Модель оценки качества гранулометрического состава асфальтобетонной смеси

Автор: Башкарев Альберт Яковлевич, Новик Анатолий Николаевич, Исмаилов Алексей Марленович, Русаков Михаил Николаевич, Мельник Кирилл Иванович

Журнал: Технико-технологические проблемы сервиса @ttps

Рубрика: Методические основы совершенствования проектирования и производства технических систем

Статья в выпуске: 2 (64), 2023 года.

Бесплатный доступ

Одним из наиболее распространенных материалов, используемых при строительстве автодорожных покрытий являются асфальтобетонные смеси. В данной статье представлены результаты проведенного исследования гранулометрического состава горячих мелкозернистых плотных асфальтобетонных смесей по критериям Бэйли и его влияния на состояние автодорожного покрытия. Обоснована эффективность применения мультиаддитивной свертки критериев оценки процесса проектирования асфальтобетонных смесей требуемого качества. На основании результатов исследования были сделаны выводы об улучшении качества автодорожных покрытий и увеличения межремонтных сроков путем повышения качества проектирования гранулометрического состава асфальтобетонной смеси требуемого качества для обеспечения безотказной эксплуатации покрытий автомобильных дорог, устроенных из асфальтобетона.

Еще

Дорожное покрытие, асфальтобетонная смесь, деформация, прочность, долговечность, износостойкость, битум, технологические процессы, сегрегация, контроль качества

Короткий адрес: https://sciup.org/148326772

IDR: 148326772

Текст научной статьи Модель оценки качества гранулометрического состава асфальтобетонной смеси

В период реализации национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги» особенно актуальна проблема повышения качества автодорожного покрытия [1]. При эксплуатации автодороги любая деформация её покрытия негативно влияет на эффективность работы автомобильного транспорта[2– 5]. Это может быть выражено перерасходом топлива, ускорением износа самого покрытия и автомобилей и, как следствие, увеличением стоимости перевозок автомобильным транспор-том[6–9].

Одна из основных сложностей, возникающих при осуществлении мероприятий по улучшению качества покрытия, является высокая вариация состава приготовляемых асфальтобетонных смесей (АБС).

Данная проблема обуславливается нестабильностью характеристик компонентов смеси, неконтролируемыми изменениями её свойств при транспортировке, а также нестабильностью параметров смеси в процессе укладки и уплотнения. Поэтому необходимо строго учитывать указанные факторы при приготовлении АБС [10–13].

Многие научные исследования, касающиеся вопроса повышения качества автодорожного покрытия путем тщательного отбора состава асфальтобетона, основываются на опыте применения методологии объемно-функционального проектирования «Superpave» [14–18]. Данная методология позволяет комплексно спроектировать асфальтобетонную смесь, производя отбор отдельных компонентов АБС по отдельным требованиям [19].

Для более детального рассмотрения структуры асфальтобетонной смеси её возможно декомпозировать на три подструк-туры[20]:

- микроструктура – структура асфальтовяжущего, являющегося суспензией минерального

порошка (фазы) в битуме (среде);

- мезоструктура – структура асфальтового раствора, представленного песчаными зернами (фазой) в асфальтовяжущем (среде);
- макроструктура – структура асфальтобетона, представленного зернами щебня или гравия (фазой) в асфальтовом растворе (среде).

В целях повышения эксплуатационной надежности асфальтобетонного покрытия рекомендуется использование критериев Бэйли на этапе определения гранулометрического состава асфальтобетонных смесей для формирования первоначальных кривых зерновых составов. Данные критерии учитывают указанные выше подструктуры асфальтобетона, благодаря чему обеспечивают его оптимальные эксплуатационные и технологические свойства [21–23].

Критерии оптимальности зерновых составов по Бэйли представляют собой отношение полных проходов минерального заполнителя смеси через контрольные сита, интервалы значений которых различаются в зависимости от размеров сит и рассматриваемой подструктуры (табл. 1). Соответственно, для каждого сита критерии рассчитываются отдельно (табл. 2).

