Постстроительный период жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: синергетические тенденции свойств материала Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.861

М.А. ЗАВЬЯЛОВ, А.М. ЗАВЬЯЛОВ, доктора техн. наук,

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) (Омск)

Постстроительный период жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: синергетические тенденции свойств материала

Постстроительный период в рамках всего жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия (завершение строительства — начало эксплуатации) не является продолжительным. Однако возможности анализа процесса этого периода и расчета его продолжительности в зависимости от свойств материала покрытия, технологии строительства и условий эксплуатации во многом определяют потребительские качества автотранспортных сооружений в течение всего жизненного цикла.

В работах [1, 2] были получены зависимости термодинамических функций дорожного покрытия от величины теплоемкости его материала:

SF = -fiT

SU

ТА т

-1 - In 7г

-м(стт-

CmTo);

SS = /ífm(1 + 1пГ)- С°(1 + 1п7Ь)],

(1)

(2)

(3)

где F — свободная энергия; U — внутренняя энергия; S — энтропия; T0, T — начальное и текущее значения температуры; Cm — удельная теплоемкость; C^ — начальное значение величины Cm при T=T0; ц — величина, численно равная плотности материала, размерности массы.

Также были получены закономерности изменения величины удельной теплоемкости материала дорожного покрытия от времени эксплуатации, учитывающие марку асфальтобетона и категорию дороги. Анализ характера полученных закономерностей и сопоставление их с экспериментальными данными и визуальными наблюдениями позволил сделать следующее заключение: время начала выполнения ремонтных работ дорожного асфальтобетонного покрытия определяется моментом потери квазилинейности на графиках функции удельной теплоемкости от времени эксплуатации покрытия.

1104

-1104

1

1 1 2У"" i i i i i i

-2104

01 23456789 Время, годы

Рис. 1. Зависимости изменения внутренней би (1), свободной энергии SF (2) и энтропии бS (3) от времени эксплуатации покрытия (мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I, категория дороги 1-А, интенсивность движения >20 тыс. авт./сут; расчеты приводятся в работе [3], с. 224): 1 - би Дж; 2 - бF Дж; 3 - бS Дж/оС

Расчеты показывают, что указанный момент времени (начало выполнения ремонтных работ) характеризуется согласно графикам на рис. 1 дефицитом свободной энергии F, ее отрицательным приращением. Аналогичные зависимости исходя из экспериментальных данных были построены для различных типов и видов асфальтобетонов [3].

В процессе эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия внутренняя энергия и энтропия его материала возрастают, в частности величина внутренней энергии постоянно увеличивается вследствие кумуляции диссипативной энергии от контакта покрытия с колесами транспортных средств. В то же время свободная энергия, играющая компенсационную роль в различных деформационных процессах при эксплуатации дорожного покрытия, уменьшается.

Мерой рационального применения технологических операций при строительстве дорожного асфальтобетонного покрытия, а также на этапе завершения строительства является условие достижения материалом покрытия неравновесного стационарного состояния. При этом морфогенез продолжается с формированием в материале покрытия новых качеств: увеличивается плотность [4], возрастает свободная энергия, снижается уровень энтропии [1]. Необратимые процессы, играющие здесь конструктивную роль, обеспечивают уменьшение энтропии путем самоорганизации диссипативных структур [5].

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. Эти внезапные изменения были названы Р. Томом (Франция) катастрофами, чтобы подчеркнуть быструю кардинальную перестройку изучаемого объекта [6]. Устойчивому состоянию в нашем случае соответствует минимум свободной энергии, а неравновесному стационарному состоянию — максимум. Изменение состояния данной системы, в частности приращение свободной энергии (рис. 1, линия 2), можно интерпретировать схемой, представленной на рис. 2.

Схему изменения энергетического состояния системы можно рассматривать как некоторую бифуркационную диаграмму, где точка является точкой бифуркации (ветвления). Дело в том, что в конце постстроительного периода нелинейное энергетическое состояние системы определяется не только и не столько инерционными процессами самоорганизации, а в значительной мере тем потоком диссипативной энергии, который поступает от контакта с транспортными средствами в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия. Поэтому энергетическое развитие системы может пойти и по пунктирному сценарию в зависимости от начальных условий, определяемых технологией строительства и режимом эксплуатации. Хотя в обычных условиях эксплуатации вероятность такого события достаточно низкая.

