Главная- омоноличиванием, т. е., склеиванием рыхлых каменных материалов вяжущими веществами в единую монолитную систему, исключающую микроподвижку зерен материала под действием пульсирующих нагрузок, вызывающих износ зерен каменного материала;
- обработкой поверхности зерен каменного материала для его защиты от воздействия внешних факторов;
- комплексным укреплением каменных материалов — омоноличиванием рыхлых каменных материалов и их обработкой для защиты от погодных и других воздействий.
Выбор способа улучшения зависит от ряда условий, основными из которых являются прочность и морозостойкость каменного материала, тип конструкций дорожной одежды, интенсивность движения, климатические и гидрогеологические условия. Окончательное решение принимают на основании технико-экономических расчетов.
Омоноличивание рыхлых материалов ставит своей задачей создание искусственных прочных связей между частицами каменного материала, что повышает несущую способность дорожной одежды, а также уменьшает ее износ под воздействием транспортных нагрузок в сочетании с погодными факторами.
Метод укрепления омоноличиванием назначают тогда, когда прочность и морозостойкость каменного материала не удовлетворяют требованиям, предъявляемым данными конкретными условиями. За показатель этих свойств может быть принято количество каменной мелочи (мельче 2 мм), размеры которой влияют на несущую способность конструкции из необработанных механизмов.
Проф. В. К. Некрасов предложил методику расчета количества мелких частиц (размером менее 2 мм) с учетом количества проходов автомобилей за расчетный период времени. В основу этой методики положено определение изнашивания щебня в слоях дорожных одежд в результате взаимного перемещения минеральных частиц от воздействия проходящих по дороге автомобилей. Число прогибов, характеризующих микродвижение частиц каменного материала от прохода автомобилей, может быть за 1 год рассчитано по формуле
A = Nαγpr,
где N — расчетные среднегодовые размеры движения за сутки, приведенных автомобилей (в тысячах) в сутки; α — число осей расчетного автомобиля; γ — коэффициент, учитывающий повторяемость нагрузок в зависимости от ширины проезжей части (1 — при двухполосной, 2 — при однополосной, 0,75 — при четырехполосной) ; р — число дней в году; r — повторяемость движения по следу (0,2).
Количество мелких фракций, образовавшихся от воздействия автомобиля и погодных факторов, определяют по формуле
где S — суммарная удельная поверхность зерен, мм2; β — объемная масса каменного материала, кг/см3; g — первоначальная масса каменного материала, кг; h — высота максимального прогиба от приложения нагрузки, мм; hw — высота допустимого прогиба от действия нагрузки, мм; а — величина износившегося слоя материала при суммарной удельной поверхности S, мм. Величина а характеризует интенсивность движения и прочность каменного материала для расчетного автомобиля с давлением на колесо 4,5 тс. По данным проф. В. К. Некрасова, величина a составляет от 0,001 до 0,0001 мм; b — коэффициент, характеризующий во-донасыщение и морозостойкость каменного материала. Для расчетов можно принимать от 0,01 до 0,50; K — коэффициент, характеризующий климатические условия.
Он может приниматься для 1 дорожно-климатической зоны — 3,0, II — 2,0; III—1,2; IV —0,8 и V —ОД
При расчетах вместо определения удельной поверхности можно пользоваться величиной среднего диаметра частиц каменного материала. В этом случае расчетная формула примет следующий вид:
Для расчета количества накопления мелочи в щебеночном слое за расчетный период учитывают перспективное увеличение движения.
При увеличении плотности снижаются микроподвижки ввиду наиболее плотной упаковки частиц каменного материала. Поэтому накапливание продуктов износа в более плотных смесях будет понижено.
Практикой установлено, что верхние слои оснований на дорогах I и II категорий должны укрепляться омоноличиванием, так как при интенсивном движении транспортных средств накапливание мелочи будет очень интенсивным, с резким уменьшением несущей способности.
Рациональным является также укрепление гравийных материалов, частицы которых очень окатаны, в результате чего не возникает требуемого зацепления.
Обычно каменные материалы укрепляют малыми дозами цемента (3—10% по массе от минеральной части). Прочностные свойства обработанных материалов зависят от марки и количества цемента, объема воды и зернового состава каменных материалов. С увеличением количества цемента их прочность возрастает по следующей зависимости:
R = КЦ,
где R — предел прочности укрепленного материала, кгс/см2; Ц — количество цемента, % по массе; К — коэффициент, характеризующий интенсивность процесса твердения укрепленного материала, Для расчетов его можно принимать при цементе марки 400 и плотном зерновом составе, равным 16,5.
