СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ И НАЗНАЧЕНИЯ ОБОСНОВАННЫХ СРОКОВ РЕМОНТНЫХ РАБОТ
METHOD FOR FORECASTING OF CONDITION OF MOTOR ROADS WITH ASPHALT COATS AND ASSIGNMENT OF JUSTIFIED TIMINGS OF REPAIR WORKS

Изобретение относится к области диагностики и оценки состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями, а именно к прогнозированию состояния асфальтобетонного покрытия и назначению обоснованных сроков ремонтных работ.
Известен способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями, по которому определяют ровность асфальтобетонного покрытия и по ухудшению состояния ровности судят об эксплуатационно-техническом состоянии асфальтобетонного покрытия (ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности нежестких дорожных одежд (взамен ВСН 52-89). - М.: Информавтодор, 2002, - 65 с.).
Однако такой способ недостаточно эффективен, так как показатель ровности является лишь внешним проявлением внутренних процессов, происходящих в дорожном покрытии, и только косвенно оценивает его состояние, не указывая на остаточный ресурс.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ прогнозирования состояния асфальтобетонного покрытия, по которому определяют степень прочности как отношение фактического модуля упругости материала покрытия к расчетному (ОДН 218.0.006-2002. Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог (взамен ВСН 6-90). - М.: Информавтодор, 2002, - 139 с.)
Однако такой способ прогнозирования состояния асфальтобетонного покрытия недостаточно эффективен и не обеспечивает обоснованного назначения межремонтных сроков службы асфальтобетонного покрытия, поскольку не учитывается динамика кумуляции остаточных деформаций, изменение отношения остаточной и упругой компонент деформации сжатия в процессе старения дорожного покрытия. Поскольку в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонное покрытие испытывает многократные нагружения с накоплением остаточных деформаций.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначение обоснованных сроков ремонтных работ асфальтобетонных покрытий.
т
деф
Достигается это тем, что в способе прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ асфальтобетонных покрытий, по которому определяют коэффициент прочности, равный отношению фактического модуля упругости асфальтобетонного покрытия к расчетному (требуемому), при этом определяют теплофизические характеристики асфальтобетонного покрытия, а именно удельную теплоемкость С, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии k, причем в качестве исходного значения берут величину удельной теплоемкости асфальтобетонного покрытия в начале эксплуатации и контролируют изменение этого значения в процессе эксплуатации, строят графики зависимости удельной теплоемкости и приращение свободной энергии от времени, исходя из начальных значений с учетом реперных точек, при этом определяют приращение дефицита свободной энергии по формуле
т
где μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г; Т - температура материала покрытия (в расчетах T=20°С), °С;  - начальное значение величины С, Дж/(кг·°С);
деф
затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии k по формуле
,
max
деф
деф
где  - модуль приращения свободной энергии в данный момент времени, δF - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации; k рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ и при текущем значении k(t) больше нормативного значения , то есть , делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ.
т
т
Причем нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии , в начале эксплуатации принимают в пределах числовых значений от 3 до 6, в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона, а текущую удельную теплоемкость С определяют не реже одного раза в год; при этом после каждого эксплуатационного этапа при выборе технологии ремонтных работ определяют нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии на момент окончания очередного ремонта, которое имеет тенденцию к уменьшению (невозрастанию) по сравнению с предыдущим значением, а пределы удельной теплоемкости С от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг·°С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
т
деф
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом способе определяют теплофизические характеристики асфальтобетонного покрытия, а именно удельную теплоемкость С, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии k, причем в качестве исходного значения берут величину удельной теплоемкости асфальтобетонного покрытия в начале эксплуатации и контролируют изменение этого значения в процессе эксплуатации, строят графики зависимости удельной теплоемкости и приращение свободной энергии от времени, исходя из начальных значений с учетом реперных точек, при этом определяют приращение дефицита свободной энергии по формуле
,
т
где μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г; Т - температура материала покрытия (в расчетах T=20°С), °С;  - начальное значение величины С, Дж/(кг·°С);
деф
затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии k по формуле
,
max
деф
деф
деф
где |δF| - модуль приращения свободной энергии в данный момент времени, δF - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации; k рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ и при текущем значении k(t) больше нормативного значения k(t), то есть , делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ.
