CC BY
67УДК 625.855.3,625.861
А.М. КИРИЛЛОВ, канд. физ.-мат. наук (kirill806@gmail.com), М.А. ЗАВЬЯЛОВ (zavyalov.m.a@gmail.com), д-р техн. наук
Сочинский государственный университет (354000, Краснодарский край, г. Сочи, ул. Советская, 26А)
Интерпретация свойств асфальтобетона в дорожном покрытии
Проведенное в статье рассмотрение вопросов, касающихся асфальтобетонных дорожных покрытий, подтверждает тот факт, что как само покрытие, так и его элементы являются сложными системами. Анализ состояния дорожного покрытия - задача многофакторная, и факторы эти в большинстве случаев имеют стохастический характер. Известные в настоящее время методы и технологии мониторинга и управления состоянием дорожных одежд имеют свои определенные границы применимости. Предложен интегральный подход, позволяющий интерпретировать основные деформационные и энергетические процессы, происходящие на разных этапах эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия. Применяемый подход дает возможность диагностики изменений функционального состояния асфальтобетонного покрытия. Сформулированы научные гипотезы: о влиянии пористости асфальтобетона на его теплоемкость и о перспективности использования математической модели теории катастроф «сборка» для описания ползучести материала.
Ключевые слова: асфальтобетон, дорожное покрытие, эксплуатационное состояние, синергетические свойства, точка бифуркации.
A.M. KIRILLOV, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics) (kirill806@gmail.com), M.A. ZAVYALOV (zavyalov.m.a@gmail.com), Doctor of Sciences (Engineering) Sochi State University (26A, Sovetskaya Street, 354000, Sochi, Krasnodar Krai, Russian Federation)
Interpretation of Asphalt Concrete Properties in Road Pavement
The consideration of issues related to asphalt concrete road pavement confirms the fact that the pavement itself and its elements are complex systems. The analysis of road pavement conditions is a multifactor task and these factors, in most cases, have a scholastic character. Currently known methods and technologies for monitoring and control over conditions of road pavement have their own limits of applicability. An integral approach making it possible to interpret main deformation and energetic processes taking place at various stages of the operation of asphalt concrete road pavement is proposed. The approach used makes it possible to diagnose the changes in the functional state of asphalt concrete pavement. Scientific hypotheses about the influence of asphalt concrete porosity on its heat capacity and about the prospectivity of the use of the mathematical model of the cusp catastrophe theory for describing the material creep have been formulated.
Keywords: asphalt concrete, road pavement, operational condition, synergetic properties, bifurcation point.
Прогнозирование долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий является существенной проблемой современного дорожного строительства ввиду ограниченности теорий и технологий асфальтобетона и покрытий из него с контролируемыми физико-механическими характеристиками. Сложность решения этого вопроса аналитическим путем связана: во-первых, с многообразием трудно поддающихся математическому описанию факторов внешнего воздействия (транспортного, погодного и др.); во-вторых, со сложностью недостаточно полно изученных внутренних физико-химических процессов в асфальтобетоне как сложном композиционном материале. Экспериментальное решение также сопряжено с известными затруднениями, связанными с необходимостью накопления достаточно большого количества статистического материала. Таким образом, решение вопроса прогнозирования долговечности асфальтобетонных покрытий должно осуществляться по наиболее значимым показателям долговечности с интегральным учетом множества факторов, влияющих на динамику развивающихся в асфальтобетоне процессов. Известны исследования влияния действия эксплуатационных факторов на изменчивость свойств асфальтобетонов, в которых показано, что совместное действие различных факторов имеет неаддитивный характер. Эффект совместного действия не эквивалентен общему эффекту от раздельного воздействия отдельных факторов (принцип независимости действия не выполняется). Таким образом, асфальтобетонное покрытие является сложной нелинейной системой и изменение его свойств может сопровождаться си-нергетическими эффектами. В связи с этим закономерности, установленные по результатам исследования комбинированного воздействия различных факторов,
позволяют разработать более совершенные методы расчета надежности и долговечности дорожных покрытий.
