VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Местные гравийные смеси, используемые в конструкциях лесовозных дорог, не обладают достаточной прочностью в условиях использования большегрузных современных автопоездов. Строительство новой дороги не всегда экономически оправдано с точки зрения покрытия расходов строительства от полученной прибыли от продаж заготовленной древесины.

На основе научного подхода к изучению вопросов повышения технологического состояния автомобильных дорог доказана эффективность проведения комплексного укрепления песчано-гравийных лесовозных дорог с применением сырой нефтью и других веществ.

С применением сырой нефти, битумного порошка и воды возникает возможность снижения стоимости вывозки древесины. Применение комплексного вяжущего вещества совместно с сырой нефтью позволит получить повышенные физико-механические свойства укрепленных песчано-гравийных смесей, которые могут быть использованы в дорожном строительстве.

Укрепление грунтов – это технологический процесс, включающий совокупность мероприятий для качественного изменения свойств исходных материалов с целью увеличения физико-механических показателей, таких как прочность, водостойкость и др. Как правило, укрепление грунтов производится путем введения в исходный материал дополнительных веществ, таких как битум, нефть, эмульсии, цемент, которые при взаимодействии с исходным компонентом образуют усовершенствованный материал.

Органическими вяжущими материалами называются сложные соединения органических веществ, представляющие собой углеводороды и их производные, способные полностью или частично растворяться в сероуглероде, хлороформе, бензоле и некоторых других органических растворителях, а также служащие для улучшения физико-механических свойств связных и несвязных грунтов путем усиления межмолекулярных взаимодействий. Основными органическими вяжущими веществами, используемыми в укреплении дорог, являются: нефть, битум, смолы, дёгти и т.д.

Одним из первых органических веществ, используемых людьми для укрепления местных каменных материалов, является сырая вязкая нефть, представляющая собой смолистое вещество, состоящее преимущественно из тяжелых фракций сырой нефти.

Нефтесодержащие органические вещества достаточно хорошо изменяют свое агрегатное состояние под воздействием температуры окружающей среды. На территориях с жарким климатом использование сырой нефти или битума для укрепления дорог представляется наиболее возможным, так как вяжущее вещество долгое время находится в жидком состоянии, что позволяет равномерно укрепить грунт. Кроме того, период использования данных материалов сравнительно больше, чем в северных районах РФ, где в целях увеличения строительного периода возникает необходимость применения различных разжижителей дорожного битума, применение которого ограничено температурой окружающей среды.

Для решения данного вопроса группой ученых СевНИИП под руководством старшего научного сотрудника Б. В. Веселова в 1965 году было предложено использовать битум не в традиционном жидком виде, а в виде битумного порошка, что дало возможность использования метода укрепления дорог не только в летний, но и в зимний периоды. Исследования по применению порошкообразного битума в качестве вяжущего материала для укрепления грунтов гравийных смесей при строительстве лесовозных автомобильных дорог проводились с 1965-1968 годы в Архангельской области.

Минеральные вяжущие материалы представляют собой порошкообразные вещества, которые при взаимодействии с водой образуют смесь, постепенно твердеющую и образующую камневидное тело. В современном материаловедении данный тип вяжущих классифицируют на два вида: гидравлические и воздушные.

Воздушные вяжущие материалы, такие как глина, гипс, воздушная известь, жидкое стекло, твердеют на воздухе, а гидравлические - твердеют как в воде, так и на воздухе (рисунки 1, 2).

Рисунок 1 – Воздушный вяжущий материал, глина

Рисунок 2 – Воздушный вяжущий материал, жидкое стекло

К гидравлическим материалам относят романцмент, портландцемент, цемент, гидравлическую известь и другие вяжущие на основе отходов промышленности (рисунок 3).

Рисунок 3 – Гидравлический материал, романцемент

На основе обзора многолетнего опыта использования минеральных и органических вяжущих веществ в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог позволило выделить ряд преимуществ каждого из них:

• Применение нефти и маловязкого битума обеспечивает повышенную гидрофобность каменных материалов, увеличивая физико-механические свойства в относительно короткие сроки.

• Использование минеральных вяжущих веществ, таких как известь или цемент хорошо себя зарекомендовали в укреплении местных каменных материалов и грунтов, имеющих коллоидные частицы.

