СВОЙСТВА ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, мосты и др.) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, массу элементов конструкций, механическую работу воды, льда, ветра. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды и др.

В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил. С течением времени под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Пригодность материалов для конкретных условий определяются по их свойствам. Показатели свойств материалов являются важнейшими критериями их качества. Они нормированы в государственных стандартах и других нормативно-технических документах. Свойства материалов не остаются стабильными, они изменяются под воздействием физических, механических и физико-химических факторов. Выделяют следующие свойства:

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. Важнейшими из физических свойств материала являются:

Плотность - масса вещества материала в единице его объема. Плотность строительных материалов больше единицы.

Объемная масса - масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами и пустотами и т. д.). Объемная масса строительных материалов обычно меньше плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значения объемной массы и плотности. Поэтому по объемной массе можно судить о пористости материала. У рыхлых зернистых материалов различают насыпную массу — массу единицы объема материала в рыхлом состоянии. Насыпная масса характеризует, кроме пор в зернах материала, пустоты между зернами.

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

,

где - объемная масса;

- плотность материала.

Влажность определяют в процентах по объему или массе:

,

где и - масса влажного и сухого образца материала, г;

- объем материала.

Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать молекулярными и капилярными силами при атмосферном давлении.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Ее характеризуют коэффициентом теплопроводности, измеряемым в единицах Вт/(м^оС).

Механические свойства — способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные и касательные напряжения, обусловливающие процессы деформирования материала. В качестве основных можно выделить следующие механические свойства:

Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. Прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа). Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше. Прочность асфальотобетонов при сжатии 5-7 МПа (температура при испытании 20°С).

Упругость - свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Упругость характеризуют модулем упругости

;

где - модуль упругости;

- напряжение, МПа;

- относительная деформация.

Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации Вязкость жидких материалов характеризует способность сопротивляться перемещению одного слоя материала относительно другого. Вязкость материала характеризуют коэффициентом вязкости:

где - коэффициент вязкости;

- скорость изменения относительной деформации, с^-1

С вязкостью и упругостью материалов в определенной мере связаны пластичность и хрупкость.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость - свойство материалов под влияниём внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяется от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре.

Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

Химические свойства материалов определяют его способность вступать в химическое взаимодействие с веществами среды, в которой он находится, их учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве. К химическим свойствам относятся:

Растворимость - способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.

Коррозионная стойкость - свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.).

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.

Твердение - свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляться различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

Конструкционные свойства обуславливают возможность создания из материалов конструкций с заданными механическими свойствами. К ним относятся:

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала.

прочность – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий.

Износ – свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Технологические свойства –характеризуют поведение материала при технологических процессах:

Формуемость (удобоукладываемость) – свойство смесей приобретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость – свойство смеси сохранять неоднородность при транспортировке и формовании.

Эксплуатационные свойства – обуславливают работу материала в элементах дорожных конструкций на протяжении определенного отрезка времени:

Долговечность – продолжительность работы материала в конструктивных элементах сооружений в условиях эксплуатации. С долговечность материалов связывают выносливость – способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям.

2. СТРУКТУРА МАТЕРИАЛА

Структура материала характеризуется качеством и количественным соотношением составляющих, их взаимным расположением и связями между ними.

По методам изучения различают:

- макроструктуру – строение, видимое невооруженным лазом;

- микроструктуру – строение материала, видимое в микроскоп;

- ультромикроструктуру – внутренне строение материала, составляющего материал, изучаемого методами электронной микроскопии. На уровне ультромикроструктуры материала изучено главным образом строение вещества, состоящего из одного или нескольких элементов, между которыми устанавливаются устойчивые связи.

Свойства вещества зависят от химического строения молекул, в которых атомы располагаются таким образом, чтобы общая потенциальная энергия системы была минимальной.

Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, расположение атомов, ионов, молекул в узлах которой периодично и характерно для данного вещества.

Строение реальных кристаллических и аморфных веществ существенно отличается от идеального по следующим позициям:

1. Структура материала у поверхности значительно отличается от структуры в их толще. Атомы и молекулы вещества на поверхности материала более активны, чем внутри материала. Поэтому поверхность материала всегда покрыта слоями других веществ, что существенно изменяет свойства материала в целом. Вследствие этого структура материала всегда находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии.

2. Важнейшими критериями качества структуры является плотность, объемная масса и пористость материала. Зная эти показатели, можно судить о прочности и долговечности материала. Наиболее высокой прочностью обладает идеально однородный материал. Появление неоднородности в нем вызывает концентрацию напряжений, вследствие чего образуются микротрещины. Общую зависимость прочности от неоднородности структуры можно представить графически следующим образом:

Схема зависимости прочности от неоднородности

структуры материалов.

3. Структура материала может быть одно-, двух- и многокомпонентной. Различают конгломератную (бетоны), волокнистую (древесина, стеклопластик), слоистую (текстолиты) и рыхлозернистую (песок, щебень) макроструктуры. Для простоты изучения многокомпонентные структуры обычно разделяют на двухкомпонентные.

