CC BY
11УДК 625. 7/8
М.Э. ПИЛЕЦКИЙ, инженер, И.В. ДИДРИХ, канд. техн. наук, А.Ф. ЗУБКОВ, д-р техн. наук, К.А. АНДРИАНОВ, канд. техн. наук ([email protected])
Тамбовский государственный технический университет (392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. Е)
Исследование битумоминеральной смеси, применяемой для ямочного ремонта дорожных покрытий струйно-инъекционным методом
Установлены физико-механические свойства битумоминеральной смеси (прочность, водонасыщение, коэффициент уплотнения) при ямочном ремонте выбоин дорожных покрытий нежесткого типа струйно-инъекционным методом. На основании полученных результатов лабораторных исследований с использованием полного факторного анализа установлена аналитическая зависимость влияния технологических режимов внесения смеси при укладке в выбоину при разных технологических режимах работы и отличающихся по объему смеси в процентном соотношении содержания битумной эмульсии. Показано, что полученное значение величины водонасыщения материала только при 10%-м содержании эмульсии по объему и средней скорости подачи материала 30 м/с соответствует нормативным значениям ГОСТ 9128-2009. Установлено, что для повышения срока службы отремонтированной поверхности дорожных покрытий существует необходимость дополнительного уплотнения смеси в выбоине уплотняющими машинами.
Ключевые слова: струйно-инъекционный метод, ямочный ремонт дорожного покрытия нежесткого типа, битумоминеральная смесь, водонасыщение, коэффициент уплотнения.
Для цитирования: Пилецкий М.Э., Дидрих И.В, Зубков А.Ф., Андрианов К.А. Исследование битумоминеральной смеси, применяемой для ямочного ремонта дорожных покрытий струйно-инъекционным методом // Строительные материалы. 2017. № 6. С. 19-23.
M.E. PILECKIJ, Engineer, I.V. DIDRIKH, Candidate of Sciences (Engineering), A.F. ZUBKOV, Doctor of Sciences (Engineering), ^A. АNDRIANOV, Candidate of Sciences (Engineering)
Tambov State Technical University (112, bldg.E, Michurinskaya Street, Tambov, 392032, Russian Federation)
Research of Bitumen-Mineral Mixture Applied for Patching Repair of Road Pavements Using Jet-Injection Method
Physical and mechanical properties of a bitumen-mineral mixture (strength, water saturation, compaction factor) are established for patching repair of road pavements of a non-rigid type with the use of jet-injection method. On the basis of obtained results of the laboratory studies with the use of a full factorial analysis, an analytical dependence of influence of technological modes of stacking of the mixture when laying it in a pothole under different technological regimes and different volume of the mixture in the percent for the content of bitumen emulsion has been established. It is shown that the obtained value of water saturation of the material corresponds to the normative values of GOST 9128-2009 only with 10%-content of the emulsion by volume and an average feed rate of 30 m/s. It is proven that for increasing the service life of the repaired surface of road pavements, there is a need for additional compaction of the mixture in the pothole with tamping machines.
Keywords: jet-injection method, patching repair of road pavement of non-rigid type, bitumen-mineral mixture, water saturation, compaction factor.
For citation: Pileckij M.E., Didrikh I.V., Zubkov A.F., Andrianov K.A. Research of bitumen-mineral mixture applied for patching repair of road pavements using jet-injection method. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 6, pp. 19-23. (In Russian).
В последние годы широкое применение при ямочном ремонте покрытий находит струйно-инъекцион-ный метод, который принято относить к скоростному (оперативному) методу ремонта. Такой вид ремонта дорожных покрытий занимает значительно меньше времени по сравнению с традиционными способами с применением литых и горячих асфальтобетонных смесей.
Стоит отметить, что несвоевременное проведение ремонтных работ приводит к ухудшению состояния покрытия и в дальнейшем к удорожанию работ по приведению его в нормативное состояние. Одной из основных причин является несоблюдение межремонтных сроков по причине ограниченного финансирования. Проведение своевременного ремонта позволяет увеличить срок службы покрытия на 4—5 лет, а задержка проведения ремонта в течение 2—3 лет приводит к росту затрат в два раза [1].
В связи с вышесказанным вопрос повышения качества ремонтных работ, в том числе и за счет совершенствования новых эффективных технологий, является актуальным.
