Способ определения содержания воздушных пустот в щебеночно-мастичном асфальтобетоне Российский патент 2023 года по МПК G01N23/46 

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано при определении физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона и асфальтобетонной смеси, а именно для определения содержания воздушных пустот.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Щебёночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) – разновидность асфальтобетона каркасного типа для устройства дорожного покрытия, разработанный в 1960-х годах в ФРГ. Отличается высокой деформативностью при растяжении и прочностью при сдвиге, пригоден для сильно загруженных магистралей [https://ru.wikipedia.org/wiki/Щебёночно-мастичный_асфальтобетон].

Содержание воздушных пустот – общее количество воздушных пустот в уплотненной асфальтобетонной смеси, выраженное в процентах объема. Является одним из физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона и входит в перечень требований ГОСТ Р 58406.1-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-мастичные асфальтобетонные и асфальтобетон».

Из исследованного уровня техники заявителем выявлен способ определения содержания воздушных пустот по ГОСТ Р 58401.8-2019 «Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Метод определения содержания воздушных пустот». Сущность метода заключается в расчете количества воздушных пустот на основании определенных объемной плотности асфальтобетона и максимальной плотности асфальтобетонной смеси.

Недостатками известного способа определения содержания воздушных пустот являются длительность в исполнении, которая выражается в необходимости предварительного определения объемной и максимальной плотности ЩМА, на которые тратится в среднем до 1,5 часов времени, что приводит к отсутствию возможности оперативной диагностики физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона, кроме этого методы определения объемной и максимальной плотности ЩМА по ГОСТ Р 58401.10-2019 и ГОСТ Р 58401.16-2019 соответственно, предполагают взвешивание, погружение и насыщение в воде образца ЩМА, после чего высушивают и заново взвешивают образец ЩМА, все выше перечисленные действия приводят к непостоянству и недостоверности получаемых значений, а также многоступенчатые математические расчеты приводят к увеличению погрешности значения содержания воздушных пустот.

Известны ранние исследования с применением рентгеновского компьютерного томографа при изучении фильтрационно-емкостных свойств пород-коллекторов. Рентгенотомографические методы используются в нефтяной геологии с конца 1980-х гг. Суть метода состоит в том, что рентгеновские лучи теряют мощность при прохождении сквозь породу пропорционально ее плотности и регистрируются на матрице приемника, составляя общие снимки породы уже на экране монитора. Далее происходит реконструкция снимков в трехмерный образец [Жуковская Е.А., Лопушняк Ю.М. Использование рентгеновской томографии при исследовании терригенных и карбонатных коллекторов // Геология и геофизика. – 2008. – № 1. – С. 24–31].

Сегодня рентгеновская компьютерная томография – это один из наиболее развивающихся стандартных методов изучения петрографических свойств горных пород. Метод рентгеновской томографии позволяет решать огромное количество геологических задач, например моделирование пустотного пространства (трещины, каверны, поры), подсчет пористости, исследование неоднородности породы, выделение различных включений в породе, подсчет объемов как образца керна, так и всех его пустот и включений и т.д. [Кривощеков С.Н., Кочнев А.А. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии для изучения свойств горных пород // Вестник ПНИПУ – 2013. – №6. – С. 32-42].

Применение рентгеновских компьютерных томографов для определения содержания воздушных пустот в щебеночно-мастичном асфальтобетоне заявителем из уровня техники не выявлено.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение арсенала известных средств указанного назначения путем разработки упрощенного, более достоверного и быстрого способа определения содержания воздушных пустот для оперативной диагностики физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Сущностью заявленного технического решения является способ определения содержания воздушных пустот в щебеночно-мастичном асфальтобетоне, заключающийся в том, что исследуемый объект – вырубку или керн щебеночно-мастичного асфальтобетона - в состоянии естественной влажности и температуры помещают в камеру для снятия снимков рентгеновского компьютерного томографа и фиксируют исследуемый объект по центру держателя; далее закрывают дверцы аппарата, включают рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запускают предустановленное программное обеспечение, при этом дверцы рентгеновского компьютерного томографа блокируются и включается рентгеновская трубка; далее в программном обеспечении выставляют центр красного креста на центр исследуемого объекта с помощью указателей, затем выставляют значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры; далее выбирают размер регистрируемой области таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, затем задают количество углов поворота; далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку исследуемого объекта, при этом результаты эксперимента просматривают с помощью кнопок 2D и 3D на панели программы; далее с помощью программного обеспечения проводят исследование изображения исследуемого объекта на определение содержания воздушных пустот, после чего программное обеспечение автоматически высчитывает количество воздушных пустот в исследуемом объекте – вырубке или керне щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.3.

