Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при строительстве автомобильных дорог доля асфальтобетонных покрытий составляет более 96% от общей протяженности дорог с твердым покрытием. Под действием осевых нагрузок от транспортных средств и погодных условий на дорожных покрытиях возникают разрушения, что проявляется в виде различных выбоин, просадок, трещин и волн, что ухудшает безопасность движения транспортных средств и уменьшает срок эксплуатации автомобильной дороги. Для устранения таких дефектов применяют разные технологии, позволяющие устранить образовавшиеся дефекты на покрытиях и, при качественном ремонте, обеспечить продолжительность эксплуатации автомобильной дороги в течение нескольких лет. Выбор технологии и ее параметров зависит от многих факторов, в том числе от свойств применяемого материала и погодных условий.
Широкое применение при ремонте выбоин на дорожных покрытиях дорог получил метод ремонта с применением горячих асфальтобетонных смесей, позволяющий достичь требуемых эксплуатационных параметров асфальтобетона и обеспечить заданный срок службы покрытия. Анализ применяемых технологий с использованием горячих асфальтобетонных смесей показал, что низкому качеству работ способствуют несоблюдение температурных режимов при укладке и уплотнении применяемых горячих асфальтобетонных смесей, условий производства работ и недостаточное их уплотнение. Отсутствие до настоящего времени взаимосвязи между свойствами применяемых горячих асфальтобетонных смесей, погодными условиями производства работ и применяемым звеном машин не позволяет обеспечить качественный ремонт дорожных покрытий.
Объект исследования - дорожное покрытие нежесткого типа.
Предмет исследования - технологические процессы ремонта выбоин дорожных покрытий нежесткого типа с применением горячей асфальтобетонной смеси.
Целью диссертационной работы является обоснование параметров технологических процессов при производстве ремонта дорожных покрытий нежесткого типа с применением горячих асфальтобетонных смесей, позволяющих обеспечить требуемые эксплуатационные параметры асфальтобетона в выбоине дорожного покрытия при производстве ремонтных работ в течение круглого года.
Основные задачи исследования:
- выполнить анализ современных технологий при ремонте дорожных покрытий нежесткого типа с учетом свойств применяемых материалов и погодных условий производства работ;
разработать математическую модель для определения температуры горячей смеси в выбоине дорожного покрытия, позволяющей прогнозировать тепловые процессы в любой точке выбоины с учетом условий производства работ;
исследовать физику процесса охлаждения горячей смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия в зависимости от типа смеси и марки битума, температуры воздуха и поверхности выбоины при производстве ремонтных работ покрытий нежесткого типа;
установить значения предельной температуры горячей асфальтобетонной смеси при производстве работ, ниже которой эксплуатационные показатели асфальтобетона в выбоине не соответствуют требованиям нормативных документов;
определить минимальную температуру нагрева выбоины с учетом температуры применяемых асфальтобетонных смесей, обеспечивающую соблюдение температурных режимов горячих смесей с учетом условий производства ремонтных работ;
обосновать выбор эффективных уплотняющих машин при производстве ремонтных работ дорожных покрытий нежесткого типа;
разработать технологию ремонта дорожных покрытий по устранению выбоин с применением горячих асфальтобетонных смесей, позволяющую производить работы в течение года с высоким качеством (срок службы ремонтных участков покрытия 4-5 лет).
