Усиление покрытий сельскохозяйственных дорог

Сельскохозяйственные дороги являются важной составляющей транспортной инфраструктуры агропромышленного комплекса нашей страны. Они обеспечивают связь между полями, хранилищами, перерабатывающими предприятиями и основными транспортными магистралями. В подавляющем большинстве случаев эти объекты имеют дорожное покрытие из неукрепленных грунтов и щебеночных материалов, что обусловливает их сокращенный срок службы

Особенностью таких дорог является их высокая подверженность разрушению под воздействием колёсной нагрузки, особенно в период повышенной влажности или при высокой интенсивности движения

В современных условиях всё больше внимания уделяется методам повышения прочности дорожных конструкций с использованием местных материалов и экономически обоснованных проектных решений. Одним из наиболее распространенных решений является применение укрепленных грунтов для устройства усиленных слоёв дорожной одежды. Эти материалы позволяет значительно повысить эксплуатационные показатели покрытия за счёт улучшения физико-механических свойств

Целью настоящего исследования является разработка решений по усилению покрытий сельскохозяйственных дорог с использованием укрепленных грунтов, для повышения их прочности и водонепроницаемости.

Общие положения

Согласно

В районах сельскохозяйственной инфраструктуры, где нет каменных материалов, возникает необходимость в перевозках щебня, гравия, песка за сотни километров автомобильным транспортом, что удорожает их первичную стоимость в 3–4 раза и более. Данное обстоятельство является главной причиной значительного удорожания дорожного строительства и замедления темпов производства работ, к тому же разработка карьеров приводит к нарушению экологического равновесия окружающей среды. Как показали результаты многолетних исследований дорожных институтов, а также практический опыт проектирования и строительства, денежные и материальные затраты могут быть значительно снижены, если для устройства дорожных одежд вместо каменных материалов применять местные грунты

Сельскохозяйственные дороги, как правило, возводятся из супесей и суглинков. Из-за воздействия природных факторов ежегодно требуется ремонтировать до 20–30% дорожного покрытия. Поскольку прочность грунта и несущая способность дорожной конструкции в период распутицы снижаются, а сельскохозяйственные работы остановить нельзя, необходимо предусмотреть мероприятия по повышению прочности, однородности и водонепроницаемости дорожной конструкции, чтобы увеличить срок её службы.

В настоящее время наиболее широко применяются следующие виды укрепленных материалов для усиления покрытий дорожных одежд:

1. Устройство слоев дорожных одежд из грунтов, укрепленных органическим вяжущим.

Для устройства слоев дорожной одежды из грунта, укрепленного органическим вяжущим, могут использоваться следующие материалы: осадочные несцементированные крупнообломочные и песчаные грунты, супеси всех разновидностей, песчаные грунты, легкие суглинки, песчано-гравийные и песчано-щебеночные смеси (тяжелые суглинки и глины также используются, но при условии предварительного размельчения и равномерного распределения вяжущего).

В данном методе укрепления применяют жидкие нефтяные битумы, вязкие битумы, битумные эмульсии (не применяется для тяжелых суглинков и глин). Использование вяжущего подбирается индивидуально под состав грунта

2. Устройство слоев дорожных одежд грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими.

Одним из наиболее эффективных, дешевых и универсальных методов укрепления считается применение цемента. Введение цемента придает грунтам требуемые физико-механические свойства, как и в других цементо-содержащих материалах. Цементогрунт — композиционный материал, состоящий из следующих базовых элементов: грунт (природное или техногенное происхождение), вяжущее, модификатор и вода. В качестве вяжущего используют портландцемент. Следует отметить, что физико-механические свойства цементогрунтов зависят от свойств каждого компонента в отдельности, соотношения между ними, а также от технологии производства работ по изготовлению цементогрунтовой смеси. Грунты с малым содержанием цемента, не придающего требуемой прочности — «цементомодифицированным материалом»

Устройство покрытий из укрепленных грунтов может осуществляться одним из следующих методов:

1. Смешение грунта на дороге.

2. Смешение грунта в грунтосмесительной установке с дальнейшей доставкой на дорогу.

3. Производство укреплённого грунта на существующем асфальтобетонном заводе (с частичным переоборудованием рабочей системы).