т
т
Причем нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии  в начале эксплуатации принимают в пределах числовых значений от 3 до 6, в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона, а текущую удельную теплоемкость С определяют не реже одного раза в год; при этом после каждого эксплуатационного этапа при выборе технологии ремонтных работ определяют нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии на момент окончания очередного ремонта, которое имеет тенденцию к уменьшению (невозрастанию) по сравнению с предыдущим значением, а пределы удельной теплоемкости С от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг·°С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «НОВИЗНА».
Сравнение заявляемого способа с другими техническими решениями показывает, что известен способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями, по которому определяют ровность асфальтобетонного покрытия и по ухудшению состояния ровности судят об эксплуатационно-техническом состоянии асфальтобетонного покрытия (ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности нежестких дорожных одежд (взамен ВСН 52-89). - М.: Информавтодор, 2002, - 65 с.).
Однако такой способ недостаточно эффективен, так как показатель ровности является лишь внешним проявлением внутренних процессов, происходящих в дорожном покрытии, и только косвенно оценивает его состояние, не указывая на остаточный ресурс. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ».
Пример осуществления изобретения.
В способе прогнозирования состояния асфальтобетонного покрытия помимо физико-механических характеристик материала асфальтобетонного покрытия (плотность, модуль упругости, коэффициент сцепления) определяют (измеряют и вычисляют) и теплофизические характеристики: удельную теплоемкость, коэффициент дефицита свободной энергии. Причем в качестве базисного параметра берут значение (величину) удельной теплоемкости в начале эксплуатации, контролируют это значение в процессе эксплуатации не реже одного раза в год, после чего с учетом реперных точек строят графики зависимостей удельной теплоемкости и вариации свободной энергии от времени. Затем определяют текущее значение коэффициента дефицита свободной энергии. При выполнении неравенства, когда текущее значение коэффициента дефицита свободной энергии становится больше нормативного, делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ, вид и технологические особенности которых определяют после дополнительного визуального исследования и экономических возможностей.
По завершению строительства дорожного асфальтобетонного покрытия определяют начальное (исходное) значение базисной величины его материала - удельной теплоемкости в соответствии с требованиями ГОСТ 23250-78 (ГОСТ 23250-78. Материалы строительные. Метод определения удельной теплоемкости. - М.: Изд-во стандартов, 1979, - 8 с.).
Определяют также начальное значение плотности материала дорожного покрытия и суммарное изменение ровности. Значения этих двух величин должны удовлетворять нормативным значениям.
Применяя рекомендуемые алгоритмы (Завьялов М.А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: Монография. - Омск: СибАДИ, 2007, - 283 с.), вычисляют с помощью программного продукта Mathcad начальные значения величин, необходимых для мониторинга и прогнозирования состояния покрытия и назначения обоснованных сроков ремонтных мероприятий. Значения величин помещают в таблицу. Например:
Величины
Тип асфальтобетона
мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I (категория дороги 1-Б)
мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги I-A)
удельная теплоемкость, Дж/(кг·°С)
1047
980
коэффициент пластичности
1
1
плотность, кг/м<sup>3</sup>
2650
2500
коэффициент технологичности
0,2
0,19
модуль упругости, МПа
3120
2700
вариация свободной энергии, Дж
2100
2400
нормативный коэффициент дефицита свободной энергии
3,14
3,75
коэффициент сцепления колеса с покрытием
0.6
0.65
Величина модуля упругости материала покрытия вычисляется из следующего выражения
,
T,V
T,V
0
где ρ - плотность материала; g - ускорение свободного падения; h - толщина слоя дорожного покрытия; k=d(lnT)/dV=dT/(TdV), числовые значения k берутся из таблиц работы (Завьялов М.А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: Монография. - Омск: СибАДИ, 2007. - С.218-221] Т - температура, V - объем, t - время; t - начальное время.