На Фиг.1 представлена Таблица 1, в которой приведен состав ЩМА-11 по примеру 1.

На Фиг.2 представлена Таблица 2, в которой приведен состав ЩМА-16 по примеру 2.

На Фиг.3 представлена Таблица 3, в которой приведено значение содержания воздушных пустот щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-11, определенное заявленным способом по сравнению с известным способом по ГОСТ Р 58401.8-2019.

На Фиг.4 представлена Таблица 4, в которой приведено значение содержания воздушных пустот щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-11, определенное заявленным способом по сравнению с известным способом по ГОСТ Р 58401.8-2019.

На Фиг.5 представлены ортогональные срезы щебеночно-мастичного асфальтобетона по примеру 1: Ось X-Y (а); ось X-Z (б); ось Y-Z (в).

На Фиг.6 представлены ортогональные срезы щебеночно-мастичного асфальтобетона по примеру 2: Ось X-Y (а); ось X-Z (б); ось Y-Z (в).

На Фиг.7 представлена 3D визуализация щебеночно-мастичного асфальтобетона по примеру 1 (7а), а также 3D визуализация содержащихся воздушных пустот (7б).

На Фиг.8 представлена 3D визуализация щебеночно-мастичного асфальтобетона по примеру 2 (8а), а также 3D визуализация содержащихся воздушных пустот (8б).

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Далее заявителем приведена характеристика исходных материалов и оборудования.

ЩМА-11 – щебеночно-мастичный асфальтобетона с номинальномаксимальным размером зерен 11,2 мм соответствующий требованиям ГОСТ Р 58406.1-2020,

ЩМА-16 – щебеночно-мастичный асфальтобетона с номинальномаксимальным размером зерен 16,0 мм соответствующий требованиям Р ГОСТ 58406.1-2020; [https://www.npfselena.ru/technologies/crushed-stone-mastic-asphalt/#:~:text=%D0%A9%D0%9C%D0%90%2D11%E2%80%93%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%81%D0%B8%20%D1%81%20%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%BC,%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC%20%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%208%2C0%20%D0%BC%D0%BC].

Рентгеновский компьютерный томограф PHOENIX L450 – это универсальная минифокусирующая система для двумерной и трехмерной компьютерной томографии и двумерного неразрушающего рентгеновского контроля. Благодаря своей обработке на основе гранита он обрабатывает даже большие образцы с высокой точностью. Система представляет собой отличное решение для обнаружения пустот и дефектов и трехмерной метрологии кернов [https://pvp-snk.ru/vtomex-l450].

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе определения содержания воздушных пустот применяется рентгеновский компьютерный томограф, с целью неинвазивного изучение объектов и получения трехмерных моделей их текстуры, определения структурных соотношений, морфологии и особенностей распределения рентгеноконтрастных фаз, с помощью которых можно автоматически рассчитать количественные показатели щебеночно-мастичного асфальтобетона.

При этом заявитель поясняет, что для определения содержания воздушных пустот по существующему традиционному методу определения по ГОСТ Р 58401.8-2019 необходимо предварительное определение объемной и максимальной плотности образца, на которые тратится в среднем до 1,5 часов времени, а также многоступенчатые математические расчеты приводят к увеличению погрешности конечного значения, по этой причине применение рентгеновской компьютерной томографии для оперативной диагностики щебеночно-мастичного асфальтобетона имеет большое прикладное значение.

Далее приведено более подробное описание заявленного способа определения содержания воздушных пустот.

