XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические свойства щебня и их влияние на качество дорожного покрытия
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день почти в каждой семье есть автомобиль. И, наверное, все мы замечаем не всегда хорошее качество дорог. На дорогах присутствует сильная колейность, большое количество ям, выбоин и прочее. Все это сказывается на количестве аварий на наших дорогах. Нас заинтересовал вопрос, что же мешает делать качественные и долговечные дороги. Проезжая часть является той частью автомобильной дороги, по которой непосредственно перемещается автомобильный транспорт. Это наиболее ответственная часть дороги. Она должна быть прочной, долговечной, износостойкой, устойчивой к воздействию внешней среды и нагрузок от колес автотранспорта, должна иметь ровную и шероховатую поверхность. Основой проезжей части служит дорожная одежда, главным компонентом которой является щебень.
Актуальным становится вопрос: Можно ли улучшить качество дорог зная физические свойства щебня. В данной работе мы рассмотрим разные свойства, виды щебня и их влияние на качество дорожного покрытия.
Цель данной работы изучить физические свойства щебня и их влияние на качество дорожного покрытия.
Гипотеза исследования:
Допустим, что свойства щебня влияет на срок службы дорожного покрытия.
Можно ли использовать любой щебень в строительстве дорог.
Для реализации поставленной цели нами были выявлены следующие задачи:
Теоретическая часть:
Познакомиться с видами щебеня
Определить основные физические свойства щебня, влияющие на качество дорожного покрытия
Описать процесс производства щебня
Исследовательская часть:
Провести лабораторное исследование, подтверждающие первую гипотезу о свойствах щебня, влияющих на долговечность дорожного покрытия.
Провести сравнение дорог, построенных с использованием разного вида щебня.
Проанализировать результаты исследования и сделать выводы.
Оформить результаты исследования и создать презентацию.
Методы исследования:
Сбор материалов наблюдения
Изучение литературы
Наблюдение и опыт
Вывод
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Щебень – строительный материал, который получают в результате дробления и последующего просеивания горных пород.
Своим природным происхождением щебень обязан морям, океанам, скалам, горам. В строительстве наибольшее применение имеет щебень гранитный, гравийный и известняковый. Существуют еще вторичный и шлаковый щебень.
Гранитный щебень - это щебень, производимый из предварительно взорванной монолитной скалы, представляющей собой застывшую магму. Магма – продукт извержения вулкана, т.е. это застывшая лава.
Гравийный щебень добывается в карьерах путем поднимания вместе с песком со дна водоёмов. После этого производится очистка, а затем через пластинчатый или вибрационный питатель сырьевая масса поступает на дробление.
Процесс добычи гравийного щебня гораздо легче, чем гранитного и требует меньших усилий и средств. Дело в том, что данные породы менее прочны, по сравнению с изверженными, а значит для их разработки потребуется менее мощное оборудование и машины. К тому же гравий считается весьма распространенным материалом, что также обуславливает сравнительно небольшую себестоимость материала.
Распространенность гравийного щебня способствует большой конкуренции в добыче данного материала, что также снижает его рыночную стоимость.
Известняковый (доломитовый) щебень, как правило, так называют щебень из осадочных горных пород. Данный щебень является продуктом переработки горной породы - известняка, образовавшегося из живых организмов миллионы лет назад на дне бывших морских бассейнов. Данные отложения так же остались в нашем крае, так как на территории Пермского края было Пермское море. Оно существовало в глубокой древности, около 285 миллионов лет назад, в эпоху Пермского периода.
Щебень широко применяют в дорожном строительстве, в производстве бетона и железобетонных конструкций. Также известняковый щебень широко применяют в производстве извести, соды и минеральных удобрений.
Шлаковый щебень является доступным строительным материалом, получаемым из отходов металлургической и химической промышленности, а также при сжигании твердого топлива.
Вторичный щебень, в настоящее время достаточно распространенный щебень. Его получают путем дробления строительного мусора.
Вторичный щебень благодаря достаточно низкой себестоимости обладает весьма дешевой ценой. Так, например, при сравнении с гранитным, вторичный щебень из строительного мусора будет стоить примерно в два раза дешевле.
Основные физические свойства щебня, влияющие на качество дорожного покрытия
Главными физическими свойствами щебня являются:
Прочность - способность материала выдерживать определенные нагрузки. Чем прочнее щебень, тем долговечнее асфальт
Истираемость - параметр характеризует износостойкость щебня. Играет очень важную роль, когда щебень используют для строительства автодорог.
- Лещадность - характеристика, которая определяет степень плоскости щебня. Наилучшим щебнем принято считать материал кубовидной формы, так как он дает самую плотную утрамбовку и данный щебень меньше подвержен разлому в дорожной одежде.
морозостойкость. Определяется количеством выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания. Щебень, используемый в дорожную одежду, должен выдерживать не менее 150 циклов. Это очень важная характеристика, особенно для щебня, используемого в асфальте, т.к. у нас в течении года происходит большое количество изменений температуры воздуха.
Процесс производства щебня
Для знакомства с технологией производства щебня мы побывали на карьере Белый камень в г. Чусовой.
Производство щебня очень сложный производственный процесс.
Предварительно убирается растительность, слой земли, глины до скального массива. Далее специальными буровыми машинами производится бурение скважин. В скважины заряжают взрывчатое вещество и производят взрыв для разрушения скального массива. Затем разрушенная горная масса грузится экскаватором в карьерные самосвалы для перевозки на дробильно-сортировочные заводы. На дробильно-сортировочном заводе происходит дробление и сортировка на фракции щебня. Фракция щебня определяет его размеры в миллиметрах, наибольший и наименьший размер зерна.