Согласно мнению отечественных и зарубежных специалистов [7—12] одним из преимуществ данного метода является отсутствие процесса уплотнения при укладке
материала в выбоину покрытия. Материал подается с высоты 60 см от поверхности выбоины со скоростью 30—32 м/с при 20% содержании битумной эмульсии в смеси. В качестве обоснования отсутствия необходимости уплотнения принимается тот факт, что материал с размером фракций 6,5—10 мм подается с указанной выше скоростью, за счет чего происходит равномерное и плотное его распределение в выбоине. Однако данные выводы не подкреплены какими-либо исследованиями.
Экспериментально в производственных условиях было установлено [5], что при указанном выше технологическом режиме и содержании битумной эмульсии в смеси, при применении рекомендуемого как отечественными, так и зарубежными производителями оборудования прочностные характеристики материала и показатель водонасыщения не соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2009.
Учитывая вышеизложенные факты, для определения основных физико-механических свойств битумо-минеральной смеси в лабораторных условиях была воспроизведена техническая модель оборудования, используемого для выполнения ремонтных работ струй-но-инъекционным методом. Исследования проводили при разных технологических режимах работы оборудо-
j j. ®
июнь 2017
19
Рис. 1. Установка Husqvama производительностью 780 м3/ч с устройством для боковой загрузки материала на шланге
вания (изменение скорости и высоты подачи материала), а также при различном содержании битумной эмульсии в смеси и при оптимальном гранулометрическом составе щебня.
Методика проведения многофакторного эксперимента на специальном оборудовании при разных технологических режимах работы. В качестве технической модели при проведении экспериментальных исследований была использована воздуходувка Husqvarna производительностью 780 м3/ч с устройством для боковой загрузки материала на шланге (рис. 1).
С целью улучшения физико-механических показателей смеси авторами был выполнен подбор оптимального гранулометрического состава гранитного щебня фракции 2,5—10 мм, имеющего марку по прочности не менее М1200, марку по износостойкости И-1 и содержание пылеватых и глинистых частиц не более 1%.
Для достижения наилучших результатов ремонта дорожного полотна применяли чистый, промытый и подогретый до 50оС гранитный щебень, быстрораспадаю-щуюся катионную битумную эмульсию 60%-й концентрации — ЭБК 1. Оптимальная температура битумной эмульсии во время проведения работ была принята равной 71—80оС. Соотношение по массе эмульсии к щебню было принято 1:10 (в рекомендациях производителей 1:20).
Использовали два режима скорости подачи материала, так как это обусловлено довольно низкими показателями плотности образцов, полученных в производственных условиях при заявленной производителями скорости подачи материала, равной 30—32 м/с [8]. В эксперименте скорость подачи регулировали путем изменения диаметра сечения выходного отверстия шланга от воздуходувки Husqvarna.
Расчет скорости подачи материала проводился в зависимости от производительности установки. При применении насадки с диаметром 100 мм (как на используемом оборудовании для ямочного ремонта покрытий в
Рис 2. Пластиковые цилиндрические формы, заполненные битумоми-неральной смесью, диаметром 100 мм и высотой 50 мм
производственных условиях типа Мадпатчер и т. п.) расчетное значение скорости 27,6 м/с. Расчетное значение скорости при использовании насадки с диаметром 80 мм — 41,35 м/с. При попытке увеличения скорости путем дальнейшего уменьшения диаметра выходного отверстия воздуходувки наблюдался выброс материала через боковое отверстие в шланге.
Подачу материала осуществляли с высоты 90, 60 и 30 см от выходного отверстия воздуходувки до поверхности заполнения. Для получения проб с целью испытаний материала были подготовлены пластиковые цилиндрические формы высотой 50 мм и диаметром 100 мм, которые изображены на рис. 2.
После выдерживания образцов в формах в течение 30 сут определяли предел прочности, плотность и водо-насыщение полученной битумоминеральной смеси, которая, как видно на рис. 2, имеет пористую структуру. Испытание всех образцов проводили согласно ГОСТ 12801—98, экспериментально полученные физико-механические характеристики сравнивали с нормативными значениями ГОСТ 9128—2009.
Оценка достоверности полученных результатов экспериментальных исследований. Для проведения экспериментальных исследований был использован полный факторный эксперимент (ПФЭ).
По плану эксперимента были заданы следующие характеристики [2—4]: количество опытов п=8, число повторений опытов т =3, количество влияющих факторов — 3.
Исследуемые параметры образцов: прочность f (МПа); плотность р (г/см3); водонасыщение г (%) и коэффициент уплотнения k.
В качестве влияющих факторов были выбраны: х1 — скорость подачи материала, м/с (минимальное и максимальное значения х- = 27,6; х+ =41,5); х2 — высота подачи материала, см (минимальное и максимальное значения х— = 30; х+ =90); х3 — содержание эмульсии в смеси,% (минимальное и максимальное значения х3— = 10; х+ =20).
