Месяц: Ноябрь 2025

Размельчение материалов со структурой коагуляционно-кристаллизационного типа. К таким материалам относят различные грунты. При их укреплении вяжущими размельчение является одной из основных технологических операций. К ней прибегает и строительство промышленных территорий.

Грунты можно условно разделять на группы, имеющие крупные и мелкие агрегаты. При этом в каждой группе доминирует определенный тип структурной связи, влияющий на процесс размельчения. В крупных агрегатах связных грунтов преобладают коагуляционные связи, в мелких — кристаллизационные. Строительство и ремонт дорог это учитывает.

Прочность коагуляционных связей (наличие на частицах водной пленки) меньше прочности кристаллизационных связей. Поскольку крупные агрегаты соединены между собой преимущественно коагуляционными связями, процесс разрушения происходит сначала по связям этого типа (разрушение межагрегатной связи). А затем, по мере увеличения количества энергии, подводимой к грунту, — частичное разрушение кристаллизационных связей самих частиц.

Когда идет подготовка дорожного основания, процесс размельчения развивается так, что постепенно разрушаются крупные агрегаты и увеличивается содержание мелких. Это приводит к тому, что уменьшается количество коагуляционных связей и увеличивается относительное количество кристаллизационных, наиболее прочных. В связи с этим процесс размельчения постепенно затухает. Он заканчивается тогда, когда в смеси остаются равнопрочные агрегаты и устанавливается равновесие между механическими нагрузками от машин и сопротивлением грунтовых агрегатов разрушению.

Прочность структур коагуляционного типа зависит от содержания жидкой фазы: при увеличении ее содержания прочность агрегатов уменьшается и для их размельчения требуется меньше затрат энергии. Однако здесь необходимо учитывать, что с увеличением содержания жидкой фазы связи коагуляционного типа обладают тиксотропной способностью к восстановлению, приводящему к слипанию агрегатов и комкованию грунта. Таким образом, интенсивность восстановления связей возрастает с увеличением влажности грунта и толщины водных пленок.

Для эффективного размельчения грунтов необходимо выбирать оптимальную влажность, при которой разрушение коагуляционных связей требует минимальных затрат энергии. При этом не наблюдается комкования размельченного грунта и его налипания на рабочие органы машин.

К таким материалам относятся битумы, дегти, жидкие ПАВ. Их размельчение производится при введении органического вяжущего в минеральные смеси при их перемешивании, а также при приготовлении эмульсий. Размягчение жидких материалов осуществляется различными способами, которые использует строительство автомобильных дорог.

Размельчение распылением выполняется следующим образом. Струя органического вяжущего подается под давлением через сопло. Выходя из сопла, она расширяется и под влиянием сопротивления воздуха распадается на отдельные капли. Степень распыления при этом обычно невелика. Такой метод применяется при введении органического вяжущего в грунт. К такой процедуре прибегает и укладка тротуарной плитки на песок.

При механическом диспергировании битум и водный раствор эмульгатора продавливаются через узкие щели между вращающимися и неподвижными дисками. Происходит интенсивное раздробление компонентов на мелкие капли и перемешивание их. Степень диспергирования зависит от размера щели, диаметра и скорости вращения дисков. Этим способом приготавливают битумные эмульсии в диспергаторах, к которым прибегает и мощение тротуарной плиткой.

Размельчение с помощью ультразвуковых колебаний производится в специальной установке осцилляторе. Энергия ультразвуковых колебаний осциллятора превращается в механические колебания жидкости, в которой возникают растягивающие напряжения, разделяющие ее на отдельные капли. Основной деталью этих установок является преобразователь энергии осциллятора в механические колебания жидкости.

Схема происходящего гидродинамического преобразования заключается в следующем. Струя жидкости, выходящая из сопла трубы с большой скоростью, разбивается о заостренный край пластины. Нижний конец пластины жестко закреплен. Необтекаемая форма пластины способствует созданию в потоке жидкости завихрений.

Регулируя скорость струи, можно добиться совпадения частот возмущающей силы с частотой собственных колебаний пластины. При этом возникает резонанс, колебания пластины превращаются в ультразвуковые, и происходит перемешивание жидкости.

При химическом размельчении вяжущие материалы размельчаются на мелкие частицы с помощью вводимых в них химических веществ, обычно высокомолекулярных кислот, которые при реакции с водными растворами щелочей образуют мыла.