0

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 34 октябрь 2011 ы ®

F, кДж

t, годы

Рис. 2. Схема изменения энергетического состояния системы во времени: о - условное обозначение шарика, интерпретирующего уровень свободной энергии р; О t1 - время завершения строительства и постстроительного периода соответственно; точки А0 и А1 характеризуют значения свободной энергии в моменты времени ^ и t1; сплошная линия из А1 соответствует устойчивому состоянию, пунктирная - неустойчивому

Анализ и сопоставление характера энергетических изменений и видов поверхностей отклика теории катастроф позволяет исходя из принципа «мягкого моделирования» [5] установить тип катастрофы. В данном случае это катастрофа типа «Сборка», которая соответствует, в частности, потенциалу:

„„ч Г (1-2 b)tz

W(t) = - + ---— + ah

2 2

(4)

здесь а и Ь — управляющие параметры, значение которых и их соотношение зависят от уровня технологии строительства, качества ее реализации, а также от типа и марки асфальтобетона.

Продифференцировав выражение (4) и приравняв производную к нулю, получаем условие экстремума потенциала:

U{t) = W'(t) = 2t3 +(\-2b)t + a = 0.

(5)

Следовательно, состояния равновесия термодинамической системы определяются корнями (критическими точками) уравнения (5).

Как любой многочлен нечетной степени, Щ1) имеет по крайней мере один действительный корень. Введем условие кратности корней:

[/'(0 = 0 => 6i2 +(1-26) = 0.

(6)

Исключив из уравнений (5) и (6) переменную I, получим соотношение управляющих параметров в виде:

27а2 =2(2Ь-1)3.

(7)

зиций теории катастроф дают возможность в зависимости от значений и соотношения управляющих параметров, которые в свою очередь являются предметом отдельного исследования, вычислить продолжительность постстроительного периода, в значительной мере определяющего и продолжительность всего периода жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия.

Предложен подход, использующий аппарат теории катастроф, который позволяет рассчитать продолжительность постстроительного периода жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия. Продолжительность рассматриваемого периода во многом влияет на продолжительность всего жизненного цикла покрытия и на обоснованность назначения сроков ремонтных работ.

Ключевые слова: постстроительный период, свойства материала, дорожное асфальтобетонное покрытие, самоорганизация диссипативных структур, точка бифуркации

Список литературы

1. Завьялов М.А. Функциональное состояние дорожного асфальтобетонного покрытия // Изв. вузов. Строительство. 2007. № 6. С. 92-97.

2. ЗавьяловМ.А., Завьялов А.М. Теплоемкость асфальтобетона // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 6-9.

3. Завьялов М.А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия. Омск: СибАДИ, 2007. 283 с.

4. Богуславский А.М. Дорожные асфальтобетонные покрытия. М.: Высшая школа, 1965. 115 с.

5. Синергетика: Сб. статей / Под ред. Б.Б. Кадомцева. М.: Мир, 1984. 248 с.

6. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 312 с.

При условии, например, Ь=а2 уравнение (5) примет вид: 2*3-Зг + л/2 = 0. (8)

Численное решение уравнения (8) позволяет установить тот факт, что его кратным действительным корнем будет ? « 0,8, т. е. ^-^=0,8 (рис. 2).

Иначе говоря, синергетический период, в течение которого происходит самоорганизация диссипативных структур материала, его морфогенез, характеризующийся повышением свободной энергии и снижением уровня энтропии системы, равен 0,8. Если в качестве масштаба времени принять один год, то полученная продолжительность постстроительного периода, равная 9-10 мес, вполне согласуется с результатами работы [3].

Таким образом, бифуркационный подход, рассмотрение синергетических тенденций свойств материала с по-

Дайджесты «Керамические строительные материалы» теперь на DVD

На диске объединены две части дайджеста «Керамические строительные материалы». Собрана информация за период 1996-2008 гг. - наиболее интересные статьи, опубликованные в журнале «Строительные материалы»®, всего более 200 статей по тематическим разделам:

• общие вопросы отрасли;

• сырьевая база отрасли;

• оборудование и технологии;

• технологические особенности производства;

• наука - производству;

• предприятия отрасли;

• ограждающие конструкции;

• страницы истории;

• в рамках проекта «Керамтэкс»

Заказать диск можно в издательстве

«СТРОЙМАТЕРИАЛЫ»: Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru, rifsm@mail.ru

Cj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2011 35