Введение к работе
Актуальность работы. С 90-х годов ХХ века в странах Центральной и Восточной Европы, включая Россию, наблюдается динамичное развитие автомобильного транспорта. Значительно увеличилось количество автомобилей, в том числе грузовых. Возросла и разрешенная нагрузка на ось грузовиков (в России с 1993 г. – 11,5 т). Возросла скорость движения. С каждым годом возрастают и требования потребителей к автомобильным дорогам, обусловленные требованием комфортабельности и безопасности движения. Все это вызывает потребность строительства новых и модернизации уже эксплуатируемых дорог, которые должны быть долговечными и безопасными, что очень затруднительно без использования новых дорожных технологий и более качественных материалов.
Одной из современных технологий, которая быстро внедряется в дорожную практику, является щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА (SMA). Дорожное покрытие из ЩМА обладает повышенной устойчивостью к возникновению пластических деформаций – колей, а также рекомендованной по условиям обеспечения сцепных качеств в течение всего планируемого срока по эксплуатации.
Необходимость модернизации эксплуатируемых дорог и строительства автострад в России является сейчас главной задачей дорожников. Однако это непростая задача. В России строительство дорог возможно обеспечить практически всеми материалами, кроме качественного щебня. Спрос на щебень значительно превышает возможность его производства в карьерах. В связи с этим ведутся поиски альтернативных источников минеральных материалов, из которых можно получать щебень. Одним из них является шлак доменного производства.
Шлаковые асфальтобетоны имеют повышенную пористость и влагопроницаемость. Кроме того, за счет развитой поверхности доменные шлаки требуют повышенного расхода битума. В теории ИСК, разработанной Соломатовым В.И. и дополненной Рыбьевым И.А. подчеркивается необходимость создания плотных наполненных структур, что обеспечивает достижение максимальных эксплуатационных характеристик при минимальном расходе вяжущего вещества. При этом минимальная толщина битумной пленки с наибольшей эластичностью обеспечивает максимальную прочность сцепления минеральной части асфальтобетона с битумом. Эта структурированность битумной пленки обеспечивается путем введения в состав асфальтобетонной смеси определенного количества минерального порошка. В асфальтовом вяжущем веществе максимально плотной структуры битум и минеральный порошок находятся в оптимальном соотношении, нарушение которого приводит к резкому снижению его прочности.
Цель диссертационной работы – разработка технологии изготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях, а также их внедрение в практику строительства и ремонта автомобильных дорог.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
разработать структурную и математическую модели прогнозирования свойств дорожных покрытий щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в зависимости от соотношения компонентов смеси;
разработать составы с применением полиструктурной теории формирования структуры щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях;
примененить методы математического планирования эксперимента для оптимизации составов ЩМА на шлаковых заполнителях;
исследовать долговечность покрытия из ЩМА на основе шлаковых заполнителей;
экспериментально подтвердить влияние структурообразующих факторов асфальтобетонных смесей на циклическую долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог на стадии проектирования;
внедрить полученные составы асфальтобетонов и произвести расчеты толщины слоев дорожной одежды с целью их оптимизации.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились щебеночно-мастичные асфальтобетоны на шлаковых заполнителях. Теоретические исследования основывались на методах интенсивных раздельных технологий, принятых для искусственных строительных конгломератов (ИСК) и получении наполненных структур, обеспечивающих максимальную плотность и прочность асфальтобетонных покрытий и увеличение их долговечности. При экспериментальных исследованиях применены методы математического планирования экспериментов ПФП-8 и ОЦКП. Методы испытаний соответствовали требованиям нормативно-технической документации. Для анализа полученных результатов использованы методы математической статистики и ЭВМ.
Научная новизна работы:
разработаны структурно-технологическая и математическая модели прогнозирования свойств дорожных покрытий щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в зависимости от соотношения компонентов смеси;
разработаны составы с применением полиструктурной теории формирования структуры щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях;
разработана методика прогнозирования долговечности щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в условиях, имитирующих работу асфальтового покрытия в течение года;
подобрано оптимальное соотношение компонентов щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях с помощью уравнений регрессии, полученных в результате математического планирования эксперимента на ОЦКП.
исследована зависимость физико-механических и деформативных свойств ЩМА на шлаковых заполнителях от содержания компонентов.
Практическое значение работы.
исследованы физико-механические свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях, отмечено повышение несущей способности и долговечности дорожных покрытий;
с помощью математических методов планирования эксперимента получены составы щебеночно-мастичных асфальтобетонов на основе шлаковых заполнителей, обеспечивающие получение экстремальных свойств асфальтобетонных покрытий.
результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам «Строительные материалы» и «Технология отходов производства» на Строительном факультете Липецкого государственного технического университета.
разработанные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона были внедрены при капитальном ремонте проспекта Победы в г.Липецке. Общая площадь покрытия составила 24 тыс. м2. Экономический эффект за счет снижения толщины верхнего слоя покрытия и стоимости материалов с учетом приведенных затрат составил 540 000 руб. или 22,5 р./ 1 кв. м.
Значимость для теории и практики. Теоретические и экспериментальные исследования позволили применить методику прогнозирования долговечности ИСК для щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях.
Обоснованность и достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, не противоречащими выводам известных положений, сходимостью результатов испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
полученные с помощью математических методов планирования эксперимента зависимости свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях от содержания наполнителя, заполнителя и соотношения битум/целлюлозная добавка, позволяющие без проведения дополнительных экспериментов прогнозировать показатели свойств верхнего слоя покрытий.
методика прогнозирования долговечности асфальтобетонов по результатам длительных испытаний образцов в условиях, имитирующих работу дорожного покрытия в течение года.
разработанная конструкция дорожной одежды, позволившая уменьшить толщину верхнего слоя из оптимального состава без снижения несущей способности.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены:
на научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета в г. Липецке в 2007 г.;
на Всероссийском совещании заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов / Научно-методический совет по материаловедению и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технологии конструкционных материалов – важнейшие составляющий компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки» в г. Волгоград, Волжский в 2007 г.;
на международной научно-технической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» в г. Липецке в 2007 г.;
на ежегодной научной сессии Ассоциация исследователей асфальтобетона в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете)в г. Москве в 2008 г.;
на V международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» в г. Волгограде в 2009 г.;
на VII международной научно-практической конференции «Строительство и архитектура ХХI века: перспективы развития и инновации» в г. Орел в 2010 г.
на VI международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» в г. Волгоград в 2011г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных статьях, в том числе 1 работа опубликована в рецензируемом научном издании.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Она включает 140 страниц, из них 123 страниц основного текста, 28 таблиц, 26 иллюстраций, 141 наименований используемой литературы и 2 приложения.
