Разработка рекомендаций по выбору рациональных подходов к проектированию, строительству и эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Рис. 5. Внешний вид разрушенных армированных образцов УДК 625.73 + 625.85

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПОДХОДОВ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ, СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

М. А. Завьялов, канд. техн. наук Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Аннотация. Рассмотрено создание информационно-аналитического аппарата для обеспечения обоснованного выбора рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии на этапах проектирования и строительства с учетом потребительских свойств дорожного покрытия при эксплуатации.

Ключевые слова: проектирование и строительство дорог, рациональные технологии, эксплуатация дорожного асфальтобетонного покрытия, долговечность, мониторинг состояния покрытия.

Введение

В соответствии с действующим законодательством Российской Федерации (Федеральный закон Российской Федерации от 8 ноября 2007 г. № 257-ФЗ «Об автомобильных дорогах и о дорожной деятельности в Российской Федерации» и подпрограмма «Автомобильные дороги» федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002 - 2010 годы)») главный ресурс обеспечения долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий - это осуществление своевременных мероприятий по их ремонту и содержанию.

Согласно данным федеральной целевой программы, в России не обеспечивается восстановление ежегодного износа автомобильных дорог федерального и регионального значения, в связи с чем происходит необратимый процесс разрушения государственного имущества, стоимость которого оценивается почти в 1 трлн. рублей. Ремонт и восстановление дорожного покрытия в таких условиях

обходятся значительно дороже, чем затраты на ремонт и модернизацию при их своевременном проведении.

Следовательно, практическая ценность разрабатываемых нормативных документов состоит в возможности:

- обоснованного выбора рациональных режимов формирования заданных качеств асфальтобетона в покрытии на этапах проектирования и строительства с учетом потребительских свойств дорожного покрытия при эксплуатации;

- эффективного прогнозирования состояния дорожных асфальтобетонных покрытий с учетом динамического воздействия транспортных средств, обеспечивающего своевременное проведение ремонта и модернизации.

В настоящее время в качестве целевого показателя оценки результативности работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог предлагается использовать обобщенный показатель качества и состояния дороги. Обобщенный показатель предусмотрен «Правила-

ми диагностики и оценки состояния автомобильных дорог» ОДН 218.0.006-2002. Данный показатель при всей своей всеобъемлющей универсальности весьма громоздок для применения.

Актуальной представляется задача описания функционального состояния дорожного асфальтобетонного покрытия в течение всего жизненного цикла - от начала строительства до завершения эксплуатации. Понимание сущности необратимых термодинамических процессов, происходящих при эксплуатации покрытия, помогает осуществлять мониторинг и прогнозирование срока службы покрытия в любой момент времени.

Основной раздел

Отличительная черта данной работы заключается в использовании результатов исследования по применению термодинамического подхода к описанию изменений физикомеханических и теплофизических параметров материала дорожного асфальтобетонного покрытия в процессе его строительства и эксплуатации, а также в установлении корреляции термодинамических потенциалов с базисными параметрами, характеризующими состояние дорожного покрытия.

В результате проведенного исследования показано [1], что при проектировании необходимо, исходя из категории дороги и проектной интенсивности движения, определиться с типом и маркой асфальтобетона, проектным значением величины удельной теплоемкости асфальтобетона, а также значениями величин энтропии и свободной энергии, которые они приобретут по завершению строительства. Делается выбор технологического режима строительства дорожного асфальтобетонного покрытия с высоким коэффициентом технологичности. Режим строительства характеризуется в процессе укатки рациональными значениями таких величин, как:

- скорость катка;

- давление на асфальтобетонную смесь;

- коэффициент уплотнения.

На рис. 1 и 2 приводятся рациональные значения этих величин и продолжительности процесса в зависимости от числа проходов дорожного катка.

Зависимости изменения энергетических величин: энтропии и свободной энергии, величины абсолютной деформации, а также производительности процесса укатки от числа проходов, представлены на рис. 3 и 4.

При строительстве покрытия реализуется энергоэффективный режим укатки асфальто-

бетонной смеси, характеризующийся высоким коэффициентом технологичности (рис. 5).

Процесс эксплуатации как этап жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия условно разбит на два подэтапа:

- постстроительный (инерционный) период;

- период старения (износа).

По завершении строительства дорожного асфальтобетонного покрытия необходимо определить начальное (исходное) значение базисной величины его материала - удельной теплоемкости. Следует также определить начальное значение плотности материала дорожного покрытия и суммарное изменение ровности. Значения этих двух величин должны удовлетворять нормативным значениям.

Затем, применяя рекомендуемые алгоритмы [1], вычислить с помощью программного продукта Mathcad начальные значения величин, необходимых для мониторинга и прогнозирования состояния покрытия и назначения обоснованных сроков ремонтных мероприятий, или определить эти значения экспериментально. Эти значения вносятся также в эксплуатационный паспорт автомобильной дороги.

