Материалы для строительства дорог
Главное требование к автомобильной дороге – чтобы она была ровной, гладкой, без трещин и выбоин. Практически все вновь уложенные шоссе именно так и выглядят. Насколько долго сохранится их первозданный вид, зависит от особенностей местности и материалов, которые использовали при строительстве.
Подальше от воды
Влага – естественный враг любой автотрассы. Она разрушает основание дорожной конструкции и, замерзая в микротрещинах, разрывает покрытие. Поэтому при проектировании обязательно учитывают уровень грунтовых вод. Конечно, можно построить надежную магистраль и в болоте, но там нужны особые технологии и соответствующие материалы.
Хотя и в обычных природно-климатических условиях есть ограничения: при повышенной влажности не рекомендуется использовать в строительстве дорог такие материалы, как пылеватый песок, мелкая супесь, пылеватый суглинок. Эти виды грунта можно применять только в сухих местах, поскольку в увлажненном состоянии они значительно снижают несущую способность дорожного полотна и провоцируют его деформацию.
Дорожный пирог
Согласно технологии строительства, дорога представляет собой своеобразный пирог из нескольких слоев, у каждого из которых своя задача.
Слой из грунта
Самый нижний слой – грунт. Он – основа, на которой лежит вся конструкция, от его надежности и устойчивости зависит срок службы дороги и ее состояние.
Грунты можно разделить на две большие группы:
Лучше всего для возведения дорожной насыпи использовать грунты, которые не изменяются под воздействием природных факторов, сохраняют стабильность при промерзании, оттаивании. В перечень подходящих для дорожного строительства входят следующие виды грунта:
Не используют для организации дорог слишком влажные и избыточно засоленные глины, ил, торф, верхний почвенный слой с большим количеством корней растений.
Японцы нашли способ избавлять дороги от снега, не занимаясь их очисткой. Они прокладывают под автотрассами трубы, по которым циркулирует горячая вода. Ее температуры хватает, чтобы растопить снег и не дать образоваться льду.
Песчаная подушка
Этот слой из песка укладывают на грунт. У него несколько функций, самые важные – дренирующая и амортизационная. Песчаная подушка смягчает воздействие автотранспорта на дорожное полотно и увеличивает срок его службы. Ее толщина 15–20 см.
Чтобы повысить прочность конструкции, под песчаный слой и на него можно уложить георешетку – она не даст смешаться песку и щебню и увеличит время службы дороги.
Слои из щебня
Основной несущий слой в дорожном пироге состоит из щебня. Его толщина и фракция материала зависят от типа дороги и нагрузки на нее. Как правило, при строительстве автотрасс укладывают три слоя щебня:
Каждый слой тщательно трамбуют, общая толщина подушки из щебня должна достигать 35–40 см.
Дорожное покрытие – асфальт или цементобетон?
Подготовленное основание дороги обычно проливают битумной смесью. Завершающий этап – укладка финишного покрытия. Его толщина и характеристики зависят от нагрузки на дорогу. Чем качественнее покрытие, тем дольше будет служить проезжая часть.
Чаще всего для финишного покрытия используют асфальт, для дорог с интенсивной эксплуатацией и высокой нагрузкой выбирают цементобетон.
Асфальт
Технология укладки асфальтобетонного покрытия давно и хорошо отработана. Существует несколько видов асфальта:
Дорога должна ремонтировать себя сама – решили нидерландские ученые и разработали асфальт с токопроводящими волокнами. Проходящий по ним ток разогревает и плавит битум, который склеивает трещины и ликвидирует другие повреждения покрытия.
Основные составляющие асфальтобетонной смеси: битум, песок, щебень (или гравий), минеральный порошок. Их соотношение и фракции подбираются в зависимости от типа дороги и интенсивности ее эксплуатации.
Цементобетон
Этот материал давно используют в дорожном строительстве на Западе, и показал он себя настолько хорошо, что начинает все активнее применяться для устройства автомагистралей и в нашей стране.