4. В формировании свойств материалов важное значение имеет их микроструктура. По характеру связей между компонентами можно выделить три типа микроструктур – коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную.

Коагуляционная структура – пространственные микросетки, возникшие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы через тонкие прослойки жидкой или газообразной среды. Свойства коагуляционной структуры обусловлены наличием тонких пленок в местах контакта частиц фазы, поэтому эти структуры характеризуются малой прочностью, хорошей пластичностью и способностью восстанавливать структуру (тиксотропность) после ее разрушения температурными или механическими воздействиями (глиняное тесто, битум в а/б).

Конденсационные структуры представляют собой хрупкие пространственные микросетки, которые образуются из коагуляционных структур вследствие уменьшения в системе жидкой фазы (высушенная глина). Возникает непосредственный контакт между частицами фазы, прочность увеличивается, но при этом утрачивается пластичность, эластичность и тиксотропность. Эта структура может переходить в коагуляционную при увеличении в системе жидкой фазы.

В кристаллизационной структуре пространственные сетки образуются в результате непосредственного срастания отдельных кристаллов. Структура обладает большой прочностью, разрушается без заметных остаточных деформаций и характеризуется отсутствием тиксотропных свойств. Кристаллизационные структуры характерны для горных пород, цементобетонов и т.д.

Между рассмотренными структурами могут быть промежуточные: кристаллизационно-конденсационные, коагуляционно-конденсационные.

По крупности зерен составляющих в каменных материалах различают крупно-, средне и мелкокристаллические структуры. Форма зерен структурных составляющих влияет на образование определенных структур и свойств материалов. С уменьшением крупности зерен существенно изменяются свойства материала. Это связано с тем, что с уменьшением зерен структурных составляющих изменяется характер неоднородности материала, а следовательно, и его внутреннее напряженное состояние.

Структура оказывает большое влияние на изоляционные, технологические, эксплуатационные свойства материалов, на их долговечность. Поэтому, оптимизируя ее, можно заметно улучшить свойства материалов.

Лекция № 2

3. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природные каменные материалы изготавливают из скальных и обломочных горных пород. Скальные горные породы - с жестки структурными связями, обладают достаточно высокой прочностью и залегают в виде массивов или трещиноватых слоев. Обломочные горные породы - рыхлые (сыпучие) состоят из обломков скальных горных пород без прочных связей между ними и залегают в виде скопления.

В зависимости от назначения и условий, в которых будет работать материал, применяют дробленые материалы (щебень, высевки), колотые (бутовый камень, шашку для мощения), пиленые (блоки, плиты), штучные разной степени обработки (брусчатку, шашку для мозаиковой мостовой, бортовые и облицовочные камни, блоки).

К природным обломочным горным породам относят валунный камень, гравий и песок, которые уже в природном виде могут быть использованы в строительстве. В необходимых случаях валунный камень и галечно-гравийный материал подвергают расколу, дроблению и последующему грохочению.

Стоимость каменных материалов относительно невысока, вследствие чего их широко применяют для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, дренажных и укрепительных устройств.

Природные каменные материалы, являясь продуктом механической переработки горных пород, отличаются от последних формой и размерами, а также состоянием поверхности раскола. Поэтому их свойства зависят от состава исходной горной породы и ее состояния (трещиноватости, степени выветрелости и др.).

Горные породы - основное сырье для производства керамики, минеральных вяжущих (гипса, извести, цементов), искусственных каменных безобжиговых материалов, стекла, бетонов и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы представляют собой плотные или рыхлые агрегаты, состоящие из тех или иных минералов, обломков других горных пород, в свою очередь, сложенных теми или иными минералами.

Условия образования (генезиса) горных пород предопределяют их состав, строение, характер залегания, а следовательно, и свойства. По генезису горные породы, слагающие земную кору делят на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы подразделяют на: глубинные (граниты, сиениты, габбро, лабрадорит); излившиеся древние (кварцевый порфир, порфирит, диабаз) и новейшие (трахит, андезит, базальт, липарит). Они образовались в результате застывания магмы как в слоях земной коры, так и на ее поверхности. Поднимаясь по трещинам в земной коре, магма вследствие снижения температуры и давления постепенно застывала на глубине или значительно быстрее на поверхности, образуя магматические глубинные и излившиеся горные породы. От быстроты охлаждения зависит и форма минералов: в условиях медленной кристаллизации образуются крупные кристаллы, а в условиях быстрой - мелкие. При очень быстром охлаждении образуются породы стекловатой структуры.

При быстром охлаждении магмы и интенсивном выделении из нее газообразных продуктов образовались излившиеся магматические породы - пемза, вулканический пепел, характерной особенностью которых является пористая, ноздреватая пемзовидная структура.

