Разработка технологии ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата

Актуальность работы. Концепцией развития дорожной отрасли России на современном этапе является сохранение и поддержание транспортно-эксплуатационного состояния существующей сети автомобильных дорог.

Получившие широкое распространение в период освоения промышленных территорий регионов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями эксплуатируются уже более 30 лет. Неблагоприятные воздействия суровых природно-климатических факторов, тяжелых транспортных нагрузок привели к существенному износу и образованию различных повреждений дорожных покрытий, одними из которых являются разрушения поверхностного слоя бетона. Следствием этого является рост потребности в выполнении и увеличение объемов ремонтно-восстановительных дорожных работ.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями показывает, что существующие способы ремонта поверхностных разрушений недостаточно эффективны, особенно в регионах с суровым резко континентальным климатом. В условиях постоянного роста осевых нагрузок транспортных средств и интенсивности движения актуальной задачей является совершенствование методов восстановления поверхностного слоя бетона с целью повышения надежности и работоспособности жестких покрытий автомобильных дорог.

Основная идея работы заключается в использовании полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ) для повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата путем его обработки полимерно-минеральными композициями на основе пол ивинил бутираля.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

1. Обосновать требования к свойствам материалов для ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий применительно к условиям сурового климата.

2. Подобрать оптимальные составы композиций на основе поливинилбутираля (ПВБ). Определить физико-механические характеристики полимерно-минеральных покрытий, установить технологические параметры их устройства.

3. Разработать технологию ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

4. Оценить эффективность разработанного способа ремонта поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализфизико-механическую оценку свойств получаемых покрытийпроверку качественных характеристик ремонтных слоев покрытий в натурных условияхметоды математического и физического моделирования. Использованы методы математической статистики и программные средства расчетов на ЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается достаточным объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предлагаемого решения, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностьюприменением ЭВМ при обработке полученных в ходе исследований данныхпроверкой результатов исследований при ремонте поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий.

Защищаемые научные положения:

1. При эксплуатации автомобильных дорог влияние природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя жестких покрытий в районах с суровым климатом значительно выше, чем в условиях умеренного климата, что предопределяет особые требования к физико-механическим характеристикам материалов для ремонта: высокой механической прочности, сцеплению с цементобетоном, повышенной деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости.

2. Повышение эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог достигается применением полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля, обладающих высокими прочностными, деформативными и адгезионными свойствами.

3. Высокие физико-механические свойства ремонтных слоев покрытий обеспечиваются при соблюдении оптимальных технологических параметров их устройства, а именно, толщины наносимого слоя, температуры и продолжительности нагревания полимерно-минеральной композиции.

4. Разработанная технология ремонта поверхностных разрушений цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием композиций на основе ПВБ позволяет создавать покрытия с высокими эксплуатационными качествами, а также сократить трудоемкость и повысить экологическую безопасность выполнения работ.

Научная новизна работы:

— обоснованы требования к свойствам материалов, используемых для ликвидации поверхностных разрушений бетона дорожных покрытий, применительно к условиям сурового климата;

— разработан способ ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, заключающийся в нанесении на ремонтируемую поверхность полимерно-минеральной композиции на основе ПВБ с последующей высокотемпературной обработкой;

— подобран оптимальный состав композиции ПВБ с природным песком, обеспечивающий при наименьшем содержании полимера высокие физико-механические характеристики получаемых покрытий;

— разработаны параметры обработки и технологические схемы ремонта поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ.

Практическая ценность работы заключается в обосновании нового метода ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог и разработке технологии устройства тонкослойных покрытий из полимерно-минеральных композиций на основе поливинилбутираля, которая обеспечивает сокращение трудоемкости работ, высокое качество, быстрый ввод в эксплуатацию и увеличение срока службы отремонтированного покрытия.

Апробация работы. Представленная работа выполнена в соответствии с Межвузовской научно-технической программой «Архитектура и строительство» Министерства образования Российской Федерациираздел 9.3.1.5 «Разработка методов повышения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в условиях Забайкалья».

Основные положения диссертационной работы и практические результаты обсуждались на 1-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса», Ростовский государственный строительный университет, 1998 г.- 1-й Международной научно-технической конференции «Реконструкция и ремонт транспортных сооружений в климатических условиях Севера», Архангельский государственный технический университет, 1999 г.- И-й Межрегиональной научно-технической конференции «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике», Хабаровский государственный технический университет 2000 г.- научно-технических конференциях Читинского государственного технического университета 1998, 1999, 2000 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе: 5 научных статей, 3 доклада на научно-технических конференциях. Получен патент на изобретение № 2 101 414 РФ, МКИ 6 Е 01 С 7/35, 7/10, 11/24. «Способ обработки цементобетонного покрытия» от 10.01.1998 г.

Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы более 100 наименований и включает 130 страниц машинописного текста, 33 табл., 14 рисунков и приложение.

4.4. Выводы.

На основе теоретических и лабораторных исследований разработана новая технология ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог путем обработки поверхности полимерно-минеральной композицией, содержащей поливинилбутираль и природный песок. Технологический процесс ремонта состоит из следующих операций:

— удаление непрочных участков поверхностного слоя бетона в месте разрушений;

— очистка, промывка и просушивание ремонтируемой бетонной поверхности;

— приготовление сухой смеси ПВБ с песком заданного состава, ее распределение по покрытию, выравнивание и легкое уплотнение;

— нагрев слоя полимерно-минеральной композиции установками инфракрасного излучения в соответствии с разработанными рекомендациями (п. 3.4);

— твердение ремонтного покрытия в естественных условиях.

В местах с сильным загрязнением бетона масляными и топливными пятнами поверхность покрытия рекомендуется обработать 30%-ным раствором соляной кислоты расходом 0,8−1 л/м2, и спустя 15−20 мин, промыть водой под давлением до получения нейтральной реакции. Перед укладкой полимерно-минеральной композиции для укрепления поверхностного слоя бетона в местах его разрушений и на прилегающих участках целесообразно выполнить пропитку ремонтируемой поверхности гидрофобизирующими упрочняющими составами. При ремонте разрушений глубиной от 5 до 10 мм перед укладкой основного слоя полимерного материала на поверхность бетона нужно предварительно нанести ПВБ расходом 200+300 г/м2.

Основным технологическим достоинством предлагаемого способа ремонта является простота его применения. Использование компонентов в сухом дисперсном состоянии значительно облегчает процесс приготовления смеси и ее нанесение на бетонную поверхность. Нагрев полимерно-минерального материала осуществляется установками инфракрасного излучения, широко применяемыми в практике ремонта и содержания дорожных покрытий.

Полимерный материал характеризуется быстрым набором прочности, что позволяет открыть движение по отремонтированному участку дороги через 2−3 ч после начала твердения.

Технология ремонта отработана в натурных условиях с определением качественных характеристик отремонтированных покрытий: внешнего вида покрытия, прочности сцепления слоя полимерного материала с цементобетоном, ровности поверхности и коэффициента сцепления.

Определение качества ремонтного слоя покрытия из смеси ПВБ с песком подтвердило результаты лабораторных исследований (п. 3.2). В местах сопряжения тонкослойного покрытия с цементобетоном отсутствуют перепады высот поверхности. Покрытия на основе композиций ПВБ обладают коэффициентом сцепления, соответствующим нормативным требованиям, и при устройстве обеспечивают однородность ремонтируемых участков цементобетонных покрытий по сцепным качествам.

Экспериментально установлено, что количество вредных выбросов, выделяемых в атмосферу при нагреве полимерно-минерального покрытия установками инфракрасного излучения, не превышает их предельно-допустимой концентрации. Следовательно, разработанный способ ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог и дорожных сооружений можно характеризовать как экологически безопасный.

ГЛАВА V.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 5Л. Методика расчета экономической эффективности.

Эффект от ремонта дорожных покрытий выражается в улучшении их транспортно-эксплуатационных показателей, способствующих повышению удобства, скорости и безопасности движения автомобилей в течении длительного периода эксплуатации дорог при низких затратах на выполнение работ [18]. На основе влияния характеристик транспортно-эксплуатационного состояния дорог на себестоимость автомобильных перевозок разработаны различные методики оценки экономической эффективности дорожно-ремоитных работ [65,88].

Технико-экономический критерий эффективности ремонта дорожного покрытия включает в себя следующие показатели:

Э = А — Арем — Дь-> шах, (5.1) где, А — экономия издержек на автомобильные перевозки в результате повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорожного покрытия после проведения ремонтных работ, руб.;

Арем — величина увеличения транспортных издержек в период проведения ремонтных работ, руб.;

Дь — затраты на ремонт участка автомобильной дороги протяженностью L км, руб.

Показатель экономии издержек на автомобильные перевозки в результате проведения ремонтных работ определяется [64,85]: i.

