Базжин Лев Іванович. Наукові основи проектування дорожніх асфальтобетонів з використанням техногенної сировини і прогнозуюче-оптимізаційніх комплексів

Короткий опис

Базжин Лев Іванович. Наукові основи проектування дорожніх асфальтобетонів з використанням техногенної сировини і прогнозуюче-оптимізаційніх комплексів : Дис... д-ра техн. наук: 05.23.05 / Донбаська національна академія будівництва і архітектури. — Макіївка, 2005. — 348арк. : табл.+ 209арк. дод. — Дві кн. одиниці. — Бібліогр.: арк. 316-348.

Базжин Л. І. Наукові основи проектування дорожніх асфальтобетонів з використанням техногенної сировини і прогнозуюче-оптимізаційніх комплексів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 Будівельні матеріали та вироби. Донбаська національна академія будівництва і архітектури. Макіївка, 2005.
Дисертація висвітлює проблему одержання асфальтобетонів з високими технічними властивостями на основі застосування концепції ресурсозбереження: найбільш дешеві матеріали (відходи виробництв найважливіших галузей господарства України), найменш витратні технології виготовлення і найбільш ефективні методи проектування (математичне моделювання, оптимізація). Запропоновані методи керування структурою асфальтобетонів за допомогою: відходів подрібнення карбонатних гірських порід, бітумодьогтеполімерного в'яжучого (БДПВ) і оптимізації за математичними моделями зернових складів мінеральних каркасів, вмісту мінерального порошку, бітуму і його пенетрації.
Вивчено фізико-механічні властивості оптимальних складів асфальтобетонів. Зафіксовано новоутворення в бітумі при старінні під впливом ряду пилоподібних кремнеземистих відходів виробництв.
Розроблено дві підсистеми прогнозування властивостей асфальтобетонів на основі ЕС-моделей (ПОКТ і ПОК). Підсистема ПОК враховує роль у структуроутворенні кожної фракції зернового складу мінерального каркаса.
Розроблено різні методи проектування асфальтобетонів:
- оптимізацією за ЕС-моделями, у яких врахована роль кожної фракції мінеральної частини, вміст мінерального порошку, бітуму і його пенетрації;
- за кореляційними моделями;
- за змішаними кореляційно-регресійними моделями;
- за еквідистантними кривими зміни властивостей асфальтобетонів і ЕС-моделями.
Здійснено виробниче впровадження оптимальних складів асфальтобетонів з використанням техногенної сировини, а також комп'ютерних підсистем ПОКТ і ПОК прогнозування його властивостей.

1. На основі методології системного аналізу розроблено і реалізовано принципи одержання асфальтобетонів з заданим комплексом властивостей на основі концепції ресурсозбереження (найбільш дешеві матеріали відходи виробництв; найменш витратні технології виробництва (без витрат на додаткову переробку відходів); найбільш ефективні методи проектування (математичне планування експериментів, метод єквідистантних кривих, змішані кореляційно-регресійні моделі); мінеральна частина рекомендованих у виробництво складів бетонів тільки з відходів виробництв; максимальна утилізація техногенної сировини; поступове ускладнення математичних моделей, їх висока точність і прогнозувальна спроможність; придатність моделей для проектування асфальтобетонів усіх класів сумішей, видів, груп, типів і різновидів гранулометрії, всіх марок для верхніх шарів дорожніх покриттів і дрібнозернистих для нижніх (щільних, пористих, високопористих) за ДСТУ Б В.2.7-199.
2. Класифіковані фактори спрямованого регулювання структури (ФСРС) асфальтобетону. За зростаючою складністю технічного виконання вони розділені на 4 рівні: 1) регулювання співвідношення вихідних компонентів; 2) введення інших мінеральних складових; 3) модифікація бітуму, мінеральних компонентів і асфальтобетонної суміші за допомогою ПАР, ВМС та інших добавок, технологічні впливи при змішуванні компонентів асфальтобетонних сумішей, їх укладанні й ущільненні в дорожньому покритті; 4) фактори активаційно-технологічної механіки (АТМ).