Исследуемый объект – вырубку или керн щебеночно-мастичного асфальтобетона - в состоянии естественной влажности и температуры помещают в камеру для снятия снимков, например, в известный рентгеновский компьютерный томограф, например, PHOENIX L450 и на противоположном от трубки рентгеновского детектора по центру держателя фиксируют исследуемый объект, например, с помощью винта;

далее закрывают дверцы аппарата, включают рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запускают предустановленное программное обеспечение (ПО) для начала испытания, например, программу «Computed tomography», при этом дверцы рентгеновского компьютерного томографа блокируются и включается рентгеновская трубка; при этом в окне справа вместо черного квадрата появляется изображение исследуемого объекта;

далее в ПО выставляют центр красного креста на центр исследуемого объекта с помощью указателей, например, в параметрах «Horizontal shift» и «Vertical shift», затем выставляют значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры, например, в строке «Distance of screen from rotary axis»;

далее выбирают размер регистрируемой области, например, с помощью параметра «Projection size» и таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, после этого выбирают соответствующий размер, например, в параметре «Reconstruction size» (где значение не может превышать размер проекции), затем задают количество углов поворота, например, в строке «Number of projections», при этом чем выше данный параметр, тем выше разрешение конченого изображения, однако тем дольше будет время определения заданных параметров;

далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку исследуемого объекта, при этом результаты эксперимента просматривают с помощью кнопок 2D и 3D на панели программы;

далее с помощью программного обеспечения переходят в режим 3D, наводят курсор на изображение объекта, при этом изображение поворачивают, зажав и удерживая левую кнопку мыши, для изменения масштаба зажимают и удерживают правую кнопку мыши и двигают ей вперед или назад, а прокручивая колесико мыши, просматривают срезы изображения;

далее с помощью программного обеспечения проводят исследование изображение исследуемого объекта на определение содержания воздушных пустот, меняя параметры «Intensity and Transparency» и выставляют параметр «Voids», после чего программное обеспечение рентгеновского компьютерного томографа автоматически высчитывает количество воздушных пустот в исследуемом объекте – вырубке или керне щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Далее приводятся примеры конкретного выполнения заявленного технического решения.

Для экспериментальной проверки заявленного способа определения содержания воздушных пустот были проведены 2 варианта испытаний различных марок и составов щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Пример 1. Определение содержания воздушных пустот в вырубке щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-11.

Вырубку щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-11 в состоянии естественной влажности и температуры поместили в камеру для снятия снимков, например, в известный рентгеновский компьютерный томограф, например, PHOENIX L450 на противоположном от трубки рентгеновского детектора по центру держателя и фиксируют образец с помощью винта;

далее закрыли стеклянные дверцы аппарата, включили рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запустили программу «Computed tomography», затем дверцы рентгеновского компьютерного томографа заблокировались и включилась рентгеновская трубка. В окне справа вместо черного квадрата появилось изображение исследуемого объекта;

далее выставили центр красного креста на центр объекта с помощью параметров «Horizontal shift» и «Vertical shift». В строке «Distance of screen from rotary axis» выставили значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры, например, 30 см;

далее в строке «Size of the Computed Tomogram» выбрали размер регистрируемой области с помощью параметра «Projection size» таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, после этого выбрали соответствующий размер для параметра «Reconstruction size», например, 20 см, затем перешли в параметр «Number of projections», где задали количество углов поворота, например, 180°;

далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку щебеночно-мастичного асфальтобетона;

далее перешли в режим 3D, навели курсор на изображение объекта, после которого провели исследование изображение объекта на определение содержания воздушных пустот, например, меняя параметры «Intensity and Transparency» и выставив параметр «Voids», после чего программное обеспечение рентгеновского компьютерного томографа автоматически высчитало количество воздушных пустот в вырубке щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Показания содержания воздушных пустот по расчетам рентгеновского компьютерного томография составило 2,24 % об.

Пример 2. Определение содержания воздушных пустот в керне щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-16.

Керн щебеночно-мастичного асфальтобетона марки ЩМА-16 в состоянии естественной влажности и температуры поместили в камеру для снятия снимков, например, в известный рентгеновский компьютерный томограф, например, PHOENIX L450 на противоположном от трубки рентгеновского детектора по центру держателя и фиксируют образец с помощью винта;

далее закрыли стеклянные дверцы аппарата, включили рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запустили программу «Computed tomography», затем дверцы рентгеновского компьютерного томографа заблокировались и включилась рентгеновская трубка. В окне справа вместо черного квадрата появилось изображение исследуемого объекта;

далее выставили центр красного креста на центр объекта с помощью параметров «Horizontal shift» и «Vertical shift». В строке «Distance of screen from rotary axis» выставили значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры, например, 30 см;

