Тема № 4. Грунты и дорожно строительные материалы,

Тема № 4. Грунты и дорожно строительные материалы, применяемые в строительстве ВАД. Занятие № 1. Грунты и дорожно строительные материалы

Воспитательная цель: Воспитать чувство ответственности при использовании строительных материалов. Учебная цель: Сформировать знания о грунтах и дорожно-строительных материалах, применяемых при строительстве ВАД

Вопросы: Вопрос 1. Классификация, физические и механические свойства грунтов. Полевые способы анализа и оценки грунтов. Оптимальные грунтовые смеси. Дорожно-строительные материалы. Вопрос 2. Каменные материалы, лесоматериалы, синтетические материалы, вяжущие, их классификация. Полевые способы оценки качества строительных материалов. Вопрос 3. Гравийные и каменные карьеры. Поиски и разведка месторождений. Техника безопасности при разработке карьеров.

Литература: 1. Учебник «Военная подготовка офицеров запаса дорожных войск» . Ч. 1; стр. 179 -200 2. Учебник «Изыскание и проектирование ВАД»

Вопрос 1. Грунтами называют рыхлые продукты выветривания горных пород, слагающие верхние слои земной коры. Согласно строительным нормам и правилам грунты подразделяют на следую щие основные классы: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые. Самые верхние слои грунтов мощностью до 2 м, измененные под влиянием климата, растительных и животных ор ганизмов, называются почвами. Грунты различают по соотношению в их составе глинистых, пылеватых, песчаных и гравийных частиц. Все грунты, применяемые в дорожном строительстве, характеризуются определенными физическими и механическими свойствами. К физическим относятся: объемная масса, пористость, влажность, пластичность, связность, водопроницаемость, набухание и высота капиллярного поднятия; к механическим — разрыхляемость, сопротивление сдвигу и резанию, угол естественного откоса, прочность грунта, выраженная модулем деформации (упругости). В соответствии с этим каждый грунт с точки зрения использования в дорожном строительств характеризуется определенными качествами.

Песчаный грунт — малосвязный, с хорошей водопроницаемостью. В сухом состоянии рыхлый, создает большое сопро тивление движению машин— автотранспорт буксует. В период дождей с увеличением влажности связность повышается и проезд облегчается. Для поддержания дороги в проезжем состоянии необходимо вводить в грунт вяжущее (глину, битум, торф и др. ). Используется песчаный грунт для возведения земляного полотна и как добавка при улучшении глинистых грунтов. Высота капиллярного поднятия 0, 2— 0, 3 м. Песчаный пылеватый грунт в сухом состоянии подобен песчаному, но обладает меньшей водопроницаемостью и более высоким капиллярным поднятием (0, 3— 0, 5 м).

Супесчаный грунт — лучший среди других по своим дорожным свойствам. Он легко уплотняется, быстро просыхает, при увлажнении не набухает, устойчив как в сухом, так и во влажном состоянии, имеет достаточно высокое сцепление и малое сопротивление движению. Он наиболее пригоден для возведения земляного полотна и устройства проезжей части грунтовых дорог. Легко разрабатывается землеройными машинами. Водопроницаемость удовлетворительная, высота капиллярного поднятия 0, 3— 0, 6 м. По гранулометрическому составу супесчаный грунт близок к оптимальному. Супесчаный мелкий грунт но сравнению с супесчаным обладает несколько меньшей связностью и большим пылеобразованием в сухом состоянии, а после увлажнения — меньшей прочностью. Водопроницаемость удовлетворительная, высота капиллярного поднятия 0, 5— 0, 8 м.

Пылеватый грунт в сухом состоянии малосвязный, сильно пылит, при увлажнении быстро размокает и переходит в плывунное состояние, превращаясь в слой грязи. Опасен в отношении образования пучин. Водопроницаемость плохая, высота капиллярного поднятия 1, 5— 2 м.

Суглинистый грунт в сухом состоянии обладает значительной связностью, прочностью и плотностью, при разработке требует предварительного рыхления. В сухой период года при правильном содержании проезд по дороге полностью обеспечивается. При увлажнении прочность сильно снижается, после прохода транспорта образуются большие колеи и выбоины, дороги становятся труднопроходимыми. Водопроницаемость плохая, высота капиллярного поднятия 1, 5— 2 м.

