Методическое пособие 801

В зависимости от целей ресайклинга и вида применяемого вяжущего комплект используемых машин может значительно меняться. В каждом случае ресайклер является ведущей машиной и сам буксирует или толкает сцепленные с ним машины.

Если битумная эмульсия или вспененный битум применяются в комбинации с цемент- но-водной суспензией, используется аналогичная группа машин. При этом битумная автоцистерна толкается перед установкой для приготовления цементно-водной суспензии. Если цемент применяется в порошковом состоянии (его равномерно распределяют по поверхности дороги), то впереди ресайклера толкается автоцистерна с водой. Если ресайклер имеет гусеничную ходовую часть и оборудован уплотняющим рабочим органом, грейдер для профилирования поверхности не используется.

Использование при производстве дорожных работ ресайклеров обеспечивает восстановление изношенных дорожных одежд с минимальными финансовыми затратами, поэтому приготовление новой смеси приобретает широкое распространение. Увеличение интенсивности потока и возрастание количества большегрузных средств ведет к ухудшению состояния дорог, ремонт которых иногда требует больших затрат, чем строительство новых. Поэтому именно холодный ресайклинг получает все большее распространение в мире. В частности, он применялся при реконструкции дороги Наджаф-Карбала (рис. 2) с использованием асфальтового гранулята и комплексного вяжущего.

Рис. 2. Географичская схема

Дорога Наджаф-Карбала находится на юго-западе Ирака и имеет стратегическое значение, так как в каждом городе, через который проходит эта дорога, находятся религиозные святыни, а в Наджафе также расположен аэропорт. Основные параметры поперечного профиля дорог приведены в табл. 1 и 2.

91

Научный журнал строительства и архитектуры

Таблица 2

Категория дороги Наджаф-Карбала по интенсивности движения — I-б. Для развития дороги необходимо добавить две полосы, укрепить их с использованием эмульсионноминеральных материалов, а также покрыть защитным слоем (слоем износа) толщиной 3 см

[4, 11, 17].

Первый защитный слой может быть выполнен эмульсионно-минеральной смесью фракцией 5—10 или по технологии Сларри-Сил. Следующий слой толщиной покрытия 5 см может устраиваться по технологии, представленной на рис. 3, 4.

Рис 3. Деталь поперечного профиля дороги

Рис. 4. Конструктивный слой старой проезжей части

После фрезерования слоя асфальтобетонного покрытия ресайклером (типа RM-300) или дорожной фрезой (типа WIRTGEN-2000) образуется асфальтобетонный гранулят. Из асфальтобетонного гранулята с добавкой минерального вяжущего, битумной эмульсии или битумной эмульсии совместно с цементом, а при необходимости с добавкой нового скелетного материала (в основном щебня) получают асфальтогранулобетонную смесь. После ее распределения и уплотнения в конструктивном слое она превращается в композит (рис. 5) [1, 10, 11].

Первый тип (рис. 5А) асфальтогранулобетонной смеси можно готовить по методу смешения «на дороге», второй тип (рис. 5Б) новой проезжей части из асфальтогранулобетонной смеси можно готовить в стационарной установке

На основе испытании в дорожной лаборатории Воронежского ГТУ предложен анамнестический метод определения количества добавляемых материалов при использовании асфальтового гранулята.

92

Рис. 5. Дорога после реконструкции:

А) конструктивные слои старой проезжей части после ремонта с добавлением слоя износа; Б) конструктивные слои новой проезжей части на основе эмульсионно-минеральной смеси

Расчет количества нового щебня в асфальтогранулобетонной смеси зависит от доли битума в асфальтовом грануляте (табл. 3—4) [8]:

Например, требуется найти процент нового щебня, если эмульсии в смеси 4 %, битума в асфальтовом грануляте — 4 %.

