CC BY
30
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.855.32
ВЗАИМОСВЯЗЬ МАКРО - И МЕЗОСТРУКТУР В СМЕСЯХ КРУПНОГО ПОРИСТОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ И ПЕСКА
В. Д. Галдина
Аннотация. Изложены результаты исследований взаимосвязи макро-и мезоструктур в битумоминеральных композициях на основе крупного пористого заполнителя из вулканического туфа и природного песка с разным модулем
крупности. Установлено, что уравнение щ + г" = 1 применимо для описания
взаимосвязи относительных плотностей упаковки зерен щебня из вулканического туфа и природного песка с различным модулем крупности в их смесях. Подобраны значения коэффициентов т и п для каждого использованного в эксперименте песка.
Ключевые слова: крупный пористый заполнитель, плотность упаковки зерен, пустотность межзерновая.
песок, относительная
Введение
Расчетный метод проектирования составов битумоминеральных композиций (БМК) на плотных и искусственных пористых заполнителях, основанный на
математическом описании взаимосвязи бинарных структур в общей структуре материала (метод СибАДИ), разработан Ю.В. Соколовым [1 - 3]. Метод основан на принципах и закономерностях
структурообразования БМК и позволяет расчетным путем устанавливать
оптимальный состав БМК и ожидаемые значения ряда показателей свойств (пустотности минеральной части, средней плотности, общей стоимости компонентов на 1000 кг или 1 м 3 БМК и др.). В роли структуроуправляющих параметров
используются относительные плотности упаковки зерен щебня в макроструктуре, песка в мезоструктуре, минерального порошка в микроструктуре и заданная межзерновая остаточная пористость. Для БМК на плотных и искусственных пористых заполнителях (тяжелом керамзите, термолите) установлена взаимосвязь макро -и мезоструктур в смесях крупного заполнителя и песка, описываемая уравнением [1, 2]:
(1)
при Гщ =фщ (1 - Рщ); (2)
= <Р п /(1 - Рп),
(3)
гт + г" = 1;
' Щ 1 ' П А '
Гщ =Фщ (1 - Рщ )
где Гщ, гп - относительные плотности упаковки зерен соответственно щебня и песка; 0 < гщ < < 1,0; 0< гп < 1,0; , фп -текущие объемные концентрации в смеси соответственно щебня и песка, доля единицы объема; тип- показатели степени, зависящие от формы и крупности зерен щебня и песка; Рщ, Рп, - межзерновые пустотности щебня и песка в уплотненном состоянии соответственно, доля единицы объема.
Развитие метода проектирования составов битумоминеральных композиций
Развитие метода СибАДИ применительно к использованию в БМК крупного пористого заполнителя из вулканического туфа потребовало проведения дополнительных исследований по установлению взаимосвязи относительных плотностей упаковки зерен щебня в макроструктуре гщ и песка в мезоструктуре гп.
Цель работы заключалась в определении фактических значений показателей тип, входящих в уравнение (1), и отражающих характер взаимосвязи макро - и мезоструктур в смесях щебня из туфа и природного песка с разным модулем крупности.
В эксперименте использованы щебень из вулканического туфа фракции 5 - 15 мм и природный песок с модулем крупности (Мк), равным 1,0; 2,0 и 3,0 (таблица 1).
г
Таблица 1 — Свойства щебня и песка
Показатель Щебень Модуль крупности песка
1 2 3
Средняя плотность, кг/м3 1850 2630
Насыпная плотность в виброуплотненном состоянии, кг/м3 1034 1650 1878 1927
Межзерновая пустотность в виброуплотненном состоянии, об. % 44,1 37,3 28,8 26,7
Экспериментальные исследования по определению взаимосвязи относительных плотностей упаковки зерен щебня и песка выполнялись по методике [3]. Суть методики заключалась в уплотнении в мерном сосуде смесей щебня и песка при заданном значении
объемы соответственно щебня и песка в 1 м смеси, м3; 3) гп - относительные плотности упаковки зерен песка ; 4) фп - текущие объемные концентрации песка в смеси, доля
единицы объема; 5)
Рщ + п
- насыпные
3
Гщ, изменяющемся от 0,0 до 0,8 с шагом 0,2 и от плотности смесей щебня и песка, кг/м ; 6)
Рщ+п - межзерновые пустотности смесей щебня и песка, доля единицы объема. Каждый опыт при заданном значении гщ повторялся трижды. Результаты
эксперимента представлены на рисунке 1 и 2.
' Щ!
0,8 до 1,0 с шагом 0,05. Уплотнение смесей производили на лабораторном вибростоле с пригрузом 0,03 МПа в течение 180 с.
В ходе эксперимента определяли: 1) Gщ, Gп - массовые расходы соответственно щебня и песка в 1 м3 смеси, кг; 2) Vш, Vп -
л 1,0
о и
Я к ч 0,8
Ч 14
Я к й и 0,6
о
л ч [3 0,4
н и
о о о и 0,2
я га
о ^ 0,0
3> №
\\
VI
N
50
40
30
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Относительная плотность упаковки щебня, доля ед.