Тяжелый суглинистый грунт в сухом состоянии хо рошо связный, плотный, при разработке требует рыхления. Прак тически водонепроницаем. По этой причине вода задерживается в углублениях на поверхности дороги, что приводит к быстрому образованию колей и выбоин. При переувлажнении пластичен и липок. Высота капиллярного поднятия 1, 5— 2 м.

Суглинистый пылеватый грунт по сравнению с суглинистым обладает большой пылимостью в сухом состоянии и более значительным снижением прочности после увлажнения. Опасен в отношении пучинообразования. Водопроницаемость очень плохая, высота капиллярного поднятия 1, 5— 2 м. Глинистый грунт в сухом состоянии обладает очень большой твердостью и несущей способностью. При увлажнении несущая способность резко снижается. Допускаемое давление при влажности около 40% приближается к нулю. Обладает способностью набухания и усадки. Водонепроницаем, капиллярное поднятие 1, 5— 2 м и более, но очень медленное. Относительно постоянное сопротивление внешним нагрузкам при переменной влажности обеспечивают оптимальные грунты (оптимальные грунтовые смеси), имеющие определенное процентное содержание различных фракций.

Естественные грунты, имеющие оптимальный гранулометрический состав (табл. 7. 2. 2), в природе встречаются сравнительно редко. Поэтому в дорожно строительной практике получение оптимального грунта достигается путем смешения двух (реже трех) грунтов различного гранулометрического состава.

Расчет добавок для получения оптимальных грунтовых смесей сводится к установлению соотношения (Н) между содержанием фракций добавки и грунта дороги. Это соотношение определяют по недостающей в грунте дороги фракции (обычно песчаной) исходя из следующей зависимости: Далее определяют содержание в оптимальной смеси глинистой фракции (b 2) по формуле

Для определения содержания пылеватых используют выражение частиц Если содержание пылеватых и глинистых частиц удовлетворяет требованиям оптимальной грунтовой смеси (табл. 7. 2. 2), смесь считается подобранной. Если же полученное содержание глинистых частиц велико (мало), производят увеличение (уменьшение) добавки песка.

К дорожно строительным материалам относятся: природные каменные материалы (щебень, гравий, песок, дресва, ракушечник и т. п. ); металлургические и топочные шлаки, пустые "породы шахтных отвалов, кирпичный бой; минеральные вяжущие материалы (цемент, известь и др. ); органические вяжущие материалы (битумы и дегти); лесные материалы хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, пихта и др. ) и лиственные (дуб, вяз, береза, бук, клен, осина и др. ); синтетические материалы. Источником получения местных дорожно строительных материалов являются притрассовые карьеры, отвалы шлаков на пред приятиях металлургической промышленности, тепловых электростанций и железнодорожных станций, шахтные отвалы, отходы каменных карьеров, предприятия нефтеперерабатывающей и цементной промышленности, склады строительных материалов и т. д. Природные каменные материалы представляют собой горные породы в виде сплошных залежей или скоплений разной крупности, добываемых из верхних слоев земли.

По происхождению горные породы подразделяются на три основные группы: изверженные, осадочные и метаморфические (видоизмененные). Изверженные породы (граниты, базальты, сиениты и др. ) характеризуются высокой прочностью. Осадочные породы (известняки, песчаники, ракушечники и др. ) разнообразны по прочности. Метаморфические породы (гнейсы, мрамор, сланцы, кварциты и др. ) характеризуются высокой прочностью. Большинство физико механических свойств каменных материалов устанавливают лабораторными испытаниями, порядок про ведения которых определяется нормативными документами. В полевых условиях можно ориентировочно определить качество гравия, щебня и некоторых других каменных материалов.

Гравий — скатанные обломки каменных горных пород размером от 2 до 70 мм. По размерам частиц гравий подразделяется на следующие фракции: 5— 10 мм, 10— 20 мм, 20— 40 мм, 40— 70 мм. По прочности в зависимости от истираемости различают гравий четырех классов: первого класса — с износом в полочном барабане не более 20, второго — до 30, третьего — до 45, четвертого— до 55%. Применяется гравий для улучшения грунтовых дорог, устройства покрытий, оснований дорожных одежд, дренажных сооружений, приготовления цементобетонных и асфальтобетонных смесей.