3. Обґрунтовано вибір техногенної сировини для асфальтобетонів у вигляді відходів найважливіших галузей виробництва: нерудної, металургійної, теплоенергетичної, цементної, коксохімічної та хімічної промисловостей. Виконано класифікацію мінеральних відходів за хімічним складом (вмісту оксидів лужних і лугоземельних металів) і структурою часток (щільні, тонкопористі і пористі) на 4 групи. Вивчено закономірності структуроутворення в асфальтобетонах з техногенною сировиною.
4. На основі закономірностей структуроутворення розроблені способи регулювання структури і властивостей асфальтових бетонів:
а) відходами подрібнення щільних карбонатних гірських порід як крупного так і дрібного заповнювача, у якого вміст до 6% часток дрібніше 0,071 мм при незначній кількості глинистих часток (до 0,5%);
б) комплексним бітумодьогтеполімерним в'яжучим (БДПВ), отриманого розчиненням відходу виробництва ПВХ у дьогті з одержанням дьогтеполімерного в'яжучого (ДПВ) і розчиненням останнього в бітумі. Метод ефективно регулює властивості асфальтобетону з використанням мінеральної інактивної техногенної сировини.
З використанням математичного планування експериментів і оптимізації розроблено метод проектування 26 систем асфальтобетонів, що містять техногенну сировину. Отримані ЕС-моделі властивостей бетону склали основу першого прогнозуюче оптимізаційного комплексу (ПОКТ).
Оптимізацією за ЕС-моделями установлені склади асфальтобетонів із властивостями марки I при вмісті бітуму менш ніж 8% і з мінеральною частиною тільки на карбонатних відходах подрібнення з міцністю не нижче 60 МПа. Їх можна сполучати у різному відношенні з гранітними, чи з зернистими (до 20-30% у вигляді золошлакової суміші, ваграночного шлаку та ін), чи з пилоподібними (до 16% у вигляді доломітного, цементного пилу, золи віднесення ТЕС, шламу ливарного цеху та ін.) відходами будь-якої активності і структури часток.
Отримані склади бетону на інактивних гранітних відходах подрібнення і золошлакової суміші ТЕС при її утилізації до 48-50% і вмісті БДПВ=7,2ч7,8% (ПВХ=1,0ч1,6% від маси дьогтю, дьогтю 30% від маси БДПВ).
5. Встановлено, що шлам ливарного цеху і зола винесення ТЕС інтенсифікують ріст у бітумі кисневомістких сполук, прискорюючи старіння асфальтового бетону.
6. Розроблено новий підхід в проектуванні асфальтового бетону з використанням комп’ютерно-інформаційної технології, яка включає:
- метод проектування асфальтобетону за поліномами другого ступеня з 13 факторами і 4-ма примусовими взаємодіями. Моделі описують 30 фізико-механічних властивостей (пористість, водостійкість, міцність на стиск, вигин, пружність при різних температурах, зсуво- і тріщиностійкості та ін.) і враховують роль кожної з 10 фракцій мінеральної частини бетону з розміром часток сієніту від 20 до 0,071 мм, вапнякового мінерального порошку (фракція дрібніше 0,071 мм, 0 -20%), вмісту бітуму (3-8%) і його пенетрації (1,5-23 мм). Інформаційна ефективність розроблених ЕС-моделей у 139 разів, а узагальнених моделей міцності асфальтобетону на стиск, вигин, пружності з урахуванням різних температур у 164 рази вище, ніж моделей, отриманих без урахування ролі окремих фракцій мінеральної частини. Ці ЕС-моделі склали основу 2-го прогнозуюче-оптимізаційного комплексу (ПОК) як частини комп’ютерно-інформаційного методу проектування асфальтобетону.
На основі комп'ютерної оптимізації математичного моделювання розроблені високоінформативні ЕС-моделі, у яких вибираються найкращі варіанти взаємодій між факторами. Вони дають найбільш високу точність прогнозу і входять в ПОК.