Динамика свойств асфальтобетона в дорожном покрытии определяется множеством факторов, степень влияния которых в различные периоды жизненного цикла асфальтобетона различна. Асфальтобетон является сложной физико-химической гетерогенной системой. Современная теория рассматривает асфальтобетон состоящим из двух структурных составляющих: минерального остова (заполнителя), образованного относительно крупными каменными составляющими (песком, щебнем или гравием), и асфальтовяжущего, состоящего из битума и минерального порошка. Эволюция свойств асфальтобетона начинается уже на этапе приготовления асфальтобетонной смеси и продолжается в течение всего его жизненного цикла в качестве дорожного покрытия. Здесь в первую очередь необходимо говорить о процессе, называемом «старение битума». Старение — процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости, потерей вязкопластических свойств и снижением гидрофобности. Это обусловливается в первую очередь испарением масел и других летучих фракций, входящих в состав битумов. Интенсивность этого процесса зависит от температуры их кипения, величины поверхности испарения, степени насыщенности и упругости паров в пространстве над поверхностью. По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы ас-фальтены (твердые хрупкие вещества черного или бурого цвета, наиболее высокомолекулярные компоненты нефти), а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума являются ядрами, окруженными сольватной оболочкой убывающей плотности —
Яь/Яш
Рис. 1. Зависимость нормированной прочности ЯЬ/Ят от пористости п при различных значениях эмпирического показателя Ь: 1 - Ь=1; 2 - Ь=1,5; 3 - Ь=2,5; 4 - Ь=3; 5 - Ь=3,5
от тяжелых смол к маслам (мицеллы). Вторым важным фактором старения органических вяжущих в асфальтобетоне является химическое изменение компонентов битума с образованием новых высокомолекулярных органических соединений. От соотношения входящих в битум составных частей (масел, смол и асфальтенов) зависят его свойства как дисперсной системы. Эти изменения связаны с процессом окисления под воздействием факторов со стороны окружающей среды — температуры, света, воздуха и воды. Составные части изменяются, превращаясь частично из одних видов в другие: масла переходят в смолы, смолы — в асфальте-ны. В результате с течением времени в битуме происходит увеличение количества асфальтенов. Удельная же доля смол, придающих битуму пластичность, тягучесть, со временем уменьшается. По мере накопления асфальтенов постепенно теряются пластические свойства битума и увеличивается его хрупкость. Асфальтены придают битуму твердость и теплоустойчивость. Так как дорожные битумы применяют как связующие компоненты в смеси с минеральными материалами, прогнозирование свойств битума в рабочих условиях невозможно в отрыве от свойств используемого минерального наполнителя. Характер и прочность связей, возникающих на границе раздела фаз между компонентами битумоминеральной смеси (адгезия), зависят от химической природы битума и минерального материала. При смешивании в процессе приготовления асфальтобетонной смеси минеральных материалов с битумом происходят сложные физико-химические процессы, на которые оказывают влияние свойства объединяемых материалов и которые определяют в дальнейшем качество дорожного асфальтобетонного покрытия. Возможность управления свойствами асфальтобетона подбором его компонентного состава показана многими исследованиями. Рассмотренные выше положения должны учитываться уже на этапе приготовления асфальтобетонной смеси. Необходимо также отметить, что технологии производства асфальтобетонных смесей получили «новое дыхание» с развитием нанотехнологий [1].