Научная новизна заключается в следующем:
разработана математическая модель для определения температуры горячей смеси в выбоине дорожного покрытия, позволяющая прогнозировать тепловые процессы в любой точке выбоины при производстве ремонта с применением горячих асфальтобетонных смесей. Модель отличается от известных тем, что существующие модели позволяют определять температуру в одной плоскости: основание - верхний слой покрытия - воздушная среда;
впервые научно обосновано численное значение минимальной температуры горячей асфальтобетонной смеси при производстве ремонтных работ в зависимости от температуры воздуха, типа смеси и марки битума, ниже которой достичь требуемых эксплуатационных параметров асфальтобетона практически невозможно;
впервые получены численные значения температуры нагрева поверхности выбоины в зависимости от типа смеси, марки битума, температуры воздуха и асфальтобетонной смеси, позволяющие достичь высокого качества работ при обеспечении температурных режимов смеси при конкретных условиях производства работ;
предложена зависимость допустимой продолжительности ремонтных работ от температуры воздуха, типа смеси и марки битума;
экспериментально доказана эффективность применения вибрационных плит при уплотнении горячих асфальтобетонных смесей;
разработана математическая модель взаимодействия вибрационной плиты с уплотняемым материалом, на основе которой получены аналитические зависимости для определения контактных напряжений под вибрационной плитой, позволяющие осуществлять выбор эффективных параметров вибрационных плит с учетом прочностных характеристик уплотняемого материала;
экспериментально установлено распределение контактных напряжений под вибрационной плитой.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается объемом теоретических исследований, выполненных при изучении тепловых процессов при производстве ремонтных работ по устранению выбоин на дорожных покрытиях с учетом условий производства работ, а также с использованием математических моделей, адекватность которых подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Научная значимость заключается в:
разработке математической модели, позволяющей прогнозировать в трехмерном пространстве тепловые режимы горячей смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия, влияющие на качество ремонтных работ;
разработке математической модели взаимодействия вибрационной плиты с уплотняемым материалом, позволяющей осуществлять выбор параметров с учетом прочностных характеристик применяемого материала;
определении минимальной температуры горячей смеси при производстве работ в зависимости от типа смеси и марки битума, а также установлении связи между температурами смеси, воздуха и нагревом поверхности выбоины, обеспечивающей достижение высокого качества ремонтных работ.
Практическая значимость работы состоит в разработке научно-практических основ технологии ремонта дорожных покрытий нежесткого типа с применением горячих асфальтобетонных смесей, обеспечивающей увеличение срока эксплуатации дорожного покрытия нежесткого типа.
На защиту выносятся:
теплофизическая модель распределения температуры в заданном объеме горячей асфальтобетонной смеси при производстве ремонтных работ;
результаты экспериментальных исследований распределения температуры в горячей асфальтобетонной смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия;
результаты моделирования тепловых процессов и полученные на их основе зависимости влияния условий производства ремонтных работ на их продолжительность;
установленные зависимости температуры нагрева основания выбоины от типа смеси и марки битума, температуры смеси при укладке и температуры воздуха;
результаты математического моделирования взаимодействия вибрационной плиты с материалом и методика расчета контактных напряжений под вибрационной плитой при уплотнении материала;
результаты экспериментальных исследований по распределению контактных напряжений под вибрационной плитой при уплотнении материала с ограниченной толщиной слоя;
методика разработки технологии ремонта выбоин на дорожных покрытиях нежесткого типа с применением горячих асфальтобетонных смесей, обеспечивающей увеличение срока эксплуатации дорожного покрытия.
Апробация результатов исследований. Основные положения работы и практические результаты докладывались и обсуждались на Втором всероссийском дорожном конгрессе (г. Москва, 2010), Международной научно-практической конференции (г. Ростов-на-Дону, 2012), международных конференциях (г. Волгоград, 2010, 2012; Курск, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ объемом 73 страницы, из них лично автору принадлежит 41 страница. Пять работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: «Механизация строительства», Научный вестник Воронежского ГАСУ «Строительство и архитектура», «Известия Юго-Западного государственного университета».
В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] представлены результаты исследований по влиянию технологии работ на эксплуатационные показатели асфальтобетонного покрытия; в работе [2] представлен анализ применения вибрационных плит при ремонте дорожных покрытий нежесткого типа; в работе [3] рассмотрены особенности процесса уплотнения горячих асфальтобетонных смесей вибрационными плитами; в работе [4] представлена теплофизическая модель горячей асфальтобетонной смеси, уложенной в выбоину дорожного покрытия; в работе [5] представлены математическая модель взаимодействия вибрационной плиты с уплотняемым материалом и аналитическая зависимость влияния параметров плиты на величину контактных напряжений при разных параметрах плиты.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены автором в рамках сотрудничества, в котором он выполнял основную роль в формулировке задач, постановке и проведении аналитических и экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость. Существенен вклад автора в проектирование стенда для проведения экспериментальных исследований, а также в разработку методик по проведению исследования и обработке полученных данных.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 168 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 70 наименований, и четырех приложений. Диссертация содержит 64 рисунка, 38 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