Для соотношения размеров квадратных и круглых сит применяется следующая корреляционная зависимость[24]:

D _k = 0,7917D _r + 0,125, (1)

где D k – размер ячеек квадратного сита

D r – размер ячеек круглого сита.

Полные проходы зерен минерального материала через сита с квадратными ячейками определяются с помощью следующей зависимости:

M i = M i-1 + (M i+1 ^- M i-1 )

_ ^Ai ^- ^Ai-1 (2)

^Ai+1 ^- A i-1

где A = (D k )² / ³

M i — полный проход зерен минерального материала через i -е сито.

При формировании методики оценки качества асфальтобетонной смеси совместно с микро-, мезо- и макроструктурой асфальтобетона, учитываемыми критериями Бэйли, учтем также площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности, отражающую непосредственно плотность рассматриваемой смеси (табл. 3).

= I a i f i (X i ) —* ma%( min) i=i

K-^n; XMf^

Таблица 3 – Учитываемые параметры асфальтобетонной смеси

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обо-значение	д я . о в i- w н © Л И	Направление оптимизации
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотно сти	К 1	0,100	min
CA макроструктура	К 2	0,800	max
Fa c мезоструктура	К 3	0,400	min
Fa f микроструктура	К 4	0,400	min

где F i – безразмерный коэффициент, представляющий собой отношение фактического значения качественного показателя (K i^fact ) к его эталонному значению (K i^e ), выявленному на основании направления оптимизации данного параметра:

Kfcict

^F = ~Kf;

a i – коэффициент весомости, отображающий важность того или иного критерия для решаемой задачи:

где Ui – показатель важности определенного критерия

Чтобы сформировать однозначную оценку качества проектируемой смеси, с помощью проведения многокритериального анализа приведем рассматриваемые показатели к единому параметру K grand (на основании базовой формулы мультиаддитивной свертки критериев) [25–29]:

где g ij – степень важности i-го качественного показателя по сравнению с j-м качественным показателем асфальтобетонной смеси;

U c – суммарный показатель важности:

U _c = Yb i U t .

Следовательно, суммарные составляющие коэффициента K grand определяются при стремлении показателей:

- к минимуму:

i-1

ⁿi ^o ^ min

- (9)

- к максимуму:

Таблица 5 – Результаты просеивания минерального заполнителя

Сито (ГОСТ Р 58401.1-2019), мм.			31,5	22,4	16,0	11,2	8,0	4,0
x C К	5	1	100,00	100,00	88,09	75,97	66,53	41,49
		2 (Э)	100,00	100,00	90,29	77,74	70,85	42,84
		3 (Э)	100,00	100,00	96,4	78,30	55,30	34,80
	Ph . CO (N	1	100,00	98,23	85,72	73,22	62,58	39,94
	Ph . CO (N	2	100,00	100,00	81,10	60,80	45,80	29,10
Сито (ГОСТ Р 58401.1-2019), мм.			2,0	1,0	0,5	0,25	0,125	0,063
	40 co	1	28,43	18,98	13,73	9,00	6,59	5,15
		2 (Э)	29,58	20,08	13,09	9,76	6,10	5,48
		3 (Э)	24,10	18,80	14,50	11,20	7,50	4,60
		1	26,03	18,07	13,00	9,02	6,27	5,56
		2	22,40	17,50	13,80	11,20	6,80	3,70

^ (qF , ^ max (10)

t-i

Установим степени важности g ij для каждого качественного показателя и на основании полученных данных рассчитаем коэффициенты весомости a i рассматриваемых показателей (табл. 4).