93

Научный журнал строительства и архитектуры

Решение:

Х7 Еr 7 4 3 %;

Мx 3 0,75 100 75 %; z 4

процент нового щебня:

G 100 М 100 75 25 %;

состав смеси: P = (100)−5−4 = 91 %, Mr = 75×91 = 68,25 %, Gr = 25×91 = 22,77 % — новый щебень; общий объем покрытия = 8000×1,8= 14400 м3.

Таблица 4

Количество материалов, необходимое для ресайклинга 80 км дороги

2. Применение катионоактивных битумных эмульсий с добавками. Технологиче-

ской процесс приготовления эмульсионно-минеральных материалов с использованием асфальтобетонного лома и гранулята приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема устройства конструктивного слоя из рециклируемых материалов с добавкой битумной эмульсии

Регенерация старого асфальтобетона на асфальтобетонном заводе позволяет применять сфрезерованный с дороги материал. В процессе регенерации следует вводить для получения смеси с заданными свойствами добавки каменных материалов, битума и пластификаторов и укладывать ее в конструкцию дорожной одежды на участках дорог с соответствующей интенсивностью движения. Повторное применение материалов экономит энергетические и материальные ресурсы при устройстве конструктивных слоев дорожных одежд.

Основным этапом, предшествующим переработке старого асфальтобетона, является подбор рецептуры регенерированной смеси.

При переработке используется лом асфальтобетона из щебеночных или песчаных смесей, поставляемый с дороги и складируемый в соответствии с типами раздельно по штабе-

94

лям. Он применяется в виде кусков без посторонних минеральных включений более 3 % (по массе) песчаных и супесчаных примесей и не более 0,5 % (по массе) глинистых примесей.

Асфальтобетонные смеси с добавками рециклированного материала размещаются в нижнем слое двухслойного асфальтобетонного покрытия.

Технологический процесс использования старого асфальтобетона при приготовлении асфальтобетонных смесей предусматривает разогрев его до рабочей температуры, рыхление и перемешивание. Более крупные куски старого асфальтобетона с высоким содержанием битума предварительно дробят при температуре воздуха не выше 15…20 °С.

После объединения битумной эмульсии с минеральным материалом начинается процесс ее распада, при котором отделяется битум от водной фазы. Капельки битума объединяются, образуя сплошную пленку, которая объединяется с поверхностью каменного материала. Лишняя вода перемещается из эмульсии в материал. Промежуток времени между процессом смешивания и отделения капель битума от водной фазы считается временем распада.

Процесс распада эмульсии сопровождается твердением, при котором количество воды в смеси уменьшается (сначала за счет испарения) с одновременным повышением прочности слоя на растяжение. Необходимо, чтобы до открытия движения по уложенному слою была набрана прочность и обеспечена когезия между отдельными зернами смеси.

Распад и последующее твердение эмульсии определяют следующие факторы:

—скорость абсорбции воды каменным материалом (шероховатые, пористые материалы снижают время распада и схватывания при абсорбции воды из эмульсии);

—влажность смеси перед смешиванием, от которой зависит время распада;

—влажность смеси после уплотнения, влияющая на скорость отвердевания;

—гранулометрический состав минеральный части и достигнутая плотность;

—тип и качество эмульсии (более высокая концентрация ионов эмульгатора стабилизирует эмульсию);

—механическое воздействие, вызванное работой насоса, уплотнением и нагрузками со стороны транспорта;

—состав минеральных материалов, так как скорость твердения может зависеть от фи- зико-химического взаимодействия между эмульсией и поверхностью материала;

—полярность поверхности каменного материала относительно электрического заряда эмульсии;

—температура минеральных материалов и окружающего воздуха, так как тепло активно влияет на химические реакции и ускоряет растекание и испарение воды;

—количество минерального порошка.

Цемент обычно применяется вместе с битумной эмульсией. Кроме улучшения адгезии между зернами и стойкости покрытия к влажности, он также действует как катализатор, ускоряя процесс отвердевания, что способствует скорейшему открытию движения. Результаты исследования свойств такого композита свидетельствуют о возможности добавки до 5 % масс. цемента без заметного снижения усталостных характеристик укрепленного слоя.

