Совершенствование техники и технологии уплотнения дорожно-строительных материалов

Численное значение давления убывает по высоте сечения слоя материала (рис. 1). Вектор градиента давления ∆q направлен вниз. Компоненты многофазной системы композиционных материалов стремятся двигаться из зоны максимальных давлений в сторону минимальных, то есть вниз.

Рис. 1. Эпюра давлений. Традиционная технология уплотнения по предварительно уложенному материалу

В начале уплотнения часть воздуха выдавливается из рыхлого материала, но далее основная часть воздуха запрессовывается и остается внутри уплотняемого материала, создавая неустойчивую структуру, что в дальнейшем приводит к образованию неровностей поверхности в виде колеи и поперечных волн от воздействия внешних эксплуатационных нагрузок.

Если дорожно-строительные материалы не рассыпать на подготовленную поверхность, а равномерно подавать под рабочую поверхность уплотняющего устройства, то можно создать условия для организованного и направленного движения компонентов смеси в тангенциальном направлении – это и будет новая техника и технология (НТТ).

На рис. 2 представл ена схема нового упло т няющего устройства в виде плиты, совершающей угловые перемещения в вертикальной плоскости (рычаг Архимеда).

Один конец плиты закреплен к неподвижному шарниру, а другой конец плиты присоединен к подвижному шарниру. При движении плиты в верх под неё подсыпается материал, а при обратном движении плиты происходит нагнетание матери а ла вниз. Давление на элементарные частицы под рабочей поверхностью плиты изменяется по г и перболе: минимальное давление находится у по движного шарнира, а максималь ное – вблизи неподвижного. Градиент давления ∆q направлен в тангенциальном направлении, и движение частиц происходит в горизонтальном направлении. При сдвиговых деформациях не требуется больших усилий сжатия для обеспечения более плотной упаковки зёрен (рис. 3).

Рис. 2. Эпюра давлений. Плита уплотняющего механизма в виде рычага Архимеда (НТТ)

Рис. 3. Упаковка твердых частиц при деформациях сжатия и сдвига

Воздух и избыток технологической жидкости движутся из зоны высокого давления в сторону низкого давления, то есть в сторону открытого пространства, так как материал предварительно не рассыпают впереди уплотняющего устройства (НТТ).

Под новым рабочим органом уплотняющего устройства создается предельно плотная, жесткая и неизменяемая структура материа ла [2, 3].

На рис. 4 показан общий вид модернизированной машины на базе асфальтоукладчика (равнозначно и бетоноукладчика), у которой вместо стандартного рабочего органа для виброуплотнения дорожных материалов используется уплотнитель с новыми конструктивными элементами.

Существенным преимуществом уплотняющей машины с новым рабочим органом является двухступенчатое увеличение движущей силы Р (рис. 5). Усилие сжатия Q _сж, действующее на элементарную частицу, внедряемую в среду уплотняемого материала, определяется:

Q сж = Pk 1 k 2 , (1) где P – усилие, развиваемое приводом КШМ, k ₁ и k ₂ – коэффициенты усиления.

Рис. 4. Асфальтоукладчик с новым рабочим органом

Рис. 5. Схема устройства для получения высокоплотных структур из композиционных материалов: а – верхнее положение платформы нагнетателя (засыпка материала); б – нижнее положение платформы нагнетателя (прессование)

Технология и организация строительного производства

Коэффициент усиления k ₁ определяется из

параллелограмма сил с углом α между рычагами

(рис. 6):

P _T a = T cos ; 22

при этом коэффициент уплотнения достигает значений 0,98–0,99 (СТТ), а по новой технологии (НТТ) одним модернизированным асфальтоукладчиком – 1,05–1,10 (рис. 7).

T =

где k 1 =

P о a

2cos

1 a cos

= Pk i ,

; k 1 >>1.

Коэффициент усиления k1 стремится к бесконечно большой величине при угле а приближаю-a щемуся к 180°, так как cos стремится к нулю.

Коэффициент усиления k ₂ определяется из

Рис. 7. Коэффициенты уплотнения асфальтобетона для различных технологий

равенства

Q сж = bT = Tk 2 ,                       (4)

a где k2 = —; k2 > 1; a - расстояние от элементар-a ной частицы материала до неподвижной шарнирной опоры; b – вылет (длина) плиты платформы.