Для достижения поставленной цели требуется рассматривать проблему со всех сторон и применять комплексное вяжущее для укрепления грунтов. За счет использования комплексного вяжущего повышаются такие физико-механическое свойства, как плотность и прочность (неорганическое вяжущее обеспечивает жесткость и сопротивление статическим нагрузкам, тогда как органическое вяжущее добавляет эластичность, необходимую для сопротивления динамическим нагрузкам); устойчивость к влаге (органическое вяжущее обладает водоотталкивающими свойствами, что защищает укрепленный грунт от проникновения влаги), это предотвращает размывание и эрозию грунта даже в условиях повышенной влажности; эластичность (органическое вяжущее придает грунту эластичности, что позволяет ему выдерживать небольшие деформации без разрушения)

Методы создания прочного слоя покрытия заключается в укреплении грунта — повышение физико-механических свойств за счет обработки органическими, минеральными или комплексными вяжущими. Данное исследование направлено на повышение прочности и водостойкости покрытия из разработанного материала

Технологию производства работ по устройству покрытия можно поделить на следующие этапы:

1. Подготовительный этап (проектируем состав укрепленного грунта исходя из вида и состава грунта, условий эксплуатации дорожного покрытия).

2. Подвоз, распределение и планировка грунта.

3. Увлажнение слоя поливомоечной машиной.

4. Распределение неорганического вяжущего (цемент распределяется цементораспределителем).

5. Перемешивание грунта и цемента, с одновременным вводом органического вяжущего (данный этап выполняется с помощью ресайклера; работы данного пункта можно производить навесными дорожными фрезами с предварительным распределением органического вяжущего).

6. Уплотнение готовой смеси (осуществляется последовательно рядом катков, от легкого до тяжёлого в целях обеспечения оптимальной плотности смеси и предотвращения образования излишних пустот).

7. Для набора прочности цемента требуется уход. Он, в свою очередь, необходим для поддержания оптимальной влажности слоя на протяжении первых 14 суток.

Для оценки прочности конструкции был взят грунт, который можно использовать для покрытий — суглинок легкий песчанистый. Данный материалы был предварительно испытан в лаборатории на соответствие актуальным нормативным документам. В ходе исследования было испытано 5 состав укреплённого грунта:

– состав № 1 — суглинок, укрепленный 10% цемента М400;

– состав № 2 — суглинок, укрепленный 10% цемента М400 в сочетании с 7% битума нефтяного дорожного БНД 100/130;

– состав № 3 — суглинок, укрепленный 10% цемента М400 в сочетании с 7% битума нефтяного дорожного БНД 100/130 (разжижен керосином в соотношении 1 к 5);

– состав № 4 — суглинок, укрепленный 10% цемента М400 в сочетании с 7% модифицированного битума нефтяного дорожного БНД 100/130 (разжижен керосином в соотношении 1 к 5), (битум модифицирован добавкой на основе термоэластопластов);

– состав № 5 — суглинок, укрепленный 10% цемента М400 с частичной заменой минеральной части состава на пластиковые частицы (3%).

Состав № 1 является контрольным, а составы № 2, № 3, № 4, № 5 — экспериментальными.

В лабораторных условиях в соответствии с требованием

Для проведения испытаний на сжатие изготовлены образцы-цилиндры диаметром 50 мм и высотой 50±2 мм. Испытания проводились на прессе с предельной нагрузкой 100 кН. Результаты исследований представлены в таблице 1 и рисунке 1.

Рисунок 1 - Сравнение прочностей материалов

DOI:10.60797/JAE.2025.61.8.2

По итогам проведенного исследования можно сделать следующие выводы: составы без использования органического вяжущего показывают приоритетные значения по показателю прочность на сжатие в естественном состоянии по сравнению с остальными, но при водонасыщении данные составы практически полностью теряют прочность. В составах № 1 и № 5 падение прочности составило 50,6% и 47,6% соответственно. Минимальное падение прочности составило 13,2% в составе № 3. Это связано с тем, что разжиженный битум равномерно распределился по смеси и полностью закрыл свободные поры. Следовательно, для усиления покрытий сельскохозяйственных дорог следует использовать состав № 3, как самый перспективный из испытанных, исходя из сохранности прочности. Снижение прочности грунтов, укреплённых цементом, происходит из-за выщелачивания вяжущего вещества, что приводит к нарушению целостности конструкции. Несмотря на это, прочность водонасыщенных грунтов, укреплённых комплексным вяжущим, будет выше, поскольку после переувлажнения такая конструкция менее подвержена потери прочности. Следовательно, подобные сооружения более долговечны.

В результате выполненного исследования было выявлено, что использование укрепленных грунтов комплексным вяжущим для усиления покрытий дорожных одежд существенно упрощает производство работ без снижения прочности. Полученные данные позволяют сформулировать тенденции по применению ряда материал для усиления покрытий сельскохозяйственных дорог.