Теоретические основы. Многокомпонентные материалы в современной дорожной практике находят самое широкое применение

Многокомпонентные материалы в современной дорожной практике находят самое широкое применение. Это слои покрытий из асфальта- и битумоминеральных смесей или цементобетона, слои оснований из грунтов и местных материалов, укрепленных неорганическими или ор­ганическими вяжущими, грунтовые основания и покрытия из улучшен­ных скелетными добавками грунтов, конструктивные элементы дорож­ных сооружений из цементобетона и т.д. Обеспечение заданных проч­ностных и других эксплуатационных характеристик этих материалов при строительстве дорог составляет одну из важнейших задач техно­логического процесса.

Согласно принципам физико-химической механики, прочность и долговечность многокомпонентного материала при прочих равных условиях тем выше, чем более однородна его структура. Неоднород­ность структуры, во-первых, вызывает местную концентрацию напряжений и связанное с нею преждевременное разрушение структурных связей. Во-вторых, с неоднородностью структуры связан тот или иной разброс прочностных свойств материала. На практике прочность ма­териала, как правило, проектируется с некоторым запасом, обычно исходя из условия

, (5.1)

где - средние значения соответственно прочности струк­турных связей и нагрузки на них.

Однако в действительности и показатели прочности связей, и уровни нагрузки на них - величины случайные и подчиняются опреде­ленным законам распределения. Поэтому разброс показателей R_i при­водит к возникновению зоны (рис. 5.1), в которой R_i < M_i.

Поскольку в этой зоне условие прочности не соблюдается, то площадь ее определяет вероятность разрушения данной структуры, характери­зуемой кривой распределения прочности связей , при задан­ном режиме нагружения . Совершенно очевидно при этом, что чем менее однороден материал, тем больше размах кривой , тем больше площадь гоны (см. кривые 1,2 ), а следовательно, больше и вероятность разрушения структуры при данном режиме нагружения.

R_i,M_i

Рис. 5.1. Влияние разброса показателей прочности на вероятность разрушений структуры при заданном режиме нагружения

Однородность многокомпонентных материалов обеспечивается надлежащим перемешиванием при их приготовлении. Операция перемеши­вания относится к числу наиболее ответственных и состоит в равномерном распределении одного материала в другом. При этом матери­алы могут быть как одной фаза ( твердой или жидкой ), так и различных фаз. Например, при улучшении грунтов скелетными добавками смешиваются материалы твердых фаз, а при обработке грунта органи­ческим вяжущим - твердой и жидкой фаз.

С физической точки зрения процесс перемешивания весьма сложен. Протекание и качество его обусловливаются взаимодействием большого числа факторов - температурных условий, свойств перемешиваемых материалов, типа применяемых машин и особенностей их ра­бочих органов, количества жидкой фазы, скорости перемешивания, всех особенностей технологического процесса и т.п. Учесть с доста­точной точностью особенности случайного взаимодействия всех этих факторов путем теоретического решения задачи затруднительно.

Поэтому на практике прибегают к обоснованию режима переме­шивания в конкретных производственных условиях. Под последними понимают сочетание особенностей технологического процесса, типа применяемых машин, свойств перемешиваемых материалов и темпера­турных условий перемешивания.

Поскольку факторы, формирующие конкретные производственные условия, обычно диктуются возможностями производства, природными условиями м требованиями соответствующих нормативов и ГОСТов, то очевидно, что обоснование режима перемешивания в основном сводит­ся к обоснованию времени перемешивания (или числа проходов смеси­тельных машин, если речь идет о смешении на дороге).

Обоснование времени перемешивания должно базироваться на учете двух основных положений: 1) основная задача перемешивания - обеспечение равномерного распределения перемешиваемых материалов и смеси и 2)процесс перемешивания является затухающим во времени.

Таким образом, равномерность распределения перемешиваемых материалов возрастает с увеличением времени перемешивания. Однако интенсивность перемешивания, наибольшая вначале, постепенно сни­жается, что сопровождается постепенным уменьшением эффективности работы смесительных устройств. По истечении некоторого времени перемешивания эффективность работы смесительного устройства сни­жается настолько, что становится соизмеримой с точностью её оценки. Во избежание излишних затрат энергии дальнейшая работа смесительного устройства в этом случае должна быть приостановлена.

Таким образом, для обоснования требуемого времени перемешивания в данных конкретных условиях необходимо: а) определить наи­более приемлемый в данных условиях показатель для контроля процес­са перемешивания; б) определить момент, когда остаточное рассеяние принятого показателя может быть отнесено к ошибкам его изме­рений.