& 20 С
10
1
Л
^ 2
^ Л- /
а)
б)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Относительная плотность упаковки щебня, доля ед.
Рис. 1. Взаимосвязь относительных плотностей упаковки зерен щебня из туфа и песка в их смесях (а) и пустотности смесей щебня из туфа и песка в виброуплотненном состоянии (б) при модуле крупности песка Мк = 1 (1), Мк = 2 (2), Мк = 3 (3)
50
40
30
£ 20
10
J
\ /
ч /
2
0 20 40 60 80 100
Содержание щебня, мае. %
Рис. 2. Зависимость пустотности от содержания щебня из туфа в щебеночно-песчаной смеси при модуле крупности песка Мк = 1,0 (1), Мк = 2,0 (2) и Мк = 3,0 (3)
г22 + г3'3 = 1 ■
'щ 1 ' П ± '
г11 + г05 = 1 ■
'щ 1 'п ± '
г5 + г125 = 1
'щ ''п А■
Установлены следующие закономерности.
1. Характер функций гп = П (г^) количественно несколько различается и зависит от модуля крупности песка и его пустотности в виброуплотненном состоянии (рис. 1, а).
После обработки результатов эксперимента и построения графиков зависимости гп = П (Гщ) (см. рис. 1, а) стало очевидным, что взаимосвязь гп и гщ может быть выражена в виде формулы (1). Значения коэффициентов тип были подобраны на ЭВМ для каждого использованного в эксперименте песка: Мк = 1; т = 22; п = 3,3;
(4)
Мк = 2; т = 11; п = 0,5;
(5)
Мк = 3; т = 5; п = 1,25;
(6)
2. Минимальное значение Рщ+П находится в области, совпадающей с наиболее криволинейными (переходными) участками функции гп = П (гщ). Графики функции Рщ+П = П (г^) имеют экстремум в интервале значений гщ = 0,6 - 0,8 (рис. 1, б).
Зная зависимости между относительными плотностями упаковки зерен щебня и песка различной крупности и пользуясь уравнением (7) [1]
Рщ+п = [1 - (1 - Рщ )гщ ][1 - (1 - Р„ )(1 - 2 )1/П ] ,(7) можно найти минимальное значение пустотности, что соответствует
рациональному составу щебеночно-песчаной смеси для БМК.
3. Плотность упаковки зерен в щебеночно-песчаной смеси повышается с уменьшением модуля крупности песка (рис. 2.). Следовательно, в смесях с крупным пористым заполнителем предпочтительно использовать мелкие и очень мелкие природные пески. Мелкие зерна таких песков соизмеримы с неровностями поверхности зерен пористого заполнителя и поэтому заполняют их, способствуя повышению плотности упаковки песчаных зерен в межзерновом пространстве крупного пористого заполнителя.
4. Зависимости, представленные на рисунке 2, для песка с модулем крупности 1,0, 2,0 и 3,0 описываются соответственно следующими уравнениями регрессии (при достоверности аппроксимации Я = 0,96 - 0,99):
Рщ+П = 0,0072Щ2 - 0,5821Щ + 30,454 ;
(9)
Рщ+П = 0,0089Щ2 - 0,8268Щ + 38,644;
(8)
Рщ+„ = 0,0055Щ2 - 0,3767Щ + 27,467, (10)
где Щ - содержание щебня из туфа в щебеночно-песчаной смеси, мае. %.
По уравнениям регрессии определены минимальные значения пустотностей щебеночно-песчаных смесей, которые для природных песков с модулем крупности 1,0, 2,0 и 3,0 составили 19,4, 18,7 и 21,0 об. % при содержании щебня 46,45, 40,42 и 34,25 мас.% соответственно.
Следовательно, составы смесей для БМК с крупным пористым заполнителем из туфа следует проектировать с бесконтактной (базальной или порово-базальной) макроструктурой. В смесях с такой макроструктурой крупный пористый заполнитель не будет образовывать систематических контактов, а уплотненный асфальтовый раствор создаст условия для всестороннего объемного обжатия пористого зерна при уплотнении смеси и эксплуатации БМК в покрытии [3 - 5].
Заключение
Выполненные исследования подтвердили, что взаимосвязь макро - и мезострукутр в БМК на основе пористого щебня из вулканического туфа и природного песка может быть описана уравнением (1) [1]. Определены значения показателей т и п, входящих в уравнения (4) -(6), которые необходимы при расчете и оптимизации состава БМК на основе пористого щебня из туфа с учетом взаимосвязи макро - и мезоструктур в общей структуре материала. Получены уравнения регрессии, отражающие зависимость межзерновой пустотности от содержания щебня из туфа фракции 5 - 15 мм в щебеночно-песчаной смеси при разном модуле крупности песка.
