Материал: Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии. Носов С.В., Рябова О.В

Таким образом, развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, представленное в главе 2 и главе 3, позволило выявить новые существенные закономерности в развитии деформации уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов на пути разработки и совершенствования технологий их уплотнения.

В пятой главе проведены исследования технологических процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

На основе известных методов формализации динамических систем разработаны обобщенные динамические модели различных процессов уплотнения, учитывающие как основные параметры самой машины, применяемой при уплотнении, так и реологические свойства уплотняемого материала, что позволило произвести не только качественную, но и количественную оценку динамики системы «уплотнитель – материал». Параметры уплотняемого дорожно-строительного материала представлены физикомеханическим параметром, являющимся отображением его модуля деформации на единицу толщины уплотняемого слоя. В зависимости от типов применяемых уплотнителей даны рекомендации по учету тех или иных элементов в динамической модели.

Математическое моделирование рабочего процесса вибрационных дорожных катков показало, что первая половина процесса уплотнения асфальтобетонной смеси требует незначительного расхода мощности на поддержание колебаний вибровальцов. Начиная с коэффициента уплотнения 0,96, указанная мощность постепенно растет от прохода к проходу катков. На начальном этапе процесса уплотнения указанная мощность у виброкатка в 2,5…3 раза выше, чем у виброкатка с вакуумным устройством (ВУ). На завершающем этапе процесса уплотнения соотношение увеличивается до 10…12. Таким образом, при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей виброкатками значительно экономится мощность на привод вибратора, повышая энергоэффективность процесса уплотнения.

В лабораторных условиях установлено, а при полевых испытаниях подтверждено, что рациональные значения контактных давлений под вальцом катка зависят от текущей плотности асфальтобетонной смеси. С увеличением плотности смеси контактные давления приближаются к пределу прочности материала. Рациональные значения относительных контактных давлений при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей в 1,5…2,0 раза ниже, чем при уплотнении невакуумированных слоев за счет повышенных пределов прочности вакуумированных слоев асфальтобетонной смеси по сравнению с невакуумированными и за счет снижения внутренних остаточных напряжений в уплотняемом слое, а, следовательно, и модуля деформации слоя при его вакуумировании, что требует меньших контактных нагрузок со стороны рабочих органов уплотняющих машин.

Многочисленными исследованиями установлено, что применение новой технологии, включающей виброуплотнение с вакуумированием, позволяет сократить количество проходов катков по одному следу в 1,5...2 раза, повышая производительность катков. При этом существенно улуч-

21

шаются такие показатели качества, как водонасыщение, водостойкость и длительная водостойкость, сдвигоустойчивость, предел прочности, морозоустойчивость асфальтобетона и др., что ведет к увеличению срока службы асфальтобетонных дорожных покрытий в 1,5...2 раза. Так, совместное действие вибрации и вакуумирования на одном катке ДУ-54 позволило достичь при 8 проходах катка коэффициент уплотнения Ку=0,97 и водонасыщение W=2,1%, что превышает соответствующие показатели, достигнутые по сравнению с укаткой катками: статическим с ВУ - на 1% и на 45%; вибрационным - на 2% и на 64%; статическим - на 3% и на 74%.

Прочность асфальтобетона, полученного при уплотнении виброкатком с ВУ, выше по сравнению с уплотнением: вибрационным катком - на 4,9%; статическим катком с ВУ – на 6,1%; статическим катком - на 13,9% при коэффициенте уплотнения образцов, равном 0,96. Причем эта разница увеличивается с повышением плотности образцов.

При требуемой нормируемой плотности прочность асфальтобетона при уплотнении его виброкатком с ВУ повышается как минимум на 10…15%; повышенные показатели длительной прочности свидетельствуют о создании наиболее оптимальной структуры у асфальтобетона, уплотненного виброкатком с ВУ; уплотнение виброкатком с ВУ повышает устойчивость адгезионных связей между компонентами битума и каменным материалом, что обеспечивает повышенные значения показателей водостойкости и длительной водостойкости.

Сопоставление коэффициентов интенсивности накопления деформаций уплотняемого слоя по проходам катков ДУ-54 и ДУ-47А, полученных при полевых испытаниях и расчетным путем, дает расхождение в большинстве случаев в пределах 10…15%, что является удовлетворительным и подтверждает правомерность теоретических разработок.

Полевые имитационные исследования процесса уплотнения грунта автогрейдером ДЗ-201 на базе колесного трактора ЛТЗ-55А позволили получить экспериментальные данные по влиянию сопротивления грунта разработке, скорости движения и давления воздуха в шинах колес на величину колеи и плотность грунта после прохода передних и задних колес. В частности установлено, что с увеличением скорости движения трактора с 1,3 м/с до 2,1 м/с глубина колеи слегка уменьшается, а плотность грунта после прохода передних и задних колес трактора увеличивается, что можно объяснить только с позиций предложенного методологического подхода к оценке параметров деформируемого опорного основания.