Таблица 4 – Степени важности качественных показателей асфальтобетонной смеси

	K 1	K 2	K 3	K 4	Σg i	U i	a i
K 1	-	3	3	3	9	45	0,357
K 2	1	-	3	3	7	33	0,263
K 3	1	1	-	2	4	24	0,190
K 4	1	1	2	-	4	24	0,190
Сумма						126	1,000

Следовательно, окончательная формула:

0,1

K grand = 0,357 • —fact + 0,262 • K^Ja'

+ 0,190—^ + 0,190(11)

J LLtX /

0,4

fact"

Валидация модели

В целях проверки точности представления сформированной математической модели была проведена её валидация в рамках лабораторного исследования.

Данное исследование включало в себя следующие этапы:

1. Изготовление в лаборатории пяти вариантов асфальтобетонных смесей, запроектированных из одного минерального заполнителя и

на одном битумном вяжущем, но с различными зерновыми составами.

2. Испытание запроектированных смесей в лаборатории
3. Анализ полученных результатов

Результаты и обсуждение

В рамках данного исследования производился отбор асфальтобетонной смеси для устройства верхнего слоя покрытия на объекте «Автомобильная дорога М-5 «Урал» на участке км 1480 – 1494».

Выбор асфальтобетона осуществлялся из пяти вариантов, классифицированных в соответствии с ГОСТ Р 58401.1-2019 в зависимости от номинально максимального размера применяемого минерального заполнителя и количества приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 за расчетный срок службы конструктивного слоя дорожной одежды:

- SP-16 «Э» – асфальтобетонная смесь с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя, равным 16,0 мм, для дорог с экстремально тяжелыми условиями движения (более 5,6 млн приложений AK-11,5) – 2 образца;
- SP-16 – асфальтобетонная смесь с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя, равным 16,0 мм – 1 образец;
- SP-22 – асфальтобетонная смесь с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя, равным 22,4 мм – 2 образца;

Использованное вяжущее – БНД 70/100. Минеральный заполнитель – габбро, просеивание проведено в соответствии с ГОСТ Р 58401.12019. Результаты просеивания приведены в таблице 5.

По результатам просеивания построены графики зерновых составов рассматриваемых смесей с обозначением прямой максимальной плотности смеси. Данные графики представлены на рисунках 1 – 3.

На основании результатов просеивания рассчитаны критерии оптимальности по Бэйли для зерновых составов исследуемых смесей в соответствии с таблицей 2. Результаты расчетов представлены в таблицах 6 – 8.

По результатам расчетов критериев оптимальности зерновых составов построены наглядные графики изменения значений данных критериев по ситам для каждого исследуемого состава. Данные графики представлены в таблице 9.

В соответствии с формулой 11 произведен расчет итогового показателя качества исследуемых смесей K grand на основании рассмотренных характеристик их зерновых составов. Результаты расчета представлены в таблицах 10 – 14.

Рисунок 1 – График зернового состава смеси SP-16

Рисунок 2 – Графики зерновых составов смеси SP-16 «Э»

Рисунок 3 – Графики зерновых составов смеси SP-22

Таблица 6 – Расчёт критериев оптимальности по Бэйли для зернового состава SP-16

HMP3, мм		31,5	22,4	16,0	11,2	8,0	4,0
У о Рч to О	CA критерий Макроструктура	1,810	1,435	0,748	-	0,223	0,132
	Fa c критерий Мезоструктура	0,427	0,457	0,457	0,483	0,483	0,474
	Fa f критерий Микроструктура	0,483	0,474	0,474	0,480	0,480	0,572

Таблица 7 – Расчёт критериев оптимальности по Бэйли для зернового состава SP-16 «Э»

HMP3, мм		31,5	22,4	16,0	11,2	8,0	4,0
X со О У р	CA критерий Макроструктура	2,003	1,568	0,961	-	0,232	0,135
	Fa c критерий Мезоструктура	0,418	0,469	0,469	0,442	0,442	0,486
	Fa f критерий Микроструктура	0,442	0,486	0,486	0,466	0,466	0,561
to X со О У р	CA критерий Макроструктура	11,417	2,005	0,459	-	0,164	0,070
	Fa c критерий Мезоструктура	0,436	0,540	0,540	0,602	0,602	0,596
	Fa f критерий Микроструктура	0,602	0,596	0,596	0,517	0,517	0,411

Таблица 8 – Расчёт критериев оптимальности по Бэйли для зернового состава SP-22

HMP3, мм		31,5	22,4	16,0	11,2	8,0	4,0
У о Рч О	CA критерий Макроструктура	1,620	1,243	0,605	-	0,232	0,108
	Fa c критерий Мезоструктура	0,416	0,452	0,452	0,500	0,500	0,499
	Fa f критерий Микроструктура	0,500	0,499	0,499	0,482	0,482	0,617
У о s,^ to О	CA критерий Макроструктура	1,868	0,809	0,308	-	0,094	0,063
	Fa c критерий Мезоструктура	0,489	0,601	0,601	0,616	0,616	0,640
	Fa f критерий Микроструктура	0,616	0,640	0,640	0,493	0,493	0,330

Таблица 9 – Графики изменения критериев оптимальности зерновых составов по Бэйли

CA критерий Макроструктура

Fa c критерий Мезоструктура

Fa f критерий Микроструктура

со

Q 0,ЙЮ >■

31,5 22,4 16,0 S.0 1,0

НМРЗ, мм

ГО 0,400 ---

315 22,4 16,0 115 8,0 4,0

НМРЗ, мм

8- ’ "-- * i — -----^Z

31,5 22,4 16,0 115 8,0 4,0

НМРЗ, мм

Таблица 10 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-16 (образец 1)

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	_Ke
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности	К 1	0,357	0,241	0,100
CA макроструктура	К 2	0,263	0,870	0,800
Fa c мезоструктура	К 3	0,190	0,464	0,400
Fa f микроструктура	К 4	0,190	0,494	0,400
Итоговый показатель	K grand	0,707

Таблица 11 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-16 (образец 2 (Э))

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	K^e
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности	К 1	0,357	0,198	0,100
CA макроструктура	К 2	0,262	0,980	0,800
Fa c мезоструктура	К 3	0,190	0,454	0,400
Fa f микроструктура	К 4	0,190	0,485	0,400
Итоговый показатель	K grand	0,826

Таблица 12 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-16 (образец 3 (Э))

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	_Ke
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности	К 1	0,357	0,308	0,100
CA макроструктура	К 2	0,262	2,823	0,800

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	K^e
Fa c мезоструктура	К 3	0,190	0,553	0,400
Fa f микроструктура	К 4	0,190	0,540	0,400
Итоговый показатель	K grand		0,469

Таблица 13 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-22 (образец 1)

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	K^e
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности	К 1	0,357	0,102	0,100
CA макроструктура	К 2	0,263	0,761	0,800
Fa c мезоструктура	К 3	0,190	0,470	0,400
Fa f микроструктура	К 4	0,190	0,513	0,400
Итоговый показатель	K grand	0,911

Таблица 14 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-22 (образец 2)

Характеристика асфальтобетонной смеси	Обозначение	a i	K fact	_Ke
S гр площадь между графиком кривой зернового состава смеси и прямой максимальной плотности	К 1	0,357	0,298	0,100
CA макроструктура	К 2	0,262	0,628	0,800
Fa c мезоструктура	К 3	0,190	0,594	0,400
Fa f микроструктура	К 4	0,190	0,535	0,400
Итоговый показатель	K grand	0,596

Значения итогового коэффициента K grand , полученные по результатам расчётов качественных характеристик смесей при экстремальных условиях, представлены в таблице 15.

Таблица 15 – Расчёт качественных показателей для зернового состава SP-22 (образец 2)

Образец АБС		K grand
40 Ри GO	1	0,707
	2 (Э)	0,826
	3 (Э)	0,459
СО	1	0,911
СО	2	0,596

Заключение

Разработанная в ходе проведённого исследования модель позволяет дать единую оценку качества смеси на основании вариативности показателей структурных критериев гранулометрического состава АБС.

Валидация полученной математической модели показала, что вариант смеси, имеющий максимальное значение итогового показателя (K grand ), наиболее удовлетворяет требованиям конечного потребителя и подходит под требуемые условия эксплуатации, что показывает его максимальную конкурентоспособность по сравнению с остальными рассматриваемыми вариантами.

Такой результат достигается путём обеспечения соответствия рассматриваемых зерновых составов критериям Бэйли, благодаря чему полностью рассматривается их структура на макро-, мезо- и микроуровнях. Из этого следует, что, с помощью данной модели, производится непосредственное рассмотрение самой структуры смеси и ее прямая оценка, в отличие от предыдущих опытов, где оценка смеси выполнялась на основании ее анализа по косвенным признакам [30].

Список литературы Модель оценки качества гранулометрического состава асфальтобетонной смеси

Паспорт национального проекта “Безопасные качественные дороги.” Москва: Росавтодор, 2018. 17 c.
Лазарев Ю.Г., Новик А.Н., Шибко А.А., Алексеев С.В., Ворончихин Н.В., Змеев А.Т., Уколов С.А., Трепалин В.А., Дахин С.В., Колесников В.Т., Симонов Д.Л. Строительство автомобильных дорог и аэродромов. Санкт-Петербург: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования “Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева” Министерства обороны Российской Федерации, 2013. 528 c.
Телегина М.Е., Ермошин Н.А., Бирюков О.Р. Выявление закономерностей истираемости асфальтобетона экспериментальными методами // Неделя науки ИСИ. 2021. С. 263–266.
Ермошин Н.А., Змеев А.Т., Алексеев С.В., Симонов Д.Л., Трепалин В.А., Букатов Д.С., Уколов С.А., Егошин А.М., Лазарев Ю.Г., Шувалов О.А., Филиппов Д.А. Военно-эксплуатационная оценка автомобильных дорог. Санкт-Петербург: Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулева, 2018. 182 c.
Novik A., Ismailov A., Sentsov I. Study of physical and mechanical properties of asphalt concrete with the addition of artificial asphaltite // Proceedings of STCCE. International Scientific Conference on Socio-Technical Construction and Civil Engineering 2022 : Lecture Notes in Civil Engineering. Switzerland, 2022. С. 15-30.
Ермошин Н.А., Гурьянов А.В., Лазарев Ю.Г., Егошин А.М., Змеев А.Т., Алексеев С.В., Симонов Д.Л., Филиппов Д.А., Букатов Д.С., Аверьянов Д.А. Экономико-математическое моделирование процессов эксплуатации, технического прикрытия и восстановления автомобильных дорог. Санкт- Петербург: ООО “Р-КОПИ,” 2022. 228 c.
Васильев К.А., Бирюков О.Р., Алексеев С.В. Выбор способа устройства поперечного уклона проезжей части при ремонте автомобильной дороги // Неделя науки ИСИ. 2021. № 7. С. 297–299.
Белихин С.В., Лазарев Ю.Г., Исмаилов А.М. Материалы для проведения конструкционного ремонта объектов транспортной инфраструктуры // Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров в начале III тысячелетия. 2019. С. 128–133.
Алексеев С.В., Трепалин В.А., Шевченко С.М., Трифонова А.А. Современные методы совершенствования конструкций деформационных швов автодорожных мостов // Путевой навигатор. 2020. № 43(69). С. 29–35.
Sturova M., Novik A., Radaev A., Shangutov A. Optimization model for the distribution of investment volumes by measures to reduce the impact of risks in road construction. // Transportation Research Procediathis link is disabled, 2022, 63, pp. 2866–2874
Колесник Д.А., Пахаренко Д.В. Методы испытания асфальтобетона. (Часть 1. Уплотнение). // Дорожная держава. 2013. № 45. С. 64–68.
Колесник Д.А., Некрасова О.С. Методы испытания асфальтобетона. Физико-механические свойства: модуль жесткости и трехосное циклическое испытание на сжатие. // Дорожная держава. 2013. № 46. С. 46–50.
Русаков М.Н., Исмаилов А.М. Стирол-бутадиен-стирольные полимеры для автодорожного строительства в Российской Федерации // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2020. № 2(87). С. 23–40. DOI:10.18720/CUBS.87.3.
Колесник Д.А., Шапченко Д.В. Новые тенденции в области испытаний асфальтобетона. // Мир дорог. 2018. № 115. С. 44–46.
Колесник Д.А., Некрасова О.С. Возникновение пластичности асфальтобетона в процессе укатки. Что делать, когда асфальт «ползет»? // Мир дорог. 2012. № 64. С. 42–4.
Колесник Д.А., Мантопкин С.А. Оценка устойчивости асфальтобетонов. // Мир дорог. 2017. № 102. С. 54–55.
Колесник Д.А., Мантопкин С.А. Оценка уплотняемости асфальтобетона. // Дорожная держава. 2019. № 89. С. 2–6.
Колесник Д.А., Котов Д.Ю. Параметры долговечности битумных вяжущих. // Автомобильные дороги. 2019. № 3. С. 96–99.
Колесник Д.А., Пахаренко Д.В. Практический опыт внедрения системы «Суперпейв». // Мир дорог. 2018. № 109. С. 30–33.
Надыкто Г.И., Галдина В.Д. Дорожный асфальтобетон и полимерасфальтобетон. Омск: СибАДИ, 2018. 211 c.
Колесник Д.А., Пахаренко Д.В. Опыт внедрения системы Superpave на дорогах России. // Дорожная держава. 2019. № 88. С. 70–75.
Vavrik W.R., Pine W.J., Huber G., Carpenter S.H., Bailey R. The Bailey method of gradation evaluation: The influence of aggregate gradation and packing characteristics on voids in the mineral aggregate // Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions. 2002. № January 2001(70). С. 132–175.
Кирюхин Г.Н. Способы структурного регулирования минеральной части асфальтобетона // Дороги и мосты. 2015. № 1(33). С. 297–319.
Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона. Москва: ООО «Издательство “Элит”», 2009. 176 c.
Исмаилов А.М. Оптимизационно-квалиметрическая модель подбора исходных компонентов для приготовления асфальтобетонных смесей требуемого качества // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 11. С. 270–279.
Ермошин Н.А., Букатов Д.С. Имитационная модель определения эксплуатационных показателей военно-автомобильных дорог // Научный вестник Вольского военного института материального обеспечения: Военно-научный журнал. 2019. № 3(51). С. 104–109.
Ермошин Н.А., Лазарев Ю.Г. Математическая модель обоснования сети автомобильных дорог в интересах развития экономики и обеспечения военной безопасности // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2019. № 1–2(127–128). С. 12–20.
Лазарев Ю.Г., Ермошин Н.А., Сенцов И.В. Планирование развития дорожной сети с учетом принципов многокритериальной оптимизации // Путевой навигатор. 2019. № 38(64). С. 24–31.
Novik A., Drozdetskiy I., Petukhov P., Novik V., Popova A.. Justification Constructions of the Road Pavement Under Conditions of Changing Road Surface Temperature // Lecture Notes in Civil Engineeringthis link is disabled, 2021, 150 LNCE, pp. 161–172
Новик А.Н., Исмаилов А.М., Русаков М.Н. Влияние гранулометрического состава асфальтобетонных смесей на качество автодорожного покрытия // Путевой навигатор. 2022. № 51(77). С. 34–39.

Еще

Статья научная