В дорожной практике в качестве основного параметра процесса перемешивания принято использовать концентрацию С одного матери­ала в другом. При выборе показателя для контроля процесса переме­шивания необходимо стремиться к использованию непосредственно этого показателя. Однако, когда практическое использование концен­трации С в производственных условиях затруднительно, для контро­ля процесса перемешивания можно использовать и другие – косвенные показатели, величина которых связана с однородностью перемешивания.

Например, при контроле процесса смешения грунта с органи­ческим вяжущим на дороге в ряде случаев проще использовать не концентрацию вяжущего, а прочность сформованных образцов на сжа­тие; для контроля перемешивания при улучшении грунтов скелетными добавками можно использовать сопротивление смеси сдвигу и т.д. При выборе таких косвенных показателей нужно учитывать, что они должны быть чувствительны к однородности перемешивания и должны быстро определяться, поскольку призваны компилировать процесс.

Момент, когда остаточное рассеяние принятого показателя может быть отнесена к ошибкам его измерений, можно установить с задан­ной доверительной вероятностью с помощью критерия Фишера или F -критерия:

, (5.2)

где Д_ср -дисперсия результатов измерений показателя относительно среднеарифметического этих результатов, характеризующая остаточ­ное рассеяние показателя; Д_у -дисперсия, установленная по ре­зультатам нескольких повторных измерений показателя в одной точ­ке и характеризующая точность его измерения. Обе дисперсии вычис­ляют по известкой формуле

, (5.3)

где - соответственно значения результатов измерений пока­зателя и их среднеарифметическое; n - число результатов.

Критерий Фишера, вычисленный по формуле (5.2) как отно­шение большей дисперсия к меньшей, сопоставляют с его табличным значением для принятой доверительной вероятности. Табличное зна­чение критерия устанавливают с учетом степеней свободы, соответ­ствующих рассматриваемым дисперсиям. Степень свободы дисперсии принимают равной n-1 (n - число измерений, использованных для вычисления данной дисперсии ).

Если вычисленное значение критерия F_расч меньше табличного F_табл для принятой доверительной вероятности, то с этой довери­тельной вероятностью существующее остаточное рассеяние показа­теля можно считать следствием ошибок его измерения и, значит, дальнейшая работа данного смесительного устройства неэффектив­на и должна быть приостановлена.

Из изложенного вытекают основные положения методики обос­нования требуемого времени перемешивания многокомпонентных сме­сей. Так, для стационарных смесительных установок циклического действия методика состоит в проведении нескольких пробных за­месов с различным временем перемешивания. Для уменьшения потерь материалов первый замес осуществляют с временем перемешивания t (1.3...1.4) t_ср,

где t_ср - рекомендуемое для установки сред­нее время перемешивания.

При последующих замесах время перемешивания постепенно уменьшают на так, чтобы в результате 5...7 пробных замесов достичь примерно 0.8 t_ср. Из каждого замеса по определенным правилам отбирают 8...10 проб для определения концентрации вяжу­щего (или другого косвенного показателя) и по этим результатам находят D_ср.i для данного времени перемешивания. Дисперсию точ­ности Д_у находят по результатам 5...8 повторных определений показателя при первом замесе. По значениям Д_ср.i и Д_у вычисляют для каждого замеса F - критерий и сравнивают его с табличным для принятой доверительной вероятности. Общепринятой в инженер­ных задачах является 95 - процентная доверительная вероятность, однако в данном случае при нормировании нужно учитывать тип смесителей, свойства перемешиваемых материалов и др. При дос­тижении условия F_расч > F_табл считают, что с принятой Р_д требуемым временем перемешивания является время предыдущего замеса.

Для условий смешения на дороге устанавливают не время пе­ремешивания, а требуемое в данных условиях число проходов сме­сительной машины (фрезы, автогрейдера и т.п.). Для этого после каждого прохода (или серии проходов) машины в 10 - 12 попереч­никах, случайно расположенных по всей длине захватки, из смеси отбирают пробы и по ним устанавливают значения принятого для контроля процесса показателя. Число проб в поперечнике для уста­новления среднего значения показателя определяют из условия обеспечения ошибки среднего по выражению

, (5.4)

где - коэффициент вариации показателя в поперечнике;

(при Р_д =0,95). По средним значениям показателей в попе­речниках вычисляют Д_ср.i для данного прохода (или серии проходов) машины. Дисперсию точности Д_у вычисляют по результатам 7...10 пов­торных определений показателя в одном поперечнике для периода, когда процесс смешения по внешним признакам приближается к завер­шению. Далее для каждого прохода вычисляют F -критерий и сравни­вают его с табличным для принятой доверительной вероятности Р_д. Требуемое в данных условиях число проходов смесительной машины определяется достижением условия

F_расч F_табл (Р_д), (5.5)