Цель представленной статьи – взглянуть на процесс строительства дорог в целом, отстраниться и охватить его с исторической точки зрения. На идею подвигло видео 1962 г. о строительстве грунтобетонных дорог в Австралии. Мы задумались, какова же разница между тем, как строились дороги тогда и строятся сейчас, и поняли, что суть не изменилась, лишь усовершенствовались технологии и оборудование. Важно отметить, что главным изменением стало повышенное требование к нагрузкам на ось: раньше дороги могли выдерживать нагрузку до 3-4 т. на ось, сейчас же – до 8-10 т.
Для простоты восприятия и наглядности статья проиллюстрирована фотографиями процесса строительства дорог от 1962 г. Информация о современном оборудовании и различных методах исследования дорожно-строительных материалов представлена в статье о лабораторном оборудовании и других статьях сайта.
Сельские дороги, государственные магистрали, дороги местного значения, городские улицы строятся несколькими способами: с использованием природного гравия, щебня, бетона и с применением грунтобетона.
Обычный грунт, укрепленный портландцементом для производства дорожного покрытия, испытывающего интенсивную транспортную нагрузку – это эффективное и недорогостоящее решение многих проблем, к которому обращаются сегодня инженеры при проектировании автодорог.
Грунтобетон (или проще бетон) – это полужесткий материал, который обладает высоким пределом прочности при сжатии, что позволяет выдерживать значительные осевые нагрузки без деформации. Кроме этого, материал обладает высокой прочностью на изгиб, хорошо сопротивляясь динамическим нагрузкам от движущегося транспорта.
Грунтобетон состоит из грунта не менее чем на 95% от всей массы, а также из портландцемента, количество которого зависит от проектных характеристик участка автомобильной дороги и используемой стабилизирующей добавки. Кроме того, используется вода, необходимая для гидратации цемента в смеси, а также в целях достижения максимального уплотнения грунта. При смешивании грунт, цемент и вода образуют плотную пастообразную смесь готовую к устройству конструктивного слоя и его уплотнению. После смешивания полученная смесь твердеет, набирает прочность и превращается в грунтобетон, устойчивый к воздействию влаги.
Известно, что грунт в уплотненном состоянии может быть использован в качестве конструктивного слоя дорожной конструкции. Однако влага, попадая на поверхность конструктивного слоя из грунта, проникает в его поры, нарушая структурную целостность системы.
Под воздействием нагрузок влажное грунтовое основание, а следовательно, и дорожное покрытие автомобильной дороги деформируется, теряя свою несущую способность, и может разрушиться. Другими словами, грунт становится пластичным и теряет свою прочность. Решить данную проблему можно за счет введения цемента в состав грунта. Цемент связывает в монолит все частицы грунта, придавая материалу структурную прочность. Таким образом проникновение влаги в грунтобетонный конструктивный слой незначительно, и он сохраняет свою прочность и стабильность в любых условиях.
Лабораторные исследования грунта
Чтобы определить пригодность грунта для устройства конструктивного слоя дорожной одежды автомобильной дороги необходимо произвести отбор проб для лабораторных исследований. Грунт может быть использован как из полосы отвода строящейся дороги, так и доставлен из специального грунтового карьера вблизи строящегося участка. В любом случае необходимо проводить анализ физико-механических свойств всех грунтов, использующихся при строительстве автомобильной дороги.
В лаборатории определяют не только исходные физико-механические свойства грунта, но и производят подбор состава грунтобетона, а именно определяют оптимальное количество воды и цемента для получения грунтобетона с необходимым комплексом физико-механических характеристик, удовлетворяющих требованиям проекта.
Определение плотности грунта
При подборе состава грунтобетона, в первую очередь, необходимо определить максимальную плотность грунта при его оптимальной влажности методом стандартного уплотнения. Для этого представленный для испытания образец грунта высушивают при комнатной температуре или в сушильном шкафу до воздушно-сухого состояния. Высушивание в сушильном шкафу несвязных минеральных грунтов допускается проводить при температуре не более 100°С, связных - не более 60°С. В процессе сушки грунт периодически перемешивают, агрегаты грунта размельчают.
Далее отбирают грунт массой 2500 г. Помещают отобранную пробу в металлическую чашку для испытаний. Добавляют цемент из расчета необходимых прочностных характеристик грунтобетона. Рассчитывают количество воды для доувлажнения отобранной пробы до влажности первого испытания.