Комп'ютерним способом по ЕС-моделях узагальнені криві щільних сумішей (ДСТ 9128, ДСТУ Б В.2.7-119); здійснена оцінка мінімумів і максимумів пористості мінеральної частини бетону у межах кожного типу гранулометрії; виконано аналітичний і графічний аналіз впливу кожного фактора на властивості асфальтобетону у будь-якій точці факторного простору.
Розрахунковим шляхом, а також експериментально отримані дані, що не суперечать гіпотезі: властивості двох складів асфальтобетону, що мають однаковий вміст того самого бітуму і мінерального порошку, однаковий зерновий склад, але різні за природою частки (щільні за структурою), змінюються еквідистантно залежно від витрати бітуму. На цій основі розроблено метод переходу від матеріалів еталонних ЕС-моделей до інших за природою і якістю (нові) матеріалів за рахунок визначення керуючих параметрів для кожної властивості Yi=Yнов(i)-Yетал(i)в одній точці факторного простору.
- метод проектування асфальтобетону для умов виробництва, запропонований на основі ЕС-моделей (ці моделі входять в ПОК), у яких регулювання властивостей бетону здійснюється тільки фракціями крупного заповнювача (510; 10-20; 20-40 мм), вапняковим мінеральним порошком, бітумом і його пенетрацією, тому що комплекти технологічного устаткування на АБЗ не призначені для фракційного розсіву піску.
- метод проектування асфальтобетону на основі кореляційних моделей, що дозволяють прогнозувати 24 фізико-механічні властивості бетону (міцність на стиск при 50, 0 і мінус 100С, на вигин, внутрішнє зчеплення, модулі пружності при різних температурах, зсуво- і тріщиностійкість та ін.) за 6 властивостями (міцність на стиск при 200С, динамічний модуль пружності, одержуваний на ультразвуковій установці при 200С, середня щільність бетону і мінерального каркаса, пористість асфальтобетону і мінерального каркаса), що визначаються на зразках, виготовлених з матеріалів еталонних ЕС-моделей.
Точність прогнозу зростає при проектуванні на основі змішаних кореляційно-регресійних моделей (у моделі уведені фракції крупного заповнювача). Їх можна застосовувати для асфальтобетонів, мінеральний каркас яких складається з щільних кислих гірських порід (граніти, сієніти, габро, андезити та ін.), а мінеральний порошок із щільного вапняку.
- ефективний метод проектування асфальтобетонів з використанням еквідистантної закономірності зміни їх властивостей, еталонних ЕС-моделей і ЕС-моделей виробничих складів (МЕК). Матеріали мінерального каркаса повинні бути щільними і можуть мати різний хіміко-мінералогічний склад (граніти, сієніти, габро, діорити, андезити, вапняки, жужільна суміш ТЕС, ваграночний шлак та ін.). Мінеральний порошок може бути будь-якого хіміко-мінералогічного складу і структури часток: із щільними частками вапняковий (до 20%), з пористими частками у вигляді шламу ливарного цеху, золи винесення ТЕС, цементного і доломітового пилу та інші (до 15%). МЕК входить у склад ПОК.
7. Розроблено рекомендації з проектування, виробництва і застосування асфальтових бетонів із властивостями марки I з використанням техногенної сировини для будівництва конструктивних шарів дорожніх покриттів.
8. Результати роботи впроваджені у виробництво асфальтових бетонів із властивостями марки I із карбонатних і гранітних відходів подрібнення, місцевого кварцового піску загальним об’ємом 376,51 тис. тонн і економічним ефектом 5931,95 тис. гривень.
В практику проектування складів асфальтового бетону в ВАТ Державна акціонерна компанія Автомобільні дороги України”, а також в інших виробничих підприємствах Донбасу впроваджені прогнозуюче-оптимізаційній комплекс ПОКТ, а також комп’ютерно-інформаційна технологія на основі ПОК.