Повышение прочности катионоактивных битумных эмульсий с использованием добавок волокнистых наполнителей позволяет получить материалы, обладающие повышенной трещиностойкостью при высоких температурах и устойчивостью в отношении образования пластических деформаций в летний период времени

Зависимость прочности от содержания гранулята и щебня при содержании в смеси 4 % эмульсии и 5 % цемента и с разными добавками проиллюстрирована на рис. 7—8.

Прочность образцов с разным составом приведена на рис. 9. [12, 13, 18]. Указанные изменения свойств битума происходят по следующим причинам:

волокна совместно с минеральными частицами создают армирующий каркас асфальтового вяжущего;

95

Научный журнал строительства и архитектуры

адсорбция и повышенная удельная поверхность хризотила в большей степени задерживают битум;

волокна увеличивают адгезию вяжущего и его вязкость в большей степени, чем обычные минеральные заполнители.

Рис. 7. Процесс изготовления образцов с стекловолокном

Рис. 8. Процесс изготовления образцов с пластиковолокном

Рис. 9. Зависимость прочности образцов разного состава от времени

Выводы

1. В процессе исследований впервые предложен аналитический метод определения количества нового щебня в зависимости от содержания остаточного битума в асфальтовом грануляте.

96

2.Повторное применение асфальтового гранулята с комплексной добавкой цемента и битумной эмульсией экономит энергетические и материальные ресурсы и может использоваться при устройстве нижнего слоя покрытия.

3.Тонкослойные покрытия из эмульсионно-минеральных смесей, устраиваемые по технологии холодного ресайклинга, обеспечивают нормативный коэффициент сцепления и предохраняют поверхность покрытия от негативного воздействия природных и эксплуатационных факторов.

4.Повышение прочности эмульсионно-минеральных смесей с добавками волокнистых наполнителей позволяет получить дисперсно-армированные материалы, обладающие повышенной трещиностойкостью при высоких температурах и деформативной устойчивостью.

Библиографический список

1.Алферов, В. И. Дорожные материалы на основе битумных эмульсий / В. И Алферов. — Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2003. —152 с.

2.Горелов, С. В. Устройства слоев износа дорожных покрытий основе комплексномодифицированных катионных битумных эмульсий: дис. … канд. техн. наук / С. В. Горелов. — Ростов-н/Д, 2006. — 199 с.

3.Дорожкин, В. Р. Управление качеством в строительстве / В. Р. Дорожкин. — Воронеж. арх.-строит. ун-т, 2010. — 273 с.

4.Иванцов, В. А. Физико-механические свойства минеральных материалов, обработанных эмульсиями / В. А. Иванцов // Труды СоюздорНИИ. — 1969. — Вып. 34. — С. 91—102.

5.Лозикова, Ю. Г. Разработка технологии устройства дорожных покрытий на основе эффективных битумоминеральных композиций: автореф. дис. … канд. техн. наук / Ю. Г. Лозикова Ю. Г. — Воронеж, 2015. — 20 с.

6.Подольский, В. П. Теоретическое обоснование упрочнения дорожных покрытий материалами на основе катионоактивных битумных эмульсий / В. П Подольский, В. С. Турбин, В. И. Алферов // Материалы междунар. науч.-практ. конф. — Минск: БелдорНИИ, 2001.— С. 100—106.

7.Подольский, В. П. Технология и организация строительства автомобильных дорог. Дорожные покрытия / В. П. Подольский, П. И. Поспелов, А. В. Глагольев, А. В. Смирнов; под ред. В. П. Подольского. — М.: ИЦ «Академия», 2012. — 304 с.

8.Подольский, Вл. П. Применение катионоактивных битумных эмульсий в Ираке / Вл. П. Подольский, М. Х. Аль Аддесс // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2016. — № 6. — С. 27—30.