Осадочные горные породы подразделяются на:

- обломочные рыхлые представляющие собой рыхлые продукты механического разрушения, в виде скопления обломков разной величины и формы (валуны, галька, гравий, пески, глины);

- обломочные сцементированные образующиеся последующим уплотнением и цементированием природными веществами, например глиной (песчаники, конгломераты, брекчии, некоторые виды опок);

- химические осадки, образовавшиеся путем осаждения минеральных веществ из водных растворов с последующим уплотнением (гипс, ангидрит, доломит, магнезит,. известковые туфы);

- органогенные осадочные породы являющиеся продуктом отложения остатков различных отмерших организмов с последующим уплотнением и цементацией(известняки, мел, диатомит, трепел, опока).

Метаморфические горные породы на продукты видоизменения магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и давления. Метаморфизм выражается в изменении структуры, текстуры и минералогического состава.

Качество горных пород для производства дорожно-строительных материалов определяются их минералогическим составом, структурой и текстурой. Породы, состоящие практически из одного минерала, называют мономинеральными, или простыми. Породы из нескольких минералов называют сложными, или полиминеральными.

Породы одинакового минералогического состава могут иметь разную структуру, а следовательно, различные свойства (гранит и кварц, одинаковый минералогический состав, разная структура) и, наоборот, породы различного состава могут обладать одинаковой структурой (гранит и диорит, разный минералогический состав, но одинаковая кристаллическая структура).

Структура (строение) горной породы определяется размером и формой кристаллов, их сочетанием и размещением между собой. Различают следующие виды структур: кристаллическую, пегматитовую, порфировую, стекловатую, зернистую. Однородная мелкозернистая структура (< 3 мм) служит признаком более высокой прочности и стойкости против выветривания, хорошей колкости и полируемости по сравнению с крупнозернистыми (5-10 мм) и грубозернистыми (> 10 мм) разновидностями горных пород.

Различают также текстуру (сложение), которая характеризует наличие пор и микротрещин в породе. Породы с плотной текстурой более прочны и устойчивы, более теплопроводны, они лучше полируются, чем пористые разновидности. С увеличением пористости (ноздреватости, ячеистости) понижается прочность и стойкость против выветривания.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНЫХ СКАЛЬНЫХ И ОБЛОМОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы магматического, осадочного и метаморфического происхождений наибольший интерес с точки зрения производства каменных материалов представляют.

Магматические горные породы по химическому составу характеризуются содержанием главным образом кремния, алюминия, железа кальция, магния, калия и натрия.

Каменные строительные материалы, получаемые из плотных кристаллических магматических горных пород, отличаются большой прочностью, твердостью, вязкостью, погодоустойчивостью, хорошей обрабатываемостью. К основным магматическим горным породам, используемым для производства дорожно-строительных материалов можно отнести:

- Гранит - наиболее распространенная глубинная магматическая горная порода. Он обладает плотным сложением. Цвет гранита зависит главным образом от ортоклаза и содержания темноцветных минералов; обычно преобладают серые и красные цвета разных оттенков. Граниты характеризуются средней плотностью 2700 кг/м³ объемной массой 2600 кг/м³ , малой водонасыщенностью, большой прочностью (120 - 200 МПа) и погодостойкостью.

- Сиениты по минералогическому составу отличаются от гранитов отсутствием кварца. (или небольшим содержанием его) и преобладанием щелочного полевого шпата. Окраска сиенитов чаще бывает серая, красноватая, темно-зеленоватая. Плотность их 2700 - 2900, объемная масса 2600 - 2800 кг/м³, пористость и водонасыщение незначительны. Прочность при сжатии у сиенитов колеблется в пределах 120 - 150 МПа. По сравнению с гранитами они несколько мягче, лучше полируются и более вязки.

- Диориты имеют равномерно кристаллическую структуру, окраска преобладает от темно-зеленоватой до черно-зеленой, плотность 2700 - 3000 кг/м³ прочность при сжатии 180 - 340 МПа в среднем выше, чем у гранитов и сиенитов. Они отличаются повышенной вязкостью и устойчивостью против выветривания. Диориты наравне с гранитами и сиенитами пригодны для производства различных видов каменной продукции и в особенности штучных материалов.

- Габбро имеют равномерно кристаллическую структуру, окраска темно-зеленая, оливково-зеленая и коричнево-зеленая, плотность 2800 - 3100 кг/м³ прочность при сжатии в среднем 200 - 280 МПа, но у крупнозернистых разновидностей уменьшается до 100 МПа. Габбро - стойкая порода против выветривания, наряду с высокой прочностью обладает большой вязкостью, что несколько затрудняет разработку, хорошо полируется. Наряду с другими изверженными породами габбро находит применение в дорожном строительстве для получения различных строительных материалов.

- Диабазы - преимущественно мелкокристаллические породы. Характерной особенностью диабазов является переплетенное строение, при котором промежутки между беспорядочно переплетенными кристаллами известково-натровых полевых шпатов заполнены темной аморфной ангидритовой массой. Плотность диабаза 2800 - 3000 кг/м³ прочность при сжатии в среднем около 200 МПа (иногда до 400 МПа); они хорошо полируются. При выветривании диабаз приобретает бурую окраску и распадается на щебень ржавого цвета, обогащенный глинистым веществом.