Щебень — это дробленый и отсортированный по фракциям каменный материал. Для дорожных работ он заготавливается следующих фракций: 3— 10, 5— 15, 10— 20, 15— 20, 20— 40, 40— 70 мм. Содержание лещадных щебенок не должно превышать 10— 15%. По прочности различают: щебень первого класса с износом в полочном барабане не более 25— 30, второго — 35— 40, третье го— 45— 50, четвертого— 55— 60%. Применяется для строительства щебеночных, грунтощебеночных покрытий, а также асфальто бетонных, цементобетонных покрытий и оснований.

Штучные каменные материалы приготовляются из естественных каменных материалов в виде пакеляжного камня, простой брусчатой и мозаиковой шашки. Применяются редко, в основном для строительства и ремонта мостовых.

Дресва (жерства)—продукт сильного выветривания скальных горных пород, оставшийся на месте своего образования. Дресва малопрочный материал с сопротивлением сжатию от 1, 5 до 10 МПа. Недостатками дресвяных покрытий являются их большая пылимость в сухое время года и быстрое нарастание деформаций во время распутицы. Поэтому дресва как местный дорожно строительный материал применяется для улучшения грунтовых дорог, как основание дорожных покрытий и как покрытие на дорогах при небольшой интенсивности движения.

Ракушечники состоят из известковых нецементированных целых или разрушенных раковин различных моллюсков и встречаются на побережьях морей. Характеризуются большой пористостью и малой прочностью. Применяются для улучшения грунтовых дорог и устройства нижних слоев дорожного покрытия.

Кирпичный бой — смесь обломков кирпича различной формы и размеров. Характеризуется малой прочностью и применяется для улучшения грунтовых дорог, устройства оснований и дорожных покрытий.

Шлаки подразделяются на топочные (котельные) и металлургические. Топочные шлаки получают при сжигании каменных и бурых углей в котельных топках. Имеют малую связность, небольшую прочность и водоустойчивость. Применяют и нижних и верхних слоях дорожных одежд. Шлаки металлургические обладают прочностью 100 МПа и более, малой водопоглощаемостью и достаточной морозостойкостью. Они применяются в дорожном строительстве наравне со щебнем из прочных каменных пород.

Лесоматериалы делятся на круглый лес, пиломатериалы, слоеную и клееную древесину, полуфабрикаты: Круглый лес: -бревна (диаметр более 15 см) -накатник или подтоварник (диаметр 7 -15 см) -жердь (диаметр менее 7 см) Пиломатериалы: -пластина (бревно распущенное вдоль на две части) -четвертина (бревно распущенное на четыре части) -доска (обрезная и необрезная) -горбыль -брус -бревно разделанное на два канта—двух кантный брус -бревно разделанное на четыре канта Слоеная древесина: -шпон, -фанера, -столярные плиты Клееная древесина: -ДВП -ДСП Полуфабрикаты -шпунтованные доски, -паркет, -заготовки.

Вопрос 2. Из минеральных вяжущих материалов наибольшее применение в дорожном строительстве получили цементы. Обычные портландцементы выпускаются следующих марок: 300, 400, 500, 600 и 700. Портландцемент для бетонных и цементно грунтовых покрытий должен иметь марку не ниже 300 с началом схватывания не ра нее чем через 2 ч, концом схватывания (началом твердения) не позднее чем через 12 ч после затворения водой. Как более быстрое, так и более медленное схватывание затрудняет и усложняет производство дорожных работ. Кроме портландцементов приме няются пуццолановые портландцементы, шлакопортландцементы, глиноземистые цементы и др. Цементы широко используются на военных дорогах для стабилизации грунтовых дорог, изготовления плит сборных покрытий, а также колец железобетонных труб.

Органические вяжущие материалы (битумы, дегти и их эмульсии) применяются для обработки грунтов в целях улучшения их качества, укрепления. По виду исходного сырья битумы подразделяются на природные и нефтяные, а по консистенции — на нефтяные дорожные вязкие, улучшенные (БНД) и нефтяные дорожные жидкие, улучшенные (класса СГ и МГ). Класс СГ — жидкие битумы, густеющие со средней скоростью, применяемые при строительстве дорог во всех дорожно климатических зонах. Класс МГ — медленно густеющие жидкие битумы, применяе мые при строительстве дорог в III—V дорожно климатических зонах. Применение этих битумов во II зоне допускается при условии добавления к ним активаторов и поверхностно активных добавок.