Следующий этап жизненного цикла асфальтобетона — строительство дорожного покрытия. Важнейшую роль здесь играет технология уплотнения смеси. Плотность — это важный показатель, характеризующий структуру асфальтобетона, его прочностные, рео-
логические свойства и долговечность. Уплотнение приводит к повышению числа связей в материале (адгезионных и когезионных) и, как следствие, к увеличению прочности. Плотность коррелируется с пористостью материала. Остаточная пористость должна быть не менее 1,5—2% объема асфальтобетона, что необходимо для компенсации тепловых колебаний объема битума и минеральной части при изменении значений температуры, особенно это важно для регионов с большим разбросом дневных и ночных, летних и зимних значений температуры. С другой стороны, большая пористость приводит к понижению теплопроводности покрытия и в результате к температурным градиентам в вертикальном направлении, а это приводит к неоднородности теплового расширения по глубине покрытия и увеличивает вероятность возникновения так называемых температурных трещин. Кроме того, наличие открытых пор приводит к увеличению увлажненности покрытия, что негативно сказывается на морозостойкости и коррозионной стойкости покрытия, понижая прочность и долговечность дорожной одеж-ды.Во второй половине ХХ века проводились многочисленные исследования, посвященные вопросам тре-щиностойкости дорожных асфальтобетонных покрытий, поскольку существовавшие методы расчета и конструирования покрытий не учитывали возможности образования на них температурных трещин. Между тем они вызывают преждевременные разрушения покрытия гораздо чаще, чем внешние нагрузки от автомобильного транспорта. Результаты многих исследований в области предотвращения образования температурных трещин сводились к рекомендациям по изменению состава асфальтобетона и введению в него различного рода добавок. Все эти предложения в большей или меньшей степени повышали трещиностой-кость асфальтобетонных покрытий или помогали лучше прогнозировать долговечность покрытий в отношении трещиностойкости, но не решали проблемы в целом. Некоторые исследователи подошли к практическому решению этой задачи путем увеличения толщины покрытия и укладки на асфальтобетонное основание. Состояние толстослойных покрытий подтвердило, что на таких покрытиях гораздо меньше температурных трещин, чем на покрытиях традиционной толщины. Однако накопленный опыт невозможно было распространить, так как он не имел теоретического обоснования.
В процессе уплотнения одновременно с упорядочением текстуры асфальтобетона, сближением частиц и агрегатов, увеличением числа контактов зерен заполнителя и обволакивающих их битумных пленок происходит также защемление и обжатие пузырьков воздуха в объеме материала (уменьшение доли открытых пор при превращении их в закрытые). Авторы работы [2], ссылаясь на исследования прочности пористого тела, сделали вывод, что прочность Rb пористого тела зависит от прочности плотного Rm и ее в зависимости от пористости п можно выразить формулой:
Rb = Rm (1-п)ь,
(1)
где Ь — эмпирический показатель.
На рис. 1 приведена зависимость нормированной прочности Rb/Rm от пористости п при различных значениях эмпирического показателя Ь. Можно видеть, что при значениях пористости до 10 % прочность пористого тела меньше прочности сплошного не более чем на 20%. При значениях пористости до 20% уменьшение прочности с увеличением пористости происходит практически линейно. Дальнейшее увеличение пористости приводит к существенному уменьшению прочности пористого
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 88 апрель 2015 М ®
тела в сравнении со сплошным, что, однако, не имеет места в практике строительства асфальтобетонных дорожных покрытий. Следовательно, рассматривая взаимосвязь пористости материала с прочностью плотной матрицы, можно прогнозировать прочность асфальтобетона.
Выше рассматривали только свойства самой асфальтобетонной смеси и ее компонентов и не рассматривали других аспектов современных технологий дорожного строительства. Например, в настоящее время широкое распространение получило армирование дорожного полотна с помощью геотекстиля и геосетки.
Дорожные одежды в процессе эксплуатации находятся под воздействием множества факторов, главные из которых: грунтово-геологические и гидрологические условия, рельеф и ландшафт местности, погодно-климатические и механические, обусловленные нагрузками от транспортных средств. Грунтово-геологические и гидрологические факторы: тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев, глубина промерзания, характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностных вод. Погодно-климатические факторы: атмосферное давление, солнечная радиация, температура и влажность воздуха, осадки, ветер. Все эти факторы в различных своих сочетаниях обусловливают водно-тепловой режим дорожного полотна, и изменения характеристик этого режима существенно влияют на прочность, долговечность дорожной одежды и дороги в целом, приводят к снижению транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог.
Первая стадия старения асфальтобетона в период эксплуатации — это так называемый постстроительный период (начало эксплуатации). В данный период свойства асфальтобетона «улучшаются»: происходит его упрочнение, повышение водостойкости и снижение де-формативности. Связано это с действием уплотняющих нагрузок от транспортных средств (доуплотнение). На этом этапе процессы взаимодействия битума с минеральными материалами еще играют конструктивную роль. Происходит перераспределение активных соединений битума в объеме битумных пленок по их толщине с повышением концентрации высокомолекулярных соединений — асфальтенов на границе с минеральной поверхностью; уменьшение количества масел и увеличение количества смол и асфальтенов в асфальтобетоне, а также повышение когезии битума. В асфальтобетонном покрытии под влиянием движения автомобилей и окружающей среды происходит стабилизация структуры в результате необратимых процессов в битумных пленках и упрочнения связей на границе раздела минеральный материал — вяжущее.