Библиографический список
1. Соколов, Ю. В. Расчет и оптимизация состава дорожного асфальтобетона / Ю. В. Соколов. - Омск: Изд-во СибАДИ, 1989. - 36 с.
2. Соколов, Ю. В. Взаимосвязь объемных концентраций зерен керамзита и песка в их смесях / Ю. В. Соколов, Т. В. Литвинова // Исследование цементных бетонов и пластбетонов: сб. науч. тр. -Омск: ОмПИ, 1988. - С. 25 - 29.
3. Соколов, Ю. В. Зерновой состав керамзита как заполнителя для дорожных асфальтобетонов / Ю. В. Соколов, В. Г. Радаев // Исследование свойств цементных и асфальтовых бетонов: сб. науч. тр. - Омск: ОмПИ, 1984. - С. 21 - 27.
4. Дорожный асфальтобетон / Под ред. Л. Б. Гезенцвея. - М.: Транспорт, 1985. - 350 с.
5. Ратнер, Л. С. Исследование измельчаемое™ керамзита при уплотнении его в
битумоминеральных смесях / Л. С. Ратнер // Повышении эффективности применения цементных и асфальтовых бетонов в Сибири: сб. науч. тр. -Омск: СибАДИ, 1974. - Вып. 2. - С. 57 - 63.
INTERRELATION MAKRO - AND MESOSTRUCTURES IN MIXES OF
THE LARGE POROUS FILLER AND SAND
V. D. Galdina
Results of researches of interrelation macro- and mesostructures in bitumen- mineralcompositions on the basis of a large porous filler from a volcanic tufa and natural sand with the different module of large are
stated. It is established that the equation f r+J} = 1
is applicable for the description of interrelation of relative density of packing of grains of rubble from a volcanic tufa and natural sand with the various module of large in their mixes. Values of factors m and n for each sand used in experiment are picked up.
Keywords: a large porous filler, sand, relative density of packing of grains, hollowness intergrain.
Bibliographic list
1. Sokolov, JU. V. Calculation and optimisation of structure road asphalt concrete / JU. V.Sokolov. -Omsk: Publishing house SibAdI, 1989. - 36 p.
2. Sokolov, JU. V. Interrelation of volume concentration of grains porous filler and sand in their mixes / JU. V.Sokolov, T. V. Litvinova // Research of cement concrete and пластбетонов: The collection of proceedings. - Omsk: OmPI, 1988. - P. 25 - 29.
3. Sokolov, JU. V. Grain structure of porous filler as filler for road asphalt concrete / JU. V.Sokolov, V. G.Radaev // Research of properties of cement and asphalt concrete: The collection of proceedings. -Omsk: OmPI, 1984. - P. 21 - 27.
4. Road asphalt concrete / Under the editorship of L.B.Gezentsveja. - M: Transport, 1985. - 350 p.
5. Ratner, L. S. Research crushing of porous filler at its consolidation in bitumen of the mineral mixes / L. S. Ratner // Increase of efficiency of application of cement and asphalt concrete in Siberia: The collection of proceedings. - Omsk: SibAdI, 1974. -Release 2. - P. 57 - 63.
Галдина Вера Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований -органические вяжущие материалы и битумоминеральные композиции. Имеет 140 опубликованных работ. E-mail:
galdin_ns@sibadi. org.
УДК 625.7
РАСЧЕТ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПО КРИТЕРИЮ БЕЗОПАСНЫХ ДАВЛЕНИЙ
Г. В. Долгих
Аннотация. Предложен новый критерий расчета дорожной одежды по сопротивлению сдвигу, заключающийся в сравнении давлений воспринимаемых земляным полотном с безопасными давлениями. Получена формула, позволяющая определять безопасное давление при воздействии нагрузки, распределенной по круглой гибкой площадке. Для расчета безопасных давлений использована модификация условия пластичности Кулона - Мора предложенная Г. К. Арнольдом.
Ключевые слова: Сопротивление грунта сдвигу, безопасное давление, земляное полотно, грунт.
Введение
Исследования, выполненные
специалистами дорожной отрасли в области пластического деформирования дорожных конструкций [1-5], показывают, что в грунты земляного полотна накапливают основную часть остаточной деформации,
проявляющейся в виде неровностей на покрытии дорожной одежды. В ряде случаев деформация, накапливаемая грунтами земляного полотна, может составлять до 80 % от необратимой деформации, накопленной всей дорожной конструкцией в целом [2, 4, 5]. Ровность дорожных покрытий обуславливает
важнейшие потребительские свойства дороги скорость и безопасность движения [6]. В свою очередь глубина неровностей тесно связана с величиной пластических деформаций, накапливаемых в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна. Величина пластических деформаций грунтов и гранулированных материалов зависит от их сопротивления сдвигу. Поэтому работы, направленные на совершенствование методов проектирования дорожных одежд по сопротивлению грунтов земляного полотна, являются актуальными для дорожной отрасли.
