ГлавнаяВ период разработки месторождений взрывным способом под воздействием силы взрыва горная порода раскалывается на куски разных размеров. В результате в кусках породы образуются микротрещины, понижающие их прочность. Такое же явление наблюдается и при дроблении горной массы на щебень. В результате каменный материал, получаемый при дроблении, обладает меньшей прочностью, чем горная порода, из которой он получен.
В процессе транспортных работ, приготовления смеси, укладки и уплотнения каменные материалы подвергаются разнообразным механическим воздействиям, В слоях дорожных конструкций они также работают в сложных условиях, находясь в течение многих лет под комплексным воздействием механических нагрузок и разнообразных погодных факторов.
Нежесткие дорожные одежды (а местные материалы используются главным образом при строительстве таких типов одежд) с механической точки зрения представляют собой диссипативную систему, в которой сумма кинетической и потенциальной энергии≠0, а со временем уменьшается (частично переходя в тепловую энергию). Все это предопределяет значительную сложность процессов деформирования всей одежды, ее отдельных слоев и материалов, из которых они состоят. Механические нагрузки, прикладываемые к поверхности покрытия, вызывают в дорожной одежде соответствующие напряжения и деформации.
Наряду с деформациями сдвига, характерными для верхней части дорожной конструкции при изменении скоростей движения транспорта, колесная нагрузка вызывает прогиб дорожной одежды и приводит к появлению в связных слоях (асфальтобетон, материалы, обработанные вяжущим) растягивающих напряжений. Среднее давление на поверхность покрытия от современных стандартных грузовых автомобилей составляет 4—7 кгс/см2 (при контакте с покрытием сдвоенных колес). Воздействующая нагрузка воспринимается материалом дорожной одежды, распределяясь по глубине на все большую площадь. На грунт земляного полотна передается давление от 0,2 до 1,5 кгс/см2.
На современных автомагистралях транспортные нагрузки воздействуют с большими скоростями и частотой. При этом в слоях дорожной одежды появляются волновые напряжения, расшатывающие прочностные связи между компонентами связных материалов, Наличие трещиноватости в зернах каменных материалов, возникающих в результате усталостных явлений, может вызвать нежелательные остаточные деформации в слоях дорожных одежд.
Под воздействием неблагоприятных природно-климатических факторов возникают дополнительные напряжения. Так, влага, проникая в поры зерен каменного материала, расклинивает их, повышая напряженное состояние в материале. При отрицательной температуре вода, находящаяся в порах зерен каменного материала, превращаясь в лед, увеличивается в объеме примерно на 10%. При этом давление льда на стенки пор капилляров может привести к разрушению материала.
В материалах дорожной одежды протекает непрерывный процесс теплопередачи, определяемый их теплопроводностью, теплоемкостью и сопровождаемый миграцией влаги к охлажденной зоне.
Основными факторами, влияющими на разрушение каменного материала в конструкциях в результате морозных воздействий, являются частота колебаний знакопеременных температур, скорость промораживания материала, степень его увлажнения. Все это происходит при одновременном воздействии механических нагрузок. Эти факторы взаимосвязаны между собой. Исследованиями установлено, что скорость понижения температуры в конструктивных слоях меньше, чем скорость снижения температуры воздуха и зависит от теплофизических свойств материалов, толщины и расположения конструктивных слоев (рис. 15).
По условиям работы каменного материала слои конструкции дорожных одежд можно разделить на две основные группы: несвязные и связные.
К несвязным относятся слои, в которых применяются каменные материалы без их обработки вяжущими материалами. К связным относят слои из каменных материалов, обработанных вяжущими (бетоны).
Несущая способность конструктивных слоев первой группы определяется величиной трения и зацепления между собой отдельных зерен каменного материала. Необходимые значения этих величин достигаются подбором оптимальных размеров зерен и соотношения отдельных фракций каменного материала. Она также зависит от формы зерен, прочности и морозостойкости горной породы, из которой получен данный материал.
Уплотнением каменного материала создается устойчивая макроструктура, при которой обеспечивается равномерное распределение давления от колес проходящих по дороге транспортных средств, наибольшие площади контактов зерен между собой, что увеличивает несущую способность конструктивного слоя.
В процессе многократного воздействия нагрузок происходит микроподвижка зерен каменного материала, в результате чего происходит их износ. Это явление приводит к образованию мелкозема (частиц мельче 2 мм), который при увлажнении способствует уменьшению трения зерен между собой и тем самым снижает несущую способность конструктивного слоя. По данным проф. В. К. Некрасова, при накоплении более 15% мелкозема несущая способность конструкции резко падает. Увеличению содержания мелкозема способствуют также морозные воздействия, так как разрушение каменных материалов происходит в основном за счет разрушения поверхностных слоев зерен каменного материала, откола острых углов и ребер в виде отдельных агрегатов и послойного разрушения материала.