Известно, что в постстроительный период происходит уменьшение энтропии [3] асфальтобетонного покрытия, увеличение его плотности и модуля упругости (жесткости). Уменьшение энтропии связано с уменьшением температуры и объема, с текстурными изменениями покрытия (упорядочением). Текстурное «улучшение» связано, во-первых, с доуплотнением покрытия и частичным измельчением зерен минерального вещества под воздействием движущегося транспорта. Вяжущее в асфальтобетоне перераспределяется и уменьшается условная толщина пленки битума на минеральных зернах («отощение» асфальтобетона), как следствие, увеличивается жесткость. Во-вторых, благодаря физико-химическим процессам в битуме происходит его переход из коллоидной системы типа золь в более структурированные системы типа золь-гель и гель [4]. В этом случае в системе формируется непрерывный трехмерный каркас (макромолекулярная сетка) из асфальтенов, что сообщает ей такие свойства, как
отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (упругость и пластичность).
Таким образом, в постстроительный период физико-механические свойства асфальтобетона повышаются: возрастают его прочностные показатели, модуль упругости, относительное удлинение при разрыве. Достигнув экстремального значения, они начинают снижаться. Например, модуль упругости дорожной конструкции снижается по логарифмическому закону. Основной причиной такого процесса названо усталостное растрескивание монолитных слоев, работающих на изгиб; было предложено определять срок службы запроектированной дорожной одежды по критерию усталостного растрескивания [5].
Наступает следующая стадия старения, наиболее продолжительная и характеризующаяся практической неизменностью показателей прочности асфальтобетона. Это основной период эксплуатации дороги, когда происходит практически равномерное образование деформаций во времени. Скорость роста количества деформаций зависит главным образом от характеристик движения транспортных средств (интенсивность и состав транспортного потока). К концу данного периода условия эксплуатации заметно изменяются: снижается ровность, появляются заметный износ и отдельные дефекты в виде трещин, выбоин, выкрашивания и т. п. Долговременная прочность асфальтобетона находится в согласии с гипотезой необратимости процесса разрушения, выраженной в принципе аддитивности (линейного суммирования) повреждений [6]. В следующем периоде жизненного цикла дорожного покрытия накапливаемые остаточные деформации начинают интенсивно проявляться в виде дефектов и повреждений покрытия и значительно снижаются прочностные характеристики. В дальнейшем происходит резкое снижение ровности и прочности дорожного покрытия, выраженное в появлении сетки трещин, выбоин и локальных разрушений. Факторы, влияющие на долговечность асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации, можно разделить на две группы: техногенные и природно-климатические. К техногенным факторам отнесены динамическая нагрузка (вертикальная и горизонтальная) от колес транспорта, а также антигололедные реагенты. Под колесами движущегося транспорта покрытие испытывает быстро протекающие сжимающие вертикальные напряжения от его массы и горизонтальные напряжения от сил тяги и торможения, а также от центробежных сил при повороте транспортного средства. Одновременные вертикальная и горизонтальная деформации «сопровождают» транспортное средство, поэтому в работе [7] этот процесс рассматривается как бегущая изгибная волна. Нагрузки приводят: к нарушению целостности пленок битума на зернах минерального наполнителя и к уменьшению связи минеральных частиц по пленкам; к отслаиванию пленок от частиц (потере адгезии);к дроблению крупных частиц (имеющих наибольшее число первоначальных дефектов), образующих каркас («скелет») покрытия, и их локальному разрушению (выкрашиванию) с нарушением целостности битумных пленок более прочных частиц, в местах контакта между собой, т. е. происходит изменение гранулометрического состава минеральной части. Антигололедные реагенты приводят к химическому разрушению битумных пленок и тем самым к нарушению структурных связей между минеральными частицами. К природно-климатическим факторам, как отмечалось выше, относятся: вода, температура окружающего воздуха, ее перепады, солнечная радиация, атмосферный кислород, микроорганизмы (факторы,
ускоряющие старение битума).Таким образом, задача анализа состояния дорожного покрытия на различных этапах жизненного цикла и прогнозирования срока службы покрытия в любой момент времени является многофакторной. Поэтому построение общей физико-химической модели, а также разработка единых технико-технологических решений и рекомендаций на ее основе представляется весьма сложной и амбициозной задачей. Исследования, направленные на решение задачи качественного устройства асфальтобетонных покрытий с более совершенными физико-механическими свойствами и увеличенными межремонтными сроками службы, на разработку методов мониторинга и прогнозирования, приводящих к повышению эффективности управления состоянием дорожного покрытия, являются актуальными. Рассмотрим ниже некоторые новаторские методы и модели, направленные на решение данных задач.