- Базальты - породы темного цвета, плотные, обычно скрытокристаллической структуры. Технические свойства базальтов крайне различны: плотность 2700 - 3300 кг/м³ они тверды и обладают высокой прочностью, достигающей 300, иногда 500 МПа. Относительная хрупкость базальтов несколько снижает их общие, довольно высокие технические свойства.

Осадочные горные породы залегают в верхних слоях земной коры. Земная поверхность на 75 - 80% расположена в области развития осадочных горных пород, но в общей толще земной коры осадочные породы составляют 5%. Каменные материалы из осадочных горных пород характеризуются разнообразными техническими свойствами, что объясняется условиями образования пород. Для осадочных горных пород характерной особенностью является пластовая форма залегания. С течением времени осадочные горные породы за счет уплотнения и цементации претерпевают ряд физико-химических изменений. Основные осадочные горные породы:

- Обломочные породы или механические отложения - продукты выветривания магматических, метаморфических или ранее образованных осадочных пород. Различают рыхлые и сцементированные обломочные породы.

- Рыхлые обломочные осадочные горные породы - скопление продуктов выветривания скальных горных пород. По происхождению (генезису) рыхлые обломочные горные породы могут быть: речные или аллювиальные (русловые, пойменные и дельтовые осадки), озерные и морские (прибрежные и глубинные), ветровые или эоловые (дюнные, барханные, бугристо-кучевые, грядовые). По крупности окатанных обломков рыхлые горные породы условно делят на валуны (крупнее 100 мм), гальку, гравий и песок.

1. Валунный камень - грубоокатанные, преимущественно округлой формы, обломки скальных горных пород размером более 100 мм. По условиям залегания валунный камень может быть верховой (или полевой), низовой (недровый), речной (горные реки), морской и озерный (прибрежный и донный или глубинный). Валуны размером до 25 см называют сырцом, так как их можно при менять для дорожных работ (например, мощения) без дополнительной обработки. Более крупные валуны используют для получения каменного материала (шашки, щебня) путем раскалывания и дробления.

2. Галька - представляет собой окатанные водой обломки горных пород размером от 100 до 70 (40) мм. Она обладает теми же свойствами, что и мелкий валунный камень. Гальку применяют для устройства оснований, дренажей, но чаще измельчают и используют как щебень.

3. Гравий - рыхлое скопление окатанных обломков исходных горных по род размером от 70 до 5 (3) мм. В месторождениях карьерный гравий может залегать в виде сплошных скоплений, отдельных слоев, линз, гнезд и содержать различное количество примесей в виде галечников, песка, глинистого вещества. Более рентабельны для разработки его сплошные покровные отложения. Добытый в карьере гравий (рядовой) может содержать различное количество песка.

В случае, когда гравийный материал содержит более 50% песка, его называют гравийно-песчаным. Крупный рядовой гравий состоит из зерен 5 - 70 мм, а средний рядовой 5 - 40 мм. Карьерный гравий после отгрохотки и отделения песка называется сортовым. Его разделяют на следующие фракции: 70 - 40, 40 - 20, 20 - 10, 10 - 5 и менее 5 мм - гравийный песок.

Гравийный материал (рядовой карьерный и фракционированный составной) применяют для устройства гравийных покрытий, конструктивных слоев дорожной одежды, дренажных сооружений, в качестве балластного слоя для железных дорог, крупно-зернистой составляющей в цементобетоне. Дробленый гравий применяют в качестве щебня для приготовления асфальтобетонных смесей.

4. Песок – рыхлая зернистая порода, образовавшаяся в результате естественного разрушения горных пород, крупностью зерен до 5(3) мм. В песке иногда имеются частицы мельче 0,05 мм, которые называют пылевидно-глинистыми. Пески имеют плотность 2650 кг/м³ объемную массу от 1450 до 1800 кг/м³. Качество песка для строительных работ определяют минералогическим составом, формой зерен, гранулометрическим (зерновым) составом содержанием глинисто-пылеватых частиц плотностью, объемной (насыпной) массой, пустотностью, фильтрационной способностью, влажностью и содержанием органических примесей. Песок применяют для устройства подстилающих слоев дорожной одежды, приготовления строительных растворов, цементо- и асфальтобетонов, для устройства дренажей.

5. Дресва - промежуточный продукт выветривания скальных горных пород. Дресва является местным материалом и в зависимости от исходной горной породы и стадии выветрелости может применяться для устройства различных слоев одежды на дорогах местного значения.