Проект строительства дороги учитывает, что применение низкомолекулярных малополярных разжижителей приводит к увеличению расстояния между активными компонентами вяжущего, ослаблению межмолекулярных сил и нарушению структуры битума. После испарения разжижителя структура вяжущего восстанавливается. О величине сил когезии и структуре вяжущего можно судить по его вязкости. Чем меньше силы когезии, тем меньше вязкость вяжущего. Зависимость вязкости битума от температуры и добавки разжижителя (керосина) весьма велика.

Выбирая соответствующий тип битума и регулируя его структуру температурным воздействием или разжижителями, можно обеспечить наилучшую адгезию вяжущего с минеральной частью. Весьма эффективным средством увеличения адгезии является применение ПАВ. Их использует и механизированная укладка тротуарной плитки.

Взаимодействие битума и минеральной части изменяет его структуру и когезию в тонких слоях. Об активности влияния минеральной части можно судить по величине отношения когезии битума в тонком слое данной поверхности к когезии в тонком слое неактивной поверхности. На поверхности минералов, содержащих более 30% оксидов тяжелых и щелочноземельных металлов, когезия битума возрастает с уменьшением толщины пленки.

Такие минералы наиболее активны по отношению к битуму, который часто применяет механизированная укладка брусчатки. Следовательно, пленки органического вяжущего на поверхности минеральных частиц имеют измененную структуру, повышенные прочность и вязкость. Силы когезии в значительной мере влияют как на прочность материалов, так и на перемешиваемость смесей.

О величине сил адгезии можно судить по сцеплению битума с минеральной частью. При этом она зависит и от минеральной части, и от структуры битума.

Породообразующие минералы и горные породы, содержащие 30-50% оксидов тяжелых и щелочноземельных металлов, имеют удовлетворительное сцепление с битумом; кислые горные породы с малым содержанием указанных оксидов либо породы, совсем не содержащие их, имеют пониженное сцепление.

При перемешивании может происходить равномерное распределение вяжущих или (в отдельных случаях) образование скоплений (агрегация). Одной из основных задач технологии является выбор параметров, обеспечивающих преобладание процесса перемешивания над процессом агрегации.

Cтроительство дорог в России учитывает, что прочность грунтов со структурой коагуляционного типа зависит от дисперсности грунта: чем более дисперсен грунт, тем больше в нем кристаллизационных связей и соответственно прочнее его агрегаты. Вследствие этого размельчение связных высокодисперсных грунтов (глинистых и пр.) требует значительно больших затрат энергии, чем размельчение грунтов малосвязных (например, песчаных и др.). Более тяжелые грунты необходимо предварительно улучшать добавками песка.

Исследования показали также, что прочность коагуляционных структур грунта зависит от его плотности. С увеличением плотности грунта возрастает и энергоемкость разрушения, которая влияет на основание дорожной одежды.

В целом эффективность процесса размельчения грунтов определяется их энергоемкостью и степенью измельчения.

Энергия, подведенная к грунту при размельчении, расходуется на разрушение массива грунта и агрегатов, преодоление трения агрегатов друг о друга и о рабочие органы машин. Регулированием технологических параметров процесса можно регулировать и необходимое количество энергии.

Для размельчения грунтов применяют машины фрезерного типа — фрезы или грунтосмесительные агрегаты. Они обеспечивают наилучшие результаты. Их же использует укладка тротуарной плитки под ключ.

Эффективность размельчения грунта определяется взаимодействием рабочего органа машины и грунта.

При движении машины с поступательной скоростью ротор вращается с большой окружной скоростью. Лопатки на роторе расположены по винтовой линии, поэтому погружение их в грунт происходит постепенно. Грунт подрезается жалом (концом) лопатки, расклинивается и отрывается при дальнейшем вращении вала ротора. Ударное воздействие лопатки на грунт приводит к ее вибрации, которая способствует дополнительному разрыхлению и размельчению грунта.

Таким образом, при размельчении имеют место три вида воздействия лопаток ротора — удар, резание и вибрация. При вращении ротора в месте действия лопаток образуется корыто с вертикальными боковыми стенками. Разрыхленный грунт находится во взвешенном состоянии под кожухом, оседает у задней кромки, и по мере продвижения машины кожух выравнивает поверхность рыхлого грунта.

Если рассматривать только отделение грунта от массива и движение его под кожухом, можно выделить несколько характерных групп агрегатов (под кожухом фрезы).