Особую важность приобретают исследования процесса разрушения покрытия, базирующиеся на основных законах неравновесной термодинамики [8], так как, по мнению авторов, энергетические критерии по сравнению с силовыми и деформационными наиболее универсальны, интегрально характеризуют напряженно-деформированное состояние. Зная энергетический баланс дорожного покрытия после завершения строительства и оценив изменение его функционального состояния во времени, которое определяется значениями термодинамических функций, можно вычислить суммарное изменение энергетического баланса покрытия и, следовательно, назначить обоснованные сроки предстоящих ремонтов. В качестве базисного параметра выбрана удельная теплоемкость асфальтобетона [9], для которой получены закономерности изменения в процессе формирования и эксплуатации покрытия. Разработанная имитационная модель термодинамических изменений материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла позволяет обоснованно назначать этапы ремонта. Зависимость удельной теплоемкости от времени качественно совпадает с поведением энтропии асфальтобетонного покрытия [3]. Поэтому эволюцию теплоемкости можно объяснить так же, как и эволюцию энтропии. Кратко можно повторить, что уменьшение теплоемкости на начальном этапе связано с увеличением упорядоченности в покрытии, увеличение на последующих этапах — с уменьшением упорядоченности (деструкцией). На микроуровне это процессы в объеме битума как коллоидной системы (коагуляция на начальном этапе и разрушение образовавшейся сетки при дальнейшем старении) и образование и разрушение адгезионных связей на границах вяжущего и минерального наполнителя. Очевидно, что текстурные изменения в покрытии (макроуровень) также влияют на поведение теплоемкости. Вероятно, что на этом уровне зависимость теплоемкости от времени (особенно это касается объемной теплоемкости) должна коррелировать с пористостью материала и плотностью трещин в нем и, как следствие, с «водонасыщенностью» покрытия (теплоемкость воды приблизительно в 3—4 раза выше теплоемкости «сухого» асфальтобетона). На начальном этапе эксплуатации (в результате доуплотне-ния покрытия) число пор и соответственно водонасы-щенность уменьшаются, приводя к уменьшению теплоемкости. В дальнейшем в результате роста числа трещин водонасыщенность покрытия растет и влечет за собой рост его теплоемкости.
Гипотезу о корреляции теплоемкости с пористостью можно обосновать следующим образом. На рис. 2 в работе [9] кривая 1, соответствующая пористому асфальтобетону, находится выше остальных кривых, соответ-
ствующих плотным маркам асфальтобетона. Это говорит о том, что у более пористого бетона теплоемкость больше, чем у плотного. Хотя данный довод вряд ли является достаточным основанием для подтверждения справедливости гипотезы.
В работе [10] предпринята попытка привлечь к описанию процессов, происходящих в асфальтобетонном покрытии при переходе от стадии прогресса его свойств и характеристик (постстроительный период) к стадии регресса, теорию катастроф и бифуркаций. Обосновать возможность использования упомянутой теории можно следующим образом. Постстроительный период жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия, рассматриваемого как открытая термодинамическая, инженерно-геологическая система, характеризуется достаточно резкими переходами энергии в новое состояние, происходящими при непрерывной эволюции параметров. Такие внезапные изменения были названы Р. Томом ^епеТ^т, Франция) катастрофами, чтобы подчеркнуть быструю кардинальную перестройку изучаемого объекта [11].
Проведенный авторами работы [10] анализ и сопоставление характера энергетических изменений и вида поверхности теории катастроф исходя из принципа «мягкого моделирования» позволили установить тип катастрофы. В данном случае это катастрофа типа «сборка», которая соответствует, в частности, потенциалу:
= 14/2 + (1/2 - ЬУ2 + at, (2)
где a и Ь — управляющие параметры, зависящие от технологии строительства, типа и марки асфальтобетона; Ж — условный потенциал катастрофы типа «сборка»; t — время процесса, с.