На рис. 6 приводятся графики зависимостей удельной теплоемкости и вариации свободной энергии от времени, построенные исходя из начальных значений с учетом реперных точек.

Введенный коэффициент дефицита свободной энергии (отношение модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации) рассматривается как нормативный критерий [1], определяющий срок производства ремонтных работ. Иначе говоря, момент времени, в который текущее значение kдеф () становится

больше нормативного значения kн , то есть

деф

кдеф(0> . (1)

Делается заключение о необходимости ремонтных работ, вид и технологические особенности которых определяются после дополнительного визуального исследования и экономических возможностей.

При этом следует заметить, что:

- после каждого эксплуатационного этапа при выборе технологии ремонтных работ определяется нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии на

момент окончания очередного ремонта, которое имеет тенденцию к уменьшению (невозрастанию) по сравнению с предыдущим значением, а, следовательно, сокращается и проектный срок службы после каждого ремонта;

- наступает момент, когда коэффициент дефицита свободной энергии принимает очевидно низкие значения и проводить ремонтные работы, начиная с этапа строительства, становится нецелесообразным и экономически нерентабельным; необходимо вновь вернуться к этапу проектирования.

Понятия «критически низкого» нормативного значения коэффициента дефицита свободной энергии здесь не вводится, поскольку принятие заключения о целесообразности реализации того или иного сценария (ремонта или нового строительства), по вычисленному значению коэффициента дефицита, остается за субъектом, принимающим решения (например, эксплуатационной организацией).

В качестве критериальной оценки эффективности проектных строительных и ремонтных мероприятий примем удельную себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия в расчете на единицу его объема.

То есть,

э - Э

эуд _ - ’

L

(2)

Э

удо

э + э

эпрс т эсодо Lо

(3)

э

э.

уді

прс + эсоду + эрем1

і-о________________

ъ + ъ

(4)

где Эуд1 , ЭСОДу , Эрем1 , Ь1 соответ-

I=0

ственно, экономическая эффективность, суммарные затраты на эксплуатацию, стоимость ремонта и продолжительность жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия до второго ремонта; i - индекс, i=0 - до первого ремонта, /=1 - до второго ремонта.

Обобщая формулы (3) и (4), можно записать экономический критерий (2) после к-го ремонта в виде

k k

э

і-0

і-1

уд к

(5)

і-0

здесь Эуд, Э и L - удельная себестоимость,

себестоимость единицы объема и продолжительность жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия, соответственно.

Экономическую эффективность проектных и ремонтных работ можно определить, исходя из формулы (2):

Величина в формуле (5) определяется

согласно нормативному критерию, устанавливающего срок производства ремонтных работ (1).

При этом общее приращение энтропии после /-го ремонта SSІ можно вычислить по формуле (значения энтропии берутся по модулю)

8 Si = (£ (м) - 8 S^-1)эксп ) + ^Si рем , (6)

где 85(i-l)эксп - приращение энтропии при

эксплуатации после (/ - 1)-го ремонта; ASІ рем

- приращение энтропии в результате /-го ремонта.

При реализации ремонтных работ, как правило, справедливо следующее нестрогое неравенство:

где Эпрс, Эсодо - соответственно, затраты

на проектирование, строительство и содержание дорожного асфальтобетонного покрытия; ЭуДо , Ьо - экономическая эффективность и

продолжительность жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия до первого ремонта.

После первого ремонта в числитель формулы (3) добавиться еще стоимость ремонтных работ, а сама формула (3) приобретет вид

SS(i-l)>8Si.

Оно следует из другого неравенства

8'(і-і)

эксп > рем ■

(7)

(8)

То есть энергетические затраты при выполнении ремонтных работ не компенсируют в полной мере энергетические потери (приращение энтропии, снижение свободной энергии), которые происходят в процессе эксплуатации.

1

к

Поэтому можно ввести индекс энергетической эффективности ремонта как следующее отношение:

і рем

рем

8 '(і-1) экс

(9)

здесь Ц рем - индекс энергетической эффективности /-го ремонта.

Применяя данный индекс, можно величину , где / = 1, 2, ..., к, вычислить также посредством рекуррентной формулы

Li 1 і рем ■ Ъ^-1) ■

(10)

■'2 рем — 1000

8'1эксп “ 1300

0,77;

следовательно, при ¿1 = 4,5 лет, получаем

¿2 = 12 рем • ¿1 * 0,77 • 4,5 * 3,5 года.

Удельную себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия при выполнении регулярных ремонтов и содержания рассчитаем с учетом формулы (5)

+ Х Эрем i

э —

эуд

эпрс +Е э

соді

1250 +

'4 7

Е100(1 + 0,08к ) + Е100(1 + 0,08к)

к—1 к—5

+

4,5 + 3,5 [1,4 ■ 450 +1,64 ■ 450] = 4,5 + 3,5 =

1250+2292 8

— 442,75 .

Здесь и далее учитывается ежегодное удорожание работ (инфляция) в количестве 8 процентов (например, расчетное значение стоимости ремонта 450 руб./м2 для заданной толщины после 5 лет эксплуатации необходимо умножить на коэффициент равный 1,4).

Рассчитаем удельную себестоимость при отсутствии ремонтов и содержания - после 8 лет эксплуатации осуществляется строительство нового покрытия:

При условии выполнения неравенств (7) и (8) величина Ц рем не превзойдет единицы, иначе

Ь рем ^ 1. (11)

Пример

Произведем расчеты для 1 кв. метра асфальтобетонного покрытия толщиной 7 см.

Анализируя данные работы [1, с. 202 -207], получаем:

8Я1 =1050 Дж/К; 851эксп =1300 Дж/К;

^м =1000 Дж/К.

Используя выражение (6), вычислим общее приращение энтропии после 2-го ремонта

8 ^ = (8 ^ - 8 ^эксп ) + А^рем =

=(1050 - 1300) + 1000 = 750 Дж/К.

Из формулы (9)

эуд* —

эпрс + к ■ эпрс + эавт

Е ъ

1250 +1,64 ■ 1250 + 4584 8

— 985,5 ,

где Эавт - себестоимости автомобильных перевозок, которая увеличивается в процессе эксплуатации покрытия. В результате «недо-ремонта» повышаются транспортные издержки за счёт снижения средней скорости транспортного потока, характеризующейся коэффициентом обеспеченности расчётной скорости, так по данным Минтранса России, если за счёт недостаточного финансирования допускается ухудшение состояния дороги с интенсивностью движения 500 авт./сутки, то недовложение каждого рубля в её содержание и ремонт приводит к увеличению себестоимости автомобильных перевозок на 2- 3 рубля.

Исходя из этого в расчете принято, что

Эавт = 2 (X Эсодi + Е Эрем i )=

=2•2292=4584.

Рассматривая отношение значений удельной себестоимости, получим:

985,5

эуд*

э

уд

442,75

2,22.

Таким образом, в рассмотренном примере показано, что удельная себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия увеличивается в результате «недоремонта» более чем в 2 раза.

Заключение

1. Предложенный режим процесса укатки дорожного асфальтобетонного покрытия является рациональным, с точки зрения энергоэффективности он обеспечивает качество покрытия при коэффициенте уплотнения равном 1,01. Этот режим характеризуется следующими пределами изменения значений пара-

+

метров: рациональная скорость движения дорожного катка изменяется от 0,58 до 2 м/с; продолжительность каждого этапа уплотнения смеси - от 3,5 до 17 с; величина контактного давления - от 400 до 2850 кН/м ; плотность асфальтобетона в покрытии - от 1700 до 2664 кг/м3; показатель степени уплотняемости смеси - от 0,78 до 0,984; значение абсолютной деформации смеси - от 0,0024 до 0,015 м.

2. По сравнению с традиционными режимами предложенный режим процесса укатки дорожного асфальтобетонного покрытия характеризуется изменениями следующих параметров:

- увеличением скорости;

- снижением давлений;

- сокращением продолжительности всего процесса, несмотря на некоторое увеличение числа проходов;

- повышением производительности;

- уменьшением удельной энергоемкости.

3. При данном режиме укладки реализуется релаксационный принцип уплотнения асфальтобетонной смеси.

4. Сокращение времени каждого прохода и всего процесса укатки в целом дает возможность сберечь тепловую энергию, проводит уплотнение при более высокой температуре смеси, и позволяет добиться высокого коэффициента технологичности рассматриваемого процесса.

5. В процессе укатки, реализуемом в предложенном энергоэффективном режиме, достигается наибольшее снижение уровня энтропии асфальтобетонной смеси за счет технологической компоненты и высокий потенциал ее свободной (восстанавливающей)

энергии, который, в конечном счете, и определяет долговечность дорожного покрытия.

6. Момент изменения уплотняющей нагрузки должен соответствовать моменту прекращения роста коэффициента технологичности процесса, что способствует поддержанию высокого значения данного коэффициента (рис. 5).

7. Введен нормативный критерий - коэффициент дефицита свободной энергии, определяющий срок производства ремонтных работ, равный отношению модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации.

8. Показано, что удельная себестоимость одного года жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия увеличивается пропорционально времени недоремонта.

Библиографический список

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

Recommendations for rational approaches to designing, construction and operation of road asphalt pavement

M. A. Zavyalov

It is considered the information-analytical device for maintenance of rational modes of formation of asphalt pavement qualities at design and construction stages, depending on consumer demanding properties during operation.