9.Пособие по строительству покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов из грунтов, укрепленных вяжущими материалами (к СниП 3.06.03-85 и СниП 3.06.06-88). — М.: СоюздорНИИ, 1990. — 256 с.

10.Рвачева, Э. М. Устройство поверхностной обработки с использованием эмульсионно-минеральных смесей литой консистенции НТОИС. — М.: Информавтодор, 2000. — № 4. — С. 28—34.

11.Резванцев, В. И. Применение битумных эмульсий в Воронежской области / В. И. Резванцев // Автомобильные дороги. — 1969. — № 1. — С. 8—10.

14.Шестаков, В. П. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий / В. П. Шестаков, В. Б. Пермяков, В. М. Ворожейкин. — Омск: СИБАДИ, 2009. — 192 с.

15.Anderson, J. Asphalt Emulsions in Paving Mixes: Open Graded and Dense Graded / J. Anderson. — Atlanta: Asphalt Emulsion Manufacturers Association, 1975.

16.Ban, S. The Properties of Asphalt Emulsion Residue / S. Ban, J. Hardin. — Atlanta: Asphalt Emulsion Manufacturers Association, 1978.

17. Coyne, L. D. Design and Construction of Emulsified-Asphalt Open-Graded Mixes and Overlays /

L.D. Coyne. — USA, 1972. — 163 р.

18.Leech, D. Cold-mix Bituminous Materials for Use in the Structural Layers of Roads. Project Report 75 / D. Leech. — Wokingham: Transport Research Laboratory, 1994. — 25 р.

19.Mertens, E. W. Cationic Asphalt Emulsions / E. W. Mertens, M. J. Borgfeldt // ABA CO Technical Publication No. 113. — California Research Corporation, American Bitumuls and Asphalt Company, 1985.

20.Zoorob, S. E. Improving the performance of cold bituminous emulsion mixtures (CBEM’s) incorporating waste materials / S. E. Zoorob, I. N. A. Thanaya // Proceedings of the 4th European Symposium on Performance of Bi-

97

Научный журнал строительства и архитектуры

tuminous and Hydraulic Materials in Pavement, BITMAT 4, University of Nottingham, UK, 11—12 April 2002. — Amsterdam, 2002/ — P. 237—249.

TECHNOLOGY OF REPAIR WORKS

WITH USE OF EMULSION-MINERAL MATERIALS AND EMULSIONS

V. P. Podol'skii1, M. X. Al-Adddess2

Voronezh State Technical University1, 2

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Construction and Operation of Highways, tel.: +7-980-555-02-85, e-mail: ecodor@bk.ru

2PhD student of the Dept. of Construction and Operation of Highways, tel.: +7-951-864-83-91,

e-mail: aladdess@yandex.ru

Statement of the problem. In recent years, thin surface pavement layers have been very important for providing the required roughness and protect the upper layers from negative natural effects and operational factors. These layers are commonly made of emulsion-mineral mixtures using recycling machines. Results. According to the goals of recycling and a type of a machine, which is used to distribute a bitumen binder, machines might vary considerably. During the reconstruction of the Najaf-Karbala road in the Republic of Iraq asphalt granulate milled from a pavement surface for the preparation of the asphaltgravel concrete mixture was used.

Conclusions. During the study an analytical method of identifying the amount of new road metal was suggested depending on the residual bitumen in the asphalt granulate. Another use of the asphalt granulate with a complex addition of cement and bitumen emulsion saves energy and material resources and can be used for the installation of the lower pavement layer. An increase in the strength of the emulsion mineral mixtures with the addition of fiber fillers allows one to obtain dispersed reinforced materials with high crack resistance at high temperatures and deformation stability.

Keywords: cation-active emulsion, recycler, recycling, asphalt-granulate, granulate, recycled materials, wear and tear layer.

