1.2Короткий історичний екскурс
Ущільнення - це найдешевший та найдійовіший спосіб підвищити несучу здатність ґрунтів. Відомий він з давніх-давен, його знали ще римляни. Так, римські дороги мали спеціальні прошарки з глини, що захищали дорожній одяг від шкідливої дії вологи. Ці прошарки ретельно ущільнювалися укочуванням та трамбуванням.
Ще за 2-3 тис. років до нашої ери дороги ущільнювалися головним чином кінськими копитами та колесами возів. Спеціальні засоби для ущільнення були примітивні й звичайно являли собою дерев'яні, або кам'яні причіпні котки з ручною тягою масою до 5 т, у другій половині XIX ст. замінилися металевими котками з кінною тягою рис. 1.2.
Рис. 1.2 Металевий коток з кінною тягою
Наприкінці XIX ст. почалося виробництво парових котків масою 10 т при потужності 15-25 к. с. на Коломенському заводі (рис. 1.3).
Рис.1. 3 Коток масою 10 т Коломенського заводу
Дослідження руху колісних візків були розпочаті в Російській Академії наук в 1801 р. М. І. Фуссом, потім продовжені чехом Герстнером в 1813-1831 рр. В 20х роках XX ст. дослідження поновилися М.Н. Летошневим, М. І. Івановим, пізніше А.К. Біруля, В.Ф. Бабковим, Я.А. Калужським.
1.3Процеси ущільнення дорожньо-будівельних матеріалів
Елементи дорожнього полотна будуються із крихких матеріалів - щебеню, піску і різних сумішей. При будівництві дороги вони потребують штучного ущільнення для отримання необхідної щільності. Експлуатаційні якості дорожнього одягу визначаються як вибором матеріалу так і технологією будівельного процесу, в якому операція ущільнення являється завершальною. Від якості ущільнення залежать такі основні характеристики дорожнього покриття, як рівність поверхні, несуча здатність, стійкість проти зношування під дією навантажень руху автомобільного транспорту і атмосферних явищ (зволоження, температурних перепадів).
Процес ущільнення матеріалів зводиться до прикладання тим чи іншим способом до поверхні конструктивного шару дороги навантаження, під дією якого проходить зближення мінеральних частинок, їх більш компактне розміщення і зменшення пор. Ступінь ущільнення прийнято розцінювати щільністю і пористістю. Ці показники штучно виготовлених бетонів інколи наближуються до показників природних скальних порід.
В робочих органах ущільнюючих машин використовуються слідуючі основні методи: укочування, трамбування, вібрації.
При укочуванні по поверхні ущільнюючого шару перекочується валець, під дією сили тяжіння якого шар матеріалу набуває остаточної деформації h (рис. 1. 4, а). Ця деформація по мірі підвищення щільності буде зменшуватись і при кінці укочування буде наближатися до нуля. Наступне підвищення щільності матеріалу може бути досягнуто тільки підвищенням навантаження на валець.
Трамбування здійснюється періодичним підняттям якоїсь маси m на висоту H і її наступним вільним падінням на поверхню ущільнюючого шару (рис. 1. 4, б).
а) – укочування; б) – трамбування; в) – вібрація.
Рис. 1.4. Методи ущільнення дорожньо-будівельних матеріалів
Суть віброущільнення полягає в тому, що маса m, яка коливається із великою частотою (мал. 4, в) передає кінетичну енергію частинкам матеріалу, що розташовані в зоні дії вібратора, і приводить їх в стан коливання. Різні по габаритам і масі частинки отримують різні прискорення, взаємно переміщаються, і пори між крупними частинками заповнюються більш мілкішими, при цьому досягається підвищення щільності матеріалу.
Перечисленні методи ущільнення застосовуються як роздільно, так і в сукупності один з другим. Наприклад катки статичної дії, робота яких характеризується невеликими швидкостями зміни напруженого стану, застосовують при ущільненні пластичних матеріалів, таких як асфальтобетонні суміші. Крім того, їх застосовують для ущільнення щебеню, гравію та інших подібних матеріалів. При трамбуванні можуть бути досягненні високі навантаження в ущільнюючому шарі, і цей метод може бути ефективним при ущільненні зв'язних матеріалів.
Вібраційний метод використовується для ущільнення малозв'язних матеріалів. Особливо цей метод ефективний при ущільненні таких матеріалів, як цементобетонні суміші, в склад яких входять фракції піску і щебеню, що відрізняються за розмірами і по масі. При дії високочастотних коливань в суміші спостерігається явище тиксотропії, яке полягає в розжиженні суміші при струшуванні. Процес тиксотропії являється зворотнім, тому після припинення коливань золи переходять в більш стабільний стан - гелі; вільної води практично не залишається, і суміш набуває якостей моноліта.
При ущільненні щебеневих матеріалів проявляється взаємне заклинювання між суміжними частинками, що сприяє кращому утримуванню їх в дорожньому покритті. Однак при цьому необхідно враховувати, що утворена достатньо міцна корка в верхній частині шару, що ущільнюється, обмежує розповсюдження деформацій в глибину шару. Цього можна запобігти, якщо статичні навантаження від маси котка будуть супроводжуватися динамічною дією вібрації. Одним із важливих показників якості ущільнення асфальтобетонного покриття являється стійкість до проникнення води в шар. Оцінка цього показника проводиться по вмісту пустот і по кількості води, що проникає через одиничну поверхню площею 1 дм2. Вода, що проникає в дорожній одяг сприяє його здуттю, утворенню тріщин і загальній деформації.
Наведені вище фактори обумовили появу і широке застосування котків комбінованої дії, в яких присутні позитивні якості різних методів ущільнення. Так, для ущільнення окремих шарів дорожніх одягів найбільш універсальними і ефективними є комбінування вібровальця із пневмошинами.