Дальнейшие рассуждения авторов приводят к уравнению:
2/3-Зл/2^2+^2 = 0. (3)
Решение уравнения (3) имеет действительный корень =
Данное значение корня интерпретировано как продолжительность постстроительного периода, равную 0,7 года (8—9 мес) [10] и согласующуюся с результатами работы [12].
Таким образом, рассмотрение синергетических тенденций свойств материала (с позиций теории катастроф) дает возможность (в зависимости от значений и соотношения управляющих параметров) вычислить продолжительность постстроительного периода, в значительной мере определяющего и продолжительность всего периода жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия, и, как следствие, обоснованность назначения сроков ремонтных работ. Следует отметить, что управляющие параметры являются предметом отдельного исследования (для выяснения, например, их физического смысла или объяснения их с феноменологической точки зрения).
Теория катастроф является частью синергетики или теории сложных систем — междисциплинарного направления науки, изучающего общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах на основе присущих им принципов самоорганизации. Еще одним ответвлением синергетики является теория фракталов [13]. Основное свойство фрактала — самоподобие на различных масштабных уровнях (инвариантность относительно группы масштабных преобразований) используется при построении моделей разрушения твердых тел. Фрактальная структура поверхности разрушения экспериментально подтверждена у многих материалов. В работе [14] исходя из теории фракталов и
Рис. 2. Сопоставление кривой ползучести (1) асфальтобетона с условным потенциалом (2) катастрофы «сборка»: I - зона упругости; II - зона эффективной вязкости; III - зона пластичного разрушения
термофлуктуационной природы деформирования и разрушения асфальтобетона предложена феноменологическая модель долговременной прочности.
На самом верхнем уровне пространственной шкалы с границами, определенными размерами дорожной конструкции и стандартных образцов при испытании, принято пользоваться моделью однородной сплошной среды. В этом случае изучение напряженно-деформированного состояния материала традиционно базируется на аппарате классической механики сплошных сред. На нижнем уровне шкалы с масштабами структуры порядка 10-9 м происходит процесс разрыва связей, осуществляющих сцепление между частицами и определяющих адгезионные и когезионные свойства материала. Теоретической основой для изучения таких явлений служит физическая химия, квантовая механика, а также кинетическая термофлуктуационная теория. Согласно этой теории, отказ полимерной конструкции происходит из-за разрушения химических связей полимера, которое вызывается совместным действием энергии теплового движения атомов и работы внешней силы. Разрыв связей, ослабленных действием внешней нагрузки, происходит благодаря флуктуации кинетической энергии, возникающей при тепловом колебании атомов. Чтобы объединить эти крайние точки зрения, необходимы исследования закономерностей деформирования и разрушения на промежуточных масштабных уровнях (мезоуровни). Многие исследователи рассматривают разрушение твердых тел не как критическое событие, а как процесс, протекающий во времени на многих масштабных уровнях, и описывают иерархию различных уровней разрушения [15]. Также исследователи обращаются к теориям фракталов, перколяции, моделям накопления повреждений и другим инструментам описания материалов со сложной структурой. Указанные теории перспективны как для прогнозирования работоспособности и долговечности асфальтобетонных покрытий, так и в вопросах совершенствования структуры асфальтобетона и эффективности его использования в дорожных конструкциях.