У цементобетонных дорог есть недостаток – они дороже асфальтовых. Но зато намного долговечнее, меньше подвержены разрушению, хорошо переносят повышенные температуры, устойчивы к истиранию и действию химических веществ. К тому же первого ремонта такая дорога потребует не раньше чем через 10 лет – а это значительное преимущество.
Технология строительства цементобетонной дороги тоже хорошо отработана. Смесь для укладки делают из дорожного цемента и заливают в опалубку, установленную на подготовленном основании. Для большей прочности в толщу цементобетона закладывается армирующая сетка. Одно из обязательных условий – нарезка продольных и поперечных температурных швов, которые позволят материалу дороги реагировать на температурные воздействия, не разрушаясь.
Конечно, цементобетон не вытеснит асфальт с наших дорог. Каждый материал будет использоваться в соответствии с его особенностями и требованиями к дорожному полотну. Главное и в том и в другом случае – соблюдать технологии строительства дороги и использовать качественные материалы.
Основные дорожно-строительные материалы
Для устройства дорожных одежд используют различные дорожно-строительные материалы.
Наиболее распространенными и дешевыми из них являются грунты дорожной полосы, а также притрассовых и специально найденных карьеров. Помимо этого, используют гравийные смеси, щебень, шлаки, булыжник или органические и минеральные вяжущие для стабилизации и укрепления грунтов (под стабилизацией понимают сохранение в неблагоприятных условиях свойств грунта, присущих его сухому состоянию). Для снижения себестоимости работ по устройству дорожных одежд следует широко использовать различные местные материалы и отходы промышленности.
Грунты обычно состоят из минеральных частиц трех видов: песчаных (0,05—2 мм), пылеватых (размером 0,005—0,05 мм) и глинистых (меньше 0,005 мм). Грунтом с оптимальным зерновым составом (оптимальный грунт) называют такой, в котором все песчаные частицы (70—80%), образующие скелет, касаются друг друга, промежутки между ними заполняют пылеватые частицы (15—25%), а между последними — глинистые (3—8%). Такие грунты имеют наибольшую плотность, медленно размокают и оказывают наибольшее сопротивление внешнему давлению. Грунты оптимального состава встречаются и природные, но большей частью их образуют путем добавления в определенной пропорции (указанной в проекте дороги) песка к глинистым и суглинистым грунтам и суглинка к сыпучим песчаным.
Основными видами глинистых грунтов являются глины (содержание глинистых частиц больше 25%), суглинки (12—25%) и супеси (3—12%). Если в суглинках и супесях пылеватых частиц больше, чем песчаных, то в название грунта добавляется определение пылеватые.
Песчаные грунты или пески разделяют на гравелистые (25—50% зерен крупнее 2 мм), крупные (более 50% зерен крупнее 0,5 мм), средней крупности (более 50% зерен крупнее 0,25 мм) и мелкие (более 75% зерен не крупнее 0,1 мм). В песчаных грунтах глинистых частиц должно быть не более 3%.
Крупнообломочные грунты разделяют на щебенистые (более 50% зерен крупнее 10 мм) и дресвяные (более 50% зерен крупнее 2 мм).
Гравийные материалы представляют собой естественную рыхлую горную породу или искусственную смесь из округлых обломков прочных горных пород различной крупности — преимущественно от 2 до 70 мм.
Различают гравий сортовой, оптимальную гравийную смесь, дробленый гравий и карьерный гравийный материал. В зависимости от размера гравий делится на фракции: очень мелкий (5—10 мм), мелкий (10—20 мм), средний (20—40 мм) и крупный (40—70 мм). Для верхнего слоя дорожных одежд применяют гравий размером не больше 40 мм, для нижнего — максимальный размер может быть 70 мм, но не более 2/3 толщины слоя. Наибольшей плотностью и прочностью обладает гравийный материал, у которого свободное пространство между плотно уложенными крупными частицами заполнено частицами меньшего размера. Такие оптимальные смеси обычно получают путем добавления той или иной фракции к карьерному гравийному материалу.