- Сцементированные осадочные породы – образовались из рыхлых в результате цементации природными веществами. В дорожном строительстве наиболее часто применяются:

1. Песчаники - состоящие из мелких зерен минералов, связанных природным цементом в плотную относительно массу. В зависимо от цементирующего вещества и примесей различают песчаники: глинистый, кремнистый, железистый, известковый (карбонатный), гипсовый, битуминозный и др. Наибольшей прочностью, твердостью и устойчивостью против выветривания обладают плотные, мелкозернистые, кремнистые песчаники. Песчаники, обладая разнообразными техническими свойствами, находя применение в дорожно-мостовом строительстве в основном как местные материалы в виде бута, колотой шашки, щебня и реже штучного камня.

2. Конгломераты состоят из округлых обломков минералов и горных пород размером больше 5 мм, сцементированных каким-либо природным веществом (известняковым, доломитовым, глинистым, мергелистым, кремнистым и др.). Аналогичная порода, но состоящая из угловатых обломков горных пород, носит название брекчии. Лучшими свойствами для строительных целей отличаются породы из прочных угловатых обломков, сравнительно небольших по размеру, имеющих малую пустотность и связанных прочным устойчивым цементом.

- Осадочные породы органогенного происхождения образовались в результате уплотнения и цементации отмерших организмов. Отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде. В дорожном строительстве используют карбонатные (известняки, мел, ракушечники) и кремнистые (опоки, трепелы) осадочные породы.

1. Известняки - горные породы, состоящие главным об углекислого кальция (CaCO₃). В основном известняки — морского происхождения и лишь небольшая часть известняков образовалась в результатё отложения углекислого кальция горячих источников. Технические свойства известняков разнообразны и зависят от состава, структуры и текстуры. Однородные плотные скрытокристаллические известняки, зерна которых сцементированы кальцитом, отличаются высокой прочностью (в среднем до 120 МПа), хорошей обрабатываемостью и сравнительно небольшой истираемостью. Примесь глинистого вещества заметно снижает качество известняка как строительного материала. Различают:

- мраморовидные известняки - переходные породы от известняка к мрамору, прочность при сжатии их колеблется в пределах 90—150 МПа;

- оолитовые известняки - отличаются значительной пористостью, малой прочностью и твердостью, слабой погодоустойчивостью);

- известняки-ракушечники - состоят из известняковых ракушек различных моллюсков. Ракушечники характеризуются большой пористостью, крупными порами и пустотами, малой прочностью (0,4 МПа), малой объемной массой (б00 - 15000 кг/м³) воздухопроницаемостью, малой теплопроводностью и погодоустойчивостью. Они легко обрабатываются и поддаются распиловке. В связи с этим известняки-ракушечники применяют в виде блоков правильных форм для кладки стен.

Известняки используют преимущественно как местный материал в виде бута, щебня и т.д. Из плотных перекристаллизованных известняков изготовляют плиты, блоки и высокосортный щебень для дорожного строительства. Известняки используют также в производстве извести и цемента.

2. Мел - представляет собой мягкую слабосцементированную породу. Плотные разновидности мела применяют как местный материал для устройства дорожных оснований.

3. Опока - тонкопористая горная порода. Опоки обладают гидравлическими вяжущими свойствами и используются как активная добавка к цементу (приготовление известково-пуццоланового цемента).

4. Мергель – порода смешанного происхождения, используется как сырье для получения портландцемента.

- Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выпадения из растворов химических осадков. Наиболее распространенными являются доломиты, магнезиты, гипс.

1. Доломиты – как бывают зернистой, оолитовой и кристаллической структуры. Несколько тверже известняков. В строительстве дорог применяют на равнее с известняками.

2. Гипс - используется как сырье для производства вяжущего и как добавка в производстве цемента.

Метаморфические горные породы образовались в результате изменения магматических и осадочных горных пород. Метаморфизация магматических пород, как правило, ухудшает их физико-механические свойства. Метаморфизация осадочных пород, наоборот, улучшает механические свойства. Поэтому при метаморфизме скальных пород осадочного происхождения обычно образуются породы массовой текстуры и равномерно зернистой структуры (мрамор).

1. Гнейсы - горные породы грубо- или тонкосланцеватой и ленточной текстур. Обычно гнейсы обладают значительной прочностью при сжатии (150 - 200 МПа), но наличие хорошо выраженной сланцеватости в ряде случаев несколько ограничивает область применения их в дорожном строительстве.

2. Кварциты - равномерно кристаллическая, плотная горная порода. Кварциты характеризуются большой плотностью, прочностью, хрупкостью и твердостью, при разломе они образуют гладкую поверхность с острыми режущими ребрами. Кварциты весьма устойчивы против выветривания. Отрицательными признаками кварцитов являются трудная их обрабатываемость, гладкость поверхности раскола и острые ребра щебня. Кварциты используются для строительных работ в виде бутового камня, щебня, реже шашки для мощения. Из лучших его разновидностей изготовляют штучный камень.