А = S^Svi/NoLS^n^n-n'c^^q'-O^l+EHn)', (5.2) где No — среднесуточная интенсивность движения на дороге в год проведения ремонта, авт/сут;

S3 — себестоимость перевозки в дорожных условиях, принятых за эталон, коп./т кмvy — параметр, учитывающий долю грузовых автомобилей в составе движения, среднюю грузоподъемность автомобилей и коэффициент использования пробега (у*1,62);

П°сп, П’сп — показатели себестоимости перевозки до и после проведения ремонтных работq — показатель роста интенсивности движенияt — срок суммирования затрат, лет;

Енп — нормативный коэффициент для приведения разновременных затрат к исходному периоду (Е"п= 0,08);

L — протяженность ремонтируемого участка дороги, км.

Величина увеличения транспортных издержек в период проведения ремонтных работ определяется [85]:

Арем = 0,0lH/Ni0LXS3(nicn-n°cn), (5.3) где П’сп — показатель себестоимости перевозки в период проведения ремонтных работ;

X — продолжительность ограничения движения на ремонтируемом участке, сут.

Затраты на ремонт участка автомобильной дороги определяются [94]:

Дь = С + ЕнК, (5.4) где С — себестоимость единицы конструкции, руб;

Ен = 0,12 — нормативный коэффициент эффективностиК — капиталовложения в основное производство на единицу конструкции с учетом сопряженных отраслей, руб.

Себестоимость включает в себя стоимость применяемых материалов, зарплату рабочих и затраты на эксплуатацию машин и механизмов, занятых на выполнении ремонтных работ [70,71].

Капиталовложения определяются [94]: 1 С,/(НПЧ (к), (5.5) где С, — стоимость основных машин и механизмов, выполняющих ремонтные работы, рур^.

N, — нормативное число часов работы в год машин и механизмовЛ.

ПЧ (- производительность машин и механизмов, м /часк = 0,8 — коэффициент неравномерности выхода на работу.

Себестоимость перевозок на единицу транспортной работы определяется [42]: $вод + SnocrT +SnepL) / Р, (5−6) где SBMрасходы по заработной плате водителей, руб.;

Snocr — постоянные затраты, зависящие от количества автомобиле-дней работы, руб.;

Т — средняя продолжительность одного оборота, дни;

Snep — переменные затраты, зависящие от пробега подвижного состава, руб.;

Р — объем транспортных услуг, т' км.

Переменные затраты включают расходы на горюче-смазочные материалы, износ шин, проведение обслуживаний и текущих ремонтов, амортизационные отчисления на восстановление автомобилей [88,92].

Показатели себестоимости перевозок определяют по скорости Пу, безопасности движения Пб, прочности дорожной конструкции Ппр, непрерывности движения по дороге Пн, которые характеризуются соответствующими коэффициентами (Kv, Кб, Кпр и Кн), влияющие на себестоимость перевозок [88]: ncn = Kv + K6 + Knp + KH-3,.

5.7).

Показатель безопасности движения Пб соответствует итоговому коэффициенту аварийности участка дороги Ка, представляющему собой произведение частных коэффициентов, значения которых приведены в нормативной литературе [33].

Влияние прочности дорожной конструкции на себестоимость перевозок оценивается [88]:

1,024-В,.

Knp=Bj+ -(Тф-1), (5.8).

Тн-1 q (q'-l).

C = Npo — t= Тн-Тф, (5.9) q-1 где В] - величина, зависящая от значений показателя прочности Ппр и параметра С;

Тн и Тф — нормативный и фактический срок службы дорожной конструкции на год проведения оценки ее прочности, считая от момента сдачи дороги в эксплуатацию после строительства или последнего капитального ремонта, лет;

Np0 — среднесуточная интенсивность движения на полосу (в год оценки прочности дорожной конструкции), приведенная к расчетному автомобилю.

Влияние непрерывности проезда по дороге на увеличение себестоимости перевозок оценивается [88] :

1,008-В2.

Кн=в2+ -(Тф-1), (5.10).

Т&bdquo—1 где В2 — величина, зависящая от значений показателя прочности Ппр и параметра С.

Выше приведенная методика использована для оценки эффективности результатов исследований.

5.2. Уровень эффективности результатов исследований.

