Специалисты Пермского Политеха и Санкт‑Петербургского горного университета создали методику расчета оптимальной плотности и влажности дорожных стройматериалов — песчаников и глин, которая позволит эффективнее использовать местные грунты при прокладке автотрасс и сократить расходы на привозные материалы.
При строительстве инфраструктуры — дорог, дамб и других объектов — появляется необходимость снижать стоимость и сроки работ без ущерба для долговечности и устойчивости конструкций. Значительная часть затрат связана с логистикой: качественный щебень или песчано‑гравийную смесь (ПГС) часто везут за сотни километров, что существенно повышает общую стоимость проектов. Поэтому все чаще используют местные грунты для отсыпки земляного полотна и в качестве искусственных оснований.
Однако такие грунты зачастую состоят из выветрелых осадочных пород — песчаников и аргиллитов, которые подвержены морозному пучению и набуханию, а также характеризуются низкой прочностью. В связи с этим строителям приходится выбирать между двумя вариантами: либо заменять грунт привозным материалом (щебнем, песком, ПГС), что ведет к росту логистических издержек, либо улучшать свойства местных пород прямо на стройплощадке — например, с помощью цемента, извести и других реагентов. Второй вариант требует специального оборудования и точного контроля, превращая простую отсыпку в сложную высокотехнологичную операцию.
Для решения этой проблемы ученые создали и испытали серию образцов с разными пропорциями песчаника и аргиллита. Смеси уплотняли по стандартной методике, имитирующей трамбовку грунта в реальных условиях, а затем замеряли оптимальную влажность и максимальную плотность — ключевые показатели строительных свойств материала.
По словам одного из авторов разработки, доцента кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, кандидата технических наук Евгении Акбуляковой, максимальная плотность смеси достигается при содержании от 40 до 50 % аргиллита. Мелкие частицы глины заполняют пустоты между более крупными частицами песчаника, образуя плотную и однородную массу. При таком составе оптимальная для уплотнения влажность грунта близка к естественной, поэтому не требуется его искусственное увлажнение или осушение.
Исследователи математически описали выявленную зависимость и вывели две расчетные формулы для проектирования оптимального состава смеси.
«В одну формулу достаточно подставить содержание аргиллита, чтобы рассчитать, какая максимальная плотность смеси получится. Второй расчет позволяет определить оптимальную влажность для уплотнения смеси в зависимости от содержания аргиллита», — поясняет ученый.
Разработчики отмечают, что точность прогноза плотности превышает 99 %. Благодаря этому проектировщики смогут заранее оценивать характеристики грунта и режим его укладки без дорогостоящих лабораторных проб для каждого участка, а использование местного сырья поможет сократить сроки и стоимость строительства.