Щебень получают в результате дробления скальных пород. Этот материал имеет широкое применение в дорожном деле. Размер щебеночных частиц от 2 до 70 мм. При сортировке щебень разделяют на сортовой и рядовой. Сортовой по крупности разделяют на крупный (40—70 мм), средний (20—40 мм), мелкий, или клинец (10—20 мм), очень мелкий, или каменную мелочь (5—10 мм), и высевки (0—5 мм).
Булыжник и шашка: булыжник представляет собой валунный грубоокатанный камень размером до 25 см, перенесенный к месту нахождения водой или ледником (более крупный валунный камень раскалывают до нужного размера); применяемая для мощения дорог шашка представляет продукт искусственного разрушения горных пород. По форме она приближается к усеченной пирамиде, причем лицо и постель почти параллельны друг другу. Наиболее дешевый сорт шашки имеет квадратную лицевую сторону (10—15 см) и высоту 12—16 см.
Каменные материалы в зависимости от физико-механических свойств и главным образом от прочности делятся на классы. Прочность определяют раздавливанием на прессе кубика камня и оценивают давлением, вызывающим разрушение. Плотность характеризуется объемным весом. Водопоглощением называют свойство материала впитывать и удерживать воду; оно определяется степенью заполнения пор каменного материала водой. Морозостойкость определяется числом циклов замораживания (до —20° С) и оттаивания, выдерживаемых без понижения прочности.
Минеральные вяжущие материалы используют главным образом в виде цемента и извести. При укреплении грунтов их смешивают с улучшаемой средой. В результате сложных физико-химических процессов улучшаются механические свойства грунта, значительно увеличивается (в 6—10 раз) их прочность. Для укрепления грунтов используют портландцемента марки не ниже 400. Марка — предел прочности при сжатии кубиков со сторонами 70,7 мм, изготовленных из раствора с соотношением цемента к песку 1:3.
Органические вяжущие материалы используют в основном в виде битумов и дегтя. В результате обволакивания поверхности минеральных частиц грунта или каменных материалов пленками органического вяжущего материала, заполнения ими мелких грунтовых пор, а также взаимодействия между частицами грунта и вяжущим грунт приобретает устойчивость и хорошее сцепление частиц; водонепроницаемость и прочность его почти не зависят от переменных условий водного режима. Поверхность дорог, устроенных с применением органических вяжущих, становится водонепроницаемой и обеспыленной. Сдвигов минеральных частиц под колесами машин почти не наблюдается.
При строительстве дорог применяют вязкие битумы, твердые или полутвердые марок от БНД 200/300 до БНД 40/60, жидкие среднегустеющие марок от СГ 15/25 до СГ 130/200 и медленногустеющие марок от МГ 25/40 до МГ 130/200.
Буквы марок обозначают: БНД — битум нефтяной дорожный, СГ и МГ — средне — и медленногустеющий; цифры — показатели его вязкости. Чем выше цифровые значения, тем более вязким является битум.
Битумы применяют в разогретом виде. Из жидких битумов среднегустеющие следует применять в северных районах, медленногустеющие — в южных. Меньшее применение на дорогах находят каменноугольные дегти.
В настоящее время кроме битумов и дегтей для укрепления грунтов применяют также отходы и полуфабрикаты химической промышленности: сульфитно-бардяной концентрат с хромовыми отвердителями, фосфорную кислоту и другие фосфорсодержащие материалы, фурфурол-анилин и пр.
Местные материалы применяют только в отдельных местах. Незначительная стоимость, даже при меньшей прочности, позволяет использовать их для устройства дорожных одежд. К таким материалам относятся котельные и металлургические шлаки, болотная руда, горелые породы, ракушка и пр.
Шлаки металлургические представляют собой хороший дорожно-строительный материал в районах развитой металлургической промышленности. Наиболее пригодны для использования вместо щебня и гравия кислые доменные и мартеновские шлаки — плотные, однородные по окраске, с кристаллической структурой. Шлаки пониженной прочности, имеющие большой налет и раковинное строение, можно использовать для нижних слоев дорожных одежд. Наличие слоя шлака в дорожных одеждах уменьшает их промерзание зимой, что способствует уменьшению пучин и сокращению периода распутицы. Для устройства дорожных одежд применяют котельные (топочные) шлаки, хотя их прочность из-за наличия золы и несгоревших кусков угля меньше. Можно использовать также шлаки, не имеющие в своем составе комьев грунта и содержащие мелкие зерна (меньше 2 мм), но не более 20%.
