Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии. Носов С.В., Рябова О.В

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: Рябова Ольга Викторовна,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Алексиков Сергей Васильевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства и эксплуатации транспортных сооружений ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурностроительный университет»

Леденев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Городское строительство и автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж,

ул. 20 лет Октября, 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(4732)71-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Уплотнение грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей является одной из основных операций строительства автомобильных дорог, от качества выполнения которой зависят работоспособность, надежность и долговечность автотранспортных сооружений. Как показывает практика, недостаточное уплотнение дорож- но-строительных материалов служит причиной ускоренного разрушения дорожных оснований и покрытий.

Анализ работ, связанных с изучением вопросов повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, позволяет выделить основные направления решения этой проблемы, к числу которых относятся:

-изучение связей и закономерностей уплотняемости дорожностроительных материалов с целью совершенствования и оптимизации технологических процессов уплотнения;

-совершенствование существующих и создание новых эффективных уплотняющих машин, а также средств контроля степени уплотнения;

-обеспечение оптимальных технологических режимов работы существующих уплотняющих средств на основе исследования и учета климатических, организационных и технологических факторов, включающих исследования напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала с учетом его физико-механических свойств.

Проблема повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов может быть решена путем совершенствования технологий уплотнения на основе применения новых прогрессивных методов изучения физико-механических свойств дорожностроительных материалов, например, использованием одного из традиционных подходов к исследованию реологических свойств деформируемых сред с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко- пластичных материалов. Без этого невозможно объективно оценить характеристики общей взаимоувязанной динамической системы "человек – машина – рабочий орган – объект воздействия – окружающая среда".

Основное внимание диссертации уделено исследованию динамики процессов уплотнения и взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин, поскольку реологические характеристики деформируемого опорного основания (уплотняемого материала) имеют прямую связь с характером силового воздействия на него. В свою очередь, характер силового воздействия на дорожно-строительные материалы в процессе их уплотнения определяется техническими и эксплуатационными характеристиками уплотняющих машин. При этом необходимо учитывать нелинейность реологических свойств дорожностроительных материалов, а также наличие фактора времени, определяющего продолжительность действия и интенсивность изменения нагрузок на них со стороны уплотняющих элементов машин.

3

Вышеотмеченное подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение важной научной проблемы повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов путем совершенствования технологий уплотнения.

Представленная диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Дороги России» и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Вузовская наука - регионам».

Основная идея работы состоит в использовании реологического подхода к описанию и исследованию изменений физико-механических характеристик материалов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных покрытий при их уплотнении в процессе строительства автомобильных дорог.

Объект исследования: сложные физические процессы уплотнения грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, методы совершенствования технологических процессов их уплотнения.

Предмет исследования: особенности совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии и оценки взаимодействия с различными уплотняющими элементами машин и технологическим оборудованием.

Цель работы: разработка методологических основ совершенствования технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии, учета несущей способности, времени и характера действующих нагрузок и обеспечивающих обоснованный выбор средств уплотнения и рациональных технологических режимов их работы на этапе строительства автомобильных дорог.

Указанная цель определила перечень основных задач исследований, согласно которому необходимо было осуществить следующее.

1.Определить критерии эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

2.Разработать теоретические положения совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей и их взаимодействия с элементами машин при их уплотнении.

3.Разработать модели процессов взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин, позволяющие произвести качественную и количественную оценку изменения их на- пряженно-деформированного состояния, оценить кинетику развития деформаций при различных законах нагружения.

4.Разработать способы и методики оценки основных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей как функционалов от временного фактора, определяющих их деформационную способность.

4

изменения и времени действия нагрузок со стороны уплотнителей через интегральные уравнения связей; реологических особенностей уплотняемого материала через параметры функций скоростей ползучести и релаксации;

5. В разработке элементов технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов с оценкой технологических параметров процессов уплотнения, режимов работы и параметров применяемых уплотнителей на основе учета реологических характеристик уплотняемого материала и условий производства работ. При этом предложена технология уплотнения горячей асфальтобетонной смеси укаткой вибрационным катком с вакуумным устройством.

На защиту выносятся все основные результаты, обладающие новизной.

Методы исследований. При теоретических исследованиях решение поставленных задач базируется на основных положениях аналитической механики, механики сплошных сред, теории упругости и вязкопластичности, теории наследственной вязкоупругости, тензорного исчисления, математической статистики, методах математического моделирования и оптимизации параметров, теории уплотнения грунтов и дорожно-строительных материалов и широком использовании ЭВМ.

Экспериментальные исследования проводились с применением теории математического планирования эксперимента, методов физического моделирования, с использованием ЭВМ, серийно выпускаемых машин, макетных и экспериментальных образцов, на установках, устройствах и стендах.

