Расчетно-экспериментальная методика проектирования состава асфальтобетона с учетом структурно-механических характеристик асфальтобетонных смесей и асфальтобетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

eco46@mail.ru Котлярский Э.В. канд. техн. наук,

Урьев Н.Б. академик РАЕН, д-р техн. наук Московский Автомобильно-дорожный институт

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОНА

С УЧЕТОМ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

И АСФАЛЬТОБЕТОНА

1. Теоретические предпосылки.

Асфальтовый бетон и асфальтобетонные смеси представляют собой полиминеральный и полидисперсный материал на основе органических вяжущих. Основные закономерности формирования структуры и свойств асфальтобетонных смесей подчиняются основным закономерностям физико-химической механики и, как правило, связаны с процессами и явлениями, протекающими на границе раздела фаз. Эти закономерности также проявляются и при разрушении структуры материала под воздействием эксплуатационных факторов [1, 2, 3].

Параметры структуры материала количественно описываются показателями предельного напряжения сдвига Рт, средней силы сцепления в контакте между частицами Рс, средним количеством контактов в единице объема п, величинами средней прочности Р, и средней площади единичного контакта

5 [1, 3].

Величина предельного напряжения сдвига может быть определена экспериментально при помощи конической пластометрии и других методов. Она связана с другими структурно-механическими характеристиками.

Рт = кг Рс - п23 = к2 - ¥с - ф, • ^ = кз - ¥с - Ф,. • 5Жв-2, (1)

где Рт предельное напряжение сдвига, Па; ¥с - средняя сила сцепления в контакте между частицами, Н; п - среднее число контактов в единице объема (см3); ф1 -относительная плотность; Ууд - удельная поверхность минеральной части, см2/г; 5ЭКв - эквивалентный (средневзвешенный) размер частиц минеральной части.

_с

Р

= Л- ^ = сот^

(4)

не зависит от температуры и скорости испытания). где:

Л = 5э

2 Р

5 =

(1 -ф )- (ф~ф„) Ф, -Фо

(5)

где р' - плотность минеральной части асфальтобетона, г/см3; р - плотность асфальтобетона, г/см3; ф0 -относительная плотность неуплотненной асфальтобетонной смеси.

Суммарная площадь единичных контактов определится из выражения (22):

У = с .2/3 общ р п

(6)

Тогда площадь единичного контакта будет равна:

5 общ Рс -1/3

У =-= —^ - п

' п Р

Средняя прочность единичного контакта:

(7)

р

Р = — = Рс-

' У с

р

(8)

§ = кФ-кр-10

ЭКв

У уд - 2,5

п = 6.7373-1010 -е5'44■ ф -5Э,

(2)

(3)

Расчетно-экспериментальная методика проектирования состава асфальтобетона с учетом структурно-механических характеристик асфальтобетонных смесей и асфальтобетона состоит в реализации последовательных шагов [1, 3].

Р

2009, № 1

Вестник БГТУим. В. Г. Шухова

2. Расчетная часть

1. В соответствии с методикой ГОСТ 9128 для конкретных эксплуатационных условий производится выбор типа, вида и марки асфальтобетонной смеси.

2. С учетом условий эксплуатации производится выбор марки битума и экспериментально определяются его основные строительно-технические свойства.

3. В соответствии с ГОСТ 8269.1 экспериментально определяется зерновой состав щебня.

4. В соответствии с ГОСТ 8735 экспериментально определяется зерновой состав природного и дробленого песка.

5. В соответствии с ГОСТ 12784 экспериментально определяется зерновой состав минерального порошка с прогнозом на ЭВМ по специальному алгоритму распределения массовой доли частиц до 0,001 мм. С использованием алгоритмов приложений математической статистики производится надежность прогноза по коэффициенту множественной корреляции.

6. Экспериментально определяются плотности компонентов минеральной части асфальтобетонной смеси, для щебня по ГОСТ 8269.1, для природного и дробленого песка по ГОСТ 8735, для минерального порошка по ГОСТ 12784.

7. На ЭВМ с использование системы алгоритмов и программ (А^ЬеЫ .. ^Ье^5) производится проектирование состава минерального остова асфальтобетонной смеси.

