Анализ теплофизических свойств асфальтобетона

РАЗДЕЛ II

СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 625.73

АНАЛИЗ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА

М. А. Завьялов, д-р техн. наук

Аннотация. Рассмотрены вопросы взаимосвязи удельной и объемной теплоемкостей асфальтобетона при строительстве и эксплуатации дорожного покрытия. Установлены причины, вызывающие изменение исследуемых величин.

Ключевые слова: теплофизические свойства, асфальтобетон, строительство и эксплуатация дорожного покрытия, долговечность.

Введение

В дорожной отрасли к вопросам, связанным с теплофизическими свойствами строительных материалов и конструкций, проявлялся активный интерес с начального этапа становления дорожной науки. В конце 30-х годов прошлого века обработка грунтов битумными материалами начинает широко применяться для устройства различного рода противопучинных мероприятий. Актуальность первых исследований изменения теплофизических свойств битумосодержащих композитов определялась возникшей необходимостью укладки битумированных грунтов в нижний слой покрытия или устройство изолирующей прослойки для создания благоприятного водного и термического режима земляного полотна, устраняющего возможность пучинооб-разования в грунтах.

Одним из первых определения значений коэффициентов теплопроводности А, температуропроводности а и величины теплоемкости Ст битумированных грунтов производил В. М. Безрук [1] по методу регулярного режима Г. М. Кондратьева [2]. Принцип данного метода следующий. Согласно теории охлаждения тел, процесс охлаждения, то есть рассеяние энергии в окружающую среду, разделяют во времени на три стадии. Первая из них характеризуется ярко выраженным в начале и ослабляющимся с течением времени явлением нестационарного начального состояния. В период времени второй стадии, которую можно назвать регулярным режимом, резкие не-

равномерности начального поля температур, соответствующего первой стадии, уже успевают сгладиться, и характер распределения температур определяется только физическими параметрами испытуемого тела. Третья, последняя, стадия процесса соответствует наступлению равенства температур тела и окружающей его среды.

Сравнение полученных автором значений теплофизических величин позволяет отметить, что теплопроводность обработанных грунтов почти не отличается от данных, полученных для асфальтобетона. В. М. Безрук объясняет низкую теплопроводность битумированных грунтов незначительными величинами коэффициентов А и а у исходных материалов - грунтов и вяжущих веществ и наличием защемленного воздуха в обработанных битумом грунтах.

Позднее В. М. Бушмакина и И. А. Рыбьев высказывают мнение, что для повышения долговечности при создании покрытия приемлем асфальтобетон более теплопроводный, обеспечивающий равномерное распределение температур верхнего и нижнего слоев покрытия и тем самым возможное предотвращение появления трещин покрытия при изменении температуры [3]. Авторами проводился эксперимент также на основании метода регулярного режима. С помощью этого метода определение теплофизических параметров проводилось сравнительно быстро, без сложной аппаратуры, на образцах цилиндрической формы. Результаты исследований образцов

асфальтобетона следующие: /=0,24

ккал/(мч0С); а=2,09-10-4 м2/ч; Ст=0,475 ккал/(кг0С). Сделан вывод, что с увеличением количества битума или отношения Б/П при заданной концентрации минерального порошка значения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости растут.

В работе А. В. Лыкова приводятся следующие значения для асфальтобетона при плотности 2100 кг/м3 [4]: удельная теплоемкость Ст=0,4 ккал/(кг0С); коэффициент теплопроводности /=0,9 ккал/(мч- С). Для природного асфальта плотности 2110 кг/м3 автор приводит данные: Ст=0,5 ккал/(кг0С); /=0,6 ккал/(мч0С). М. Б. Корсунский в методических рекомендациях Союздорнии по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев указывает для асфальтобетона различной зернистости при плотности в пределах 23002400 кг/м3 одинаковое значение удельной теплоемкости Ст=0,40 ккал/(кг0С); значение коэффициента теплопроводности изменяется в пределах от 0,8 до 1 ккал/(мч0С) [5]. Аналогичные значения удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности используют при расчете кинетики остывания слоя асфальтобетона в процессе строительства покрытий. В работе З. П. Шульмана расчетное значение удельной теплоемкости равно 0,4 ккал/(кг0С) [6]. При этом отмечается, что для различных битумов удельная теплоемкость практически одинаковая.