Горелые породы — это грунты, находящиеся в отвалах угольных шахт, обожженные при самовозгорании оставшегося в породе каменного угля. Горелые породы хорошего качества имеют плотную структуру, гладкую камневидную поверхность, могут использоваться для дорожных одежд, но из-за слабой износостойкости требуют устройства защитного слоя. Крупные глыбы горелых пород нужно предварительно разбивать.
Ракушка — материал морского и речного происхождения, имеющийся в южных районах и залегающий слоями до 1 м. Обычно ракушка бывает смешана с галькой, песком или песчано-глинистыми грунтами. Этот материал можно использовать для устройства оснований дорожных одежд.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Дорожно-строительный материал: классификация, свойства и применение
Дорожные покрытия испытывают на себе большие нагрузки, источниками которых выступают не только автомобили, но и природные явления с негативными факторами хозяйственной эксплуатации. Для наделения полотна достаточным набором защитных качеств используется широкий спектр материалов, образующих его конструкцию. Выбор тех или иных дорожно-строительных материалов в каждом случае индивидуален и делается на основе комплексного исследования конкретного участка эксплуатации.
Механические свойства материалов
Это наиболее значимые эксплуатационные качества материалов, которые определяют стойкость покрытия перед нагрузками транспортных средств. Существует целый комплекс механических свойств, позволяющих оценить чувствительность полотна к нагрузкам. В частности, испытания дорожно-строительных материалов проводятся по следующим качествам:
Физические свойства материалов
Благодаря изучению данной категории свойств технологи определяют, насколько тот или иной материал способен противостоять атмосферным явлениям и в целом пригоден условиям применения. К таким свойствам относится влагостойкость, термостойкость, устойчивость к морозу, плотность, пористость и т.д. Например, показатель плотности определяют с помощью пикнометра – это тарировочная колба, которую наполняют измельченным материалом. Далее производится заполнение емкости водой, кипячение и настаивание на песчаной бане. В конце испытания порошок взвешивается и путем сопоставления первичных показателей с результатами теста определяется коэффициент плотности и пористости. Для некоторых групп дорожно-строительного материала имеет значение и показатель пустотности. От него зависит степень заполнения дефектных участков рыхлым сыпучим материалом.
Химические свойства материалов
Данными свойствами определяется то, каким образом материал будет химически взаимодействовать с окружающей средой. В этой части можно выделить следующие качества:
Также с точки зрения монтажно-эксплуатационных условий применения важны и технологические качества. Это универсальные свойства, благодаря которым оценивается уплотняемость структуры, степень ее расслаиваемости, вязкость и другие характеристики.
Классификация природных материалов
Несмотря на технологическое развитие в производственном секторе, категория природных стройматериалов для укладки дорог является основной. Как правило, это продукция горнодобывающих предприятий, которая, в свою очередь, разделяется на магматические, осадочные и метаморфические материалы. Их стоит рассмотреть отдельно:
Классификация искусственных материалов
В отличие от природных материалов для укладки дорог искусственные являются в той или иной степени производственным продуктом. Основу составляют материалы, которые были получены путем специального изготовления – как правило, в промышленных условиях. Причем в качестве сырья для производства также используются преимущественно естественные горные породы, а реже – технические. Также выделяется категория так называемых местных дорожно-строительных материалов, которые применяют только в особых случаях. Как правило, это вторичные ресурсы, оставшиеся после производственных процессов – например, болотная руда, шлаки, зола, ракушка и др. Могут использоваться и промышленные отходы, но также в отдельных случаях, когда это допускается требованиями к дорожным одеждам. В целом же местные материалы и отходы выгодны экономически, но по технико-физическим характеристикам проигрывают основным природным и специально изготовленным изделиям.