3. Мрамор - плотный кристаллический известняк, состоящий в основном из тесно сросшихся кристаллов кальцита (кальцитовый мрамор). Часто в мраморах наблюдаются примеси магнезита. Кальцитовый мрамор характеризуется плотностью около 2700 кг/м³ твердостью, незначительной водонасыщенностью и прочностью при сжатии до 80 МПа. доломитовый мрамор тверже и прочнее. Мраморы хорошо поддаются распиловке, обработке, шлифовке. Вследствие высоких технических свойств и красивого рисунка мрамор издавна применяют для различных отделочных и декоративных работ. Недостатком мраморов является их относительно слабая сопротивляемость выветриванию. Разновидности мрамора, непригодные для изготовления штучных изделий, а также отходы при обработке, дробят для получения мраморной крошки и порошка, которые применяют как заполнители в мозаичных работах и асфальтобетонах в качестве минерального порошка.

5. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ.

ЩЕБЕНЬ И ГРАВИЙ

Щебень из горных пород - неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, получаемый дроблением горных пород, гравия и валунов, попутно добываемых вскрышных и вмещающих пород или некондиционных отходов горных предприятий по переработке руд (черных, цветных и редких металлов металлургической промышленности) и неметаллических ископаемых других отраслей промышленности и последующим рассевом продуктов дробления, применяется для устройства щебеночных конструктивных слоев, асфальтобетона и цементобетона.

Гравий из горных пород - неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, получаемый рассевом природных гравийно-песчаных смесей.

Щебень и гравий изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем.

Щебень и гравий выпускают в виде следующих основных фракций:

- от 5 (3) до 10 мм;

- св. 10 до 15 мм;

- св. 10 до 20 мм;

- св. 15 до 20 мм;

- св. 20 до 40 мм;

- св. 40 до 80 (70) мм;

- смеси фракций от 5 (3) до 20 мм.

По согласованию изготовителя с потребителем выпускают щебень и гравий в виде других смесей, составленных из отдельных фракций, а также фракций от 80 (70) до 120 мм, св. 120 до 150 мм.

Полные остатки на контрольных ситах при рассеве щебня и гравия должны соответствовать требованиям ГОСТ (табл. 1).

Таблица 1

Для щебня и гравия фракций св. 80 (70) до 120 мм и св. 120 до 150 мм, а также для семи фракций, выпускаемых по согласованию изготовителя с потребителем, полные остатки на контрольных ситах диаметром должны удовлетворять указанным в таблице 1, а соотношение фракций в смесях устанавливают по согласованию изготовителя с потребителем в соответствии с нормативными документами на применение этих смесей для строительных работ.

Щебень из гравия должен содержать дробленые зерна в количестве не менее 80% по массе. Допускается по согласованию изготовителя с потребителем выпуск щебня из гравия с содержанием дробленых зерен не менее 60%.

Качество щебня (щебня из гравия) и гравия оценивается по следующим позициям:

1. Форма зерен

Форму зерен щебня и гравия характеризуют содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы. Щебень в зависимости от содержания зерен пластинчатой и игловатой формы подразделяют на пять групп, которые должны соответствовать указанным в таблице 2.

Таблица 2

Гравий не должен содержать зерен пластинчатой и игловатой формы более 35% по массе.

2. Прочность

Прочность щебня и гравия характеризуют маркой, определяемой по дробимости щебня (гравия) при сжатии (раздавливании) в цилиндре. Щебень и гравий, предназначенные для строительства автомобильных дорог, характеризуют маркой по истираемости в полочном барабане. Марки по дробимости щебня из осадочных и метаморфических пород должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 3, а марки по дробимости щебня из изверженных пород - в таблице 4.

Таблица 3

Таблица 4

Допускается определять марку щебня из осадочных и метаморфических пород как в сухом, так и в насыщенном водой состоянии.

При несовпадении марок по дробимости прочность оценивают по результатам испытания в насыщенном водой состоянии.

Марки по дробимости щебня из гравия и гравия должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 5.

Таблица 5

Марки по истираемости щебня и гравия должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 6.

Таблица 6

3. Содержание зерен слабых пород

Содержание зерен слабых пород в щебне и гравии в зависимости от вида горной породы и марки по дробимости не должно быть более указанного в таблице 7.

Таблица 7

В процентах по массе

4. Морозостойкость

Морозостойкость щебня и гравия характеризуют числом циклов замораживания и оттаивания, при котором потери в процентах по массе щебня и гравия не превышают установленных значений.

Допускается оценивать морозостойкость щебня и гравия по числу циклов насыщения в растворе сернокислого натрия и высушивания. При несовпадении марок морозостойкость оценивают по результатам испытания замораживанием и оттаиванием.

Щебень и гравий по морозостойкости подразделяют на следующие марки: F15; F25; F50; F100; F150; F200; F300; F400.

Показатели морозостойкости щебня и гравия при испытании замораживанием и оттаиванием или насыщением в растворе сернокислого натрия и высушиванием должны соответствовать указанным в таблице 8.

Таблица 8

5. Содержание пылевидных и глинистых частиц

Содержание пылевидных и глинистых частиц (размером менее 0,05 мм) в щебне и гравии в зависимости от вида горной породы и марки по дробимости должно соответствовать указанному в таблице 9.