Для исследуемых параметров были получены уравнения регрессии, которые учитывают все взаимодействия факторов. Для этого необходимо было [6]:
а) осуществить кодирование переменных;
б) достроить матрицу планирования в кодированных переменных с учетом парных взаимодействий;
в) вычислить коэффициенты уравнения регрессии;
г) проверить вычисленные коэффициенты на значимость (предварительно определив дисперсию воспроизводимости) и получить уравнение регрессии в кодированных переменных;
д) проверить полученное уравнение на адекватность;
е) записать уравнение регрессии в натуральных переменных.
1 3 со i 2 ь, ст о I 1 0 1
.......
2 2
26 28 30 32 34 36 38 Скорость подачи материала V, м/с
40
42
26 28 30 32 34 36 38 Скорость подачи материала V, м/с
40
42
0
26
28
30 32 34 36 38 40 42 26 28 30 32 34 36 38
Скорость подачи материала V, м/с Скорость подачи материала V, м/с
Рис. 3. Функция прочности материала: а - х^30 см, х3=10%; б - х2=30 см, х3=20%; в - х2=90 см, х3=10%; г - х2=90 см, х3=20%
б
1 2
3
12 10 8 6 4 2 0
1 3 ■з 2 1
§ 2 ь, ст о X ч роч 1
2 1= 1 0 2
40
42
38
27,6 28,55 29,5 30,5 31,5 33,5 33,5 34,5 36 Скорость подачи материала, м/с Рис. 4. Функция водонасыщения материала: а - х2=30,9 см, х3=10%; б -
27,6 28,55 29,5 30,5 31,5 33,5 33,5 34,5 Скорость подачи материала, м/с
x2=30,9 см ; x3=20%
36
38
(1)
С учетом изложенного подхода к выводу уравнения функции прочности материала ^(МПа) в соответствии с составленной авторами исходной матрицей планирования эксперимента для каждого фактора находили центр, интервал варьирования и зависимость кодированной переменной 1\ от натуральной х\
_хх -34,55 _х2-60 _х3-15 1 6,95 ; 30 ' 5 '
Для обработки результатов экспериментальных исследований с учетом всех взаимодействий была построена матрица планирования и выведены формулы (2).
По формулам (2) найдены коэффициенты уравнения регрессии:
^ 8 _ ^ 8 _ _
¿о^ХЛ; А = 8 ¿=1,3;
^ 8 _ _ _
Г<р, Г=1,3, Р= 1,3. (2)
Были вычислены дисперсия воспроизводимости ^=0,0003 и среднее квадратическое отклонение коэф-
1з
фициентов £К0Эф=-\1~й$ = 0,0035 [3]; при Ь23=Ь123=0,
получаем уравнение регрессии в кодированных переменных:
/=0,37-0,018^+0,032^+0,062^-0,012^1^2+0,018^^. (3)
Используя формулы (1), записываем уравнение регрессии в натуральных переменных:
/=0,354- 0,0065^+0,0032*2-0,0056*3 ~
-0,00006x^+0,0005^*3. (4)
На рис. 3 показана зависимость функции прочности материала от фактора Х\ при фиксированных значениях факторов х2 (высоты подачи материала, см) и х3 (процентного содержания битумной эмульсии в смеси, %). Из графика видно, что полученная прочность материала не соответствует требуемому нормативному значению ГОСТ 9128—2009, которое для асфальтобетона из холодных смесей должно быть не ниже 2,2 МПа. Увеличение
б
а
3
2
0
в
г
3
2
а
научно-технический и производственный журнал
26
28
2
1
30 32 34 36 38 Скорость подачи материала V, м/с
40
26 28 30 32 34 36 38 40 42 Скорость подачи материала V, м/с
2
-
1
42
б
£ 0,9 от
I 0,8
£ 0,7
0,6
г
£ 0,9 от
| 0,8 е и
I 0,7
05
о
0,6
26
28
2
1 _ „_Л,—-— ——- ---
30 32 34 36 38 Скорость подачи материала V, м/с
40
2 :
1
26 28 30 32 34 36 38 Скорость подачи материала V, м/с
40
42
Рис. 5. Функция коэффициента уплотнения материала: а - Х2=30, х3=10; б - Х2=30, х3=20; в - Х2=90, х3=10; г - Х2=90, х3=20
а
1
7
6
в
1
7
6
скорости и высоты подачи материала не влияет на показатель прочности смеси.