Виды материалов из камня
В основном используется сырье из обломочных и скальных пород, которые проходят основную переработку и могут использоваться в разных структурах дорожного полотна. Наибольшей прочностью обладают скальные породы, поэтому их закладывают в ответственных технологических слоях. Обломочные породы характеризуются рыхлой структурой и чаще используются как основа для цементобетонных и асфальтобетонных смесей. К основным дорожно-строительным материалам каменной группы относят щебень, булыжник, шашку, высевки, брусчатку и т.д. Также существуют классификации по степени обработанности и составу. В соответствии с первым признаком материалы разделяют на колотые, штучные и пиленые, а по составу – на простые (однородные) и сложные (агломераты).
Наиболее технологичным материалом данного рода считается цементный камень, формируемый в результате процессов кристаллизации продуктов гидратации и гидролиза. Благодаря кристаллическим отросткам, которые расходятся по всей структуре камня, обеспечивается высокая прочность как при армировании. Скорость обретения твердости определяется реакциями материала с клинкерными элементами и минералогическим составом цемента. В условиях заводской обработки могут добавляться и пластификаторы для придания изделию дополнительных свойств.
Рыхлые материалы и их классификация
Это обширная группа дорожных материалов, которые образовывались в процессе выветривания твердых горных пород. В результате эрозии и вымывания формируются мелкие элементы разной фракции, также характеризующиеся включением разных примесей и других инородных тел. Для сортировки рыхлых продуктов выветривания по происхождению применяется следующая классификация дорожно-строительных материалов:
Различают такие материалы и по фракции:
Грунтовые материалы
Это неоднородные сыпучие материалы, которые в основном формируются несколькими видами минеральных частиц – к примеру, песком, глиной и пылеватыми включениями. Своего рода силовой каркас грунта образуют зерновые твердые элементы, которые касаются друг друга (порядка 75-80 % общего состава), а промежутки заполняются пылеватой массой (15-20 %). На долю глинистых элементов приходится 5-10 %. Существуют технологические нормативы, которые определяют оптимальное содержание компонентов грунта, а также виды элементов. Грунтовый дорожно-строительный материал может быть и природным, и техническим. Оптимальные составы преимущественно имеют искусственное происхождение, а в условиях производства технологи могут также добавлять супеси, суглинок и другие добавки для оптимизации характеристик дорожно-строительного состава.
Портландцемент как вяжущая основа для дорог
Данный материал входит в группу гидравлических вяжущих компонентов, отвердевание которых происходит в воздушной или водной средах. Основу портландцемента составляет клинкерный помол с гипсовыми добавками в объеме 3-5 %. Сам клинкер получается в процессе обжига тонкодиспесной смеси из глины и известняка. В качестве модифицирующих добавок также могут вноситься смеси мергеля, доменного шлака, опока, нефелиновые отходы и т.д. Этот дорожно-строительный материал может выпускаться в разных вариантах, которые имеют собственную маркировку 300,400, 550 и др. Данная цифра указывает на показатель активности, то есть величину прочности при изгибе. В дорожном строительстве практикуется использование практически всех марок портландцемента, каждая из которых выбирается из соображений целесообразности применения в конкретных условиях с учетом требований.
Строительная известь
Еще одна разновидность вяжущих компонентов, используемых в устройстве дорожных полотен. Известь получается в результате обжига карбонатных пород, в которых также содержатся глинистые примеси в объеме 6-7 %. Увеличение доли примесей достигается за счет сохранения ферритов, алюминатов и силикатов, комбинированное содержание которых повышает гидравлические свойства материала. На основе извести производят разные дорожно-строительные материалы и изделия в виде порошкообразных смесей. Опять же главным образом это связующие компоненты, но практикуется и комплексное применение воздушной извести с другими элементами в целях укрепления несущих грунтов. Это функция активной добавки, используемой в сочетании с битумами, цементами и минеральными отходами. Как полноценный технологический компонент известь используется в создании дегтевых эмульсий.
