Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ
Владельцы патента RU 2405882:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" (RU)
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. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначение обоснованных сроков ремонтных работ асфальтобетонных покрытий. Способ состоит в том, что определяют теплофизические характеристики асфальтобетонного покрытия, а именно удельную теплоемкость Ст, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии kдеф, 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
где м - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г; Т - температура материала покрытия (в расчетах Т=20°С),°С; - начальное значение величины Ст, Дж/(кг·°С); затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии kдеф по формуле
,
где |δF| - модуль приращения свободной энергии в данный момент времени, δFmax - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации; kдеф рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ, и при текущем значении kдеф(t) больше нормативного значения то есть kдеф(t)>k
, делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ. 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 Ст 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 (не возрастанию) по сравнению с предыдущим значением, а пределы удельной теплоемкости Ст от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг·°С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначение обоснованных сроков ремонтных работ. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
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.
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 Ст, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии kдеф, 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
где μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г; Т - температура материала покрытия (в расчетах T=20°С), °С; 
- начальное значение величины Ст, Дж/(кг·°С);
затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии kдеф по формуле
,
где 
- модуль приращения свободной энергии в данный момент времени, δFmax - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации; kдеф рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ и при текущем значении kдеф(t) больше нормативного значения 
, то есть 
, делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ.
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 Ст 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 Ст от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг·°С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом способе определяют теплофизические характеристики асфальтобетонного покрытия, а именно удельную теплоемкость Ст, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии kдеф, 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
,
где μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г; Т - температура материала покрытия (в расчетах T=20°С), °С; 
- начальное значение величины Ст, Дж/(кг·°С);
затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии kдеф по формуле
,
где |δF| - модуль приращения свободной энергии в данный момент времени, δFmax - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации; kдеф рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ и при текущем значении kдеф(t) больше нормативного значения kдеф(t), то есть 
, делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ.
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 Ст 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 Ст 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/м3 | 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
,
где ρ - плотность материала; g - ускорение свободного падения; h - толщина слоя дорожного покрытия; kT,V=d(lnT)/dV=dT/(TdV), числовые значения kT,V 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; t0 - 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.
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 103).
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.)
,
где Ст - удельная теплоемкость; μ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, Т - температура, 
- начальное значение величины Ст.
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 kдеф(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.
На фиг.2. построена зависимость коэффициента дефицита свободной энергии kдеф 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.
1. Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ, по которому определяют коэффициент прочности, равный отношению фактического модуля упругости асфальтобетонного покрытия к расчетному (требуемому), отличающийся тем, что определяют теплофизические характеристики асфальтобетонного покрытия, а именно удельную теплоемкость Ст, приращение свободной энергии δF, коэффициент дефицита свободной энергии kдеф, 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:
где µ - величина, численно равная плотности материала, размерности массы, г;
Т - температура материала покрытия (в расчетах Т=20°С),°С;
С
- начальное значение величины Ст, Дж/(кг·°С),
затем производят вычисление коэффициента дефицита свободной энергии kдеф по формуле:
,
где |δF| - модуль приращения свободной энергии в данный момент времени;
δFmax - максимальное значение этого приращения за период эксплуатации,
kдеф рассматривают как критерий, определяющий срок производства ремонтных работ, и при текущем значении kдеф(t) больше нормативного значения k
, то есть kдеф(t)>k
, делают заключение о необходимости проведения ремонтных работ.
2. Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ по п.1, отличающийся тем, что нормативное значение коэффициента дефицита свободной энергии k
в начале эксплуатации принимают в пределах числовых значений от 3 до 6, в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
3. Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ по п.1, отличающийся тем, что текущую удельную теплоемкость Ст определяют не реже одного раза в год.
4. Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ по п.1, отличающийся тем, что 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.
5. Способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ по п.1, отличающийся тем, что пределы удельной теплоемкости Ст от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг·°С) в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