Статья поступила 15.09.2008 г.

012345678 .0. число циклов приложения нагрузки ,8.

Рис. 1. Зависимости от числа циклов приложения нагрузки: 1 и 2 - рациональных скоростей движения дорожного катка при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно; 3 и 4 - скоростей движения катка при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси; для мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I; 5 и 6 - затрачиваемого времени процесса уплотнения на каждом этапе при рациональной скорости движения и традиционной технологии уплотнения, соответственно; 7 и 8 - зависимости суммарного времени (то есть продолжительность всего процесса укатки смеси) для графиков 5 и 6

1 число циклов приложения нагрузки .8,

Рис. 2. Зависимости от числа циклов приложения нагрузки: 1 и 2 - коэффициента уплотнения асфальтобетона (0.9< Ку<1) при рациональной скорости движения дорожного катка в

процессе уплотнения мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно; 5 и 6 - реализуемых при этом величин контактного напряжения, соответственно; 3 и 4 - коэффициента уплотнения асфальтобетона (0.9< Ку<1) при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси; 7 и 8 - реализуемых при этом величин контактного напряжения, соответственно

Ш

3"

й

£1

С

5

щ

СП

5

й

О.

С

5.51x10"

0.1

О-.С'З

0. с-б

0.0-

0.02

1 1 2

1 1 г г Уг г »■ ф т . + ‘ ^ Г 'Г к'

Ч“£>.. ’4- '"*3 Г1 . -:'Х ■3. \ 4

/г '< '' ч Л '<1 э—■ | ■ ** ■■ .' /< -

5 6

0.С2

0.02.

5

5

0.015 ^

С1

0

*0-

съ

ч;

»5 Сз

1

I § Пз ЛЭ I

1г 5

ё

0.01

0.005

12 3 4 5 6 7 8

1 число циклов приложения нагрузки 5

Рис. 3. Зависимости от числа циклов приложения нагрузки: 1 и 2 - производительности процесса укатки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа А, марки I и типа Б, марки I, соответственно, на рациональных скоростях движения дорожного катка; 3 и 4 -производительности процесса укатки при традиционной технологии уплотнения тех же типов асфальтобетонной смеси; 5 и 6 - величины абсолютной деформации смеси при рациональной скорости движения и традиционной технологии уплотнения, соответственно

- 47.34,

I

5

5;

¡;

£1

ь.

з;

О

С;

г

С;

ЙР

ч.

¡1

с

- 1.032* 10?

о

-ж

-ж

-5СС

:ж

-:ж

* -ч .

1 1 * ч *

$ >

3 * $ $ *

X ч X . 1 * \ -

/ ►

*

£

ч

1

Ф

:е

(Ч

:з;

С}

£

£

'о

й

СГ|

ЧМ СП С Ц ЖЛ ОБ прмп с ж ения нагр узки

Рис. 4. Зависимости приращения энтропии (1 - суммарное значение; 2 - для каждого цикла нагружения) и свободной энергии (3) от числа циклов приложения нагрузки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа Б, марки I на рациональной скорости движения дорожного катка

^ цитло циклов приложения нагрузки

Рис. 5. Зависимость коэффициента технологичности, представляющего собой отношение технологической компоненты вариации энтропии к ее температурной компоненте, от числа циклов приложения нагрузки при уплотнении мелкозернистой плотной асфальтобетонной смеси типа Б, марки I на рациональной скорости движения дорожного катка: 1 - отношение суммарных значений вариации энтропии; 2 - отношение вариаций энтропии на каждом этапе уплотнения

н

ц

ч

s

£

&

Я.'

X

<.■)

ш

□

i

I

с.

й

I

и

ft?

i

•.i

ib

::íT

30UD

-51MB

-:.5-:¡

-2-10'

7 ■ _ _ - “ ж , j- ж

тш - ■ ■ “ж ■ ' V/ «Л к и J , J* i Г * * г

+ + + + 3 * г * Jr г т г г г г

+ + '■ -Т + + 1 + г ’t •/ . ■ i 1

h ■ \ 5 + ♦. / 2 * + + * + + é -

+ ♦. + °t +

iíOti

:-cc

:ж

:scc

soc

i-

й'

i-i

с

§

Qj

íi

1

Qj

h-

i

-ü

I

1

время, годы

Рис. 6. Зависимости от времени:

1 и 2 - вариации свободной энергии, Дж; 3 и 4 - величины удельной теплоемкости (Дж/(кг0С)) мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А, марки I (категория дороги I-Б) и типа Б, марки I (категория дороги I-A), соответственно; 5 - величина удельной теплоемкости, построенная с учетом реперных точек; 6 и 7 - теоретический и «скорректированный» коэффициент дефицита свободной энергии (на графике - левая шкала, для наглядности изображения значение коэффициента умножено на 103)