Продолжительность выдерживания при рабочей температуре не должна превышать 4 ч для жидкого и 5 ч для низкого битумов. В случае вынужденных продолжительных перерывов в работе (более 4— 5 ч) следует поддерживать температуру битума на 25— 30° ниже наименьшей рабочей температуры. Выбор марки битумов для дорожных работ и температур их нагрева производят, руководствуясь данными табл. 7. 3. 1 и 7. 3. 2. Дегти каменноугольные и сланцевые для дорожного строительства применяются отогнанные (остаточный продукт после отгона из сырой смолы поды и легкокипящих фракций) и составные (смешивание горячего песка и антраценового масла или дегтевых материалов, а также предварительно обезво женной сырой смолы). Марки применяемых для дорожных работ дегтей и температуры нагревания их при этом даны в табл. 7. 3. 3. Широкое применение в дорожном строительстве находят также битумные и дегтевые эмульсии.

Эмульсии—дисперсные системы, в которых средой является вода, а фазой — битум или деготь. Эмульсии применяют при обработке органическими вяжущими дорожных минеральных материалов в холодном состоянии или при влажной их поверхности. Устойчивость эмульсии достигается введением в них поверхностно активных веществ — эмульгаторов.

По способу получения эмульсии бывают двух типов: эмульсии прямого типа (ЭП), когда частицы вяжущего равномерно распределены совместно с эмульгатором в воде; эмульсии обратного типа (ЭО), когда частицы воды равномерно распределены в вяжущем совместно с эмульгатором. В дорожном строительстве применяются главным образом эмульсии прямого типа (табл. 7. 3. 4),

которые разделяются на концентрированные, содержащие до 74% эмульгированного битума или дегтя, и высококонцентрированные, содержащие 74 — 95% и более битума или дегтя. По скорости распада прямые битумные эмульсии делятся на три класса: ЭПб — быстрораспадающиеся, после соприкосновения с обрабатываемым материалом распад происходит ориентировочно через 10— 30 мин; ЭПс — среднераспадающиеся, распад происходит через 30— 60 мин; ЭПм — медленнораспадающиеся, распадается через 4— 24 ч, а иногда и медленнее.

В процессе распада эмульсии изменяется ее цвет в минеральной смеси — от коричневого в начале и до черного в конце распада. Для приготовления прямых эмульсий в северных, северо западных и восточных районах применяют битумы марок БНД 200/300, БНД 130/200, а для средних и южных районов —БНД 90/130 БНД 60/90. Синтетические материалы являются весьма перспективными в дорожном строительстве. Наибольшее применение находят такие синтетические материалы: полимерные пленочные, нетканые синтетические, пенопласты, полимерные добавки, синтетические смолы. Полимерные пленочные материалы — в основном пленки из полиэтилена, поливинилхлорида и полиизобутилена. Это химически стойкие материалы. Вследствие большой плотности полихлорвиниловые пленки лучше сопротивляются истиранию и прокалыванию. Они применяются шириной 2, 4; 3, 2; 4, 9— 5 8 8 ре же 12 м и толщиной 0, 15— 0, 2; 0, 2— 0, 6; 0, 8; 1— 1, 2; 1, 5 и 2 мм для армирования грунта и для устройства изоляционного слоя при неблагоприятных грунтово гидрологических условиях.

Нетканые синтетические материалы (НСМ) — это водопроницаемые рулонные текстильные полотна повышенной прочности, с большим водопоглощением (600— 700%) и значительным коэффициентом фильтрации (25— 40 м/сут). НСМ вырабатывают из синтетических волокон, сырьем для которых служат отходы промышленности. Волокна соединяют между собой иглопробивным, термоупроченным и клееным способами. При этом получается материал, внешне похожий на войлок. По составу материала НСМ подразделяют на три группы (табл. 7. 3. 5), различающиеся прочностными и эксплуатационными показателями. НСМ дорнит поставляется в рулонах шириной 1, 7— 2, 3 м, дли ной 100 м. Толщина материала 4 мм. Его целесообразно применять для следующих целей: при строительстве временных дорог, объездов, площадок, подъездов; для улучшения условий работы оснований СРДП и сборных бетонных покрытий, слоев из зернистых материалов; для обеспечения устойчивости оснований и от косов насыпей на слабых грунтах и заболоченных местностях. Все это ускоряет строительство дорог.