Для переработки известняка и доломита на месторождение Белый камень используют технологические комплексы, установленные в карьере.
2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬЕСКАЯ ЧАСТЬ
Проведение лабораторных исследований
Побывав на карьере, мы ознакомились и поучаствовали в проведении лабораторных испытаний физико-механических свойств щебня, выпускаемого на карьере Белый камень. Ежедневно работники лаборатории карьера проводит большое количество испытаний выпускаемого щебня и отсевов на определение физико-механических свойств.
Марка прочности (дробимость)
Первое испытание, которое мы провели было испытания щебня для определения марки прочности. Подготовленную пробу щебня фракции от 5 до 20 мм мы предварительно замочили в воде на 120 минут, далее слили воду. После насыщения водой с поверхности зерен щебня удаляют влагу мягкой влажной тканью. Затем мы разделили щебень на фракции от 5 до 10 мм и от 10 до 20 мм, данную операцию мы производили на специальных ситах и вибростоле. Щебень фракции от 5 до 10, св. 10 до 20 просеивают через два сита с отверстиями, соответствующими наибольшей (D) и наименьшей (d) крупности испытываемой фракции. От остатков на сите с отверстиями размером, равным d, отбирают две аналитические пробы массой не менее 0,5 кг каждая. Далее произвели взвешивание каждой полученной фракции, записали результат взвешивания. Затем щебень от 5 до 10 мм поместили в специальный цилиндрический цилиндр, вставили плунжер так, чтобы плита плунжера была на уровне верхнего края цилиндра.
Цилиндр поставили в пресс гидравлический и произвели сжатие щебня в цилиндре. Увеличивая силу нажатия пресса на 1—2 кН (100—200 кгс) в секунду, доводят до 50 кН (5000 кгс).
После сжатия испытываемую пробу высыпают из цилиндра и взвешивают. Затем ее просеивают в зависимости от размера испытываемой фракции через сито с отверстиями размером:
1,25 мм — для щебня размером фракции от 5 до 10 мм;
2,5 мм — для щебня свыше 10 до 20 мм;
О статок щебня на сите после просеивания взвешивают. Дробимость Др, %, определяют с точностью до 1 % по формуле:
Др = (m - m1)/m*100
где m — масса аналитической пробы щебня (гравия), граммы;
m1 — масса остатка на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы щебня (гравия), граммы.
За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний. У испытанного при нас щебня
дробимость получилась 11%, что соответствует марке по дробимости М1000.
Лещадность
Следующие испытания мы провели для определения лещадности щебня фракции от 20 до 40 мм.
Содержание в щебне зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм оценивают количеством зерен, толщина которых менее длины в три раза и более.
Соотношение размеров зерен определяют при помощи передвижного шаблона (штангенциркуля).
При использовании шаблона измеряемое зерно вкладывают наибольшим размером между губками, положение шаблона фиксируют стопорным винтом и измеряют размер зерна, затем зерно пропускают наименьшим размером между губками шаблона, установленными на расстоянии в три раза меньшем. Если зерно пройдет между губками, то его относят к зернам пластинчатой или игловатой формы.
Содержание в каждой фракции зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, %, определяется по формуле:
,
где, m – масс аналитической пробы;
m1 – масса зерен пластинчатой и игловатой форм.
У нас получился результат в 10,68%, что относится ко второй группе по лещадности. Работники лаборатории сообщили нам, что очень хорошим результатом является лещадность щебня до 15%.
Истираемость
Испытания щебня на истираемость на карьере Белый камень не производят в виду отсутствия специального оборудования – полочный барабан и отсутствия необходимости в частом проведении данного испытания, т.к. истираемость определяется 1 раз в 6 месяцев. Мы познакомились с порядком проведения испытания на истираемость в специальной литературе – ГОСТ 8269.0-97.
Истираемость (другими словами износ) щебня определяют по потере массы зерен при испытании пробы в полочном барабане с шарами.
Подготовленную пробу загружают в полочный барабан вместе с чугунными или стальными шарами, закрепляют крышку барабана и приводят его во вращение со скоростью 30—33 об/мин. По окончании испытания содержимое барабана просеивают через сито с отверстиями диаметром 5 мм и контрольное сито с сеткой № 1,25. Остатки на ситах соединяют и взвешивают.
Истираемость щебня И, %, определяют по формуле И = (m – m1) / m *100
где m — масса пробы щебня (гравия), г; m1 — суммарная масса остатков на сите с отверстиями диаметром 5 мм и контрольном сите, г.
За результат испытания принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний.
Морозостойкость
Морозостойкость щебня определяют по потере массы пробы при попеременном замораживании и оттаивании. Это очень длительный процесс и занимает около 6 месяцев. Изначально берется проба щебня, промывается и высушивается.
Подготовленную пробу щебня равномерно насыпают в металлический сосуд и заливают водой, имеющей температуру 20 ±5°С. Через 48 ч сливают воду из сосуда, помещают щебень в морозильную камеру и доводят температуру в камере до минус 18 +2°С. Продолжительность цикла замораживания щебня в камере при установившейся температуре не выше минус 16 °С должна составлять 4 ч. После этого сосуд со щебнем помещают в ванну с проточной или сменяемой водой с температурой 20 +5°С и выдерживают в ней при этой температуре до полного оттаивания щебня, но не менее 2 ч. Далее циклы испытания повторяют. После 15, 25 и каждых последующих 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания пробу щебня высушивают до постоянной массы, просеивают через контрольное сито, на котором она полностью оставалась перед испытанием.
Потерю массы пробы ∆