Предложенная в [14] термофлуктуационно-фрак-тальная модель долговременной прочности позволяет прогнозировать долговечность асфальтобетона в широком диапазоне нагрузок и температуры по результатам испытаний на кратковременную прочность. Авторами сделан вывод, что долговременная прочность и усталостные процессы асфальтобетона характеризуются двумя параметрами: энергией активации, определяющей термофлуктуационный процесс разрыва связей на наноуровне, и фрактальной размерностью структуры, определяющей закономерности деформирования и разрушения материала на мезоуровне. В работе [14] приве-
дены кривые деформирования асфальтобетона при испытании в режиме ползучести до момента разрушения (рис. 2), которые являются типичными для многих материалов. Многие исследователи занимались и занимаются разработкой математических моделей ползучести, решая в том числе задачу аппроксимации экспериментально полученных кривых ползучести. Если сравнить график зависимости (2) (рис. 2), соответствующей катастрофе типа «сборка», с кривой ползучести асфальтобетона, то можно предположить, что использование этого типа катастрофы может быть перспективным для описания поведения кривой ползучести и, возможно, для выяснения смысла управляющих параметров a и b. Параметр b определяет точку перегиба графика функции (2). Эта точка находится в области II (основной период эксплуатации покрытия, в течение которого свойства изменяются незначительно). Увеличивая значение b, можно отсрочить момент наступления катастрофического участка (катастрофический рост накопления повреждений), соответствующего области III. Стоит отметить, что этот участок слабо чувствителен к изменению значений параметров a и b. Управляющий параметр a определяет начальный этап развития системы; чем больше значение a, тем быстрее идет процесс накопления дефектов на начальном этапе эволюции асфальтобетона (область I). Что касается масштаба зависимости 1 на рис. 2, то числовые значения зависят от множества факторов, в том числе и от состава смеси. Такие кривые заканчиваются моментом разрыва испытываемого образца. Если обозначить максимальное значение при разрыве £р, то можно расставить масштабные метки в долях Ер, например 0,2ер, 0,4ер и т. д.
Проведенное в статье рассмотрение различных вопросов, касающихся асфальтобетонных дорожных покрытий, подтверждает тот факт, что как асфальтобетонное дорожное полотно, так и его элементы (на функциональном, физическом, химическом, механическом, макро-, мезо-, микро- и т. п. уровнях) являются сложными системами. Анализ состояния дорожного покрытия является задачей многофакторной, и факторы эти в большинстве случаев имеют стохастический характер. Поэтому известные в настоящее время методы и технологии мониторинга и управления состоянием дорожных одежд имеют свои определенные границы применимости. Существующие теории, технологии и методы дополняют друг друга, и их совместное использование позволяет более адекватно и объективно решать возникающие задачи перед научными и инженерно-техническими работниками, специализирующимися в области строительства автомобильных дорог. Залогом познаваемости сложных систем служит существование универсальных механизмов устройства и функционирования систем различной природы. Поиском таких механизмов занимается синергетика, называемая также наукой о сложности или нелинейной динамикой. Асфальтобетон и дорожные покрытия на его основе, являясь сложными системами, могут быть объектами интересов синергетики. Применение ее методов (динамический хаос, бифуркации, катастрофы, фракталы и др.) поможет создать аналитическую базу для самостоятельной интерпретации механизмов развития этих систем. Такая база на основе синергетики позволит дополнить существующие теории и производить интегральный учет множества факторов, влияющих на генезис рассматриваемых систем.
Список литературы
1. Готовцев В.М., Шатунов А.Г. и др. Нанотехнологии
в производстве асфальтобетона // Фундаментальные
исследования. 2013. № 1. С. 191-195.
2. Баранова А.А., Савенков А.И. Пенообразователи и прочность пенобетона // Известия Сочинского государственного университета. 2014. № 3 (31). С. 10-14.
3. Завьялов М.А. Функциональное состояние дорожного асфальтобетонного покрытия // Известия вузов. Строительство. 2007. № 6. С. 92-97.
4. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. 256 с.
5. Бахрах Г.С. Проектирование нежестких дорожных одежд по критерию усталостного растрескивания // Наука и техника в дорожной отрасли. 2008. № 2. С. 32-34.
6. Леонович И.И., Мельникова И.С. Анализ причин возникновения трещин в дорожных покрытиях и критерии их трещиностойкости // Строительная наука и техника. 2011. № 4. С. 37-41.
7. Корочкин А.В. Расчет жесткой дорожной одежды с учетом воздействия движущегося транспортного средства // Наука и техника в дорожной отрасли. 2011. № 2. С. 8-10.
8. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Энергетический баланс дорожного покрытия // Известия вузов. Строительство. 2005. № 6. С. 61-64.
9. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Теплоемкость асфальтобетона // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 6-9.
10. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Постстроительный период жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: синергетические тенденции свойств материала // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 34-35.
11. Пригожин И. Конец определенности. Время, хаос и новые законы природы. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 208 с.
12. Завьялов М.А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия. Омск, 2007. 283 с.
13. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.