далее в строке «Size of the Computed Tomogram» выбрали размер регистрируемой области с помощью параметра «Projection size» таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, после этого выбрали соответствующий размер для параметра «Reconstruction size», например, 20 см, затем перешли в параметр «Number of projections», где задали количество углов поворота, например, 180°;

далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку щебеночно-мастичного асфальтобетона;

далее перешли в режим 3D, навели курсор на изображение объекта, после которого провели исследование изображение объекта на определение содержания воздушных пустот, например, меняя параметры «Intensity and Transparency» и выставив параметр «Voids», после чего программное обеспечение рентгеновского компьютерного томографа автоматически высчитало количество воздушных пустот в керне щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Показания содержания воздушных пустот по расчетам рентгеновского компьютерного томография составило 2,88 % об.

Щебеночно-мастичные асфальтобетоны, исследованные заявленным способом, для сравнительной оценки были испытаны с известным способом определения воздушных пустот в соответствии с ГОСТ Р 58401.8-2019 «Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Метод определения содержания воздушных пустот» в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации.

Результаты физических показателей представлены в Таблице 3 на Фиг. 3.

Из экспериментальных данных, приведенных в Таблице 3, видно, что показатель содержания воздушных пустот, определенный заявленным способом и определенный по известному аналогу различаются незначительным образом, так, например, показатель содержания воздушных пустот, определенный по ГОСТ равен 2,64% об. когда как компьютерный томограф автоматически посчитала значение 2,24% об., погрешность значения, определенный известным способ составил 10%.

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно – разработан упрощенный, более достоверный и быстрый способ определения содержания воздушных пустот для оперативной диагностики физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона (см. Таблицы 1 – 4).

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.

Использование: для определения содержания воздушных пустот в щебеночно-мастичном асфальтобетоне. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый объект – вырубку или керн щебеночно-мастичного асфальтобетона - в состоянии естественной влажности и температуры помещают в камеру для снятия снимков рентгеновского компьютерного томографа и фиксируют исследуемый объект на противоположном от трубки рентгеновского детектора по центру держателя; далее закрывают дверцы аппарата, включают рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запускают предустановленное программное обеспечение, при этом дверцы рентгеновского компьютерного томографа блокируются и включается рентгеновская трубка; далее в программном обеспечении выставляют центр красного креста на центр исследуемого объекта с помощью указателей, затем выставляют значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры; далее выбирают размер регистрируемой области таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, затем задают количество углов поворота; далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку исследуемого объекта, при этом результаты эксперимента просматривают с помощью кнопок 2D и 3D на панели программы; далее с помощью программного обеспечения проводят исследование изображения исследуемого объекта на определение содержания воздушных пустот, после чего программное обеспечение автоматически высчитывает количество воздушных пустот в исследуемом объекте – вырубке или керне щебеночно-мастичного асфальтобетона. Технический результат: расширение арсенала известных средств указанного назначения путем разработки упрощенного, более достоверного и быстрого способа определения содержания воздушных пустот для оперативной диагностики физических показателей щебеночно-мастичного асфальтобетона. 8 ил.

Способ определения содержания воздушных пустот в щебеночно-мастичном асфальтобетоне, заключающийся в том, что исследуемый объект – вырубку или керн щебеночно-мастичного асфальтобетона - в состоянии естественной влажности и температуры помещают в камеру для снятия снимков рентгеновского компьютерного томографа и фиксируют исследуемый объект по центру держателя;

далее закрывают дверцы аппарата, включают рентгеновский компьютерный томограф в сеть и запускают предустановленное программное обеспечение, при этом дверцы рентгеновского компьютерного томографа блокируются и включается рентгеновская трубка;

далее в программном обеспечении выставляют центр красного креста на центр исследуемого объекта с помощью указателей, затем выставляют значение расстояния от оси вращения исследуемого объекта до камеры;

далее выбирают размер регистрируемой области таким образом, чтобы исследуемый объект находился внутри квадрата из красных линий, затем задают количество углов поворота;

далее рентгеновский компьютерный томограф в автоматическом режиме проводит съемку исследуемого объекта, при этом результаты эксперимента просматривают с помощью кнопок 2D и 3D на панели программы;

далее с помощью программного обеспечения проводят исследование изображения исследуемого объекта на определение содержания воздушных пустот, после чего программное обеспечение автоматически высчитывает количество воздушных пустот в исследуемом объекте – вырубке или керне щебеночно-мастичного асфальтобетона.