Таблица 9

В процентах по массе

6. Содержание глины в комках

Содержание глины в комках не должно быть более указанного в таблице 10.

Таблица 10

В процентах по массе

7. Устойчивость структуры щебня против распада

Щебень из попутно добываемых вскрышных и вмещающих пород и некондиционных отходов горных предприятий по переработке руд (черных, цветных и редких металлов металлургической промышленности) и неметаллических ископаемых других отраслей промышленности должен быть устойчивым против всех видов распадов.

Устойчивость структуры щебня против всех видов распадов должна соответствовать требованиям, указанным в таблице 11.

Таблица 11

8. Стойкость к воздействию окружающей среды

Щебень и гравий должны быть стойкими к воздействию окружающей среды. Щебень и гравий, предназначенные для применения в качестве заполнителей для бетонов, должны обладать стойкостью к химическому воздействию щелочей цемента.

Стойкость щебня и гравия определяют по минералого-петрографическому составу исходной горной породы и содержанию вредных компонентов и примесей, снижающих долговечность бетона и вызывающих коррозию арматуры железобетонных изделий и конструкций.

9. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов

При производстве щебня и гравия должна проводиться их радиационно-гигиеническая оценка, по результатам которой устанавливают область применения. Щебень и гравий в зависимости от значений суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов [1] применяют:

- при до 370 Бк/кг - во вновь строящихся жилых и общественных зданиях;

- при св. 370 до 740 Бк/кг - для дорожного строительства в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных зданий и сооружений;

при св. 740 до 1500 Бк/кг - в дорожном строительстве вне населенных пунктов.

При необходимости в национальных нормах, действующих на территории государства, величина удельной эффективной активности естественных радионуклидов может быть изменена в пределах норм, указанных выше.

Обеспеченность установленных стандартом значений показателей качества щебня и гравия по зерновому составу (содержанию зерен размером менее наименьшего номинального размера и более наибольшего номинального размера ) и содержанию пылевидных и глинистых частиц должна быть не менее 95%.

ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫЕ СМЕСИ

Песчано-гравийные смеси подразделяют на природные и обогащенные.

Природные ПГС применяют для устройства дорожных покрытий, верхнего слоя оснований под покрытия, дренирующих слоев и в других целях в дорожном строительстве в соответствии с требованиями норм и правил на строительство автомобильных дорог.

Обогащенные получают из природных песчано-гравийных смесей путем обогащения и применяют в соответствии с требованиями строительных норм и правил на соответствующие виды строительных работ.

Технические требования, предъявляемые к песчано-гравийным смесям прописаны в ГОСТ 23735-79 «Смеси песчано-гравийные для строительных работ. Технические условия».

Песчано-гравийные смеси характеризуют:

- содержанием гравия и песка в смеси;

- наибольшей крупностью зерен гравия;

- показателями, принятыми для оценки гравия по #M12291 1200000314ГОСТ 8267-93#S (зерновым составом, прочностью, содержанием зерен слабых пород, морозостойкостью, содержанием пылевидных, глинистых и илистых частиц, глины в комках и минералого-петрографическим составом);

- показателями, принятыми для оценки песка по #M12291 901700280ГОСТ 8736-93#S (зерновым составом и модулем крупности, содержанием пылевидных, глинистых и илистых частиц, в том числе глины в комках, содержанием органических примесей и минералого-петрографическим составом).

В природной песчано-гравийной смеси содержание зерен гравия размером более 5 мм должно быть не менее 10% и не более 95% по массе.

Обогащенная песчано-гравийная смесь в зависимости от содержания зерен гравия подразделяется на пять групп:

от 15 до 25%

св. 25 " 35%

" 35 " 50%

" 50 " 65%

" 65 " 75%

Допускается поставка обогащенной песчано-гравийно-щебеночной смеси. При этом щебень включается в гравийную составляющую песчано-гравийной смеси.

Наибольшая крупность зерен гравия ( ) в природной песчано-гравийной смеси должна быть не менее 10 мм и не более 70 мм.

Обогащенная песчано-гравийная смесь должна иметь зерна гравия наибольшей крупности ( ) одного из следующих значений: 10; 20; 40 или 70 мм.

По соглашению сторон допускается поставка песчано-гравийной смеси с зернами гравия крупностью свыше 70 мм, но не более 150 мм.

Зерновой состав гравия, входящего в состав природной песчано-гравийной смеси, должен отвечать требованиям, указанным в табл. 1.

Таблица 1

#G0Размер контрольных сит, мм		2
Полный остаток на ситах по массе, %	0-15

Зерновой состав гравия, входящего в состав обогащенной песчано-гравийной смеси, должен отвечать требованиям, указанным в табл. 2.

Таблица 2

#G0Размер контрольных сит, мм	0,5( + )		1,25
Полный остаток на ситах по массе, %	40-80	0-10

Прочность гравия, входящего в состав природной и обогащенной песчано-гравийной смеси, содержание в нем зерен слабых пород и морозостойкость должны отвечать требованиям #M12291 1200000314ГОСТ 8267-93#S.