Аналогичным образом получены уравнения (5)—(7):
— для функции плотности материала р (г/см3):
р =1,64-0,0073*1+0,0025x2+0,0103x3+
+0,0005х1х3-0,ОООО7Х2Х3; (5)
— для функции водонасыщения материала г (%):
г =-3,04+0,52x^0,158x2+0,36х3-0,0043хл --0,0296х!х, - 0,0099x2x3+0,00029x^x3; (6)
— для коэффициента уплотнения материала:
к =1,02- 0,0097^ - 0,0075*2- 0,02х3+0,0002х,х2+ +0,0006л1Х!+0,0004x2^-0,0000096^X2^3- (7)
На рис. 4 показано изменение функции водонасы-щения материала от фактора х1 при фиксированных значениях факторов х2 (высоты подачи материала, см) и х3 (процентного содержания битумной эмульсии в смеси, %). Из графика видно, что полученное значение показателя водонасыщения материала при содержании эмульсии 10 об. % и средней скорости подачи материала 30 м/с соответствует требуемому нормативному значению ГОСТ 9128—2009, которое для данного типа пористых смесей должно быть в интервале 4—10 об. %. При содержании эмульсии 20 об. % значение показателя во-донасыщения ниже нормативного значения, так как в этом случае смесь чрезмерно подвижная. При этом важно отметить, что содержание эмульсии 20 об. % и средняя скорость подачи материала 30—32 м/с используются в производственных условиях по рекомендациям производителей и поставщиков оборудования. Увеличение высоты подачи материала существенно не влияет на показатель водонасыщения смеси.
На рис. 5 отражена зависимость коэффициента уплотнения от фактора х1 при фиксированных значениях факторов х2 (высоты подачи материала, см) и х3 (процентного содержания битумной эмульсии в смеси, %). Из графика видно, что полученный коэффициент уплотнения материала не соответствует требуемому
нормативному значению СП 78.13330.2012, которое для асфальтобетона из холодных смесей не должно быть ниже 0,96.
Полученные экспериментальные данные опровергают существующее мнение производителей и пользователей оборудования для струйно-инъекционного метода, что его преимуществом является отсутствие процесса уплотнения при укладке материала в выбоине дорожного покрытия [10—12]. Кроме того, увеличение скорости и высоты подачи материала существенно не влияет на показатель коэффициента уплотнения смеси.
Для проверки всех полученных зависимостей (4)—(7) были вычислены значения изучаемых параметров, которые показали отличие от средних в допустимых пределах. Таким образом, результаты проведенного полного факторного эксперимента по принятой модели являются достоверными.
Выводы.
1. Установлена аналитическая зависимость влияния технологических режимов укладки смеси на ее качество при укладке в выбоину. Определены физико-механические свойства битумоминеральной смеси (прочность, водонасыщение, коэффициент уплотнения) при укладки в выбоину дорожного покрытия нежесткого типа с применением струйно-инъекционного метода при разных технологических режимах работы и при разном в процентном соотношении содержании битумной эмульсии (10—20 об. %).
2. Полученное значение показателя водонасыщения материала только при содержании эмульсии 10 об. % и средней скорости подачи материала 30 м/с соответствует требуемому нормативному значению ГОСТ 9128—2009, которое для данного типа пористых смесей должно быть в интервале 4—10 об. %. При содержании эмульсии 20 об. % значение показателя водонасыщения ниже нормативного. Увеличение высоты и скорости подачи материала существенно не влияет на прочность и коэффициент уплотнения материала.
3. Для повышения срока службы отремонтированной поверхности дорожных покрытий за счет увеличения прочностных характеристик асфальтобетона доказана необходимость уплотнения смеси в выбоине соответствующими машинами.
Список литературы
1. Апестин В.К. О расхождении проектных и нормативных сроков службы дорожных одежд // Наука и техника в дорожной отрасли. 2011. № 1. С. 18—20.
2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971. 282 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химических технологий. 7-е изд. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. 830 с.
4. Ермаков С.М. Математическая теория планирования эксперимента. М.: Наука, 1983. 392 с.
5. Пилецкий М.Э., Зубков А.Ф. Анализ состояния автомобильных дорог Тамбовской области и выбор технологии для ремонта выбоин на покрытиях нежесткого типа // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. 2016. № 1 (41). С. 73-82.
6. Пилецкий М.Э., Некрасов Д.А., Чаплыгин И.С. Результаты экспериментальных исследований укладки смесей при струйно-инъекционном методе // Устойчивое развитие региона: архитектура, строительство, транспорт: Материалы IIIмеждународной научно-практической конференции Института АрхСиТ. Тамбов, 2016. С. 171-176.
