Рубрика: Без рубрики

Дорожные основания автомобильных дорог являются основными несущими слоями дорожной одежды. Поскольку основное их назначение состоит в воспринятии подвижной нагрузки и обеспечении несущей способности дорожной одежды, толщина слоя (слоев) основания значительно превышает толщину покрытия. В связи с этим для снижения стоимости дорожной одежды для строительства оснований желательно максимально использовать местные строительные материалы.

На дорогах местной сети основание дорожного полотна, как правило, состоит из одного или двух слоев, а на дорогах I—III технической категории — из трех и более слоев, причем верхний слой основания выполняют из наиболее прочных и качественных материалов. Нижний (нижние) слой основания целесообразно устраивать из местных материалов (песчано-гравийная смесь, рыхлые горные породы, отходы промышленности). Особенно эффективно применение перечисленных материалов в укрепленном виде.

Нижнее основание дорожного покрытия, укладываемое непосредственно на земляное полотно, называется дополнительным. В зависимости от назначения оно может быть подстилающим, морозозащитным или дренирующим. Этот слой вносит определенный вклад в обеспечение требуемого модуля упругости дорожной одежды, но основным его назначением является улучшение водно-теплового режима земляного полотна и удаление воды из дорожной одежды.

Количество слоев оснований и их толщина зависят от величины подвижной нагрузки, номенклатуры имеющихся строительных материалов, климатических и гидрологических условий. Материал для основания выбирают путем технико-экономических расчетов с учетом обеспечения необходимого срока службы слоя основания и всей дорожной одежды.

В зависимости от вида применяемых материалов дорожные основания бывают:

• цементобетонными;
• асфальтобетонными;
• из битумоминеральных смесей и различных минеральных материалов, как обработанных, так и не обработанных вяжущими;
• из грунтов или промышленных отходов в укрепленном виде.

Конструкцию дорожной одежды необходимо назначать с учетом специфики работы слоя основания. Основания, устраиваемые из цементобетона и материалов, укрепленных минеральными вяжущими, обладают высокой прочностью, ровностью, долговечностью. Однако в покрытиях из асфальтобетона или битумоминеральных смесей, укладываемых на такие основания, возникают трещины, копирующие швы или трещины основания.

Дополнительные слои предназначены для обеспечения стабильной работы дорожной конструкции под действием климатических и грунтово-гидрологических факторов (морозозащитные, дренирующие, изолирующие, капилляропрерывающие) и размещаются между такими слоями, как основание дорожной одежды и поверхность земляного полотна.

При устройстве морозозащитных слоев бетонные смеси с легкими заполнителями, пористые каменные материалы, обработанные вяжущими, укрепленные грунты и золошлаковые смеси с легкими заполнителями приготавливают в смесителях принудительного перемешивания. Температура смеси при укладке должна быть не ниже 5 °С. Бетонные смеси с легкими заполнителями укладывают на подготовленное земляное полотно с помощью бетоноукладочных машин. Их использует и мощение тротуарной плиткой, цена которого оптимальна.

Поперечные и продольные швы устраивают путем вставки реек или нарезают в свежеуложенном бетоне. Движение построечного транспорта по теплоизолирующему слою разрешается только после того, как прочность материала достигнет не менее 70% проектной.

Теплоизоляционные плиточные материалы (пенопласт и т.п.) укладывают таким образом, чтобы плиты равномерно опирались на поверхность земляного полотна. При необходимости выравнивают поверхность земляного полотна песком. К такому методу прибегает и укладка тротуарной плитки.

При двух- и трехъярусном теплоизолирующем слое швы нижележащего ряда плит перекрывают вышележащими плитами. Первый над плитами слой дорожной одежды отсыпают на толщину не менее 0,25 м в плотном теле способом «от себя».

Дренирующие и капилляропрерывающие прослойки из НСМ и гидроизолирующие прослойки из различных материалов (изол, бентонитовые маты, полиэтиленовая пленка, стабилизированная 2% канальной сажи, и др.) устраивают начиная с низовой (по отношению к направлению стока воды) стороны.

Полотнища материала укладывают внахлестку с перекрытием на 0,30 м и закрепляют деревянными колышками или скобами. Допускается полотнища материала сшивать или сваривать с перекрытием не менее 0,15 м. Гидроизолирующий материал укладывают на спланированное грунтовое основание, коэффициент уплотнения которого должен быть не менее 0,98. Передвижение транспортных средств или строительных машин непосредственно по уложенному материалу абсолютно не допускается.

Жесткость слоев из щебеночных (гравийных) материалов весьма велика, что требует повышенных давлений при уплотнении, но вязкие свойства таких слоев, когда идет строительство и ремонт дорог, проявляются незначительно. Вследствие этого при их уплотнении широко применяются жесткобарабанные катки, которые благодаря малой площади контакта с жестким материалом развивают значительные уплотняющие давления. Скорость укатки таких слоев ограничивается требованиями ровности слоя и может быть повышена на последних проходах до 6-10 км/ч.

Допускаемое давление на поверхность слоя зависит от прочности каменного материала. Увеличение линейных давлений может привести к разрушению отдельных щебенок. Строительство оснований дорожной одежды учитывает этот момент.

На уплотняемость асфальтобетонных смесей решающее влияние оказывают структура и свойства жидкой фазы — органического вяжущего. Так как эта структура во многом зависит от температуры, то, регулируя последнюю, можно влиять на весь процесс уплотнения. Значительное влияние оказывают также содержание щебня, его крупность и минералогический состав.