В. Н. Шестаков приводит таблицу необходимых для теплотехнических расчетов теплофизических характеристик различных материалов [7]: «пользуясь этими данными, следует иметь в виду, что теплофизические характеристики материала существенным образом зависят от свойств его компонентов... удельная теплоемкость асфальтобетона в зависимости от состава изменяется незначительно и составляет порядка 0,96 кДж/(кг0С)». Анализируя работу [8] и вычисляя значение удельной теплоемкости как отношение объемной теплоемкости к плотности 2216,51/2300, получим аналогичный результат.

Удельная теплоемкость асфальтобетона

При рассмотрении теплофизических и термодинамических свойств материалов одной из ключевых величин является удельная теплоемкость. Различные вещества обладают и разной способностью накапливать тепловую энергию. Это зависит от их структуры и плотности. Объемная теплоемкость (Ср) зависит

от удельной теплоемкости (Ст), т.е. от теплоемкости единицы массы вещества, и от

плотности материала р . Ср = Ст • р . Возникает вопрос, в каком качестве рассматривать в этой формуле Ст - как константу или как переменную величину, зависящую от ряда факторов, если материал композитный, каким является асфальтобетон.

Цель экспериментальных исследований на предмет определения значений удельной теплоемкости материала дорожного асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла заключалась в установлении закономерностей изменения величины удельной теплоемкости в процессе старения рассматриваемого материала.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил интерпретировать характер изменения удельной теплоемкости во времени (рис. 1) для различных типов и видов асфальтобетона [9].

Аппроксимация полученных экспериментальных зависимостей удельной теплоемкости от времени эксплуатации аналитическими выражениями позволила представить эти зависимости в виде:

Ст1 = 7.82

Ст2 = 7.91

Ст3 = 9.8

Ст4 = 7.02

где Стг (I), г = 1, 2, 3, 4 - это зависимости 1, 2, 3 и 4 соответственно на рисунке 1; t - время.

Аппроксимация экспериментальных зависимостей проводилась по методу наименьших квадратов. Средняя квадратичная погрешность приближения находится в пределах 2 - 5%.

Установлено [9], что величина удельной теплоемкости может являться феноменологическим параметром для определения обоснованных сроков ремонтных мероприятий.

Исследование характера полученных зависимостей и сопоставление их с экспериментальными данными и визуальными наблюдениями позволили сделать следующее заключение: время начала выполнения ремонтных работ дорожного асфальтобетонного покрытия определяется моментом утраты квазилинейности графиками функции удельной теплоемкости от времени эксплуатации покрытия. Пределы удельной теплоемкости от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг0С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.

1600

з

1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 С 1200

а?

£ 1150

Ш

41

§ ИМ)

5

1050

І000

І50

 / у

Л / /

/♦ Г* J *к‘  А

* *  * 1  * •

✓ ♦ / /і "А .. ✓

1 \ і * г* і У у* ^ • - Г

V ✓ *  <  ' • . *

* * г  і  * * ' і \ 4

2  V * '  і Лс •

 і - ' • 0 і* і

А ' А " * . А. . • ? і  ‘ * ♦ •

• ♦ *' ♦ • 3

• -♦ ІІ ,,

о оз о

35 -1 4.3 5 5.5. 6 65

время, гады

Рис. 1. Зависимость удельной теплоемкости от времени эксплуатации дорожного покрытия: 1 - крупнозернистый пористый асфальтобетон марки II (категория дороги 1-Б, интенсивность движения 7-10 тыс. авт./сутки); 2 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А, марки I (категория дороги 1-Б, интенсивность движения 15-20 тыс. авт./сутки); 3 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги 1-А, интенсивность движения >20 тыс. авт./сутки); 4 - мелкозернистый плотный асфальтобетон типа Б, марки I (категория дороги

II, интенсивность движения 5-7 тыс. авт./сутки)

Следует заметить, что на этапе строительства асфальтобетонного покрытия, когда имеют место значительные температурные вариации, одной из доминантных переменных является температура. В процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия температурные вариации покрытия для ограниченного промежутка времени можно характеризовать математическим ожиданием значения температуры, т.е. считать в инженерных расчетах постоянной величиной.

