CC BY
4
УДК 536.24:621.365.5:625.717 О. Р. Дорняк, А. Б. Недоносков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕМЕНТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ СВЧ-НАГРЕВЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ШВА
В статье представлены результаты экспериментального исследования температурных параметров цементобетонного аэродромного покрытия при диэлектрическом нагреве деформационного шва.
Ключевые слова: СВЧ-нагрев, аэродромные покрытия, деформационные швы, цементобетон. DOI: 10.24412/2227-1384-2023-150-22-29
Распространённым дефектом жёстких аэродромных покрытий, приводящим к его преждевременному разрушению, является разгерметизация деформационных швов.
На практике восстановление работоспособности деформационных швов достигается посредством проведения ремонтных работ, сопровождающихся довольно большими экономическими затратами. Поэтому поиск эффективных способов повышения долговечности деформационных швов аэродромных покрытий, увеличение межремонтных сроков их службы является актуальной задачей.
Авторами предложен способ увеличения срока службы деформационных швов, выполненных по стандартной технологии за счёт проведения профилактических работ, которые не ограничивают существенно режим эксплуатации взлётно-посадочных полос и могут проводиться независимо от погодных условий [6].
Предложено проводить плановую периодическую термообработку герметизирующего материала деформационного шва с использованием специальной передвижной СВЧ-установки. Движение этой установки с определённой скоростью вдоль шва приводит к его нагреву до температуры, при которой герметизирующий материал переходит в текучее со-
Дорняк Ольга Роальдовна — доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники, теплотехники и гидравлики (Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова, Воронеж, Россия); e-mail: ordornyak@mail.ru.
Недоносков Александр Борисович — старший преподаватель кафедры кадровой и организационно-мобилизационной работы (Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», Воронеж, Россия); e-mail: alexandr63339@yandex.ru.
© Дорняк О. Р., Недоносков А. Б., 2023
22
стояние. Такое состояние обеспечивает самопроизвольное устранение мелких дефектов материала шва. Устраняются как нарушения сплошности в самом герметике, так и отслоение герметика от поверхности плиты.
СВЧ-технологии успешно используются при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий [4; 5]. Для ремонта деформационных швов жёстких аэродромных покрытий данные технологии ранее не применялись.
Основным компонентом герметизирующего материала является битум, способность которого определяется физическими и химическими свойствами [7]. Интенсивность процесса восстановления битума зависит от температурных условий [8]. Чем выше температура битума, тем быстрее происходит смачивание поверхностей трещин, а также их заполнение текучим герметиком.
В работах [1; 2] выявлен характер влияния параметров СВЧ-обработки на физико-механические характеристики битума, такие как вязкость, температура размягчения, прочность когезионных связей с минеральными материалами. Показано, что применение битума, обработанного СВЧ-полем при производстве асфальтобетонных смесей, приводит к повышению прочности готового асфальтобетонного покрытия.
Практическое применение способа профилактического ремонта деформационных швов [6] возможно после выявления наиболее эффективных режимов СВЧ-воздействия на герметизирующий слой шва, которые могут быть получены с использованием математических моделей.
Для верификации результатов математического моделирования процесса СВЧ-нагрева деформационного шва, в частности, представленных в [3], проведено экспериментальное исследование.
Сконструирована лабораторная установка для СВЧ-нагрева битумно-полимерного герметика в деформационном шве, позволяющая осуществлять контроль температуры в различных зонах. Цель исследования — изучение кинетики нагрева слоёв разных материалов, заполняющих шов, а также материала цементобетонных плит, ограничивающих шов.
В данной работе представлены результаты, относящиеся к нагреву цементобетонного покрытия в зоне его сопряжения с битумно-полимерным слоем деформационного шва. Для проведения эксперимента использовались материалы и оборудование, представленные в таблице 1.
Площадка для проведения эксперимента обустроена на открытом грунте. Экспериментальная площадка устроена из 2-х бетонных бордюрных камней размерами 1000*300*150 мм, уложенных задней стенкой на песчаное основание толщиной 30 мм, нижней стороной друг к другу так, чтобы между ними оставался зазор шириной 15 мм, который будет имитировать деформационный шов жёсткого аэродромного покрытия. Экспериментальная площадка разделена на два участка длиной 500 мм каждый для устройства швов по двум вариантам (рисунок 1).