Об уплотняемости асфальтобетонных смесей можно судить по специальному испытанию в лабораторных условиях, которое заключается в следующем. Смесь помещают в термостатную форму и уплотняют на гидравлическом прессе повторными нагрузками, которые в известной мере моделируют воздействие катков при укатке. Одновременно измеряют плотность смеси и модули упругости. К такому исследованию прибегает строительство дорог в России. Смеси на известняках и подобных им основных породах уплотняются лучше, чем смеси на кислых породах типа гранитов.

На структуру вяжущего и уплотняемость асфальтобетона значительное влияние оказывает температура слоя: чем она ниже, тем больше вязкость и меньше уплотняемость смеси.

Изменение температуры слоя влияет на сцепление асфальтобетона, которое быстро возрастает с понижением температуры. Угол внутреннего трения от температуры практически не зависит и определяется крупностью и содержанием минеральной составляющей.

Для уплотнения асфальтобетонных смесей применяют катки на пневматических колесах и жесткобарабанные катки с металлическими вальцами.

Значительная площадь контакта катков на пневмоколесах с асфальтобетонным слоем неуплотненной смеси обеспечивает более продолжительное воздействие на уплотняемый слой.

При приложении нагрузки в материале возникает волна напряженно-деформированного состояния, которая распространяется тем быстрее, чем больше плотность и модуль упругости материала. Строительство дорожных оснований это учитывает.

Под воздействием напряжений сначала происходит упругое сжатие минеральной части и пленок жидкой фазы в зонах контакта между ними. По мере нарастания напряжений разрушаются структуры жидкой фазы в тонких пленках, уменьшаются их прочность и взаимные сдвиги частиц и агрегатов.

При этом увеличивается плотность материала, происходит увеличение количества разрушенных минеральных частиц и агрегатов в единице объема и энергетическая переориентация связей в контактах частиц. Вследствие более плотной укладки частиц между ними возникают новые контакты и связи. Насыщенность связями в единице объема возрастает.

Дальнейшее увеличение напряжений приводит к выжиманию пленок жидкой фазы из зон контакта между минеральными частицами и агрегатами. Процесс влечет за собой упрочнение связей, так как толщина пленок в этих зонах уменьшается, а прочность их возрастает. Укладка тротуарной плитки на бетонное основание придерживается данного правила.

Прочность материала на этом этапе весьма существенна. Так, даже небольшое уменьшение толщины пленки приводит к значительному увеличению ее прочности.

Регулирование сопротивлений, возникающих при уплотнении грунтов, возможно за счет изменения количества жидкой фазы, изменения ее структуры под влиянием температурных воздействий и применения различных активных и структурообразующих добавок, а также путем регулирования режима уплотнения. Проект строительства дороги включает в себя эти данные.

Под воздействием уплотнителя в материале возникает волна напряженно-деформированного состояния, вызывающая упругое сжатие частиц и агрегатов. Дальнейшее увеличение напряжений приводит к необратимым сдвигам и смещению минеральных частиц и агрегатов.

Сдвигам препятствуют силы трения и сцепления по площадкам контакта. Сдвиги могут развиваться в том случае, если напряжения от уплотняющей нагрузки вызовут нарушения связей, т.е. если напряжения превысят силы и трения, и сцепления.

Смещение частиц и агрегатов приводит к увеличению плотности материала вследствие увеличения количества частиц и агрегатов в единице объема и энергетического переориентирования частиц.

Строительство дорог в России для приготовления бетонной смеси использует виброперемешивание. Бетонная смесь приводится в колебательное движение. Вязкость раствора при этом уменьшается, что способствует интенсивному перемешиванию его с минеральной частью. Щебенки при колебательном движении многократно соударяются и равномерно распределяются в объеме смеси.

Строительство промышленных территорий учитывает, что оптимальная частота колебаний зависит от массы минеральных частиц и вязкости раствора. Поскольку в бетонной смеси имеются частицы различной крупности, наиболее эффективным является разночастотное вибрирование.

Виброперемешивание может производиться в специальных вибросмесителях, а также в обычных бетономешалках принудительного действия при установке в барабане высокочастотных глубинных вибраторов. Их использует и механизированная укладка брусчатки.

Лопастные мешалки применяются для приготовления подвижных бетонных смесей, бетономешалки с противоточным перемешиванием для приготовления малоподвижных жестких смесей.

Структура материала, определяющая его прочность и долговечность, в значительной степени формируется в результате уплотнения. Уплотнение слоя до требуемых параметров является одним из основных принципов физико-химической механики.

Уплотнение ответственная технологическая операция, цель которой обеспечить требуемую структуру материала, прочность и долговечность слоев дорожных одежд. Это достигается механическими воздействиями на материал и увеличением его плотности.

Задачами проектирования технологии уплотнения слоев дорожных одежд является выбор методов уплотнения, типов машин, а также обоснование наиболее эффективных технологических режимов скорости и числа воздействий уплотнителей, температуры воздуха и смеси, продолжительности уплотнения.

Уплотнение завершает цикл технологических операций по устройству дорожных одежд, что обусловливает повышенные требования к нему. При этом учитывается ряд особенностей: оборудование, применяемое для уплотнения, проще оборудования для размельчения и перемешивания; стоимость уплотнения ниже стоимости предшествующих операций; уплотнение оказывает решающее влияние на формирование структуры материала, качество финишных работ, производительность труда и темпы поточного строительства дороги.

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.