовая область).
Рис. 3.8 – Зависимость предела прочности при сдвиге от содержания битума и РБВ-Г
Рис. 3.9 – Поверхность отклика, предел прочности при сдвиге
Из поверхности отклика представленной на рисунке 3.9 видно, что предел прочности при сдвиге будет максимальным при содержании битума в пределах 5,6 – 5,75 %, и содержании РБВ-Г - 0,8 – 1,2 % (бардовая область).
Таким образом, оптимальным будет состав при содержании битума в пределах 5,6 – 5,75 %, и содержании РБВ-Г - 0,8 – 1,2 %, или при дозировке в смесителе битум – 5,6 %, РБВ-Г – 1,0 %. Дозировка адгезионной присадки будет производится по рекомендации производителя.
Подобранный состав представлен в таблице 3.4.
Таблица 3.4 – Запроектированный оптимальный состав асфальтобетонной смеси ЩМСц-I/2.2
Наименование материала |
Содержание в смеси , % |
Щебень фракции 5-10 мм |
70 |
Отсев |
18 |
Минеральный порошок |
12 |
Битум 70/100 (сверх 100 % минеральной части) |
5,6 |
РБВ-Г (сверх 100 % минеральной части) |
1,0 |
Адгезионная присадка «Дорос-АП» (в составе битума), % |
0,4 |
Далее производится изготовление 33 образцов подобранного состава для проверки на соответствие всем нормированным показателям, а так же (если это предусмотрено техническим заданием) испытание данной асфальтобетонной смеси по дополнительным критериям с определением расчетного срока службы.