Создание новых и совершенствование существующих материалов, которого требует строительство оснований дорожной одежды, основано на трех общепризнанных принципах физико-химической механики:

• оптимальная дисперсность минеральных компонентов за счет их разрушения (размельчения);
• однородность многокомпонентных композиций за счет их качественного фракционирования и перемешивания;
• прочная структура материалов слоев дорожной одежды за счет их рационального уплотнения.

Разрушение каменных материалов — кинетический процесс, результатом которого является разделение моно- или полиминеральных материалов горных пород на отдельные части под воздействием нагружений. Механизированная укладка брусчатки также с ним сталкивается.

Часто разрушение каменных материалов развивается одновременно с упругой или пластической деформацией. Различают начальное разрушение (образование и развитие пор, трещин) и полное (разделение материалов на отдельные части). При этом выделяют также хрупкое и упругопластическое разрушение. Хрупкое разрушение характерно для каменных материалов. Данный процесс не сопровождается заметной микропластической деформацией и возникает внезапно, поэтому подготовка дорожного основания не всегда может его предвидеть.

Можно выделить следующие основные факторы, способствующие хрупкому разрушению каменных материалов:

• нормальная или более низкая температура;
• динамический характер приложения растягивающих нагрузок;
• наличие в материале первоначальных концентраторов напряжения (трещин).

Цель разрушения каменных материалов — получить из исходных материалов требуемое количество фракций заданных размеров и формы (например, кубовидной). Как показала практика, не менее важным при этом является выбор измельчающего оборудования, имеющего минимальную энергоемкость. Качество получаемого раздробленного (разрушенного) материала обусловливается типом структуры исходного материала.

Размельчение материалов со структурой кристаллизационного типа. Кристаллизационный тип структуры присущ каменным материалам. Прочность структуры каменных материалов из плотных горных пород весьма значительна, и их разрушение требует больших затрат энергии, поэтому процесс измельчения является энергетически сложным. Энергия расходуется в основном на упругое сжатие материала.

Проект строительства дороги учитывает следующие основные способы перемешивания материалов:

• свободное перемешивание, осуществляемое при свободном падении частиц материала;
• принудительное лопастями мешалок или фрез;
• вибрационное, при котором частицам материала сообщается колебательное движение;
• комбинированное, объединяющее какие-либо из предыдущих методов.

Правильный выбор метода перемешивания может намного ускорить процесс перемешивания. Свободное перемешивание малоэффективно, особенно при перемешивании твердой фазы с жидкой. Очень эффективным является принудительное перемешивание. Вибрационное перемешивание малоэффективно при перемешивании минеральных материалов с вязкими жидкостями. Мощение детских площадок предпочитает другой способ перемешивания.

Перемешивание грунтов со скелетными добавками может осуществляться рабочими органами грунтосмесительных машин:

• отвалом автогрейдера (рабочий орган свободного перемешивания);
• лопастным смесителем (рабочий орган принудительного перемешивания);
• фрезерным ротором (рабочий орган принудительного перемешивания).

Особенно эффективно использование рабочих органов последних двух типов. В том числе, когда идет укладка тротуарной плитки, цена которой оптимальна.

На эффективность перемешивания грунтов со скелетными добавками влияют характеристики компонентов перед перемешиванием: размеры частиц, влажность материала и особенности его взаимодействия с рабочим органом смешивающего механизма.

При распределении высевок гравия по поверхности заготовленного для перемешивания грунта последний заполняет поры крупных скелетных добавок. Дальнейшее перемешивание благодаря этому облегчается, но при одинаковых размерах частиц грунта и скелетных добавок этого не происходит.

С уменьшением размеров частиц перемешиваемых материалов энергоемкость процесса возрастает. При увеличении влажности мелкодисперсных материалов увеличиваются силы сцепления между частицами, что приводит к их агрегированию и ухудшению перемешивания. Для крупнозернистых материалов влияние влажности не столь значительно.

На процесс перемешивания грунтов оказывают влияние:

• способ введения вяжущего и его распределение в массе                     грунта;
• дисперсность грунта;
• влажность грунта;
• вязкость вяжущего;
• параметры рабочих органов грунтосмесительных машин.

Строительство оснований дорожной одежды учитывает, что мелкозем воспринимает значительную часть нагрузок, уменьшая тем самым нагрузку, приходящуюся на крупные, менее прочные агрегаты. Отдельные агрегаты и частицы мелкозема приклеиваются к поверхности крупных агрегатов, образуя на них защитную пленку повышенной вязкости.

Для перемешивания грунтов с органическим вяжущим применяют лопастные и роторные смесители, гораздо реже — автогрейдеры. Их использует и укладка тротуарной плитки на бетонное основание.

Особенности воздействия на грунт лопастных смесителей заключаются в следующем. Валы таких смесителей обычно расположены горизонтально. Рабочим органом являются лопатки. При погружении в грунт лопатка захватывает часть материала и вырезает в нем борозду. Материал поднимается лопаткой вверх и падает с нее. В результате этого компоненты смеси перемешиваются, чего и требует механизированная укладка тротуарной плитки.

Исследования показывают, что с увеличением числа оборотов вала смесителя эффективность перемешивания увеличивается. Существует, однако, оптимальное число оборотов вала, после которого дальнейшее его повышение не увеличивает эффективность перемешивания. Для грунтосмесительных машин критическое число оборотов валов составляет 200—220 в минуту. На интенсивность перемешивания грунта с вяжущим значительное влияние оказывают угол установки лопатки и площадь поперечного сечения лопастного вала (угол атаки), оптимальное значение которого близко к 45°.

Перемешивание грунтов с неорганическими вяжущими производится машинами типа фрез. На процесс перемешивания влияют:

• способ введения вяжущего;
• дисперсность и влажность грунта;
• особенности взаимодействия грунта с рабочими органами смесительных машин.

Влияние способа введения неорганического вяжущего. Введение неорганического вяжущего в грунт определяет начальную поверхность контакта между цементом и грунтом и начальную неоднородность материала.

Наилучшие результаты обеспечиваются при введении цемента в распыленный грунт, так как происходит равномерное распределение цемента в грунте и частичное их перемешивание.

Цемент вводится в грунт в виде мелкодисперсного сухого порошка, обладающего большой подвижностью, которая зависит от сил трения между его частицами. Чем меньше размер частиц, тем меньше величина сил трения.

Для оценки качества перемешивания строительство автомобильных дорог отбирает пробы смеси с целью проверки наличия в них компонентов. Так как смесь неоднородна, то одним из основных вопросов является оценка надежности полученных результатов и определение необходимого количества измерений. Такую оценку дают, руководствуясь теорией вероятности.

Нормируя степень вероятности нахождения данного компонента в смеси, можно определить необходимый объем V проб и их количество n.

Перемешивание — энергоемкий процесс, поэтому одним из основных требований является уменьшение энергоемкости, что позволяет повысить производительность смесительных машин, которые использует и укладка тротуарной плитки под ключ.

Энергоемкость перемешивания смеси зависит от следующих факторов:

• свойств перемешиваемых компонентов и характера их        взаимодействия с рабочими органами смесителей;
• сил трения и сцепления между частицами перемешиваемых компонентов;
• сил трения компонентов о рабочие органы смесителя;
• сил инерции и вязкого сопротивления.

Кратко рассмотрим свойства перемешиваемых компонентов смеси. Обычно при перемешивании минеральные частицы покрыты пленками жидкой фазы — воды или вяжущего (органического, неорганического). Чем более вязкой является жидкая фаза, тем больше энергии требуется для перемешивания. Регулируя вязкость жидкой фазы, можно уменьшить количество необходимой для перемешивания энергии. Такое регулирование осуществляется, например, изменением температуры органического вяжущего. Строительство дорожных оснований это учитывает.

При увеличении толщины водных пленок их прочность уменьшается, уменьшаются также силы трения и сцепления частиц и агрегатов между собой и с рабочими органами машин, поэтому уменьшать энергоемкость процесса можно также, регулируя влажность материала.

Силы трения зависят от размера и формы частиц и кусков материала: при уменьшении размеров частиц они уменьшаются. Регулируя гранулометрический состав смеси, можно определенным образом влиять и на энергоемкость перемешивания.

Неровная, шероховатая поверхность зерен материала, характерная, например, для щебня, увеличивает силы трения; гладкая поверхность, характерная для зерен гравия, уменьшает эти силы. Силы инерции и силы вязкого сопротивления возрастают пропорционально скорости перемешивания: при снижении скорости перемешивания эти силы уменьшаются, что приводит к снижению энергоемкости.

Подготовка дорожного основания учитывает, что при увеличении влажности грунта между частицами цемента возникают не только силы трения, но и силы сцепления, что резко снижает подвижность смеси. Наилучшие результаты достигаются, если первоначально перемешивать сухой цемент с сухим грунтом. При этом агрегаты грунта быстро покрываются частицами цемента, слой которых не превышает одного-двух диаметров зерен цемента. Интенсивное пересыпание сухого грунта с цементом способствует равномерному распределению цемента в мелкоземе.

С увеличением влажности грунтов степень их перемешивания с цементом ухудшается: начинает развиваться процесс комкообразования, агрегирования смеси, поэтому оптимальная влажность смеси при перемешивании связных грунтов с цементом должна быть в пределах 0,40-0,45 от влажности границ текучести грунта, т.е. от его перехода от пластичной консистенции к текучей. При последующем увлажнении грунта увеличивается его адгезия с частицами цемента, последние набухают и прилипают к частицам грунта. Это важно, когда ведется механизированная укладка брусчатки.

Грунт под кожухом фрезы частично находится во взвешенном состоянии. Под кожухом происходит множество столкновений агрегатов грунта друг с другом и с кожухом фрезы. При введении распыленного цемента во взвешенный грунт они частично перемешиваются. Частицы цемента, более мелкие по сравнению с частицами грунта, также находятся во взвешенном состоянии. Перемешивание грунта с цементом происходит вследствие столкновений частиц грунта и цемента, взаимных столкновений обработанных и необработанных агрегатов, трения между частицами и рабочими органами смесителей. Смесители использует и укладка тротуарной плитки под ключ.

На интенсивность перемешивания значительное влияние оказывает направление потоков смеси под кожухом фрезы. Наиболее интенсивно перемешивание происходит в том случае, когда создается противоток, при котором взаимное проникновение частиц идет по наиболее короткому пути.

В машинах фрезерного типа такой противоток возникает в задней части кожуха за ротором. Частицы и агрегаты грунта и неорганического вяжущего под воздействием ротора отлетают по касательной к циклоиде, которая описывает траекторию лопаток. После удара о кожух направление движения частиц изменяется на обратное, вследствие чего возникает противоток, способствующий интенсивному перемешиванию смеси.

При розливе вяжущего непосредственно на поверхность грунта контактная поверхность раздела между ними невелика. Это вызывает значительные затраты энергии при последующем перемешивании, что не делает выгодным строительство оснований дорожной одежды.

При введении распыленного вяжущего (аэрозольный туман) в динамически взвешенный слой грунта с последующим перемешиванием затраты механической энергии на этот процесс значительно сокращаются.

С увеличением дисперсности грунта возрастает его удельная поверхность, что затрудняет его перемешивание с вяжущим. Агрегатный состав грунта также оказывает значительное влияние на качество смеси и энергоемкость перемешивания. Перемешивание должно обеспечить равномерное распределение вяжущего по поверхности агрегатов грунта и пропитывание агрегатов мелкозема (размеры менее 1-2 мм). Укладка тротуарной плитки под ключ это учитывает.

Влажность грунта оказывает решающее влияние на процесс перемешивания. Вяжущее активно контактирует с водными пленками на поверхности грунтовых частиц. При повышенной влажности основная часть межмолекулярных сил на межфазной границе органическое вяжущее грунт поглощается пленкой воды, при этом силы адгезии уменьшаются, что способствует лучшему перемешиванию.

При пониженной влажности больше проявляется сухое трение между частицами грунта, что затрудняет перемешивание. Вследствие этого перемешивание грунтов органическими вяжущими необходимо производить при оптимальной влажности грунтов, тогда оно идет наиболее интенсивно.

Чем меньше вязкость вяжущего, тем меньше его силы когезии и легче идет процесс перемешивания. Однако вяжущие с меньшей когезией обладают меньшей прочностью, поэтому необходимо определять оптимальную вязкость вяжущего, при которой обеспечиваются однородность смеси, прочность и долговечность, как требует технологический слой дорожной одежды.

Установлены оптимальные температуры вяжущего, при которых хорошо пропитывается мелкозем грунта и достигается однородность смеси.

Наряду с обволакиванием агрегатов грунта органическим вяжущим происходит пропитывание вяжущим самих агрегатов. Этот процесс имеет особое значение для мелкозема с частицами менее 1 мм. Так как количество мелкозема в смеси грунтовых агрегатов составляет 30-60%, то при пропитывании их вяжущим создается среда, защищающая крупные агрегаты от разрушающего действия воды при эксплуатации дорожной одежды.