Эти значения вносят также в эксплуатационный паспорт автомобильной дороги. В процессе мониторинга состояния материала дорожного покрытия с целью коррекции текущих значений, характеризующих это состояние, периодически экспериментально определяют значение удельной теплоемкости материала. Рассматривая полученное значение величины удельной теплоемкости в качестве реперной точки, корректируют зависимости удельной теплоемкости от времени эксплуатации на основе анализа их квазилинейности по реперным точкам. Такую коррекцию проводят не реже одного раза в год.
3
На фиг.1 графики зависимостей удельной теплоемкости и вариации свободной энергии от времени построены, исходя из начальных значений, указанных в таблице с учетом реперных точек. Приводятся следующие зависимости от времени (фиг.1): 1 и 2 - вариации свободной энергии, Дж; 3 и 4 - величины удельной теплоемкости, Дж/(кг·°С), для дорожных асфальтобетонных покрытий, рассматриваемых в таблице, соответственно; 5 - величина удельной теплоемкости, построенная с учетом реперных точек; 6 и 7 - теоретический и «скорректированный» коэффициент дефицита свободной энергии (на фиг.1 - левая шкала; для наглядности изображения значение коэффициента умножено на 10).
Установлено, что момент времени начала выполнения ремонтных работ характеризуется дефицитом свободной энергии, ее отрицательным приращением. Приращение свободной энергии F материала покрытия вычисляют из следующего выражения (Завьялов М.А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия: Монография. - Омск: СибАДИ, 2007, - 283 с.)
,
т
т
где С - удельная теплоемкость; μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, Т - температура,  - начальное значение величины С.
деф
Введенный коэффициент дефицита свободной энергии, равный отношению модуля приращения свободной энергии в данный момент времени к максимальному значению этого приращения за весь период эксплуатации , рассматривается как нормативный критерий, определяющий срок производства ремонтных работ. Иначе говоря, момент времени, в который текущее значение k(t) становится больше нормативного значения , то есть .
Нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии получено в пределах числовых значений от 3 до 6, в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона (фиг.2). Например, коэффициент дефицита свободной энергии для асфальтобетона типа А и первой категории принимает значение, близкое к левой границе, для пористого асфальтобетона и второй категории дороги - к правой границе.
деф
На фиг.2. построена зависимость коэффициента дефицита свободной энергии k от времени эксплуатации покрытия. Рассмотрены следующие случаи: 1 - крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II (категория дороги I-Б, интенсивность движения 7-10 тыс.авт./сутки); 2 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I (категория дороги I-Б, интенсивность движения 15-20 тыс.авт./сутки); 3 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги I-A, интенсивность движения>20 тыс.авт./сутки); 4 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги II, интенсивность движения 5-7 тыс.авт./сутки). Для линий 1 и 2 рассчитаны значения нормативного коэффициента дефицита, равного соответственно  и .
Делают заключение о необходимости ремонтных работ, вид и технологические особенности которых определяют после дополнительного визуального исследования и экономических возможностей. При этом:
- после каждого эксплуатационного этапа при выборе технологии ремонтных работ определяют нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии на момент окончания очередного ремонта, которое имеет тенденцию к уменьшению (невозрастанию) по сравнению с предыдущим значением, а следовательно, сокращается и проектный срок службы после каждого ремонта;
- наступает момент, когда коэффициент дефицита свободной энергии принимает очевидно низкие значения и проводить ремонтные работы, начиная с этапа строительства, становится нецелесообразным и экономически нерентабельным; необходимо вновь вернуться к этапу проектирования.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ.