Технология дорожных работ. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специаль ностям Автомобильные дороги и аэродромы
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
25 битумов. На основании данных экспериментов сделан вывод о том, виб- рационные машины способны уплотнять асфальтобетонные смеси при более низких температурах. Экспериментальными исследованиями дока- зано, что вибрационный каток массой 4 т обеспечивает коэффициент уплотнения 0,98…0,99 при температуре начала уплотнения смесей 60 °С, чего достичь катками статического действия практически невозможно. Такой эффект объясняется тем, что под действием циклической нагрузки происходит разжижение битумной плёнки, уменьшается её вязкость, что позволяет получить более высокую плотность покрытия. Температурные режимы горячей асфальтобетонной смеси влияют на организацию и про- должительность работ. Продолжительность работ определяется темпом охлаждения смеси и зависит от разных факторов. Влияние температуры на свойства материала и характер охлаждения смеси в зависимости от метеорологических условий при строительстве покрытий рассмотрены в работе А. А. Иноземцева. Установлено, что охлаждение горячей асфаль- тобетонной смеси, независимо от её состава, температуры воздуха и ско- рости ветра, подчиняется экспоненциальному закону. Работами В. Н. Богословского, Г. Ф. Мучника, М. А. Михеева уста- новлено, что скорость охлаждения (темп охлаждения) в регулярных не- стационарных теплопередачах не зависит от времени и начального рас- пределения температуры. Величина скорости охлаждения зависит от раз- меров тела, его теплофизических характеристик и условий теплообмена на поверхности тела. В работах Б. И. Ладыгина и Н. В. Горелышева влияние нагрева ни- жележащего слоя дорожной одежды учитывается за счёт коэффициента влияния температуры основания. По данным исследований Б. И. Ладыги- на учитывать влияние нагрева основания необходимо при температуре воздуха 40…45 ºС. При равной температуре основания и окружающего воздуха коэффициент равен единице. По данным Н. В. Горелышева, чис- ленное значение коэффициента принимается единице при равенстве тем- ператур основания и воздуха, а с повышением температуры воздуха выше 25 ºС значение коэффициента принимается 1,25. Установлено, что темпе- ратура основания влияет на температурные режимы слоя смеси, законо- мерность носит общий характер и численное значение коэффициента за- висит от разницы температур основания и воздуха. Горячая асфальтобе- тонная смесь доставляется к месту производства работы с температурой, зависящей от марки битума и типа смеси. За счёт разницы в температурах смеси и основания, а также окружающего воздуха, происходят тепловые процессы, влияющие на качество работ. Понижение температуры смеси способствует изменению теплофизических и деформационно-прочност- ных характеристик, что необходимо учитывать при производстве работ с применением горячих асфальтобетонных смесей. 26 2.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Темп охлаждения слоя покрытия зависит от теплофизических харак- теристик горячей смеси, к которым относятся удельная теплоёмкость (с), коэффициент теплоотдачи (α) и коэффициент теплопроводности смеси (λ). Установлено, что удельная теплоёмкость смеси зависит от температуры. Исследованиями Л. Б. Гезенцвея, Н. В. Горелышева, А. М. Богуславского и И. В. Королева установлено, что удельная теплоёмкость каменных ма- териалов в два раза ниже удельной теплоёмкости битума. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что между темпера- турой и удельной теплоёмкостью битума существует зависимость, кото- рая имеет вид С б = 1,1333e 00036t , кДж/кг ⋅°С, (2.1) где С б – удельная теплоёмкость битума, кДж/кг ⋅°С; t – температура биту- ма, °С. Горячие асфальтобетонные смеси, в зависимости от процентного со- держания минеральных материалов, делятся на типы. Процентное содер- жание каменного материала, в зависимости от типа смеси, влияет на удельную теплоёмкость смесей. Поэтому количество тепла, соответст- вующее объёму горячей смеси, зависит от типа смеси и влияет на тепло- вые процессы при производстве ремонтных работ. Численное значение удельной теплоёмкости смеси можно определить по формуле [2] С см = 0,01[(100 – z) с б + zc агр ], кДж/кг ⋅°С, (2.2) где z – процент массы агрегатов от общей массы смеси; с агр – удельная теплоёмкость агрегатов смеси, кДж/кг ⋅°С; с б – удельная теплоёмкость би- тума, которая зависит от её температуры. Величиной, характеризующей перераспределение тепла внутри слоя смеси и передачу тепла боковым стенкам выбоины, является коэффициент теплопроводности (λ), который зависит от плотности материала. Произ- водство работ по устройству дорожных покрытий выполняется с приме- нением горячих асфальтобетонных смесей. При пониженных температу- рах воздуха горячая смесь укладывается в выбоину, где температура бо- ковых поверхностей и основания выбоины покрытия, как правило, равня- ется температуре воздуха. Известно, что коэффициент теплопередачи за- висит также от температуры смеси. В результате обработки эксперимен- тальных данных, представленных в работе, установлена зависимость ко- эффициента теплопроводности асфальтобетона от температуры в интер- вале от –20 до +170 °С. Численное значение коэффициента теплопровод- ности в зависимости от температуры определяется из выражения 27 λ = 0,92e 0,0008t , Вт/м ⋅°С, (2.3) где t – температура смеси. Коэффициент корреляции равен 0,997. Следовательно, задаваясь типом смеси и температурными режимами при производстве работ, с учётом марки битума, по данным зависимостям можно определить теплофизические характеристики смесей. 2.3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Выбор технологии уплотнения асфальтобетонных смесей позволяет регулировать процесс формирования макроструктуры дорожного покры- тия в процессе производства ремонтных работ. Обеспечить качество уплотнения дорожного материала возможно при соблюдении условия, когда величина контактных напряжений под рабочим органом машины близка пределу прочности уплотняемого материала. Если величина контактных напряжений превышает предел прочно- сти материала, то происходит перемещение частиц материала относи- тельно друг друга без изменения объёма, и в результате наблюдается те- чение материала из-под рабочего органа машины. Такая деформация при- водит к неравномерности уплотнения материала и получению неровной поверхности, а также к образованию микро- и макротрещин, что приводит к снижению качества уплотнения дорожных покрытий. Известно, что предел прочности горячего асфальтобетона зависит от температуры, типа смеси, степени уплотнения и толщины уплотняемого слоя. В общем виде зависимость предела прочности горячего асфальтобе- тона от перечисленных факторов можно представить в виде зависимости [σ] пр = f (t º см ; у K ; h/d ), (2.4) где t º см – температура смеси, ºС; у K – коэффициент уплотнения; h/d – отношение толщины слоя к дуге контакта вальца катка с материалом. С учётом влияния переменных факторов на предел прочности горя- чего асфальтобетона установлена общая зависимость для определения предела прочности горячего асфальтобетона от перечисленных факторов, которая имеет вид [2] σ пр = 0,08 ] 025 , 0 ) / ( 697 , 0 876 , 5 [ см у е t d h K − − , (2.5) где у K – коэффициент предварительного уплотнения; e– основание на- турального логарифма; h – толщина слоя, м; d – диаметр штампа, соответ- ствующий длине дуги контакта рабочего органа машины с материалом, м; t см – температура горячей смеси, ºС. 28 Контрольные вопросы к главе 2 1. Какие теплофизические характеристики применяемого материала при устройстве покрытия влияют на температурные режимы уплотняю- щих машин? 2. Назовите требуемое значение коэффициента уплотнения при приёмке работ по уплотнению дорожных одежд автомобильной дороги. 3. Объясните характер происходящих тепловых процессов при укладке и уплотнении горячих асфальтобетонных смесей в дорожное по- крытие. 4. От каких факторов зависит продолжительность работ по укладке и уплотнению горячих смесей? 5. Перечислите технологические параметры, влияющие на качество работ при устройстве асфальтобетонного покрытия. 6. Объясните причину понижения эффекта уплотнения при пони- женных температурах горячей смеси. Основная литература 1. Справочная энциклопедия дорожника / А. П. Васильев и др. Т. II: Ремонт и содержание автомобильных дорог ; под ред. заслуж. деяте- ля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, проф. А. П. Васильева. – Мо- сква : Информавтодор, 2004. – 505 с. 2. Зубков, А. Ф. Технология устройства дорожных покрытий с учётом температурных режимов асфальтобетонных смесей / А. Ф. Зубков. – Тамбов : Изд-во Першина Р. В., 2006. – 151 с. 3. Подольский, В. П. Технология и организация строительства ав- томобильных дорог / В. П. Подольский. Т. 2: Дорожные покрытия ; под ред. В. П. Подольского. – Москва: Академия, 2012. – 297 с. Дополнительная литература 4. Технология и организация строительства автомобильных дорог / Н. В. Горелышев и др. – Москва : Транспорт, 1991. – 551 с. 5. Мучник, Г. Ф. Методы теории теплообмена / Г. Ф. Мучник, И. Б. Рубашов. Ч. 1: Теплопроводность. – Москва : Изд-во «Высшая шко- ла», 1987. 