• Важным преимуществом обладает известь, используемая для укрепления переувлажненных грунтов, в результате чего известь связывает лишнюю воду, что значительно расширяет область применения методов укрепления грунтов в неблагоприятных природно-климатических условиях.

Наряду с положительными свойствами различных вяжущих материалов, имеются существенные недостатки каждого из них:

• В исследовании органических вяжущих материалов при укреплении дорог возникает устойчивая зависимость прочности укрепленного материала от температуры окружающей среды, что становится причиной различных механических повреждений, в том числе и колееобразования. При использовании сырой нефти возникают вопросы экологического характера, которые необходимо решать методами, предложенными В. М. Безруком или другими учеными.

• В грунтах, укрепленных минеральными вяжущими материалами, в ходе процесса твердения стремительно развиваются деформации усадочного характера, в результате чего происходит разрушение материала, что негативно сказывается на техническом состоянии дорожной одежды.

• Существенной особенностью грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими материалами, является их высокая неоднородность по прочности. Основной причиной этих недостатков является влияние рецептурных и технологических факторов.

Анализируя преимущества и недостатки каждого из вяжущих материалов, можно сделать вывод об эффективности их совместного использования, заключающегося в следующих положениях:

• Грунты, укрепленные комплексным методом, характеризуются повышенными физико-механическими свойствами и гидрофобностью, что позволяет увеличить сроки эксплуатации дорог.

• Совместное применение органических и минеральных вяжущих веществ позволяет увеличить эффективность их использования в неблагоприятных природно-климатических условиях.

• Применение комплексного укрепления позволяет значительно расширить диапазон местных каменных материалов, пригодных для использования в дорожных конструкциях.

На основе вышеизложенного материала можно утверждать, что совместное применение минеральных и органических вяжущих веществ для укрепления дорожных покрытий низшего и переходного типов, а также оснований облегченных и капитальных типов покрытий является более эффективным способом улучшения физико-механических свойств, так как обеспечивается повышенная прочность дорожных одежд и удлиняются сроки их эксплуатации.

Однако эффективное использование вяжущих веществ невозможно представить без изучения механизмов взаимодействия органической и минеральной части вяжущего материала, с учетом их природного строения и структур. В целях экспериментального подтверждения эффективности использования комплексного метода укрепления дорожно-строительных материалов существует необходимость в глубоком и широком теоретическом исследовании свойств и строения исходных компонентов вяжущих веществ.

С точки зрения химического строения битум представляет собой вещество, состоящее из сложных смесей нафтеновых, ароматических и метановых высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, а также их производных веществ, содержащих кислород, серу, азот и комплексное соединение металлов (рисунок 4).

Рисунок 4 – Групповой состав битума

Битум по своим свойствам является термопластичным материалом, так как его механическая стойкость изменяется в широких пределах под влиянием температур. Под воздействием нагрузок в битумах создается как упругие, так и пластичные деформации. Битум следует рассматривать как материал с различной степенью пластичности, которая является пропорциональной функцией температуры, т.е. чем выше температура, тем больше пластичность и, следовательно, ниже вязкость битума.

Качественное дорожное покрытие невозможно представить без равномерного распределения битума на обрабатываемой поверхности. Чем глубже битум будет проникать в поры и мелкие трещины, тем выше будет когезия и адгезия. Чтобы удовлетворить этим требованиям, обычно выбирают битумное вяжущее, исходя из условий эксплуатации покрытия, т.е. с высокими вязко-упругими свойствами, а для обеспечения технологических свойств его переводят в жидкое состояние одним из трех основных способов:

а) нагреванием до высоких температур;

б) разжижением органическими разжижителями;

в) превращением битума в одну из дисперсных систем – эмульсию, пасту или пену.

Все эти способы направлены на достижение эффективной для обработки поверхности консистенции битума. Однако после выполнения этой задачи битум должен вновь обрести свои первоначальные вязко-упругопластические характеристики.

Одним из универсальных и малозатратных путей направленного регулирования консистенции в структурообразовании битумов является их пластификация способом разжижения.

Применение разжиженных битумов в дорожном строительстве имеет ряд преимуществ, связанных с исключением высокотемпературных процессов, широким использованием различных способов обработки минеральных материалов и продлением сезона строительных работ.

Код для цитирования: Скопировать