КОНКУРС ПРОЕКТОВ 2018ГОДА ОРГАНИЗАЦИИ РОССИЙСКИХ

И МЕЖДУНАРОДНЫХ НАУЧНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Заявки принимаются до: 15.08.2018 23:59 Код конкурса: «г»

Задача конкурса – развитие регионального и международного научного сотрудничества, создание условий российским ученым для обмена результатами исследований, систематизация актуальных проблем и выявление тенденций научных исследований по направлениям, поддерживаемым Фондом.

На конкурс может быть представлен проект организации российского или международного научного мероприятия или отдельной секции российского или международного мероприятия по следующим научным направлениям: математика, механика; физика и астрономия; химия и науки о материалах; инфокоммуникационные технологии и вычислительные системы; фундаментальные основы инженерных наук и др.

До подачи проекта на конкурс в сети Интернет должна быть размещена информация о мероприятии: сведения о программном и организационном комитетах, о научной программе, сроках проведения, размере организационного взноса.

Документы должны поступить в Фонд не позднее, чем за 4 месяца до начала мероприятия.

См. подробнее на официальном сайте РФФИ: http://www.rfbr.ru.

98

УДК 625.717

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОТРЕМОНТИРОВАННОГО АЭРОДРОМНОГО ПОКРЫТИЯ

В. П. Подольский1, А. Н. Попов2, Е. В. Макаров3

Воронежский государственный технический университет1 Россия, г. Воронеж

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»2, 3

Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог,

тел.: (473)236-18-89, e-mail: ecodor@bk.ru

2Канд. техн. наук, доц., начальник кафедры инженерно-аэродромного обеспечения, тел: +7-919-243-32-17

3Адъюнкт кафедры инженерно-аэродромного обеспечения, тел: +7-910-349-67-79,

e-mail: e.vmakarov@yandex.ru

Постановка задачи. Решалась задача расчета и сравнительного анализа напряженодеформированного состояния восстановленной конструкции аэродромного покрытия для различных граничных условий с использованием предлагаемых авторами данной статьи теоретических подходов.

Результаты. Представлены теоретические основы аналитического метода расчета напряжений в слоистой конструкции восстановленного аэродромного покрытия под воздействием статической нагрузки, а также численного метода расчета напряженно-деформированного состояния отремонтированного аэродромного покрытия с использованием программного комплекса «Лира». Раскрыты недостатки аналитического метода расчета, показана специфика определения напряженнодеформированного состояния в программном комплексе, позволяющая учесть выявленные недостатки. Проведен сравнительный анализ результатов расчета напряжений по двум методикам.

Выводы. Исследование показало возможность расчета напряжений по методикам, предложенным авторами статьи. Аналитический метод уместнее использовать для проведения предварительных расчетов. Результаты численного моделирования, учитывающего большее количество входных параметров, позволяют более детально оценить напряженно-деформированное состояние, что актуально для решения исследовательских задач.

Ключевые слова: ремонтные слои, жесткие аэродромные покрытия, напряженно-деформированное состояние.

Введение. Соответствие технического состояния аэродромного покрытия требованиям нормативных документов — залог безаварийной эксплуатации воздушных судов. В процессе эксплуатации жестких аэродромных покрытий под воздействием эксплуатационных нагрузок неизбежно образование повреждений, оказывающих влияние на безопасное выполнение взлетно-посадочных операций, при этом практически не изменяющих несущую способность. С целью поддержания необходимого уровня эксплуатационной готовности и обеспечения нормативного срока службы аэродромных покрытий эксплуатирующими подразделениями организуются и проводятся работы планово-предупредительного ремонта [12]. Однако выбор способа производства работ, методика подбора ремонтных материалов в настоящее время строго не регламентируются. В результате, как показывает практика эксплуатации отремонтированных покрытий, расчетный срок службы восстановленного покрытия не обеспечивается [7].