Производство дорожно-строительных материалов
Основные производственные процессы происходят на горнодобывающих предприятиях, где осуществляются операции переработки. В частности, выполняются следующие работы по подготовке сырья к дальнейшему использованию в дорожном строительстве:
После механической подготовки сырья осуществляются процессы термической, химической и биологической обработки. Это могут быть процедуры обжига, сушки, пропитки, нанесения защитных покрытий и т.д. На заключительной стадии производится контроль дорожно-строительных материалов по нескольким параметрам. В частности, оценивается фракция, физико-химические качества, технологические и эксплуатационные свойства. Для проверки могут использоваться специальные аппараты с поточным сканированием.
Применение материалов для укладки дорог
В одеждах дорожных покрытий используется несколько технологических слоев, каждый из которых выполняет свои задачи. Также существуют и промежуточные функции – например, у связующих, уплотняющих и модифицирующих материалов. Наиболее распространено применение дорожно-строительных материалов универсального назначения, которые могут закладываться в основу полотна, но также использоваться и для выполнения вспомогательных задач. Например, гравий добавляют в составы цементобетонных и дегтебетонных смесей как заполнитель с одной стороны, а с другой – устраивают с его помощью дренажные сооружения и насыпи на отдельных участках дорог. Также и песок может применяться в качестве наполнителя для связующих растворов, и для устройства подстилающих пластов. Его широко применяют и в качестве ремонтного материала, когда нужно выровнять отдельный участок или заполнить яму.
Конечно, не обходится использование данных материалов и без спецтехники. Это обширный сегмент автомобилей, участвующих в обслуживании дорожно-строительных материалов. И машины, и вспомогательные технические средства требуются для выполнения операций укладки, уплотнения, утрамбовки, выравнивания, приготовления бетонных растворов и т.д. К такой технике можно отнести бетоносмесители, асфальтоукладчики, дробилки, сортировочные автомобили, катки и вибромолоты. И это касается лишь непосредственных рабочих мероприятий, связанных с формированием дорожных полотен, но также комплексное строительство редко обходится без транспортировочных машин, кусторезов, грузоподъемников и кранов.
Контроль качества дорожно-строительных материалов
Существует комплекс испытательных методик, посредством которых проверяется соответствие материала техническим параметрам и эксплуатационным свойствам. Одним из самых распространенных средств контроля является сито. Используются предохранительные и контрольные сито, позволяющие оценивать качество материала, степень его зернистости и рыхлости.
При помощи силовых гидравлических и электромеханических агрегатов проверяются такие показатели, как упругость, склонность к деформациям, плотность и т.д. Существуют специальные нормативные модули с показателями и коэффициентами под каждую группу строительных материалов. Для дорожного строительства с применением гравия, например, используется метод раздавливания пробника в цилиндрической емкости. Дальнейший рассев измельченного материала через сито позволяет установить коэффициент потери в массе под нагрузкой.
Отдельные нормативы контроля применяются и в отношении к цементно-бетонным смесям. Взятые образцы проверяют на прочность, подвижность при транспортировке и другие показатели качества. На выходе завод-изготовитель маркирует каждую партию с указанием даты производства, объема и основных технико-физических параметров.
Заключение
Помимо обширного ассортимента стандартизированных материалов для дорожной укладки, существует значительный сегмент второстепенных и вспомогательных изделий и отходов производства, которые также используются в данной сфере. К таким относится жидкое стекло, гипсовые вяжущие, фибролиты и даже продукция деревоперерабатывающей промышленности. Разумеется, качество дорожно-строительных материалов этой категории не столь высоко по сравнению с бетонными смесями или основными сыпучими продуктами горной переработки, но и они могут быть полезны в решении определенных задач. Ведь не стоит забывать, что дорожное полотно представляет собой сложное по структуре устройство, которое включает и природные компоненты, вовсе не подвергающиеся технической переработке.
В большинстве случаев качество уже готовых дорожных одежд определяется даже не столько непосредственными характеристиками использованных материалов, сколько выбранной технологией укладки. В каждом случае разрабатывается проект с конкретной рецептурой устройства каждого слоя. Далее разрабатывается технологическая карта строительства, по которой уже ответственные подрядчики подбирают материалы и реализуют рабочие мероприятия.