В отобранную пробу грунта вводят рассчитанное количество воды за несколько приемов, перемешивая грунт металлическим шпателем.
Для определения максимальной плотности грунта и оптимальной влажности грунта в специальную форму послойно загружают исследуемую пробу грунта толщиной 50-60 мм и проводят уплотнение 40 ударами груза по наковальне с высоты 300 мм, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию проводят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку. После уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта должна быть не более 10 мм. Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.
Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом и вычисляют плотность скелета грунта. Извлекают из цилиндрической части формы уплотненный образец грунта. При этом из средней части образца отбирают пробы для определения влажности грунта.
Испытание на приборе стандартного уплотнения проводят последовательно увеличивая влажность грунта испытываемой пробы на 1%-2% для несвязных грунтов и на 2%-3% для связных грунтов. При этом для каждой влажности определяют плотность скелета грунта и его влажность. Испытание следует считать законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также когда при ударах грузом происходит отжатие воды. Строят график зависимости изменения значений плотности сухого грунта от влажности. По наивысшей точке графика для связных грунтов находят значение максимальной плотности и соответствующее ему значение оптимальной влажности.
Для поиска оптимальных дозировок стабилизатора и цемента готовят несколько смесей различного состава, в которых варьируется содержание вводимых компонентов с определенным шагом. Из этих смесей готовят образцы-цилиндры путем уплотнения до максимальной плотности при оптимальной влажности, установленной ранее.
Полученные образцы хранят в нормальных условиях (температура воздуха (20±2) °С, влажность – не менее 95%) в герметичной упаковке. Образцы из грунтобетонной смеси испытывают в сроки, соответствующие применяемым неорганическим вяжущим, например, 7 и 28 суток – при использовании цемента, 28 и 90 суток – для извести, шлака.
После заданного срока твердения образы извлекают и определяют предел прочности на сжатие на гидравлическом прессе.
На практике, прочностные характеристики грунтобетона являются основой для расчета всей конструкции дорожной одежды. При этом низкая прочность грунта может указывать на наличие различных примесей в составе исходного грунта, которые препятствуют гидратации цемента.
При укреплении грунтов необходимо исследовать исходные физико-механические характеристики грунта. В первую очередь исследуют гранулометрический состав исходного грунта путем анализа распределения частиц по размерам.
Для разделения грунта на фракции ситовым методом применяют сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5 мм. Производят взвешивание остатка на каждом сите. Распределение частиц мельчайшая фракция грунта, прошедшей через сито 0,5 мм определяется ареометрически. Для этого остаток смешивают с водой с применением высокоскоростного миксера.
Полученную суспензию необходимо слить в стеклянный цилиндр емкостью 1 л. Затем за 10-12 с. до замера плотности суспензии следует осторожно опустить в нее ареометр, который должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра, и взять отсчет по ареометру. Продолжительность взятия отсчета по ареометру должна быть не более 5-7 с. По данным каждого замера ареометром надлежит вычислить суммарное содержание грунта по специальной формуле.
Определив суммарное процентное содержание фракций грунта с помощью ареометра, необходимо вычислить процентное содержание каждой фракции грунта последовательными вычитаниями из большой величины меньшей. Результаты анализа заносят в журнал, а также строят график зависимости распределения частиц по ситам в процентах.
Определение пластичности
Следующая важная характеристика грунта – это пластичность, или способность грунта при определенной влажности изменять свою форму (деформироваться) без разрыва под влиянием внешнего воздействия и сохранять эту форму после его прекращения. Характеризуется числом пластичности, представляющим собой разность между весовой влажностью границы текучести и влажностью границы раскатывания.
Влажность грунта на границе текучести соответствует влажности, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Для этого грунт измельчают и смешивают с водой, готовят пастообразную смесь. Влажность грунта на границе текучести соответствует такой влажности грунтовой пасты при которой края массы, находящиеся на расстоянии 1 см после 25 ударов на встряхивающемся столике соприкоснуться друг с другом. Ее определяют путем построения графика зависимости количества ударов на встряхивающемся столике от влажности грунта.