Достоверность научных положений, результатов, выводов и реко-

мендаций обоснована:

-использованием апробированных методов механики сплошных сред, теорий упругости и вязкоупругости, математической статистики, оптимизации, анализа размерностей и планирования эксперимента;

-правильным выбором методов измерений и составлением измерительных схем;

-правильным выбором методов и техники тарировки измерительных систем в целом и отдельных их элементов, класса точности аппаратуры и своевременной ее поверкой;

-правильным учетом погрешностей элементов измерительных схем и обеспечением технически правильных условий работы измерительных устройств;

-результатами сопоставления теоретических исследований с данными экспериментов в лабораторных и производственных условиях и их удовлетворительным совпадением.

Ценность научных работ заключается:

-в разработке целенаправленного подхода к совершенствованию технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов путем применения существующих средств уплотнения с уточненными режимами работы или технических средств, позволяющих повышать эффективность

6

функционирования применяемых уплотнителей в соответствии с основными критериями, определяющими эффективность и качество выполнения работ на основе методологии и теории описания процессов уплотнения слоев дорожно-строительных материалов с учетом их реологических свойств;

-в развитии теории и создании ряда новых моделей и методов по оценке эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, включая оценку эффективности функционирования применяемых средств уплотнения;

-в разработке методов и рекомендаций по совершенствованию и разработке технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

Практическая ценность работы. Результаты исследований позволяют лучше понять сущность процессов, происходящих при уплотнении грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, а также определять пути повышения эффективности уплотнения.

Обоснован системный подход к решению проблемы совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии в рамках про- странственно-временных представлений, что дает возможность выявлять эффективные направления исследований и рассматривать на практике различные задачи с единых методологических позиций.

Предложенные рекомендации, математические модели и методы, реализованные в виде пакета программ для ЭВМ, позволяют как на стадии проектирования технологических процессов уплотнения, так и в процессе строительства дорог выбирать рациональные параметры и технологические режимы работы применяемых средств уплотнения, подбирать технологические параметры процессов уплотнения при выполнении работ в конкретных условиях.

Предложены способы и созданы устройства для оценки реологических характеристик грунтов и асфальтобетонных смесей, а также для повышения эффективности их уплотнения и контроля качества уплотнения.

Реализация результатов работы. Основные результаты научной ра-

боты:

-внедрены при укатке верхнего и нижнего слоев асфальтобетонного покрытия в объеме 41 км с использованием виброкатка ДУ-47А с вакуумным устройством на объектах объединения "Ленавтодор" в 1984-1985 годах;

-переданы в виде сборочных и рабочих чертежей виброкатка с вакуумным устройством на базе серийно выпускаемого катка ДУ-54А в объединение "Ленавтодор" для изготовления опытной партии катков;

-переданы в виде сборочных и рабочих чертежей бесконтактной вакуумной камеры к дорожным каткам в ЗАО "РАСКАТ";

-внедрены ОАО "Липецкий трактор" в виде программ расчета на ЭВМ и номограмм по оценке эффективности взаимодействия с уплотняе-

7

мым слоем грунта колесных тракторов как базовых машин, применяемых в дорожном строительстве;

-внедрены в ООО «Автобан-Липецк», ОАО «Липецкое ДСП №1», МУ «Управление главного смотрителя г. Липецка» в виде Рекомендаций по разработке и совершенствованию технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе реологического подхода;

-используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по профилю «САПР специализированных мобильных машин» и магистров по профилю «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы», специалистов по специализации «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» и специализации «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190109 «Наземные транспортно-технологические средства» и аспирантов специальности 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины» в Липецком государственном техническом университете;

-представлены научно-учебной монографией "Мобильные энергетические средства: выбор параметров и режимов работы через реологические свойства опорного основания", изданной в 2006 году, и учебным пособием "Современные методы исследований", изданным в 2000 году.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на двадцати конференциях и симпозиумах,

втом числе: на Всесоюзной научной конференции (г. Норильск, 1990г.), Республиканской научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, 1992г.), на 7 Всероссийских научно-технических конференциях (г. Липецк, 1996г., 2000г., г. Пенза, 2001г., г. Екатеринбург, 2007 г., 2010г., г. Москва, 2008 г.), на 10 международных научных конференциях (г. Липецк, 1997г., 1998г., г. Волгоград, 1999г., 2002г., 2009г., г. Курск, 1999г., г. Тюмень, 1999г., г. Н.Новгород, 2000г., г. Москва, 2005г., г. Санкт-Петербург, 2006г., на международном симпозиуме (г. Москва, 2000г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 научных статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований докторских диссертаций; монография; учебно-методическое пособие; 27 работ в сборниках материалов всесоюзных, всероссийских и международных конференций и симпозиумов. Всего опубликовано 112 работ, из них: 83 печатных, 8 депонированных рукописей работ, аннотированных в научных журналах, получено 8 патентов РФ на изобретения и зарегистрировано 13 программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 279 наименований, двух приложений. Общий объем работы 366 страниц, из них основной текст изложен на 324 страницах, включающих 95 рисунков и 22 таблицы, библиографический список на 25 страницах, 2 приложения на 12 страницах.