Рис. 6. Схема действующих сил на элементарную частицу прессуемого материала

Отсюда следует вывод: даже при небольшой движущей силе Р усилие сжатия Q _сж прессуемого материала может достигать любых численных ве личин, что существенно расширяет технологические возможности машин для уплотнения доро жно- строительных материалов, делает технологию малочувствительной к расширенному диапазону температур асфальтобетона и водоцементному отношению цементобетона. При этом перепресс о- вочные трещины в уплотняемом материале от сут ствуют, так как созданы условия для организова н ного движения избытка твердых частиц, воздуха и технологической жидкости в тангенциальном н а правлении (от зоны высокого в сторону низкого давления).

Укладка и уплотнение асфальтобетонной см еси по существующ ей технологии осуществляется звеном дорожно- строительных машин [5, 6, 8] и

Современные бетоноукладчики уплотняют бетонную смесь с использованием виброметода (СТТ), а это всегда предполагает наличие в бетонной смеси избыточного количества воды. В зависимости от рецептуры товарного бетона в одном кубометре приготовленной бетонной смеси находится 50–100 л мобильной, химически не связанной с цементом, воды. Под воздействием вибрации все компоненты смеси приходят в движение. При этом вода (наиболее легкая составляющая) движется снизу вверх, а более тяжелые частицы перемещаются вниз, что приводит к неоднородности прочности бетона.

Физико-механические свойства бетона (прочность, износостойкость, морозостойкость и др.) существенно зависят от водоцементного отношения (В/Ц) [7]. Формула прочности бетона показывает зависимость от соотношения количества воды (В) и цемента (Ц): R₆ = А 1 -А 2 К • ( Ц/В-С ) • R_ц> а графическая интерпретация представлена рис. 8.

Рис. 8. График прочности бетона в зависимости от В/Ц-отношения

Если вырезать керн из бетонного покрытия дороги и распилить его по высоте на отдельные образцы, то после испытаний получаем следующую картину (рис. 9). Минимальная прочность бетона находится в поверхностном (эксплуатационном) слое, что крайне нежелательно.

Рис. 9. Распределение прочности бетона по высоте сечения (СТТ) ( ^ = f (H) )

Вывод: необходимо переходить к новым технологиям, например, вакуумированию свежеуло-женной бетонной смеси или к новой технике и технологии (НТТ) [4].

При вакуумировании свежеуложенной бетонной смеси часть свободной воды (20–30 %) удаляется, и однородность прочности бетона в некоторой степени выравнивается (кривая 2, рис. 10). Используя уплотняющее устройство в виде рычага Архимеда (НТТ), количество отжатой свободной воды увеличивается до 80–90 %, и новый результат представлен в виде кривой 3 (рис. 9). В нижних слоях бетона прочность выше на 30–40 %, а в верхнем (эксплуатационном) слое – в несколько раз!

Потребительские свойства бетонного покрытия такие как прочность, морозостойкость, исти- раемость, значительно улучшаются. Прочная бес-поровая структура бетонного покрытия позволит во многих случаев отказаться от асфальтобетонного верхнего покрытия автомобильных дорог, что приведет к существенному снижению стоимости строительства. Удаление свободной воды из массива свежеуложенной бетонной смеси устраняет главную причину образования льдистости, поэтому строительный сезон может увеличиться в область более низких температур. Дорожная отрасль, используя НТТ, при прочих равных условиях может строить в два раза больше автомобильных дорог и с более высоким качеством.

З аключение. Существующая технология уплотнения дорожно-строительных материалов, основанная на деформациях сжатия, является «воз-духозапрессовочной», так как значительная часть воздуха остается в объеме уплотняемого материала, что в дальнейшем приводит к образованию неровностей поверхности в виде колеи и поперечных волн от воздействия внешних эксплуатационных нагрузок.

Новая технология уплотнения дорожностроительных материалов основана на сдвиговых деформациях и названа нами «воздухоудаляющей». Технические решения новых устройств рабочих органов машин (НТТ) обеспечивают более высокий коэффициент уплотнения различных дорожно-строительных материалов.

Потребительские свойства новых дорожностроительных машин на базе НТТ значительно расширены, а строительный сезон может увеличиться вплоть до круглогодичного, что в сочетании с возросшим качеством строительства обеспечит народному хозяйству большой экономический эффект.

Рис. 10. Сравнение технологий уплотнения бетона: 1 – виброуплотнение (СТТ); 2 – вибровакуумирование, 3 – новая техника и технология (НТТ)

Технология и организация строительного производства