Наблюдениями установлено, что влажность каменных материалов, укрепленных цементом, в осенне-весенние периоды изменяется незначительно. Процесс промораживания зависит от перепада температуры воздуха, теплофизических свойств материалов дорожной одежды.
Однако укрепленные цементом каменные материалы обладают существенным недостатком — значительной жесткостью, в результате в этих слоях появляются трещины. Образование трещин в укрепленных основаниях вызывается в основном от неравномерных просадок земляного полотна и нижележащих слоев дорожной одежды.
В связи с этим возникла задача поиска новых вяжущих материалов, обладающих повышенными деформативными свойствами. К таким материалам относят гранулированные шлаки, которые обладают рядом положительных свойств. В результате медленного твердения гранулированного шлака деформативность укрепленных им материалов значительно больше, чем материалов, укрепленных цементом, особенно в первый период времени твердения, который достаточен для формирования земляного полотна и конструктивных слоев дорожной одежды. Учитывая, что прочность этого вида вяжущего небольшая, в него вводят активирующую добавку — цемент в количестве от 1,5 до 5%. Это зависит от активности шлака и требуемой прочности укрепленного материала. Добавка цемента придает укрепленному материалу морозостойкость, но и увеличивает его жесткость.
Повышения прочности можно достигнуть путем помола гранулированного шлака, но при этом следует учитывать, что измельчение его так же, как добавка цемента, увеличивает жесткость укрепленных каменных материалов.
В качестве вяжущего в последнее время используют и другие виды активных шлаков, например, фосфорные гранулированные шлаки. Отличие этих шлаков от доменных заключается в наличии фосфорного ангидрида (до 2—2,5%), фтора (до 2—2,5%) и в пониженном содержании глинозема. Для повышения активности фосфорного шлака производят его помол и вводят в него активатор в виде жидкого стекла (1—4%). Расход шлака не превышает 20%.
Кроме того, для укрепления применяют золы уноса тепловых станций, обладающих вяжущими свойствами. Однако, учитывая слабые прочностные свойства зол уноса их применяют в смеси с цементом, причем требуется несколько большее количество цемента, чем при применении гранулированных доменных шлаков.
Для обработки минеральных материалов органическими вяжущими в основном используются битумы и дегти. В процессе обработки низкопрочных каменных материалов битум пропитывает их зерна на некоторую глубину и образует тонкую пленку на поверхности.
Одним из основных показателей укрепления каменного материала является глубина проникания битума в его частицу. Пропитанный слой представляет собой более прочную часть камня, а гидрофобизирующие свойства битума затормаживают проникание воды в каменные материалы, увеличивая тем самым их сопротивление морозным воздействиям.
С увеличением глубины пропитки органическими вяжущими увеличиваются прочностные свойства и морозостойкость каменных материалов. Проникание битума в толщу частиц каменного материала происходит не только в период обработки, но и в последующее время. На эффективность обработки каменного материала влияет вязкость битума.
По данным исследований ХАДИ (проф. М. И. Волков), вязкость битума при обработке каменных материалов рекомендуется назначать в зависимости от сложения горной породы, из которой получен каменный материал (табл. 21)
В случае недостаточно морозостойких каменных материалов пелесообразно применять гидрофобизацию их поверхности, т. е. обработку такими веществами, которые предохраняют поверхность частиц камня от смачивания водой.
Общим свойством этих веществ является способность их самопроизвольно концентрироваться в виде гидрофобной пленки на различных поверхностях раздела и путем адсорбции прочно удержи ваться длительное время. Действие гидрофобной пленки проявляется различным способом. Прежде всего, не допускаются молекулы воды к местам Контакта битума и минеральных частиц; кроме того, обволакивая стенки пор частиц камня, пленка способствует образованию в них менисков обратной кривизны, которые препятствуют перемещению капиллярной и гравитационной влаги. Однако гидрофобизация не влияет на газопроводность и не может воспрепятствовать циркуляции паров воды в частицах камня.
В качестве одного из гидрофобизаторов может быть применен петролатум, получаемый при депарафинизации нефти. Он состоит из смеси твердого парафина, церезина и высоковязких минеральных масел.
