М.С. Черногородова

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРА

основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкрем­ ниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой.

К строительным композиционным материалам относится также асфальтобетон, т.к. он со­ стоит из минерального каркаса, а роль матрицы выполняет органическое вяжущее.

Методы проектирования составов композиционных материалов

Асфальтобетонная смесь – рационально подобранная смесь минеральных материалов

щебня (гравия) различной крупности, природного или дробленного песка, минерального порош­ ка с битумом, взятых в определенных соотношениях и перемешанных в нагретом состоянии [2].

В отличие от цементного бетона, асфальтобетонная смесь затвердевает сравнительно бы­ стро по мере остывания [4].

-по удельной поверхности и модулю насыщенности смеси вяжущим веществом (метод М. Дюрье);

-по заданным эксплуатационным условиям работы покрытия (метод проф. И.А. Рыбьева и другие современные методы).

При многообразии перечисленных выше методов неизменными остаются основные принци­ пы проектирования смеси, ориентированные на обеспечение требуемых качественных призна­ ков асфальтобетона, которые были сформулированы еще вначале прошлого века [5]. Качество

асфальтобетона определяется в конечном итоге эксплуатационными свойствами и долговечно­ стью устраиваемых дорожных покрытий.

Большинство существующих методик проектирования состава асфальтобетона решает две задачи: определение состава минеральной части и определение необходимого количества би­ тума, обеспечивающего соответствие свойств асфальтобетона заданным требованиям. [5]

Различают экспериментальные и расчетные методики. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Метод проектирования состава асфальтобетона по предельным кривым плотных смесей был разработан в 1930 г. профессором Н.Н. Ивановым. Исследования профессора Н.Н Ивано­

ва и работы профессора В.В. Охотина позволили установить закономерность гранумелотриче­ ского состава минеральной смеси, обладающей наименьшей пустотностью [6]:

ВРосси метод предельных кривых является общепринятым [6] и основывается на следую­

щих принципах:

1. Устойчивость к внешним воздействиям и экономичность асфальтобетона тем выше, чем

выше плотность упаковки зерен минеральной части и ниже ее суммарная удельная поверх­ ность при оптимальном содержании битума.

2. Гранулометрический состав плотной зернистой смеси задается предельными кривыми,

ограничивающими область допустимых зерновых составов.

3. Оптимальное количество битума соответствует наилучшему комплексу технических свойств асфальтобетона и обеспечивает их соответствие действующим требованиям.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРА

Методика экспериментально-расчетная. Требования к зерновым составам смесей приведе­ ны в ГОСТ 9128-2013 [1]. Достоинством методики является доступность ее реализации и про­

стота, нет сложных расчетов и экспериментов. Проектирование фактически сводится к уточне­ нию нормативного состава с учетом гранулометрического состава зернистых компонентов.

Проектирование данным методом допускает более широкий выбор каменных материалов [5, 6]. Недостатком методики является переоценка роли минерального порошка как компонента минеральной части и недооценка его как компонента асфальтовяжущего [2].

Профессором И.А. Рыбьевым [8, 9] разработана пока естественная, позволяющая получить

асфальтобетон с заданными свойствами, методика проектирования состава асфальтобетона по заданным эксплуатационным условиям работы покрытия. Методика разработана на основе исследований взаимосвязи структуры, состава и свойств асфальтобетона.

Установлено, что зависимость прочности асфальтобетона от структурных, механических и температурных факторов описывается обобщенным уравнением

где R1, R2 – прочность асфальтобетона, определенная соответственно при средних толщинах битумных пленок δ1 и δ2 , скоростях деформирования или нагружения V1 иV2, температурах Т1 и

Т2; n, R, р – показатели степени, отражающие соответственно адгезию битума к каменному ма­

териалу, пластичность асфальтобетона и характер зависимостей реологических свойств биту­ ма от температуры.

Технологические и эксплуатационные свойства асфальтобетона определяются:

•плотностью упаковки зерен каркаса, образованного совместно с щебнем (гравием) и пес­

ком;

•объемом асфальтовяжущего, заполняющего межзерновое пространство каркаса с учетом резерва остаточных пор;

Лучшими техническими свойствами асфальтобетон обладает при оптимальном отношении Б/МП, которое обеспечивает максимальную прочность и плотность асфальтобетона.

Достоинства данной расчетно-экспериментальной методики:

•лежащие в ее основе закономерности изменения прочности асфальтобетона позволяет регулировать его состав и свойства при оптимальной структуре, обладающей наибольшей прочностью;

•принцип заполнения песком межзерновых пустот в щебне (гравии), на котором основан поиск соотношения П/Щ (Г), открывает возможность использования каменных материалов с

любой гранулометрией без их пофракционного рассева и дозирования. Недостатки методики:

•сложность использования методики в случае проектирования состава асфальтобетона определенного макроструктурного типа, заданного требуемым содержанием щебня (гравия);

•необходимость проведения вспомогательных экспериментальных работ, объем которых возрастает с увеличением числа разновидностей поставляемых исходных материалов;

•предполагается, что в межзерновом пространстве щебня (гравия) при любом его содер­ жании в смеси песчаные зерна всегда упаковываются с исходной плотностью, присущей уплот­ ненному массиву данного песка.