14. Кирюхин Г.Н. Термофлуктуационная и фрактальная модель долговечности асфальтобетона // Дороги и мосты. 2014. Вып. 31. С. 247-268.
15. Петров Ю.В., Груздков А.А., Братов В.А. Структурно-временная теория разрушения как процесса, протекающего на разных масштабных уровнях // Физическая мезомеханика. 2012. № 2. С. 15-21.
References
1. Gotovtsev V.M., Shatunov A.G. Nanotechnologies in production of asphalt concrete. Fundamental'nye issledo-vaniya. 2013. No. 1, pp. 191-195. (In Russian).
2. Baranova A.A., Savenkov A.I. Frothers and durability of foam concrete. Izvestiya Sochinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014. No. 3 (31), pp. 10-14. (In Russian).
3. Zavialov M.A. Functional condition of a road asphalt concrete pavement. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2007. No. 6, pp. 92-97. (In Russian).
4. Pecheny B.G. Bitumi I bitumnie kompozicii [Bitumens and bituminous compositions]. Moscow: Chemistry. 1990. 256 p.
5. Bakhrakh G.S. Design of nonrigid road clothes by criterion of fatigue cracking // Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. 2008. No. 2, pp. 32-34. (In Russian)
6. Leonovich I.I., Melnikova I.S. The analysis of the reasons of emergence of cracks in pavement and criterion of their crack resistance. Stroitel'naya nauka i tekhnika. 2011. No. 4, pp. 37-41. (In Russian).
7. Korochkin A.V. Calculation of rigid road clothes taking into account influence of the moving vehicle. Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. 2011. No. 2, pp. 8-10. (In Russian).
8. Zavialov M.A., Zavialov A.M. Energy balance of pavement. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2005. No. 6, pp. 6164. (In Russian).
9. Zavialov M.A., Zavialov A.M. Thermal capacity of asphalt concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2009. No. 7, pp. 6-9. (In Russian).
10. Zavialov M.A., Zavialov A.M. Post-construction period of life cycle of asphalt pavement: synergetic tendencies of properties of material. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2011. No. 10, pp. 34-35. (In Russian).
11. Prigogine I. Konetsopredelennosti. Vremya, khaos, inoviezakonyprirodi [The end of definiteness. Time, chaos and new laws of the nature]. Izhevsk. 2001. 208 p.
12. Zavialov M.A. Termodinamicheskaya teoriya zhiznen-nogo cikla dorozhnogo asphaltobetonnogo pokritiya [Thermodynamic theory of asphalt pavement life cycle]. Omsk. 2007. 283 p.
13. Mandelbrot B. Fraktalnaya geometriya prirody [Fractal geometry of the nature]. Moscow: Institute of computer researches. 2002. 656 p.
14. Kiryukhin G.N. Thermofluctuation and fractal model of durability of asphalt concrete. Dorogi i mosty. 2014. Vol. 31, pp. 247-268. (In Russian).
15. PetrovYu.V., Gruzdkov A.A., Bratov V.A. The structural and time theory of destruction as the process proceeding at the different large-scale levels. Fizicheskaya mezomekhanika. 2012. No. 2, pp. 15-21. (In Russian).
Технология производства стеновых цементно-песчаных изделий
Ю.З. Балакшин, В.А. Терехов
Справочное пособие М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2012. 276 с.
Авторы многие годы отдали работе в промышленности строительных материалов и накопили значительный объем знаний и технических документов производстве стеновых материалов не только из опыта работы промышленности в СССР и России, но и многих предприятий Европы, Америки и Азии.
В книге описано производство и применение стеновых материалов методом вибропрессования из цементно-песчаных бетонов. Рассмотрена существующая и перспективная номенклатура изделий и их свойства. Описаны сырьевые материалы для производства цементнопесчаных изделий. Сформулированы специфические требования к сырьевым материалам, а также рекомендации по подбору состава бетонной смеси. Подробно представлена технология производства цементно-песчанных вибропрессованных стеновых изделий. Особое внимание уделено технологическому контролю на производстве и техническому контролю и обслуживанию оборудования.
Книга предназначена для организации производственно-технического обучения на предприятии, будет полезна инженерно-техническому персоналу.
Тел./факс: (499) 976-22-08; 976-20-36 www.rifsm.ru
Té*налагая производств« стеновых ц^гйентио-пеБчаныл изделий
