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:
- Прочность. Способность материала принимать на себя действия внешних сил, не подвергаясь разрушению.
- Дробимость. Также косвенный показатель прочности, который определяют при сжатии материала в емкостном цилиндре.
- Истираемость. Способность дорожного материала под действием истирающих сил изменять массу.
- Хрупкость. Способность дорожного стройматериала разрушаться под внешними воздействиями без остаточных деформаций.
- Упругость. Данное качество определяет способность материала восстанавливать изначальную форму с параметрами после того, как внешние силы прекратили механическое воздействие.
- Пластичность. Свойство, которое показывает, насколько материал способен деформироваться необратимо. В процессе испытаний дорожно-строительных материалов на пластичность, в частности, определяется динамика изменения формы и объема исследуемой структуры под внешней нагрузкой. Также фиксируется пиковый момент, после которого начинается процесс разрушения.
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:
- Атмосферостойкость. Способность структуры материалов сохранять целостность под влиянием солнечной радиации, температуры, осадков, газов, микроорганизмов и т.д.
- Коррозионная защищенность. Свойство, которое определяет стойкость перед кислотными средами, щелочами, проточными и морскими жидкостями. Например, битумы чувствительны к щелочным средам, а бетон разрушается под действием морских солей.
- Растворимость. Определяет способность материалов при взаимодействии с водой образовывать новые вещества и растворы.
- Твердение. Данное свойство дорожно-строительных материалов указывает на их способность переходить в своей структуре из пластичного состояния в твердотельное.
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:
- Магматические породы. Это группа первичных материалов, которые образовались в процессе остывания магмы. Их основу формируют минеральные компоненты, концентрированные под действием высоких температур и давления.
- Осадочные. Это породы вторичной группы, которые отличаются тем, что сформировались на поверхности земли при пониженных температурах в условиях среднего давления. Существует внутри этой категории и своя классификация дорожно-строительных материалов, которая по генетическому признаку выделяет химические, обломочные и органогенные породы. В каждом случае свой набор характерных свойств и эксплуатационных особенностей.
- Метаморфические. Это породы магматических структур, которые образовывались при высоких температурах, но к моменту разработки прошли полное или частичное преобразование.
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:
- Водно-ледниковые или флювиогляциальные.
- Аллювиальные или речные.
- Эоловые или ветровые.
- Морские и озерные.
Различают такие материалы и по фракции:
- Валуны. Грубоокатанные обломки горных пород в основном округлой формы фракцией от 150 мм.
- Галька. Для дорог преимущественно используется мелкая речная галька размером 5-20 мм.
- Гравий. Охватывает широкий размерный диапазон от 3 до 70 мм, но в основном к этой группе относятся рыхлые скопления обломков до 40 мм в диаметре.
- Песок. Зернистые элементы выветренных горных пород, фракция которых варьируется от 0,15 до 3 мм.
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:
- Отделение монолитов от основной породы.
- Развалка, измельчение и дробление.
- Помол в мельницах и специальных электротехнических аппаратах.
- Фильтрация через сито.
- Сортировка средне- и мелкофракционных материалов с целью получения агломератов.
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.