Исследована и проанализирована кинематика шарниров гусеничной цепи, как уплотнителя, в лабораторных условиях на специально изготовленном стенде. Установлено, что с увеличением силы натяжения гусеницы и скорости движения опорного катка и с уменьшением толщины уплотняемого слоя вертикальные перемещения шарниров цепи уменьшаются. При этом изменение траектории вертикальных перемещений шарниров гусеничной цепи во времени можно описать треугольным законом. Предложен критерий физического моделирования взаимодействия гусеничного движи-

22

теля с деформируемым опорным основанием, учитывающий величины нагрузок в движителе и свойства опорного основания.

Полевые исследования процесса уплотнения грунта гусеничным бульдозером на базе трактора ДТ-75 показали, что при увеличении тяговой нагрузки и уменьшении скорости бульдозера глубина колеи и плотность грунта увеличиваются. Увеличение тяговой нагрузки изменяет эпюру нормальных и касательных напряжений под движителем, увеличивая их максимальные значения. Уменьшение скорости бульдозера ведет к увеличению времени действия на слой грунта действующих нагрузок. Как в первом, так и во втором случаях это подтверждает результаты проведенных теоретических исследований, основанных на применении теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластических сред.

В шестой главе представлены методы разработки и совершенствования технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей.

На основе анализа результатов расчета параметров и технологических режимов работы дорожных гладковальцовых катков разработан метод совершенствования технологии уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий, учитывающий изменение реологических свойств при их уплотнении, а также условия производства работ. Учитывая влияние на процесс уплотнения асфальтобетонной смеси ее температуры, плотности и толщины слоя, радиуса и ширины вальцов катка, а также технологических режимов работы катков: частоты колебаний вибровальца, относительной вынуждающей силы и скорости движения катка, метод позволяет определить:

- требуемое линейное давление применяемого статического катка, которое находится в определенной зависимости от текущего значения предела прочности слоя асфальтобетонной смеси и соотношения последнего с рациональными контактными давлениями под вальцами;

-коэффициент эффективности виброкатка по отношению к статическому катку с аналогичными значениями конструктивных параметров катка;

-комплексный параметр q/R виброкатка, где q - линейное давление катка при выключенном вибровозбудителе колебаний, R - радиус вальца катка;

-необратимую часть деформации εн после каждого прохода n катка.

На основании проведенных теоретических исследований и предложенного алгоритма расчета разработаны соответствующие программы расчета на ЭВМ.

На рис. 4 представлены примеры расчетов в виде зависимостей оценочных показателей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси при начальных значениях температуры смеси 120оС, коэффициенте уплотнения слоя 0,96, толщине слоя 5 см, частоте колебаний вибровальцов 50 Гц, относительной вынуждающей силе Р/Q = 2, радиусе вальцов 0,5м, скорости движения катка 0,5 м с-1.

Связывая производительность дорожного катка со скоростью его движения, числом проходов по одному следу и степенью уплотнения материала за один проход, необходимо дополнительно учитывать и такие технологические особенности рассматриваемой операции, как изменение пре-

23

дела прочности и параметров состояния уплотняемого материала, режимы работы и параметры дорожных катков.

Выбор технологических параметров процессов уплотнения асфальтобетонных смесей производился на основе разработанных методов оценки их взаимодействия с различными уплотнителями путем имитационного моделирования с применением метода перебора и метода циклического покоординатного спуска в соответствии с выбранными критериями эффективности.

Установлено, что при уплотнении песчаной и мелкозернистой асфальтобетонных смесей расхождение в оценочных показателях находится в пределах 5…8%, что позволяет применять дорожные катки с одинаковыми параметрами для их уплотнения, но с разными технологическими режимами работы, включающими скорость укатки, параметры вибрации, температурные режимы укатки, число проходов катков и т.д.

На основании выполненных исследований предложена и апробирована на объектах дорожного строительства технология уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий при использовании виброкатка с ВУ. Даны рекомендации по использованию существующих у нас в стране виброкатков для уплотнения дорожных асфальтобетонных покрытий при использовании на них вакуумного устройства.

Установлено, что рациональная масса виброкатка с ВУ составляет 4...4,2 т, линейное давление 17...18 кН м-1 при диаметре вальцов, равном 1000 мм. Интервал изменения частоты колебаний вибровальца составляет 40...60 Гц, относительная вынуждающая сила находится в интервале 1…2,3, при этом величина статического момента дебалансов составляет 0,16 кг м. Величина разрежения в вакуумной камере составляет 5...10 кПа. Определен температурный интервал использования виброкатка с ВУ, который равен 120...80°С. Необходимое количество проходов виброкатка с ВУ для достижения требуемой плотности асфальтобетонного покрытия назначается 6....8. Скорость виброкатка с ВУ меняется в пределах 0,5...0,8 м с-1. Разработана технология уплотнения смесей таким катком (рис. 5).

Рис. 5. Технологические режимы работы и параметры рекомендуемого виброкатка с вакуумным устройством:

f – частота колебаний вальца;

Р/Q – относительная вынуждающая сила вибровозбудителя колебаний; Vк – скорость движения катка;

εн – относительная необратимая деформация слоя на соответствующем

проходе n катка.

25