CC BY
5УДК 625.73
М.А. ЗАВЬЯЛОВ, А.М. ЗАВЬЯЛОВ, доктора техн. наук, Омский государственный технический университет
Вариации термодинамических потенциалов материала дорожного асфальтобетонного покрытия и обоснование сроков ремонтных работ
Дорожное асфальтобетонное покрытие — это термодинамическая, инженерно-геологическая система, состояние которой характеризуется температурой (Т), давлением (р), объемом материала (V), внутренней энергией (и) и энтропией (^). Для описания этого состояния используют три функции, называемые характеристическими или термодинамическими потенциалами: G — изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса); ¥ — изохорно-изотермический потенциал (энергия Гельмгольца, или свободная энергия); Н — энтальпия [1]:
G = F + pV; F = U - TS;
(1) (2)
к =Ш.
даФ я р
KJJ- тпял
(4)
Н = и + рУ. (3)
Для различных вариантов термодинамических условий того или иного процесса в инженерно-геологической системе самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые сопровождаются уменьшением соответствующего термодинамического потенциала. Кроме того, изменение термодинамических потенциалов равно сумме всех видов работы, совершаемой в данной системе. Из этих важных положений следует целесообразность применения метода термодинамических потенциалов в дорожной отрасли для прогнозирования интенсивности процессов и характера изменения теп-лофизических свойств материала асфальтобетонного покрытия [2]. Одно из преимуществ метода потенциалов Гиббса заключается в том, что, оценивая изменение одной величины — термодинамического потенциала, имеется возможность оценить суммарное изменение энергии рассматриваемой термодинамической системы, происходящее в результате нескольких физико-химических процессов, которые обычно протекают одновременно и трудноразделимы.
Обоснованное установление межремонтных сроков службы асфальтобетонных покрытий имеет решающее значение для поддержания долговечности дорожной одежды. В работе [3] аналитически определяются основные критерии, задающие межремонтные сроки службы асфальтобетонных покрытий, причем эти критерии поставлены в зависимость от вариации энтропии материала на этапе строительства.
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 с колесами автомобилей. В то же время свободная энергия, играющая компенсационную роль в различных деформационных процессах при эксплуатации дорожного покрытия, уменьшается [4].
Введем коэффициент дефицита свободной энергии, как отношение модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации:
На рисунке представлены результаты расчета по формуле (4): линия 1 — для крупнозернистого пористого асфальтобетона марки II (категория дороги I-Б, интенсивность движения 7—10 тыс. авт./сут); линия 2 — для мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А марки I (категория дороги I-Б, интенсивность движения 15— 20 тыс. авт./сут); линия 3 — для мелкозернистого плотного асфальтобетона типа Б марки I (категория дороги I-А, интенсивность движения > 20 тыс. авт./сут) линия 4 — для мелкозернистого плотного асфальтобетона типа Б марки I (категория дороги II, интенсивность движения 5—7 тыс. авт./сут).
Значения теплофизических параметров указанных материалов получены как лабораторным путем, так и посредством запатентованной авторами приборной базы для неразрушающего контроля, позволяющей производить мониторинг дорожного покрытия [5]. При этом основным параметром мониторинга и в расчетах была величина удельной теплоемкости асфальтобетона [6].
Введенный коэффициент дефицита свободной энергии будем рассматривать как нормативный критерий, определяющий срок производства ремонтных работ. Иначе говоря, момент времени, в который текущее значение ^еф(?) становится больше нормативного значения.
Нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии ^еф в свою очередь соответствует моменту нарушения квазилинейности графиков удельной теплоемкости — с этого момента зависимости становятся нелинейными — и определяет начало ремонтных работ:
. (5)
Анализ построенной имитационной модели изменения термодинамических свойств материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла позволяет построить методику функционального
3" -&
ф ч
15 -
10 -
5
1
4
\ 3 V2
— '— fl ^ 1 1
0 4
Время, годы
Зависимость коэффициента дефицита свободной энергии кдеф от времени эксплуатации покрытия. Для линий 1 и 2 рассчитаны значения нормативного коэффициента дефицита к деф, равного 6,4 и 3,14 соответственно
0
rj научно-технический и производственный журнал
М ® май 2013 ГТ
Таблица 1
Приращение величин 1 Е, МПа р, кг/м3 Ст, Дж/(кг.оС) бв, Дж/оС би, Дж бF, Дж бG, Дж
1-й год 1 3906 2550 960 - 99,89 -500 1498 5404
4-й год 2,91 2792 2400 1076 1048 5247 -15720 -12928
Таблица 2
Приращение величин 1 Е, МПа р, кг/м3 Ст, Дж/(кг.оС) бв, Дж/оС би, Дж бF, Дж бG, Дж
1-й год 1 2664 2350 1020 -140,85 -705 2112 4776
5-й год 2,874 1429 2250 1214 1649 8254 -24730 -23301
состояния дорожного асфальтобетонного покрытия с целью назначения обоснованных сроков и видов ремонтных работ.
Данная методика заключается в следующем:
1. По завершении этапа строительства дорожного асфальтобетонного покрытия определяют значения всех термодинамических функций, а также величину удельной теплоемкости материала покрытия, эти значения вносят в эксплуатационный паспорт автомобильной дороги.
2. Осуществляют аналитический мониторинг процесса эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия (имитация термодинамических и физико-механических процессов при эксплуатации) с учетом категории дороги, типа асфальтобетона, интенсивности и грузонапряженности движения. При этом определяют в режиме реального времени значения следующих величин:
— коэффициент пластичности;
— модуль упругости;
— плотность;
— удельная теплоемкость;
— вариации термодинамических функций: энтропии, внутренней и свободной энергии, энергии Гиббса, которая определяется как:
G = F + ЕУ,
где Е — модуль упругости.
3. При выполнении неравенства (5) необходимо назначать ремонтные работы (средний ремонт); решение данного неравенства позволяет определять время начала этих работ; нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии определено в пределах числовых значений от 3 до 6 в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона. Например, коэффициент дефицита свободной энергии для асфальтобетона типа А первой категории принимает значение, близкое к левой границе, для пористого асфальтобетона и второй категории дороги — к правой границе.
4. В случае каких-либо изменений в режиме эксплуатации автомобильной дороги вносятся соответствующие коррективы в имитационную модель, в результате чего изменяются и рекомендуемые сроки начала ремонтных работ.
Примеры работы предложенной методики.
Пример 1. Рассмотрим строительство дорожного асфальтобетонного покрытия из мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А марки I. Автомобильная дорога первой категории — с начальной интенсивностью движения 16 тыс. авт./сут. По завершении этапа строительства определили начальные значения: толщина слоя h=0,08 м; удельная теплоемкость материала покрытия Ст=970 Дж/(кг-°С) при 20оС; плотность асфальтобетона р=2450 кг/м3; объем У=1 м3. Нормативное значение коэффициента дефицита равно 3,5. Расчетные данные позволяют составить табл. 1.
В результате расчета получили, что значение коэффициента дефицита свободной энергии после четвертого года эксплуатации покрытия равно 3,744 и превыша-
ет нормативное значение. Таким образом, делаем вывод: средний ремонт должен проводиться после четвертого года эксплуатации данного покрытия.
Пример 2. Рассмотрим строительство дорожного асфальтобетонного покрытия из мелкозернистого пористого асфальтобетона. Автомобильная дорога второй категории с начальной интенсивностью движения 5 тыс. авт./сут. По завершении этапа строительства определили начальные значения: толщина слоя h=0,06 м; удельная теплоемкость материала покрытия Ст=1035 ДжДкг^С) при 20оС; плотность асфальтобетона р= 2350 кг/м3; объем У=1 м3. Нормативное значение коэффициента дефицита равно 5,5. Используя расчетные данные, составляем табл. 2.
Значение коэффициента дефицита после пятого года эксплуатации покрытия равно 5,617 и превышает нормативное. Вывод: средний ремонт должен проводиться после пятого года эксплуатации данного покрытия.
Следует заметить, что по аналогии с коэффициентом дефицита свободной энергии материала можно ввести величину отношения вариации энтропии в рассматриваемый момент времени к абсолютной величине ее отрицательной вариации. Значение этой величины, определяющее срок производства ремонтных работ, будет равно 10—12 в зависимости от типа асфальтобетона и категории автомобильной дороги.
Вывод. Величины вариации термодинамических потенциалов материала дорожного асфальтобетонного покрытия являются объективными аналитическими критериями для определения сроков производства ремонтных работ.
Ключевые слова: материал дорожного асфальтобетонного покрытия, вариация энтропии, вариация свободной энергии, сроки ремонтных работ.
Список литературы
1. Королев В.А. Термодинамика грунтов. М.: МГУ, 1997. 168 с.
2. Завьялов М.А. Функциональное состояние дорожного асфальтобетонного покрытия // Известия вузов. Строительство. 2007. № 6. С. 92-97.
3. ЗавьяловМ.А., Завьялов А.М. Зависимость межремонтных сроков службы асфальтобетонного покрытия от вариации энтропии в процессе строительства // Известия вузов. Строительство. 2004. № 9. С. 70-73.
4. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Постстроительный период жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: синергетические тенденции свойств материала // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 14-16.
5. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Аналитические методы определения сроков ремонтных работ дорожного асфальтобетонного покрытия // Наука и техника в дорожной отрасли. 2012. № 3. С. 35-38.
6. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Теплоемкость асфальтобетона // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 6-9.
12
научно-технический и производственный журнал
май 2013