Эти рассуждения позволяют определить величину вариации энтропии как на этапе строительства дорожного асфальтобетонного покрытия, так и в процессе его эксплуатации.

Для однокомпонентных веществ такие факторы, как температура и давление, одновременно оказывают влияние на изменение значений удельной и объемной теплоемкостей, и уравнение, связывающее их значения, лишь демонстрирует соотношение между величинами, пропорцию. В то же время в композитных материалах наблюдаются более сложные соотношения влияния различных факторов на изменение значений теплоемкостей.

Экспериментальные исследования теплоемкости асфальтобетона показали, что раз-

личные причины могут вызывать изменение как удельной, так и объемной теплоемкости. Удельная теплоемкость асфальтобетона зависит от изменения внутренних свойств исходного материала с течением времени, формирования структуры материала, реструктуризации и перестройки. С другой стороны, макроструктурные, текстурные изменения свойств асфальтобетона, включение материала извне при эксплуатации (воздух, вода, соли), как следствие, оказывают существенное влияние на значение объемной теплоемкости.

Если объемная теплоемкость характеризует количественные изменения в композитном материале - асфальтобетоне, то удельная теплоемкость затрагивает качественные преобразования микроструктуры. Причем здесь следует говорить об однонаправленности свойств: изменение объемной теплоемкости асфальтобетона всегда влечет изменение его удельной теплоемкости, но не наоборот. Следовательно, удельная теплоемкость асфальтобетона является аддитивной величиной по отношению к объемной теплоемкости.

В качестве примера стабильности (постоянства) значения объемной теплоемкости асфальтобетона можно рассмотреть этап за-

вершения строительства и начального периода эксплуатации дорожного асфальтобетонного покрытия, когда происходит увеличение плотности асфальтобетона в покрытии, а удельная теплоемкость убывает (рисунок 2) вследствие продолжающихся процессов формирования структуры асфальтобетона. На этапе завершения строительства и начального периода эксплуатации в силу синергетических и инерционных свойств материал дорожного асфальтобетонного покрытия сохраняет те же кинетические тенденции, что и на этапе

строительства: энтропия продолжает сни-

жаться, обусловливая рост свободной энергии. В работе [9] было показано, что мерой рационального применения технологических операций и окончания строительства является условие достижения асфальтобетонным покрытием неравновесного стационарного состояния. При этом необратимые процессы, играющие здесь конструктивную роль, обеспечивают уменьшение энтропии, вероятно, путем самоорганизации диссипативных структур.

Рис. 2. Характер зависимости удельной теплоемкости асфальтобетона Ст от времени t жизненного цикла дорожного покрытия (пунктирной линией обозначена продолжительность этапе завершения строительства и начального периода эксплуатации): ^ - момент времени завершения строительства; ^ - момент времени неравновесного стационарного состояния материала асфальтобетона, при котором величина удельной теплоемкости достигает минимума; ^ - время

начала ремонта дорожного покрытия

Рассматривая удельную теплоемкость как функцию нескольких переменных [10]

= ст (л Т> Мt) >

С

здесь Т - температура; /и = м(^) - индикатор микроструктурных изменений материала; t -время, можно определить, предварительно задавшись исходными значениями величин, момент времени tx неравновесного стационарного состояния материала асфальтобетона, при котором величина удельной теплоемкости достигает минимума и плотность - значения рх . Этот же момент времени будет соответствовать минимуму энтропии и максимальному значению свободной энергии за весь период эксплуатации дорожного покрытия.