Пенопласты получают на основе термореактивных и термоперлитных смол. Они отличаются большой пористостью и малой плотностью (25— 100 кг/м 3), поэтому теплопроводность их значительно ниже, чем у большинства дорожно строительных материалов. Различают пенопласты жесткие с пределом прочности при сжатии до 3 МПа и нежесткие с пределами прочности ОД— 0, 5 МПа. Первые имеют несущую способность, вторые учитываются только при теплотехнических расчетах и применяются в основном для устройства теплоизолирующих слоев.

Полимерные добавки применяются для изготовления полимерцементобетонов, пластобетонов. Повышение качества бетона может быть достигнуто за счет введения в бетон добавок, латекса, водорастворимого полимера и др. Так, например, добавка латекса повышает сопротивление бетона растяжению при изгибе до 8, 5 МПа, а добавка водорастворимого полимера увеличивает прочность бетона на растяжение при изгибе на 25— 30, при сжатии на 15— 20%. Осадочные деформации бетона при введении добавок снижаются в 2— 3 раза, бетон обладает меньшей истираемостью и повышается его морозостойкость.

Синтетические смолы применяются для гидрофобизации грунтов. Абиетиновая смола, обработанная путем омыления едким натром, используется для приготовления эмульсий, которыми и обрабатывают грунт. Фурфуроланилиновую смолу с соотношением фурфурола и анилина 1 : 2, 5 вводят в грунт с общим расходом от 0, 5 до 2% массы грунта для его улучшения. Переувлажненные грунты обрабатывают также высокомолекулярными синтетическими смолами типа акрилата кальция, карбамидными смолами и им подобными, что позволяет улучшить их качество, однако приводит к удорожанию строительства за счет повышенного расхода вяжущего (8— 10% массы улучшаемого грунта).

Полевые способы оценки качества строительных материалов Полевые обследования грунтов по трассе проектируемой или существующей дороги производятся в целях определения их типов, свойств, мощности слоев, границ залегания в пределах полосы отвода и пригодности грунтов как естественных оснований под дорожные покрытия и искусственные сооружения, как материала для возведения земляного полотна, изучения особенностей водного режима (условия стока поверхностных вод, признаки заболачивании, уровень стояния грунтовых вод). Обследование грунтов но трассе производится в полосе 100— 200 м путем осмотра естественных обнажений в оврагах, на крутых склонах, щелей и воронок. При отсутствии естественных обнажений закладывают специальные выработки — шурфы прямоугольного сечения размером в плане 80 X 170 см, глубиной 150— 200 см. В шурфах измеряют глубину расположения характерных горизонтов грунта и отбирают образцы. Одновременно с обследованием грунтов определяется уровень грунтовых вод.

Как правило, закладывается не менее одного шурфа на километр трассы дороги. Для уточнения границ грунтовых слоев между шурфами закладываются полушурфы глубиной 0, 75— 1 м. Точные границы смены типов грунтовых слоев устанавливают с помощью мелких выработок — прикопок глубиной 0, 5 м. Обследование грунтов на большую глубину, например около искусственных сооружений, производится с помощью буровых скважин.

Оценка грунтов в полевых условиях может быть произведена по внешним признакам (визуально) и путем простейших лабораторных исследований. Внешние признаки позволяют ориентировочно делать выводы о типе грунта немедленно. Песчаные грунты сыпучи, непластичны, отдельные крупные частицы легко прощупываются при растирании в руке, при увлажнении шарик из грунта не скатывается. Супесчаные грунты отличаются тем, что при их растирании чувствуется преобладание песчаных частиц, комочки грунта легко раздавливаются, во влажном состоянии шарик образуется, но в шнур грунт не раскатывается. Пылеватый грунт при растирании дает ощущение сухой муки, во влажном состоянии в шнур скатывается плохо. Суглинистые грунты связные, сухие комочки его раздавлива ются с усилием, из влажного грунта можно раскатать шнур диаметром 2— 3 мм, а из тяжелых суглинков — 1— 2 мм, но при изги бании шнура образуются трещины.