Пески, входящие в состав природной песчано-гравийной смеси по зерновому составу, должны отвечать требованиям #M12291 901700280ГОСТ 8736-93#S к крупным, средним, мелким и очень мелким пескам.

Пески, входящие в состав обогащенной песчано-гравийной смеси, должны отвечать по зерновому составу требованиям #M12291 901700280ГОСТ 8736-93#S к крупным, средним и мелким пескам. Содержание частиц, проходящих сквозь сито с сеткой N 014 в песках, входящих в состав природной песчано-гравийной смеси, не должно превышать 20%, а обогащенной - 10% по массе.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в природной песчано-гравийной смеси не должно превышать 5%, в том числе глины в комках 1%, а в обогащенной - соответственно 3% и 0,5% по массе.

Песчано-гравийные смеси не должны содержать засоряющих включений.

Природные и обогащенные песчано-гравийные смеси в зависимости от величины суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов А применяют:

- для производства материалов, изделий и конструкций, применяемых для строительства и реконструкции жилых и общественных зданий при А до 370 Бк/кг;

- для производства материалов, изделий и конструкций, применяемых для строительства производственных зданий и сооружений, а также строительства дорог в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки при А свыше 370 Бк/кг до 740 Бк/кг;

- для производства строительных материалов для строительства дорог и аэродромов вне населенных пунктов при А свыше 740 Бк/кг до 1500 Бк/кг".

При необходимости в национальных нормах, действующих на территории государства, величина удельной эффективной активности естественных радионуклидов может быть изменена в пределах норм, указанных выше.

Испытание гравия и песка, входящих в состав песчано-гравийной смеси, по всем показателям, кроме зернового состава, производят раздельно по #M12291 1200003066ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний»#S и #M12291 1200003348ГОСТ 8735-88 « Песок для строительных работ#S. Методы испытаний».

Для подготовки смеси к испытаниям ее разделяют на гравий и песок, обеспечивая при этом предельное содержание гравия в песке и песка в гравии, установленное соответственно #M12291 901700280ГОСТ 8736-93#S и #M12291 1200000314ГОСТ 8267-93#S.

Определение зернового состава смеси производят в том же порядке, что и определение по #M12291 1200003066ГОСТ 8269.0-97#S зернового состава нефракционированного гравия, рассевом на ситах после предварительного высушивания всей пробы до постоянной массы. При этом в стандартный набор сит включают дополнительно следующие сита: сито с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм и с сеткой 1,25; 0,63 и 0,315. Частные остатки на ситах вычисляют в процентах от исходной массы просеиваемой пробы, включая и количество материала, прошедшее через сито с отверстиями размером 0,14 мм.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в смеси, в том числе глины в комках и суммарную удельную эффективную активность естественных радионуклидов, определяют как средневзвешенное из результатов определения содержания их в гравии и песке.

Суммарную удельную эффективную активность естественных радионуклидов определяют гамма-спектрометрическим методом по #M12291 871001235ГОСТ 30108-94#S.

СМЕСИ ЩЕБЕНОЧНО-ГРАВИЙНО-ПЕСЧАНЫЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ

И ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ.

Щебеночно-гравийно-песчаные смеси, применяются для устройства покрытий, оснований и дополнительных слоев оснований автомобильных дорог и аэродромов, а также укрепления обочин автомобильных дорог.

Щебеночно-гравийно-песчаные смеси должны отвечать техническим требованиям изложенным в ГОСТ 25607-94 «Смеси щебеночно-гравийно –песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия».

Требования к щебню из горных пород для устройства покрытий и оснований по способу заклинки:

- щебень по зерновому составу, прочности, морозостойкости, содержанию зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, содержанию пылевидных и глинистых частиц, глины в комках и содержанию дробленых зерен в щебне из гравия, устойчивости структуры щебня против распадов должен соответствовать требованиям #M12293 0 1200000314 3271140448 1441418669 247265662 4292033677 3918392535 2960271974 3628676638 4294967268ГОСТ 8267#S. Марка по дробимости щебня из осадочных горных пород не должна быть ниже 300.

Кроме того, щебень из изверженных и метаморфических пород марки по дробимости 600 и ниже, из осадочных пород марки 400 и ниже, щебень из гравия марки 600 и ниже характеризуют показателями пластичности и водостойкости.

- марка щебня по пластичности должна соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1

Щебень более высоких марок по дробимости, чем указано в 3.2.1, относят к марке Пл1.

- марка щебня по водостойкости должна соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.

Таблица 2

Щебень более высоких марок по дробимости, чем указано в 3.2.1, относят к марке В1.

Требования к готовым смесям для строительства оснований и дополнительных слоев оснований и покрытий:

- зерновой состав смесей должен соответствовать требованиям, указанным в таблице 3.

Таблица 3

В процентах по массе