7. Гиясов Б.И., Куприянов Р.В., Андрианов К.А., Зубков А.Ф. Расчет температуры асфальтобетона при устройстве стыков многополосных дорожных покрытий нежесткого типа // Вестник МГСУ. 2015. № 3. С. 17-29.
8. Пилецкий М.Э., Зубков А.Ф. Сравнительная оценка эффективности методов ямочного ремонта дорожных покрытий нежесткого типа. Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы как катализатор роста экономики государства. Международная научно-практическая конференция. 2016. С. 208-211.
9. Куприянов Р.В., Лузгачев В.А., Зубков А.Ф. Определение температуры асфальтобетонной смеси при строительстве дорожных покрытий нежесткого типа // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. 2015. № 3 (39) 2015. С. 68-77.
10. Munir D. Nazzal, Sang-Soo Kim P.E. Evaluation of Winter Pothole Patching Methods Report. Final Report. The Ohio Department of Transportation. Office of Statewide Planning & Research State Job. № 134724. January 2014, pp. 13-17.
11. Griffith A. Improved Winter Pothole Patching. State Planning And Research Project Number 538. Oregon Department of Transportation Research. August 1998. http://cimlinepmg.com/files/education/ OregonPotholePatchingStudy.pdf
12. Research Report: Spray Injection Pothole Patching. The Road Ahead. Virginia: Virginia Transportation Technology Transfer Center. 2003, pp. 1-6.
References
1. Apestin, V.K. On the discrepancy between the design and regulatory life of road clothes. Nauka i tekhnika v dorozh-noj otrasli. 2011. No. 1, pp. 18—20. (In Russian).
2. Adler Yu.P., Markova E.V., Granovskiy Yu.V. Planirovanie ehksperimenta pri pois-ke optimal'nyh us-lovij [Planning an experiment when searching for optimal conditions]. Moscow: Nauka. 1971. 282 p.
3. Kasatkin A.G. Osnovnye processy i apparaty himicheskih tekhnologij [The main processes and apparatus of chemical technology. 7-th ed]. Moscow: The State Scientific and Technical Publishing House of Chemical Literature. 1961. 830 p.
4. Ermakov S.M. Matematicheskaya teoriya planirovaniya ehksperimenta [Mathematical theory of experiment planning]. Moscow: Nauka. 1983. 392 p.
5. Piletskiy M.E., Zubkov A.F. Analysis of the condition of the roads of the Tambov region and the choice of technology for repairing potholes on non-rigid type coatings. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2016. Vol. 1 (41), pp. 73—82. (In Russian).
6. Piletsky M.E., Nekrasov D.A., Chaplygin I.S. The results of experimental studies of the laying of mixtures in the jet-injection method. Sustainable development of the region: architecture, construction, transport: materials of the 3rd international scientific-practical conference of the Institute of ArkhSiT. Tambov. 2016, pp. 171-176. (In Russian).
7. Giyasov B.I., Kupriyanov R.V., Andrianov K.A., Zubkov A.F. Calculation of the temperature of asphalt concrete in the construction of joints of multilane road pavements of non-rigid type. VestnikMGSU. 2015. No. 3, pp. 17-29. (In Russian).
8. Piletskiy M.E., Zubkov A.F. Comparative evaluation of the effectiveness of the methods of patching of road pavements of non-rigid type. Transport systems of Siberia. Development of the transport system as a catalyst for the growth of the state economy. International scientific-practical conference. 2016, pp. 208-211. (In Russian).
9. Kupriyanov R.V., Luzgachev V.A., Zubkov A.F. Determination of the temperature of the asphalt-concrete mixture in the construction of road pavements of non-rigid type. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2015. № 3 (39) 2015, pp. 68-77. (In Russian).
10. Munir D. Nazzal, Sang-Soo Kim P.E. Evaluation of Winter Pothole Patching Methods Report. Final Report. The Ohio Department of Transportation. Office of Statewide Planning & Research State Job. № 134724. January 2014, pp. 13-17.
11. Griffith A. Improved Winter Pothole Patching. State Planning And Research Project Number 538. Oregon Department of Transportation Research. August 1998. http://cimlinepmg.com/files/education/ OregonPotholePatchingStudy.pdf (date of access 21.05.2017).
12. Research Report: Spray Injection Pothole Patching. The Road Ahead. Virginia: Virginia Transportation Technology Transfer Center. 2003, pp. 1-6.
Подписка на электронную версию
http://rifsm.ru/page/5/