Глинистые грунты очень связные, комочки сухого грунта раздавливаются с трудом, во влажном состоянии сильно пластичен, раскатывается в длинный шнур диаметром менее 1 мм, при сгибании шнура в кольцо трещин не образуется. Простейшие лабораторные исследования на пробах грунта. Для ускоренного метода полевого анализа по зерновому составу отбирают пробу сухого грунта массой 100 г, которую в ступке растирают до полного измельчения комков и в случае наличия в грунте гравийной фракции просеивают через сито с отверстиями 2 мм. Отношение массы отсеянного гравия к массе всей пробы составит его процентное содержание в грунте. После этого определяют процент песчаных и глинистых частиц в грунте. Оставшаяся часть грунта составляет содержание пылеватой фракции. Для определения содержания песка часть грунта (10 см 3) помещают в мерный цилиндр вместимостью 50— 100 см 2 и уплотняют постукиванием, затем над слоем грунта отмеряют 6 см и делают отметку на стенке цилиндра. В цилиндр наливают воду до сделанной отметки, взмучивают грунт и дают ему отстояться в течение 30 с. После этого сливают воду с неуспевшим осесть грунтом и вновь наливают чистую воду до отметки. Далее отмучивание производят в той же последовательности до полного осветления воды над грунтом. По оставшемуся объему грунта в цилиндре определяют процент содержания песка. Например, если объем оставшегося грунта составляет 6 см 3, то песчаных частиц в грунте 60%.

Для определения содержания глинистых частиц часть пробы грунта помещают в чашку и заливают водой до получения рабочего теста (когда грунт, оставаясь пластичным, перестает прилипать к рукам). Из этого теста на столе или на руках раскатывают шнур, пока он не начнет распадаться. Распавшиеся частицы шнура переносят на миллиметровую бумагу для измерения диаметра шнура. По величине диаметра шнура определяют процент глинистых частиц (табл. 7. 2. 1).

Вопрос 3. Гравийные и каменные карьеры. Поиски и разведка месторождений. Техника безопасности при разработке карьеров.

Поисковые работы нацелены на выявление признаков месторождений. При обнаружении выходов минерала на дневную поверхность проводится детальная разведка местности для установления размеров и ценности месторождения. В случае положительных результатов и благоприятных маркетинговых, транспортных и других условий можно готовить месторождение к активной эксплуатации. Индивидуальные поиски. Наиболее легко распознаваемые и доступные месторождения давным давно открыты. Весь комплекс работ по добыче каменных материалов называется горными работами. Разрабатываемые месторождения носят название карьеров, а выработанные пространства, образующиеся в процессе добычи ископаемых, — выработок. Обычно при добыче полезных ископаемых попутно получается более или менее значительное количество непригодной для строительства так называемой пустой породы. Различают карьеры коренных месторождений, в которых разрабатывают сплошные массивы горных пород, например граниты, известняки и др. , и карьеры рыхлых горных пород (разработка песка, гравия, валунного камня). Самостоятельно законспектировать стр. 192 200, зарисовать таб. 7. 4. 2 7. 4. 9.

Карьеры делятся на два основных типа: 1) промышленные, с большими запасами полноценных пород, что гарантирует долголетнюю их эксплуатацию, возможность применения современных машин и оборудования и механизацию работ. Эти карьеры, территориально не связанные со строительными объектами, как прави ло, связаны с железнодорожным или водным путем для транспортиро вания готовой продукции; 2) притрассовые (расположенные у дорог), обслуживающие мест ные нужды и расположенные вблизи строительного объекта, с неболь шим сроком эксплуатации. . Разработка горной породы, в зависимости от условий залегания, может быть открытая, подземная или, в редких случаях, подводная. При выборе метода разработки учитывают условия залегания породы, ее качество и количество, а также характер трещин, облегчающих разработку. Для открытых работ особенно удобны выходы горных пород в верхних 'зонах склонов долин, оврагов и берегов рек. В этом случае резко уменьшается объем вскрышных работ, облегчается отвод грунтовых и атмосферных вод и облегчается транспортирование готовой продукции к местам погрузки.

Задание на самостоятельную работу: — изучить материал занятия по конспекту; учебник " Военная подготовка офицеров запаса дорожных войск". Ч 1. стр. 179 200