23
Таблица 1
Характеристика материалов и оборудования, использованных при проведении эксперимента
№ п/п Материалы и оборудование Характеристики Соответствие ГОСТ Изготовитель
1 Камень бордюрный БР100.30.15 Размер - 1000x300x150 Класс бетона В30 ГОСТ 6665-91 ЖБИ завод, г. Воронеж
2 Песок строительный Фракция 0,15-0,5 мм ГОСТ 8736-93 Никольский карьер, г. Воронеж
3 Цемент марки ЦЕМ I 42^ Портландцемент с прочностью М500 ГОСТ 311082020 АО «Липецкце-мент»
4 Герметик битумно-полимерный марки БП-Г25 «Ижора» Температура размягчения, °С — не ниже +80; Рабочая температура -140 — 180 °С ГОСТ 307402000 ТУ 5772-00911149403-2002 ЗАО «Растро», г. Санкт-Петербург
5 Шнур уплотнитель-ный «Брит» 0 — 20 мм Теплостойкость — более 200 °С СТО 77310225.0022012 ООО «ГАЗ- ПРОМНЕФТЬ- БМ»
6 Магнетрон ОМ75Р Выходная мощность — 1000 Вт; частота излучения — 2450 MГц Соответствует Росстандарту Фирма «Samsung», Корея
7 4-канальный цифровой промышленный измеритель температуры НТ-9815 Диапазон измерения температуры: - 200 °С ~ 1372 °С Точность: > - 100 °С: ± 1 °С; < - 100 °С: ± 2 °С Соответствует Росстандарту Фирма «Hti», Китай
8 Датчик температуры тип К Тип термопары — хро-мель-алюмель; Рабочая температура — до 250 °С Соответствует Росстандарту Фирма «S-Line Easter Electronic», Китай
На втором участке для контроля температуры в цементобетонном покрытии были установлены два температурных датчика на глубине 15 мм от поверхности покрытия и расстоянии от края деформационного шва 5 мм (Д1) и 25 мм (Д2). Для более плотного контакта датчиков с плитой пустоты вокруг них заполнили тем же материалом, из которого изготовлено покрытие (рис. 3).
Рис. 1. Плошддка для проведения эксперимента
24
Варианты устройства швов представлены на рисунке 2.
а) б)
Рис. 2. Деформационный шов: а) без уплотнительного шнура (вариант I); б) с уплотнительным шнуром (вариант II). Область 1 — песчаное основание; 2 — цементобетонная плита; 3 — пескоцементная смесь; 4 — герметизирующий материал (БПГ-25); 5 — уплотнительный шнур
Рис. 3. Положения датчиков температуры в цементобетоне
Экспериментальная СВЧ-установка состоит из излучателя с рупорной антенной, который установлен на металлической опорной раме, изготовленной в виде передвижной платформы с колёсами, позволяющими перемещать устройство вдоль траектории обрабатываемого шва (рис. 4). Для более точного позиционирования антенны над поверхностью шва предусмотрена её регулировка по высоте. Питание установки осуществляется от сети переменного напряжения 220 В. Схема антенны приведена на рисунке 4.
25
Рис. 4. Размеры рабочего органа и общий вид экспериментальной СВЧ-установки:
1 — блок питания с магнетроном; 2 — волновод; 3 — рупорная антенна;
4 — экранирующий пояс; 5 — передвижная опорная рама;
6 — охлаждающий вентилятор
Измерения проводились с 3-кратной повторяемостью, при температуре окружающего воздуха 25 — 27 °С и относительной влажности воздуха 45 %. Участок облучался в течение 10 минут с поминутным контролем температуры. Каждое последующее измерение начиналось после достижения температуры на исследуемом участке начальных значений. Средние значения температуры с датчиков в цементобетонном покрытии в разные моменты времени показаны в таблице 2.
Таблица 2
Средние значения температуры в цементобетонном покрытии в разные моменты времени на участке II
№ датчика Начальная температура датчика, °С Время обработки, мин./температ фа, °C
1' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 10'
Д1 23,5 39,4 49,9 60,5 69,2 74,7 82,4 88,5 94,2 98,8 100,8
Д2 24 32,4 39,9 46,2 51,4 57,5 60,9 65,6 70,1 73,3 76,9
Результаты измерений с помощью датчика Д1 демонстрируют значительный разогрев той части материала плиты, которая подвергается СВЧ-термообработке одновременно с материалами, заполняющими деформационный шов. Позиция датчика Д2 не попадает под раскрыв рупора антенны излучателя (рис. 3). Здесь за счёт процесса теплопередачи температура цементобетона ниже примерно на 25 % по сравнению с температурой цементобетона вблизи границы с деформационным швом, определяемой по датчику Д1 (таблица 2).
26
I нач Г 2' 3' 4' 5' 6' Г 8' 9' 10' Время, мин.
Рис. 5. Показания температуры в верхнем слое покрытия и деформационного шва в различные моменты времени
Данные эксперимента показали (рис. 5), что в рассмотренный временной период в заданных условиях опыта значения температуры це-ментобетонного покрытия, подвергаемого облучению, близки к значениям битумно-полимерного герметика в поверхностной зоне (показания с датчика Дгерм). Практически одинаковая скорость нагрева соседних областей жёсткого аэродромного покрытия, занятых герметиком и цементобетоном, обусловлена, по-видимому, тем, что характеристики диэлектрических свойств этих материалов близки по своим значениям.
Следует отметить, что нагрев области цементобетонного покрытия, прилегающей к герметику, повысит прочность их адгезионного контакта после приведения битума в текучее состояние.
Проведённое исследование позволяет сделать выводы.
1. Термообработка зоны деформационного шва жёсткого аэродромного покрытия с помощью энергии электромагнитных волн сверхвысокой частоты приводит к существенному разогреву цементнобетонной плиты в прилегающей к шву области.
2. При теоретическом моделировании СВЧ-нагрева материалов заполняющий деформационный шов следует включать в число объектов теплового нагружения элементы цементно-бетонной плиты.