При выборе каменного материала следует учитывать, что его потери при морозных воздействиях характеризуются следующей зависимостью:
где а — коэффициент, характеризующий эффективную пористость и прочность породы; dcv — средний диаметр зерен каменного материала, мм.
Износ в полочном барабане находится в прямой зависимости от прочности и в обратной от крупности зерен каменного материала. Поэтому, в особенности при использовании низкопрочных материалов, большей прочностью и надежностью обладают основания, построенные из крупного щебня по принципу заклинки.
В последнее время появилась тенденция в целях расширения применения в дорожном строительстве каменных материалов пониженной прочности доводить плотность каменных оснований до максимального предела, чтобы исключить микроподвижки отдельных зерен материала. Однако подобная рекомендация целесообразна только в сухом климате и на сухих участках, исключающих увлажнение основания. При попадании значительного количества влаги в такие конструктивные слои несущая способность их резко падает.
Конструктивные слои дорожных одежд, сооружаемых из связных материалов, можно разделить на две подгруппы: нежесткие и жесткие. К первой подгруппе относят слои, сооружаемые из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими типа битума или дегтя, а ко второй подгруппе, — обработанных минеральными вяжущими (цементом, известью и др.).
Характерным для слоев первой подгруппы является изменение деформативных свойств составляющих их материалов в широких пределах в зависимости от температуры. Исследования этих материалов показывают, что скорость протекания деформаций в них в десятки раз ниже, чем в необработанных материалах. Это объясняется влиянием свойств связывающей битумной пленки. Характер протекания деформаций в таких материалах зависит от свойств битума, температуры и свойства смесей.
Большую роль в создании прочностных свойств асфальтобетона и подобных им материалов играет крупный и мелкий заполнитель, его свойства, количество. Известно, например, что с увеличением количества щебня резко повышается сдвигоустойчивость слоев, обработанных органическими вяжущими материалами.
В процессе эксплуатации дороги в верхнем слое покрытия происходит разрушение зерен щебня и удаление частиц песка. Эти продукты разрушения, попадая под колеса движущихся автомобилей, ускоряют изнашивание оставшегося материала покрытия. Ускоряет износ его также влага, находящаяся в верхнем слое покрытия, особенно при переходе ее в твердое состояние, вызывает шелушение или разрушение верхних слоев материала.
Сдвиговые и растягивающие воздействия могут вызывать напряжения в зернах каменных материалов, а учитывая возможность усталостных явлений, привести к разрушению их. При обработке каменных материалов битумом действие погодных факторов на них несколько смягчается, так как происходит гидрофобизация минеральных зерен. Однако эта обработка не в полной мере защищает минеральный материал от морозных воздействий. Степень-его защиты зависит от физико-химического взаимодействия каменных материалов и битума, величины и характера эффективной пористости, а также разделения битума на составные части за счет сорбционных свойств отдельных компонентов вяжущих.
При обработке камня битум проникает в поры материала на определенную глубину, которая зависит от пористости и структуры камня, а также от вязкости битума и продолжительности пропитки каменных материалов.
Обработка органическими вяжущими изменяет процесс проникания воды в зерна каменного материала. В начальный период насыщение камня водой происходит медленно и только после продолжительного времени оно несколько возрастает. Наблюдается, что поступление воды в обработанные материалы больше, чем ее испарение. Это приводит к накоплению влаги в каменных материалах.
Особенности условий работы каменного материала в цементобетонных слоях дорожной одежды вытекают из того, что цементобетон обладает большой жесткостью.
Наиболее опасное сочетание напряжений и деформаций в бетонных слоях дорожных одежд возникает, когда они работают на растяжение при изгибе, а зерна каменного материала на растяжение. В таких условиях прочность каменных материалов используется недостаточно; например, прочность на растяжение при изгибе гранита от 92 до 240 кгс/см2, известняка от 60 до 200 кгс/см2, а бетон получают с пределом прочности на растяжение при изгибе 40—60 кгс/см2. Эти обстоятельства указывают на возможность применения менее прочного камня в нижних слоях двухслойных покрытий и бетонных оснований, которые не испытывают непосредственного контакта с колесами автомобилей.
Большую роль в формировании прочностных связей играет эффективная пористость. В открытые поры входит цементное тесто, которое при твердении не только закрывает поры, но и упрочняет контактную зону. Это относится прежде всего к карбонатным породам, хорошо взаимодействующим с цементом.
В последнее время в дорожном строительстве, получило широкое применение укрепление каменных материалов минеральными вяжущими: цементом, гранулированным шлаком, золами уноса для •сооружения оснований дорожных одежд. Поскольку условия работ каменного материала в данном случае облегчаются, требования к их физико-механическим показателям могут быть снижены.