Влияние формы зерен песка на прочность и долговечность дорожных оснований и покрытий

Введение

Песок — один из наиболее распространённых и важных материалов в строительстве дорожных оснований и покрытий. Его механические характеристики напрямую зависят не только от гранулометрического состава, но и от формы зерен. Форма зерна песка влияет на уплотняемость, сцепление между частицами и стойкость дорожного покрытия к нагрузкам и деформациям. Несмотря на популярность изучения гранулометрии, форма зерен часто недооценивается, что может приводить к снижению эксплуатационных характеристик дороги.

Что такое форма зерен песка и как её классифицируют?

Под формой зерна понимается геометрическая конфигурация отдельных песчинок. В зависимости от их формы и угловатости выделяют следующие основные типы:

• Округлые — зерна с плавными и закруглёнными контурами.
• Зубчатые или остроугольные — зерна с острыми углами и шероховатой поверхностью.
• Подобные зерна — промежуточная форма, частично угловатые, частично округлые.

Для оценки формы используют индексы, например, индекс угловатости и индекс округлости, которые позволяют количественно характеризовать зерна.

Таблица 1. Классификация формы зерен песка по шероховатости и угловатости

Влияние формы зерен песка на механические характеристики дорожных оснований

Дорожные основания служат фундаментом для верхних слоёв покрытия, и их прочность напрямую зависит от состава и структуры материалов. Форма зерен песка влияет на ключевые параметры:

1. Плотность и уплотняемость

Острые, угловатые зерна создают более плотную структуру за счёт взаимного «зацепления». Округлые зерна обладают меньшим коэффициентом уплотнения, так как они свободно перемещаются относительно друг друга, создавая воздушные пустоты.

2. Прочность на сдвиг

Механическое сцепление между зернами угловатой формы увеличивает сопротивляемость оснований сдвигу, что важно при нагрузках от проезжающего транспорта. Исследования показали, что угловатый песок может повысить прочность на сдвиг основания до 15–20% по сравнению с округлым.

3. Устойчивость к деформациям

Зерна с острыми углами препятствуют перемещению и скольжению частиц, снижая риск просадок, вспучиваний и образования колейности покрытия.

Влияние формы зерен на дорожные покрытия

В верхнем слое покрытия, обычно асфальтобетоне или цементобетоне, форма песчинок оказывает влияние на распределение нагрузок и долговечность покрытия.

1. Адгезия связующего материала

Остроугольные зерна лучше фиксируются в связующем (битуме или цементном растворе) за счёт увеличенной площади контакта и шероховатости поверхности. Это повышает адгезию и уменьшает вероятность выкрашивания.

2. Износостойкость покрытия

Покрытия с песком угловатой формы демонстрируют сниженный износ при динамических нагрузках благодаря прочному сцеплению составляющих.

3. Водонепроницаемость и устойчивость к морозу

Плотно уплотнённый материал с угловатыми песчинками имеет меньше пор, что препятствует проникновению воды и ухудшению характеристик на морозе.

Методы оценки формы зерен песка

Современные технологии предлагают различные способы анализа форму зерен:

• Визуальный и микроскопический анализ
• Анализ изображений с помощью компьютерных программ
• Использование лазерных сканеров и 3D-моделей

Например, по данным российских исследований, применение компьютерного анализа формы зерна повысило точность оценки пригодности песка в дорожных основаниях на 30% по сравнению с традиционными методами.

Примеры из практики

В одной из региональных дорожных компаний для строительства основания применяли песок с разной формой зерен:

• Первая партия — округлый речной песок.
• Вторая партия — карьерный песок с острыми краями.

Результаты испытаний через 2 года эксплуатации показали, что дороги с карьерным песком имели меньшие деформации и меньшее количество ремонтов, что подтвердило преимущества угловатой формы зерен для дорожных оснований.

Таблица 2. Сравнение механических свойств дорожных оснований с разной формой зерен песка

Рекомендации и мнение эксперта

«Для обеспечения высокой прочности и долговечности дорожных оснований и покрытий необходимо не только контролировать фракционный состав песка, но и тщательно оценивать форму зерен. Использование песка с умеренно остроугольной формой является оптимальным решением, так как позволяет совмещать лучшие характеристики уплотнения и сцепления, что снижает затраты на ремонт и эксплуатацию дороги.»

— Эксперт в области дорожного строительства

Заключение

Форма зерен песка является ключевым фактором, влияющим на механические характеристики дорожных оснований и покрытий. Острые и угловатые зерна обеспечивают лучшее сцепление, повышают прочность на сдвиг и устойчивость к деформациям, что продлевает срок службы дорог и снижает эксплуатационные расходы. Использование современных методов анализа формы зерен позволяет строителям принимать более обоснованные решения при подборе материалов. Рекомендовано уделять внимание не только размеру зерен, но и их форме, чтобы достичь оптимального соотношения прочности, уплотняемости и долговечности дорожных конструкций.