Влажность на границе раскатывания соответствует влажности при которой грунт теряет пластичность и переходит в твердое состояние. Влажность на границе раскатывания определяется раскатыванием грунта в шнур. Качественно соответствует такому состоянию когда шнур, сделанный из влажного грунта, при раскатывании до диаметра 3 мм (подсыхая при раскатывании) начинает крошиться на отдельные кусочки по 1 см длинной.
Определение линейной усадки
Линейная усадка – третья характеристика грунта. Усадкой грунтов называется их способность уменьшать свой объем при испарении из них влаги. Причинами уменьшения объема грунтов при их обезвоживании является уменьшение толщины водных пленок вокруг частиц, постепенное сближение частиц и преобразование при этом коагуляционных контактов в точечные (переходные).
Относительной линейной усадкой называется отношение абсолютной линейной деформации усадки образца по высоте к его начальной высоте, или то же отношение по любому иному линейному размеру образца. Параметр измеряется в %. Для его определения грунт смешивают с определенным количеством воды, полученной пастообразной смесью заполняют специальную форму. Далее грунт высушивают до постоянной массы и определяют величину усадки.
Влияние добавок и цемента на свойства укрепленного грунта
После определения физико-механических характеристик исходного грунта необходимо оценить влияние различных добавок и цемента на свойства укрепленного грунта. Для этого грунт и небольшое количество цемента, возможно в комплексе со стабилизатором, смешивают, добавляют воду, формуют образцы и оставляют на 7 дней. После чего образцы разбивают, размельчают и определяют основные характеристики, представленные выше для каждого состава грунта, содержащего различное количество цемента или добавки.
Небольшой процент цемента, введенный в состав исходного грунта неизменно улучшает его характеристики и позволяет достичь высоких показателей, требуемых при устройстве конструктивного слоя дорожной одежды.
Результаты наглядно демонстрируют, что для связного грунта, предел пластичности возрастает, в то время как индекс пластичности снижается при повышении количества цемента.
Строительство грунтобетонной дороги
Строительство грунтобетонной дороги начинается с устройства слоя основания заданной толщины и поперечных уклонов на основе местного грунта, либо привозного. Качественное уплотнение основания является важным технологическим этапом.
Цемент, необходимый для дорожного покрытия может быть доставлен на грузовом транспорте в мешках. Мешки раскладывают по определенной траектории и распаковывают. Далее цемент равномерно распределяется по всей длине строящегося участка автомобильной дороги для последующего перемешивания с грунтом. Интервал между мешками рассчитан исходя из необходимого содержания цемента и толщины конструктивного слоя.
Распределение цемента может осуществляться посредством использования цементовоза в сочетании с механическим распределителем. Цемент подается из цементовоза в машину с распределителем. Продвигаясь по дорожному полотну, цементораспределитель подает цемент равномерным слоем.
Мешки с цементом так же могут быть распределены механически любым подходящим для этих целей механизмом. Распределение цемента таким образом, значительно ускоряет процесс, минимизируя воздействие плохой погоды. Перемешивание цемента, грунта и воды осуществляется механизмами, которые взрыхляют, измельчают и перемешивают смесь. В смесительной камере все материалы тщательно перемешиваются с помощью ротора с целым рядом резцов, которые перемалывают содержимое в однородную смесь.
Вода в требуемом количестве подается из цистерны, движущейся перед смесительной установкой. При необходимости вводится стабилизирующая добавка, которая способна оказать влияние на водный баланс грунтобетонной системы.
Для достижения максимальной плотности, а, следовательно, и максимальной прочности, грунтобетон должен быть уплотнен как можно скорее после смешивания, каток должен следовать сразу за смесительной машиной. Вибрационные катки доказали чрезвычайную эффективность при первичном уплотнении определенных видов грунтов. Пневмокатки обычно используются для окончательного уплотнения.
Во время уплотнения, поверхность конструктивного слоя планируется грейдером, чтобы избежать неровностей, которые впоследствии могут быть причиной образования различного рода дефектов. При этом дорожное покрытие также очищается от посторонних включений.
Влажность грунта в процессе устройства слоя на основе грунтобетона должна находится в оптимальном количестве. В последующем также необходимо поддерживать влажность уложенного слоя, пока он не будет перекрыт слоем покрытия. Полив после процесса стабилизации необходим для предотвращения высыхания дорожной поверхности.
Вслед за этим поверхность грунтобетонного дорожного основания окончательно профилируется с целью устранения мелких неровностей.