Действительно, решая систему (при решении переменную м = м($ ) как промежуточный аргумент опускаем):

дСт др д Ст

= 0;

= 0

д t

Т = Тх - const,

при

получим стационарные значения рх, t) которых Ст (рх, tx, Тх )^ тт(рис. 2).

Заключение

Содержанием дальнейших исследований может стать совершенствование технологий строительства дорожных асфальтобетонных покрытий, а также получение материалов с заданными свойствами, которые обеспечивают короткий период времени выхода на стационарный режим после строительства и достаточно долгий временной отрезок стабилизации этого неравновесного стационарного состояния.

Библиографический список

1. Безрук В. М. Теплопроводность битумиро-ванных грунтов // Строительство дорог. - 1941. -№5-6. - С.20-21.

2. Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим. - М.: Гостехиздат, 1954. - 408 с.

3. Бушмакина В. М., Рыбьев И. А. Исследование теплотехнических характеристик асфальтобетона // Опыт строительства асфальтобетонных покрытий: Тр. мАдИ. - М.: Автотрансиздат, 1958. -Вып. 23. - С.111-117.

4. Лыков А. В. Теоретические основы строительной теплофизики. - Минск: Изд-во АН БССР, 1961. - 519 с.

5. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог. -М.: Союздорнии, 1976. - 97 с.

6. Шульман З. П., Ковалев Я. Н., Зальцгендлер Э. А. Реофизика конгломератных материалов. -Минск: Наука и техника, 1978. - 240 с.

7. Шестаков В. Н. Теплофизические основы технологии строительства автомобильных дорог в зимнее время. - Омск: Изд-во ОмПИ, 1988. - 88 с.

8. Пермяков В. Б., Седельникова Ю. С. Математическая модель остывания асфальтобетонной смеси // Известия вузов. Строительство. - 2004. - №4. - С.86-91.

9. Завьялов М. А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия. - Омск: СибАДИ, 2007. - 283 с.

10. Завьялов М. А., Завьялов А. М. Теплоемкость асфальтобетона // Строительные материалы. - 2009. - №7. - С.6-9.

Asphalt concrete thermal analysis

M. A. Zavyalov

It is considered the interrelation between specific and volume thermal capacities of asphalt concrete during road pavement construction and operation.

Завьялов Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Высшая математика» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - транспортное строительство. Имеет более 50 опубликованных работ. E-mail: zavyalov_ma@sibadi. org.

Статья поступила 17.09.2009 г.

УДК 692.4:

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ТОНКОЛИСТОВОГО ТРАПЕЦИЕВИДНОГО ПРОФИЛЯ

А.В. Рудак, аспирант, Н.В. Беляев, канд. техн. наук

Аннотация. В статье рассмотрены варианты покрытий, объединяющих в себе несущие и ограждающие функции с использованием гладкого тонкого листа, работающего по мембранной схеме. В результате использования такого вида ограждающих конструкций снижается расход материала и упрощается монтаж.

Ключевые слова: профилированный лист, здание, арка, конструкция.

Введение

Среди видов прокатных изделий особого внимания заслуживает сортамент стальных оцинкованных профилированных листов для ограждающих конструкций стен и кровель. Кровли на основе оцинкованного стального профилированного листа и эффективного утеплителя положили начало целой серии новых складывающихся мобильных каркасов покрытий зданий. И, наконец, на базе этого нового типа ограждающих конструкций стен и кровель возникла целая отрасль так называемых легких металлических конструкций одноэтажных зданий, комплектно поставляемых

на стройки с множеством специализированных заводов-изготовителей.

Длительное время производились изыскания возможности применения ограждения в работу основных пролётных конструкций. За рубежом ещё в 50 - 60 годы было разработано немало оригинальных покрытий, объединяющих в себе несущие и ограждающие функции. Однако большого распространения они не получили из-за сложности утепления и соединения элементов. Использование гладкого тонкого листа, работающего по мембранной схеме, позволило разработать ряд новых эффективных пролётных конструкций, в которых идея совмещения нашла яркое выражение [1].