Экономические расчеты выполняли на примере ремонта автомобильных дорог с цементобетонным покрытием в Краснокаменском районе Читинской области, общая протяженность которых составляет 80 км, площадь разрушений поверхностного слоя бетона — 50 000 м2(п. 1.1). Автомобильные дороги относятся к Ш-й технической категории, среднесуточная интенсивность движения -1000 авт/сут, показатель ежегодного роста интенсивности q = 1,05, межремонтный срок службы дороги — 15 лет [40,87]. Состав транспортного потока принят по результатам исследований транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в условиях Забайкалья.

В основу расчетов изменения состояния цементобетонных покрытий положены результаты многолетних экспериментальных исследований, выполненных в России и за рубежом, и опыта эксплуатации автомобильных дорог в различных климатических условиях [16,36,45,65,74,87]. Это позволяет определить динамику изменения состояния дорог по прочности дорожной одежды и ровности покрытия в зависимости от срока службы и числа приложений транспортной нагрузки.

При сравнении различных методов ремонта поверхностного слоя цементобетонных дорожных покрытий рассматривали следующие варианты:

1. Ремонт на ранней стадии появления деформаций и разрушений бетонной поверхности (шелушения бетона) путем обработки участков различными материалами, в том числе и на основе ПВБ. При этом глубина разрушений незначительно влияет на транспортно-эксплуатационное состояние дороги, а отремонтированное покрытие сохраняет требуемую прочность, ровность и сцепные качества в течении межремонтного срока службы.

2. Ремонт на более поздней стадии поверхностных разрушений бетона, в результате чего существенно снижаются транспортно-эксплуатационные качества дорог, ровность покрытия достигает предельно-допустимых значений. Ремонт осуществляют путем укладки выравнивающих слоев из цементобетона методом торкретирования.

В качестве сравниваемых вариантов представлены способы ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием композиций на основе битума БНД 90/130, эпоксидной смолы ЭД-20 и поливинилбутираля. Для выполнения ремонтных работ подобраны типовые комплекты дорожных машин и установок по приготовлению материалов [46,51,68,99]. Результаты расчета единовременных затрат на ремонт поверхности цементобетонного покрытия представлены в табл. 5.14−5.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе выполнен комплекс научных исследований, обеспечивающий решение задачи повышения эффективности ремонта поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Аналитически подтверждено особое влияние суровых природно-климатических факторов на работоспособность поверхностного слоя цементобетонных покрытий автомобильных дорог, что предопределяет более жесткие требования к адгезионной прочности, деформативной способности, износостойкости и морозоустойчивости используемых материалов для ремонта. Установлено, что с учетом разницы в деформативных свойствах бетона и полимерных материалов требуемые показатели прочности последних на растяжение при изгибе составляют 7,4−5-7,9 МПа, а сдвигоустойчивости — 1,35−5-1,9 МПа соответственно.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан новый способ ремонта цементобетонных покрытий путем обработки поверхности полимерно-минеральными композициями на основе поливинилбутираля, позволяющий создавать прочные и долговечные покрытия, предохраняющие верхний слой бетона от разрушения и обеспечивающие его защиту от внешних воздействий. Установлены составы полимерно-минеральных композиций, содержащих ПВБ и природный песок крупностью частиц 0,63−5-5 мм с соотношением компонентов 1:10 — 1:12, при использовании которых обеспечивается высокая прочность тонкослойного полимерно-минерального покрытия 7,6⁸, 8 МПа, его сцепление с цементобетоном 1,9 МПа и низкая истираемость 0,075 г/см2.

3. С помощью многофакторной эмпирической модели описано влияние технологических параметров устройства полимерно-минерального покрытия на его прочность сцепления с цементобетоном. Установлено, что оптимальная продолжительность нагревания материала на основе ПВБ при температуре 235 °C для покрытий толщиной до 5 мм составляет 3,5 мин и покрытий толщиной 5−10мм -7-^8мин.

4. Разработаны и реализованы в практических условиях технологические схемы обработки поверхности цементобетонных дорожных покрытий полимерно-минеральными композициями на основе ПВБ, позволяющие сократить трудоемкость работ, а также за 2−3 ч ввести в эксплуатацию отремонтированный участок покрытия, обеспечить его ровность и сцепные качества, соответствующие нормативным требованиям.

5. Доказана экологическая безопасность выполнения ремонта цементобетонных покрытий с использованием ПВБ, обусловленная его самостоятельной способностью к полимеризации, значительно низким содержанием в смеси в 1,5−2 раза по сравнению традиционными синтетическими вяжущими, оптимальными температурно-временными режимами нагрева материала, при соблюдении которых снижается содержание вредных выбросов в атмосферу, образуемых в результате термоокислительной деструкции полимера.