8

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая значимость работы.

Впервой главе проведен анализ работ по взаимодействию земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями, такими как колесные и гусеничные движители землеройно-транспортных машин и дорожные катки. Особое внимание уделено анализу существующих подходов

коценке реологических свойств дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов с применением различных их расчетных моделей и методов теории ползучести при их уплотнении.

Решением проблемы повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов занимались и занимаются различные научно-исследовательские институты, академии и университеты, как в нашей стране, так и за рубежом: ВНИИстройдормаш, СоюздорНИИ, МАДИ, ВолгГАСУ, ВГАСУ, РГСУ, СибАДИ, СПбГПУ и др.

Большой вклад в решение данной проблемы в разные времена внесли Агейкин Я.С., Бабков В.Ф., Батраков О.Т., Беккер М.Г., Варганов С.А., Васильев Ю.М., Зубанов М.П., Иванов Н.Н., Калужский Я.А., Кацыгин В.В., Полетаев А.Ф., Тулаев А.Я., Форссблад Л., Хархута Н.Я. и другие.

Вболее поздние времена данной проблемой занимались их ученики Бадалов В.В., Белоусов Л.И., Зубков А.Ф., Иванченко С.Н., Коваленко Ю.Я., Костельов М.П., Марков П.И., Пермяков В.Б., Подольский Вл.П., Попов Г.Н., Путк А.И., Чабуткин Е.К., Шестопалов А.А. и многие другие.

Обобщив рассмотренный объем научного материала по исследованию

взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями, выделены основные трудности и недостатки в предлагаемых подходах к решению общей проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, которые не позволяют в полной мере обеспечить дальнейшее развитие теории уплотнения дорожно-строительных материалов: просматривается явная неинвариантность известных методов определения реологичесих свойств уплотняемых материалов; отсутствует одновременный учет времени действия и характера изменения действующих нагрузок со стороны уплотнителей; выбираются упрощенные закономерности, определяющие реологические особенности уплотняемых материалов, которые недостаточно точны; как правило, рассматриваются линейные или плоские модели уплотняемых материалов. Объемные модели не рассматриваются.

Проведенный анализ научной литературы по теме диссертации позволил выявить пути дальнейшего совершенствования теории уплотнения до- рожно-строительных материалов, а также пути разработки технологий их уплотнения, сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены принципы совершенствования технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

9

Анализ особенностей взаимодействия различных уплотнителей с до- рожно-строительными материалами показал, что многие процессы и явления, происходящие при таком взаимодействии, однородны и подобны, при этом выявлены основные классификационные признаки таких взаимодействий: закономерность основного (вертикального) нагружения, режим движения уплотнителей, число циклов воздействия уплотнителей и характер нагружения, определяющий направление (знак) силового воздействия. Это позволило в дальнейшем оценить их с единых методологических позиций.

На основании разработанных принципов построения реологических моделей дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов и классификационных признаков уплотняющих воздействий установлено, что рассматриваемая проблема может быть решена путем изучения характеристик материалов уплотняемых слоев автодорог с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. При этом неизвестные закономерности структурных изменений уплотняемого материала закладываются в функции подобия, основанные на уравнениях регрессии, а в качестве функций скоростей ползучести и релаксации в обязательном порядке должны приниматься экспоненциально-степенные ядра.

Для описания процесса ползучести применены простейшие соотношения нелинейной теории вязкоупругости, когда уравнение ползучести может быть представлено в виде

0

и в этом случае можно говорить о подобии кривых ползучести при различных условиях нагружения. Здесь ε(t) - относительная деформация; σ(t) - действующее напряжение; К(t-τ) – функция скорости ползучести; ψ[σ(t)] - функция подобия.

Выражение (1) описывает случай подобия кривых ползучести только при разных действующих напряжениях σ(t) = const. Для полного описания поведения слоя уплотняемого материала под нагрузкой, соответствующей конкретному характеру его взаимодействия с уплотнителем, необходимо знать зависимости свойств материала, выражаемые через скорость и величину деформации, от многих факторов, основными из которых могут являться нагрузка, частота колебаний, относительная вынуждающая сила, температура, влажность, толщина и плотность слоя, параметры грунтозацепов и т.д. Поэтому функция подобия должна учитывать все эти факторы, определяющие деформационную способность уплотняемого слоя и, следовательно, его свойства:

где хi – независимые факторы, определяющие деформационные свойства уплотняемого материала и в совокупности представляющие пространство независимых факторов (факторное пространство).

10