ВРоссии накоплен достаточно большой научный потенциал при изучении структурно-

механических свойств асфальтобетона и по расчету дорожных покрытий, который можно и нуж­ но использовать при проектировании составов смесей. Чтобы оптимизировать состав смеси, предлагается на основании результатов лабораторных испытаний определять эксплуатацион­ ные свойства проектируемого асфальтобетона, характеризующие как можно более полно рабо­ тоспособность дорожного покрытия в конкретных условиях эксплуатации.

Вбольшинстве случаев необходимо первоначально оценивать сдвигоустойчивость асфаль­ тобетона путем прогноза остаточной деформации, накапливаемой в покрытии за расчетный срок службы. Обеспечив надежные показатели сдвигоустойчивости, наряду с другими норми­

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРА

руемыми свойствами, рекомендуется последовательно повышать трещиностойкость асфальто­ бетона соответствующими способами.

Вбольшинстве известных методик преобладает экспериментальный подбор состава и не­ достаточно развит математический аппарат его расчета, позволяющий уменьшить трудоем­ кость экспериментальной части и максимально использовать современные вычислительные средства.

Ни одна из рассмотренных методик не учитывает многовариантность возможных составов и не содержит аппарат оптимизации состава асфальтобетона по стоимости, следовательно, из­ вестные методики не вскрывают существенный резерв повышения экономичности асфальтобе­ тона.

Наиболее теоретически обоснованной с точки зрения управления структурой, составом и свойствами асфальтобетона на стадии проектирования его состава является методика, разра­ ботанная проф. И.А. Рыбьевым [8].

Внедрение в практику промышленного производства строительных материалов систем ав­ томатизированного проектирования (САПР) позволяет сократить время, так как появляется возможность моделировать составы материалов, имеющие определенные рецептурно-

технологические параметры.

Внастоящее время разработаны различные системы автоматизированного проектирования составов бетонной смеси и композиционных материалов.

Строительно-технические свойства асфальтобетона первоначально определяются техноло­

гическими параметрами асфальтобетонной смеси, что предопределяет его дальнейшую спо­ собность надежно противостоять эксплуатационным воздействиям.

Выбор составляющих материалов и технические требования к ним обусловлены ролью компонентов в формировании структуры и свойств асфальтобетона и его назначением в до­ рожной конструкции.

Существуют автоматизированные программы, способные производить на ЭВМ проектиро­ вание составов асфальтобетонной смеси. Анализ показал, что они, как правило, имеют общую

Рисунок 1 – Общая структура алгоритма автоматизированного

проектирования состава асфальтобетонной смеси

На первом этапе необходимо задать требуемые параметры проектируемой асфальтобетон­ ной смеси. Это вид, тип и марка смеси, назначение конструктивного слоя дорожной одежды, тип гранулометрии (непрерывная либо прерывистая), наибольший размер крупного заполнителя и др. Эти данные можно вводить в память ЭВМ вручную или извлекать из электронных проектов в автоматизированном режиме [7].

Для проектирования состава асфальтобетонной смеси в качестве исходной информации необходимо учитывать свойства входящих в нее компонентов. Они могут быть определены в

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРА

дорожной лаборатории асфальтобетонного завода или на предварительном этапе можно вос­ пользоваться данными сертификатов и паспортов поставщиков. К ним относятся песок, щебень, минеральный порошок, битум и другие компоненты.

Программа подбора гранулометрического состава Granlab предназначена для автоматизи­ рованного расчета гранулометрического состава минеральной части асфальтобетонной смеси.

Используя эту программу экономится время: на подбор наилучшего варианта смеси не бо­ лее 10 минут. Причем основная доля времени из этих минут приходится на ввод данных, а сам расчет занимает считанные секунды. При автоматизированном подборе проще учитывать и ре­ гулировать стоимость получаемой смеси.

Методика проектирования состава дорожного асфальтобетона по методу СибАДИ с исполь­ зованием ПЭВМ разработана Г.И. Надыкто, Ю.В. Соколовым и В.Д. Галдиной. Программа «Optimum» вводится в компьютер и производится полный расчет выбранного количества вари­ антов состава асфальтобетона заданного типа. Вводятся числа разновидностей щебня, песка, минерального порошка и битума; выбирается тип асфальтобетона [7].

Заключение

Автоматизация проектирования составов является одним из актуальных направлений со­ вершенствования технологического процесса производства битумоминеральных композиций. Применение автоматизированных систем на стадии проектирования позволяет обеспечить вы­ сокое качество проектных решений, сократить материальные и трудовые затраты производст­ ва, повысить эффективность труда специалистов.

OVERVIEW OF THE METHODS OF DESIGNING STRUCTURES OF COMPOSITE MATERIALS

M.S. Chernogorodova

Properties. Methods for designing compositions of asphalt mixtures. In Rossi's method of limiting curves is generally accepted. In most known techniques prevalent experimental selection of the composition and is not sufficiently developed mathematical apparatus of its calculation, which allows to reduce the complexity of the experimental part and maximize the use of modern computing facilities. Design Automation trains is one of the important ways to improve the process of production bituminous compositions.

Keywords: automation, asphalt, asphalt mixture, grain honeycomb, composite material structure design.

Черногородова Мария Сергеевна (Россия, Омск) – аспирант кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: www.mamarya@mail.ru.

Chernogorodova Marija Sergeevna (Russian Federation, Omsk) – The post-graduate student of Department «Hoisting-and-transport, Traction Cars and Hydrulik Aktuator» of The Siberian State Automobile and Highway University (SibADI) 644080, Omsk, Mira Avenue, 5, e-mail: www.mamarya@mail.ru.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.