Список литературы
1. Акимов А. Е., Чемаркина Н. В. Улучшение свойств битумов методом СВЧ-обработки / / Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова. Белгород: Изд-во БГТУ, 2009.
2. Акимов А. Е., Ядыкина В. В., Гридчин А. М. Применение токов СВЧ для повышения характеристик дорожных битумов / / Строительные материалы. 2010. № 1. С. 12 — 16.
27
3. Дорняк О. Р., Недоносков А. Б. Способ термообработки деформационного шва аэродромного покрытия с использованием СВЧ-воздействия // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2021. № 17. С. 66 — 75.
4. Карпенко Ю. В., Нефёдов В. Н. СВЧ-разогреватели асфальтобетонных покрытий / / Автомобильные дороги. 1996. № 5. С. 44 — 57.
5. Карпенко Ю. В., Нефедов В. Н. Машины для СВЧ-разогрева асфальтобетонных покрытий. М.: Информавтодор, 1997. 51 с. (Автомобильные дороги: Обзорная информация. Вып. 1).
6. Патент № 2783131 РФ, МПК E01C 23/09 (2006.01). Способ обработки и восстановления рабочих свойств швов жёстких аэродромных и дорожных покрытий : № 2021134425 : заявл. 24.11.2021 : опубл. 09.11.2022 / Недоносков А. Б., Внуков А. Н., Дорняк О. Р., Санникова С. М., Макогон В. К. Бюл. № 31.
7. Bhasin A., Palvadi S., Little D. Influence of aging and temperature on intrinsic healing of asphalt binders. Transportation Research Record // Journal of the Transportation Research Board. 2011. No. 2207 (1). Pp. 70 — 78.
8. Tabakovic A., Schlangen E. Self-healing technology for asphalt pavements, Advances
in Polymer Science, 2015. Pp. 285 — 306.
* * *
Dornyak Olga R.,1 Nedonoskov Alexander В.2
EXPERIMENTAL STUDY OF THE TEMPERATURE PARAMETERS
OF CEMENT CONCRETE COATING DURING MICROWAVE HEATING
OF THE DEFORMATION SEAM
(Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov, Military Educational and Scientific Centre of the Air Force N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin
Air Force Academy, Voronezh, Russia)
The article demonstrates the results of an experimental study of the temperature parameters of
a cement-concrete airfield coating during dielectric heating of a deformation seam.
Keywords: microwave heating, airfield coatings, expansion joints, cement concrete.
DOI: 10.24412/2227-1384-2023-150-22-29
References
1. Akimov A. Ye., Chemarkina N. V. Improving the properties of bitumen by microwave processing [Uluchsheniye svoystv bitumov metodom SVCH-obrabotki], Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya molodykh uchonykh BGTU im. V. G. Shukhova (International Scientific and Technical Conference of Young Scientists of BSTU. V. G. Shukhov), Belgorod: Publishing house of BGTU, 2009.
2. Akimov A. Ye., Yadykina V. V., Gridchin A. M. The use of microwave currents to improve the characteristics of road bitumen [Primeneniye tokov SVCH dlya povysheniya kharakteristik dorozhnykh bitumov], Stroitel'nyye materially, 2010, no. 1, pp. 12 — 16.
3. Dornyak O. R., Nedonoskov A. B. Method of heat treatment of the deformation joint of the airfield pavement using microwave exposure [Sposob termoobrabotki deformatsionnogo shva aerodromnogo pokrytiya s ispol'zovaniyem SVCH-vozdeystviya], Vozdushno-kosmicheskiye sily. Teoriya i praktika, 2021, no. 17, pp. 66 — 75.
4. Karpenko Yu. V., Nefodov V. N. Microwave heaters for asphalt concrete coatings [SVCH-razogrevateli asfal'tobetonnykh pokrytiy], Avtomobil'nyye dorogi, 1996, no. 5, pp. 44—57.
28
5. Karpenko Yu. V., Nefedov V. N. Mashiny dlya SVCH-razogreva asfal'tobetonnykh pokrytiy [Machines for microwave heating of asphalt concrete coatings], Avtomobil'nyye dorogi: Obzornaya informatsiya. Vyp. 1 (Roads: Survey information. Issue 1), Moscow, Informavtodor Publ., 1997. 51 p.
6. Nedonoskov A. B., Vnukov A. N., Dornyak O. R., Sannikova S. M., Makogon V. K. Sposob obrabotki i vosstanovleniya rabochikh svoystv shvov zhostkikh aerodromnykh i dorozhnykh pokrytiy ( Method for processing and restoring the working properties of seams of rigid airfield and road pavements), patent no. 2783131 RU, MPK E01C 23/09 (2006.01), publ. 09.11.2022, Byul. No. 31.
7. Bhasin A., Palvadi S., Little D. Influence of aging and temperature on intrinsic healing of asphalt binders. Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, 2011, no. 2207 (1), pp. 70-78.
8. Tabakovic A., Schlangen E. Self-healing technology for asphalt pavements, Advances in Polymer Science, 2015, pp. 285—306.
■k -k -k
29