29 Г л а в а 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РЕМОНТНЫХ РАБОТ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ При моделировании температурных режимов горячей смеси при строительстве асфальтобетонных покрытий принимают, что изменение температуры горячей смеси происходит за счёт передачи тепла в окру- жающую среду и основание покрытия. Устранение дефектов дорожных покрытий в виде выбоин предусматривает укладку и уплотнение неболь- ших объёмов горячей асфальтобетонной смеси, где тепловые потоки от уложенного объёма горячей смеси перемещаются не только в окружаю- щую среду и основание выбоины, но и в направлениях боковых стенок выбоины. Поэтому математическая модель должна решать задачу в трёх- мерном пространстве и иметь возможность определять температуру смеси в любой точке объёма материала. Продолжительность охлаждения уло- женного слоя горячей асфальтобетонной смеси определяется темпом охлаждения и зависит от геометрических размеров выбоины, теплофизи- ческих свойств смеси и погодных условий производства ремонтных ра- бот. Анализ процессов охлаждения слоя горячей асфальтобетонной смеси при устройстве покрытия и производстве ремонтных работ показал, что имеются различия в процессе охлаждения горячей смеси, при этом харак- тер охлаждения по толщине уложенного слоя подчиняется общей законо- мерности. В начальный момент времени при укладке горячей смеси тем- пература по глубине уложенного слоя имеет одинаковую температуру. После укладки и распределения горячей смеси в выбоине часть тепла от- даётся в окружающую среду, зависящую от скорости воздушного потока, что приводит к интенсивному охлаждению смеси на поверхности слоя. За счёт разности температуры горячей смеси и нижнего слоя покрытия часть тепла передаётся основанию выбоины, причём интенсивность охлаждения уложенного слоя смеси зависит от коэффициента теплопередачи на гра- нице слоёв горячей смеси и основания выбоины. За счёт разницы темпе- ратуры поверхности дорожного покрытия и укладываемой горячей смеси тепло передаётся через боковые поверхности выбоины дорожному покры- тию, что способствует резкому понижению температуры горячей смеси в зоне выбоина–покрытие. Потери тепла в контактных зонах контакта вы- боины и дорожного покрытия восполняются за счёт передачи тепла из средней части слоя горячей смеси, что способствует общему снижению температуры всего объёма уложенной горячей смеси. 30 3.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЯМОЧНОГО РЕМОНТА ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Для определения температуры горячей асфальтобетонной смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия разработана математическая мо- дель, позволяющая рассчитывать температуру смеси в любой точке уло- женного объёма материала в выбоине. В основе аналитической модели теплопроводности принята модель теплового потока, определяемая урав- нением Био–Фурье: dx dT q λ − = , (3.1) где q – поверхностная плотность теплового потока, проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку, Вт/м 2 ; λ – коэффици- ент теплопроводности материала, Вт/(м ⋅°С); Т – температура, изменяю- щаяся вдоль оси х, °С; dx dT – градиент температуры, °С/м. При разработке модели приняты следующие допущения: − температурные режимы укладки и уплотнения горячей смеси при производстве ремонтных работ дорожного покрытия нежёсткого типа зависят от типа смеси, марки битума и ограничены во времени темпера- турным интервалом 160…50 °С; − толщина укладываемого слоя горячей смеси зависит от глубины вы- боины или просадки дорожного покрытия и находится в пределах 0,01…0,3 м; − в начальный момент времени распределения смеси температура по толщине слоя имеет одинаковую величину; − укладываемый материал в выбоину однородный; − потери тепла происходят через верхнюю поверхность слоя за счёт теплового излучения и конвективного обмена в атмосферу и через боко- вые поверхности