Петролатум — нейтральное вещество, но окисляется в виде тонкой пленки на поверхности зерна минерального материала при температуре 140—180° С, образуя при этом новые соединения Поэтому каменные материалы укрепляют петролатумом путем пропитки при определенных температурных режимах.
Наилучших результатов достигают при обработке петролатумом карбонатных горных пород. Обработанный петролатумом каменный материал обладает гидрофобными свойствами, что снижает его водопоглощение, повышает морозо- и износостойкость.
Степень улучшения свойств материала зависит от полноты заполнения пор и капилляров петролатумом. Эффективность обработки данного каменного материала петролатумом определяют в лаборатории.
К числу гидрофобизирующих веществ можно отнести кремний-органические соединения, которые образуют устойчивые тонкие гидрофобные пленки на поверхности обрабатываемого каменного материала. Однако одной гидрофобизация низкопрочных каменных материалов далеко не всегда достаточно для получения из них прочных и монолитных слоев дорожных одежд, потому что гидрофобизация не влияет на увеличение сцепления между частицами каменного материала. Гидрофобизация может применяться для материалов, применяемых в нижних слоях основания. Наиболее рациональным является применение комплексного укрепления каменных материалов, состоящих из защитных методов обработки (гидрофобизации) и методов омоноличивания (склеивания).
Проф. С. В. Шестоперовым предложен комбинированный способ обработки низкопрочного каменного материала, сущность которого сводится к тому, что каменные материалы обрабатывают последовательно, вначале жидким, а затем вязким битумами.
При обработке жидким битумом происходит быстрое заполнение пор в частицах каменного материала, а при обработке вязким битумом — общая закупорка пор и смазка всей открытой поверхности зерен каменного материала. При этом вязкий битум выполняет не только защитную роль данного зерна, но и связывает каменные зерна в прочный, монолитный слой. Этот метод позволяет получить большой эффект упрочнения и экономию вязких битумов.
Возможна комбинированная обработка низкопрочного каменного материала петролатумом и вязким битумом. Пропитка петролатумом гидрофобизирует материал, а битум связывает его зерна. В последние годы начала применяться комбинированная обработка минеральных материалов органическими и неорганическими вяжущими. Так, Союздорнии рекомендует комбинированную обработку битумной эмульсией и цементом. Такая обработка дает возможность получить структуру материала, при которой возникают одновременно прочные и жесткие кристаллические связи, образующиеся в результате твердения цемента, и гибкие эластичные коагуляционные, создаваемые битумом. Установлено, что при комплексном укреплении каменных материалов прочность при сжатии не ниже, а в некоторых случаях выше прочности каменных материалов, укрепленных одним цементом.
При этом, по данным Л. Н. Ястребовой, при комбинированной обработке резко снижается водопоглощение, что создает условия для повышения морозостойкости укрепленных каменных материалов (табл. 22).
Укрепленные комбинированным методом материалы обладают повышенной деформативной способностью.
Можно укреплять каменные материалы золой уноса с добавкой битумных вяжущих (битумных паст, битумной эмульсии). При этом так же, как и в вышеприведенном примере, резко увеличивается морозостойкость и деформативность укрепленных материалов.
При комбинированных методах укрепления могут быть использованы и другие химические вещества. Так, например, фурфуроланилиновая смола — продукт поликонденсации фурфурола и анилина, взятых в соотношении 1:2, — в слабокислой среде обладает одновременно гидрофобными и структурообразующими (склеивающими) свойствами. Процесс поликристаллизации происходит без подогрева в короткое время. Обработка материала состоит в раздельном введении анилина, а затем фурфурола, тщательном перемешивании и уплотнении. Низкопрочные каменные материалы из кислых горных пород можно укреплять карбамидными смолами.
Жидкое стекло также используют для укрепления местных каменных материалов при комплексном методе обработки, однако морозостойкость материала повышается слабо. В качестве отверди-теля рекомендуется применять кремнийфтористый натрий.
Лабораторные исследования подтверждают эффективность применения вяжущего, состоящего из цемента и небольшой дозы жидкого стекла. Известно, что большую прочность можно получить на комплексном вяжущем: гранулированный шлак +жидкое стекло.
При оценке возможности использования местных материалов для дорожного строительства необходимо учитывать их свойства, условия работы в конструктивных слоях с тем, чтобы обеспечить их долговечность при надлежащем экономическом эффекте.