8. Определяется значение средневзвешенного коэффициента плотности частиц щебня, песка и минерального порошка различных размеров:

Таблица 1

Форма частиц kф

Шар 6,000

Куб 8,4853

Тэдраэдр 14,6960

10. Определение расчетной удельной поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси с учетом коэффициента формы частиц различного размера:

.Сшиб Авиб к . к

Б.. = Уб. =

оа /.а IX—! и2

Д™ и

(11)

11. Определение прогнозируемой битумоемкости для частиц минерального порошка размером от 0,001 до 0,071 мм с использованием статистической специальной программы на ЭВМ;

12. Определение плотности минеральной части асфальтобетонной смеси по ГОСТ 12801:

Р' =

100

щ _п мп_

(12)

где рщ - плотность щебня, г/см3: рп - плотность песка, г/см3; р ми- плотность минерального порошка, г/см3.

13. Определение плотности асфальтобетона по ГОСТ 12801:

кр= щ

100

п МП

+— +-

кРЩ крп крмп

(9)

где к =рщ; кп = А.; кмп=рмп; Щ- содержа-рщ 2,5 2,5 2,5

ние в смеси щебня (частиц крупнее 5 мм), % масс.; П - содержание в смеси частиц песка (от 0,14 до 5 мм), % масс.; МП - содержание в смеси частиц минерального порошка (от 0,001 до 0,14 мм), % масс.

9. Определяется значение средневзвешенного коэффициента формы частиц щебня, песка и минерального порошка:

100

к =-

р Щ П МП

—+— +-

к фщ кфп кфмп

(10)

где кф зависит от формы частиц:

Р =

100 + Б 100 + Б Р' Р*

(13)

где р* - плотность битума, г/см3:

14. Назначение проектной относительной плотности асфальтобетона (или остаточной пористости уплотненного асфальтобетона):

Ф/ =

Р!

Р

(14)

15. Определение проектной относительной плотности асфальтобетона неуплотненной асфальтобетонной смеси (или ее остаточной пористости) - назначается по пористости минеральной части выбранного типа и вида асфальтобетонной смеси:

Р.

Ф/ = — ■ Р

(15)

16. Расчет среднего числа контактов между частицами в ед. объема (см3):

п = 6,7373-1010 -е5'44 -ф -5э

(16)

3. Определение средней прочности единичного контакта:

Р =

Р

(23)

17. Определение степени формирования структу-

ры

5 =

(1 -ф )- (Ф-Ф0) Ф, -Ф0

(17)

18. Определение соотношения :

= Л - 5 = сопя! ,

Р

Л = Э

2 Р.

в

Р

(18)

(19)

19. Определение средней площади элементарных контактов и их среднего размера:

У = ^^-п-1'3

' Р '

а. =

4- У

(20)

(21)

3. Экспериментальная часть

1. Экспериментально определяется предельное напряжение сдвига:

- для технологической операции приготовления смеси при температурах, регламентированных ГОСТ 9128 (например, для горячих смесей 140 -

160 оС);

- для технологической операции уплотнения (для горячих - в зависимости от содержания щебня 80 -

150 оС);

- для летних эксплуатационных температур +50 или +20 оС:

2. Определение средней силы сцепления в контакте при намеченных технологических и эксплуатационных температурах:

4. Выбор состава для производства асфальтобетонных работ, приготовление, укладка и уплотнение асфальтобетонной смеси.

5. Отбор контрольных кернов из покрытия, экспериментальное определение фактически достигнутых строительно-технических и структурно-механических показателей и прогноз работы асфальтобетона в конструктивном слое дорожной одежды.

6. В случае необходимости замена одного или нескольких исходных компонентов, технологического регламента приготовления смеси, корректировка технологии укладки или уплотнения асфальтобетонного слоя.

Приведенная методика реализована в алгоритме «АзЬе^5», что позволяет существенно сократить время проектирования состава асфальтобетонной смеси и определения стандартных и структурно-механических характеристик асфальтобетона и асфальтобетонных сме-

сей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Котлярский Э.В. Строительно-технические свойства дорожного асфальтового бетона. «Техполиграфцентр», М. 2004, -183 с.

2. Урьев Н.Б., Финашин В.Н., Котлярский Э.В., Черномаз В.Е. Колл.ж., 1987, т.49, № 1, с.72-76.

3. Котлярский Э.В., Воейко О.А. Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации. «Техполиграфцентр», М. 2007, - с. 11-60.

р = Р

Р

т

(22)

п

П