Затем наносится слой битума, который необходим для защиты грунтобетонного конструктивного слоя, а также для повышения его эксплуатационных характеристик. Для большинства грунтобетонных дорожных покрытий предусматривается нанесение такого изолирующего слоя с целью устройства щебеночного покрытия.
Если предполагается интенсивное движение, возможно нанесение асфальтобетонной смеси в виде верхнего слоя.
Кроме смесительной машины, используется и другая стабилизационная техника с высокоскоростным ротором для разрыхления, измельчения грунта и смешивания его с цементом. Вода для смеси поступает из цистерны идущей перед смесительной машиной.
Дорожная фреза – еще одна роторная машина которая сконструирована для множественных проходов по поверхности дороги.
Перекрестное смешивание необходимо, чтобы исключить неперемешанные участки и достичь полной однородности устраиваемого слоя. Во время этой операции, влажность смеси обеспечивается путем ее распределения из цистерны. Чтобы предотвратить формирование неровностей по поверхности уплотнения, перед проходом катков производят культивацию поверхности.
Оборудование, разработанное для обеспечения всего процесса стабилизации за один проход, известно как стабилизационный поезд. Он осуществляет измельчение, распределение цемента, перемешивание грунтобетонной смеси и уплотнение.
Первое звено этого механизма – цементораспределитель, который наносит цемент равномерным слоем по поверхности устраиваемого слоя. Требуемое количество цемента расчитывается путем лабораторных исследований на примере используемого грунта.
Следующее звено, включающее ротор, который разрыхляет, измельчает и перемешивает смесь. Вода поступает из цистерны идущей перед ним.
Следующая единица техники производит трамбование и укатку предварительно перемешенной смеси.
Исследование качества грунтобетонной смеси
Лабораторные исследования грунтобетонной смеси должны проводиться регулярно для полной уверенности в достигнутых характеристиках, а запас прочности и долговечность устроенного дорожного конструктивного слоя соответствовать всем нормам. Количество цемента может быть определено путем отбора пробы на месте укладки. Отбор образцов смеси осуществляется сразу после прохода смесительной машины и используются для определения оптимального количества воды в смеси для обеспечения максимальной плотности. Ее количество определяется с помощью специального оборудования.
Проектируемая прочность грунтобетона определяется путем исследования прочностных характеристик образцов грунта заформованных из уложенной смеси на месте укладки и исследованных в проектном возрасте. Плотность уплотненного конструктивного слоя определяется непосредственным изъятием пробы и отправкой его на исследование. Замеряется также толщина конструктивного слоя, а объем извлеченного материала находится путем заполнения отверстия песком с известной плотностью.
Образец из полностью готового грунтобетонного конструктивного слоя, полученный с помощью керноотборника, исследуется с целью подтверждения того, что грунтобетонная смесь с годами будет набирать прочность, повышая запас прочности, что позволит сохранять несущую способность автомобильной дороги, несмотря на возрастающую интенсивность движения.
Предел прочности при изгибе грунтобетонного дорожного полотна определяется непосредственно на месте с использованием длиннобазового рычажного прогибомера методом статического нагружения. При действии давления от колеса основание сжимается в пределах активной зоны и происходит прогиб дорожной одежды по некоторой криволинейной поверхности с образованием так называемой чаши прогиба. Вероятность появления деформаций связана с одновременным действием нагрузки от колеса и климатических факторов. Поэтому необходимо проводить профилактический контроль прочности дорожной одежды в неблагоприятные периоды года с целью разработки мероприятий по предупреждению разрушения дорожной одежды.
В завершение статьи отметим, что процесс укрепления грунта при помощи портландцемента оправдал себя во множестве разнообразных проектов на протяжении целого века. Технологические этапы и оборудование были усовершенствованы до уровня, когда возможно создание качественного конструктивного слоя при экономии денежных средств на его устройство.
Там, где необходимо строительство автомобильных дорог: для транспортировки товаров, для городского трафика или для сельскохозяйственных нужд, грунтобетонное дорожное покрытие является оптимальным материалом в сфере строительства дорог! Во всех регионах страны грунтобетон обеспечивает создание надежной и долговечной транспортной инфраструктуры, необходимой для регулярного дорожного движения. Строительство экономически выгодных, первоклассных дорог, требующих незначительного последующего обслуживания, способствует не только настоящему процветанию, но и будущему развитию всей дорожной сети государства!