© Подольский В. П., Попов А. Н., Макаров Е. В., 2018

99

Научный журнал строительства и архитектуры

Расчетная схема отремонтированного аэродромного покрытия представляет собой двухслойную конструкцию. Существуют различные подходы к расчету и конструированию двухслойных конструкций жестких покрытий. Теоретические исследования напряженнодеформированного состояния многослойных пластин на упругом основании, имеющие научно обоснованную математическую модель, первоначально отражены в работах Э. И. Григолюка [3, 4], Б. И. Когана [5], В. С. Никишина [14], А. В. Синицина [15]. Расчет многослойного жесткого аэродромного покрытия с учетом расположенной рабочей арматуры предложил В. А. Кульчицкий [8—10]. В работах [1, 17, 18—22] рассматривается расчет бетонных покрытий, восстановленных ремонтным слоем по всей площади. Однако получаемые теоретические зависимости не учитывают геометрические параметры поврежденного участка, что объясняется сложностью решения поставленной задачи аналитическим методом. Современные программные комплексы позволяют моделировать поведение восстановленной конструкции в различных условиях для большого количества входных параметров и учитывать размеры дефектного участка. В работе [16] проведено исследование деформаций отремонтированных участков жесткого покрытия методом конечных элементов без учета влияния адгезивных свойств ремонтного материала. Таким образом, отсутствие требований к физико-механическим характеристикам ремонтных составов, методики расчета ремонтных участков жестких аэродромных покрытий затрудняют подбор ремонтного материала, как на этапе применения, так и оценки долговечности восстановленной конструкции.

Цель данной статьи — расчет напряжено-деформированного состояния восстановленной конструкции аэродромного покрытия для различных граничных условий с использованием предлагаемых авторами данной статьи теоретических подходов и проведение их сравнительного анализа.

1. Аналитический расчет слоистой конструкции восстановленного аэродромного покрытия под воздействием статической нагрузки. Аналитический расчет напряженного состояния отремонтированного участка жесткого аэродромного покрытия под воздействием нагрузки от колеса воздушного судна строится на решении задачи об изгибе неограниченной плиты на упругом основании под воздействием статической нагрузки. Выбор статической схемы объясняется тем, что при движении воздушного судна на малых скоростях (до 30— 40 км/ч) воздействие на покрытие сопоставимо со стояночной нагрузкой от опоры самолета, при больших скоростях вступает в работу разгружающий эффект подъемной силы. В качестве расчетной нагрузки Fа приняты нагрузка от колеса основной опоры самолета и собственный вес конструкции. Ввиду достаточно большой жесткости и незначительных прогибов бетонного аэродромного покрытия под воздействием механической нагрузки в качестве модели упругого основания используем модель Винклера, которая рассматривает грунт как систему не связанных между собой пружин, опирающихся на жесткое горизонтальное основание, характеризуемую коэффициентом постели K.

Расчетная схема (рис. 1) представляет собой лежащую на сплошном упругом основании двухслойную конструкцию восстановленного по все площади аэродромного покрытия. Верхний слой из ремонтного материала толщиной h1 характеризуется модулем упругости Е1 и пределом прочности на сжатие R1, нижний слой — существующее покрытие толщиной h2 с модулем упругости Е2 и пределом прочности на сжатие R2. Контакт между слоем ремонтного состава и существующего покрытия задан идеальным, что предполагает совместную работу слоев плиты. Колесная нагрузка Fa равномерно распределена по окружности радиусом R и статически приложена в центре отремонтированного участка. В плане размер отремонтированного участка жесткого аэродромного покрытия ограничен температурными швами. Температурное воздействие на конструкцию не учитывается. Ось x выбранной системы координат лежит в нейтральной плоскости n−n, ось z перпендикулярно направлена вниз.

В качестве критерия оценки изменения напряженного состояния слоистой конструкции восстановленного аэродромного покрытия назначаем наибольшие нормальные напряжения в

100