выбоины за счёт теплопроводности материала; − направление тепловых потоков принимается перпендикулярно к поверхности слоя; − потери тепла в основание выбоины происходят через нижнюю поверхность слоя за счёт теплопроводности материала; − сцепление слоёв обеспечивает достаточный термоконтакт; − температура окружающей среды и скорости воздушных масс с момента укладки слоя смеси и до окончания процесса уплотнения оста- ются постоянными. При моделировании тепловых процессов приняты граничные усло- вия на основе следующих допущений: 31 – соблюдается условие конвективного теплообмена на границе верхнего слоя с окружающей средой; – соблюдается условие равенства тепловых потоков на границах слоёв горячей смеси и слоя покрытия; – соблюдается условие на бесконечность, ограничивающее темпе- ратуру в полупространстве. Аналитическая модель основана на уравнении теплопроводности, имеющей вид ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ = ρ ∂ ∂ z T z y T y x T x T c t V ) ( , (3.2) где ρ – плотность среды; V c – теплоёмкость среды при постоянном объ- ёме; t – время; z y x , , – координаты; ) , , , ( t z y x T T = – температура, ко- торая вычисляется при помощи уравнения теплопроводности; λ – коэф- фициент теплопроводности. Установлено, что коэффициент теплопроводности для асфальтобето- на, в зависимости от плотности и температуры, имеет вид λ = K т (0,649γ – 0,229), Вт/(м ⋅°С); (3.3) где K т – безразмерный коэффициент, зависящий от температуры, числен- ное значение которого можно определить из выражения K т = 0,895e 0,0898(t/100) : Передача теплоты конвекцией основывается на законе Ньютона– Рихмана, согласно которому тепловой поток от поверхности горячей сме- си выбоины к воздуху пропорционален поверхности теплообмена и раз- ности температур между температурой твёрдой стенки с T и температурой воздуха в T . При разработке модели использована эмпирическая зависи- мость, основанная на том, что охлаждение горячей асфальтобетонной смеси в тонком слое, независимо от её состава, температуры воздуха и скорости ветра подчиняется экспоненциальному закону: t ch m T T T T γ λ = τ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − 2 ln в р в 0 , (3.4) где t – время, ч; 0 T – температура смеси в начальный момент времени, °С; в T – температура воздуха, °С; р T – температура смеси в расчётный мо- мент времени, °С; m – скорость охлаждения, (град) –1 ; λ – коэффициент теплоотдачи смеси, Вт/(м ⋅°С); c – теплоёмкость смеси, Дж/(кг⋅°С); γ – объёмная масса смеси, кг/м 3 ; h – толщина слоя смеси, м. 32 Рис. 3.1. Распределение температуры горячей асфальтобетонной смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия: температура смеси при укладке – 150 °С; температура воздуха – 2 °С; время замера температуры – 5 мин после укладки Построение имитационной модели производилось на основе сеточ- ной модели. Для уточнения теплофизических характеристик горячих асфальтобетонных смесей использованы экспериментальные данные по охлаждению смеси при ремонте выбоин на дорожном покрытии в г. Тамбове при разных температурах окружающего воздуха (рис. 3.1). Разработанная программа позволяет, используя экспериментальные данные, моделировать тепловые процессы при ремонте выбоин с примене- нием горячих смесей и определять температуру горячей смеси в любой точ- ке уложенного объёма материала. На рисунке 3.2 представлены результаты моделирования распределения температуры заданной точки объёма горячей смеси при укладке в выбоину дорожного покрытия автомобильной дороги по длине и глубине выбоины с учётом временного фактора. Установлено, что время остывания слоя асфальтобетонной смеси за- висит от толщины слоя, температуры смеси, воздуха и основания, тепло- физических свойств смесей и теплообмена на поверхности слоя Анализ характера охлаждения горячей смеси при устройстве покры- тия и при ремонте выбоины по толщине уложенного слоя показал, что они аналогичны между собой. В то же время продолжительность работ по ре- монту выбоин, в отличие от времени при устройстве покрытия, с учётом температурных режимов смеси, составляет значительно меньший проме- жуток времени. Следовательно, для обеспечения качества ремонтных ра- бот необходимо применять прогрессивные методы организации и техно- логии ремонтных работ, позволяющие за малый промежуток времени вы- полнить ремонтные работы по устранению дефекта на покрытии дороги. |