Определение максимальной плотности и оптимальной влажности при стандартном уплотнении песка

При проектировании и строительстве сооружений, полностью или частично состоящих из дисперсных грунтов (в частности, песка), необходимо предусмотреть и обеспечить нормативную прочность, устойчивость. Это достигается дополнительным доведением породы до максимальной плотности при оптимальной влажности укаткой катками, трамбованием или виброуплотнением. Требуемый результат получается за счет перемещения, сплачивания отдельных зерен песка и сопровождается вытеснением воздуха из промежутков между ними. Физической особенностью данного процесса является то, что степень уплотнения зависит от влажности материала, и при одинаковых усилиях, но в разных условиях, может быть различной. Сухие и маловлажные грунты плохо поддаются уплотнению, поскольку взаимному перемещению отдельных зерен мешает возникающее между ними трение. Повышение влажности устраняет эту проблему, но для получения максимальной плотности и ее избыток нежелателен. При уплотнении переувлажненного песка излишняя влага не успевает уходить из его структуры и препятствует получению требуемого результата.

Влияние влажности песка на параметры и степень его уплотнения

Влажность грунта, при которой можно получить максимальную плотность при стандартном уплотняющем воздействии, называется оптимальной. Этот показатель зависит от зернового состава и чистоты песка, характера и интенсивности уплотнения, времени, затраченного на укатку или трамбование. Оптимальная влажность – один из важных показателей состояния материала, который учитывается при определении его пригодности для строительства, например, при использовании в качестве подстилающих слоев оснований автомобильных дорог. Строительные нормы и правила (СП-34.13330.2021), определяющие качество элементов дорожного покрытия, требуют, чтобы песок, при его уплотнении в теле насыпи, находился в состоянии оптимальной влажности. В том случае, если данный показатель ниже нормируемого – материал увлажняют, в противном случае – просушивают. Лабораторное определение максимальной плотности и оптимальной влажности при стандартном уплотнении песка проводится по методике ГОСТ 22733-2016, работа выполняется силами специализированных предприятий, имеющими соответствующую лицензию и аккредитацию. В Москве и Московской области это строительная лаборатория «ТехЛабКонтроль».  

Метод определения максимальной плотности песка

Данный метод заключается в определении зависимости плотности сухого природного дисперсного грунта (песка) от его влажности при постоянном (стандартном) уплотнении с последовательным увеличением степени увлажнения. Породы с различной структурой и минералогическим составом по-разному воспринимают уплотняющие нагрузки, поэтому методика определения максимальной плотности песка и оптимальной влажности при стандартном уплотнении уникальна и не применима случаях, если массив содержит органические примеси и более 30% зерен крупнее 10 мм в поперечнике. Испытания проводятся на песке нарушенного сложения, предназначенном для использования в практических целях. Входящие в их состав процедуры проходят в лабораторных условиях с использованием комплекта специальных приборов и оборудования. Стандарт (ГОСТ 22733-2016) предусматривает проведение не менее пяти последовательных испытаний материала с увеличением его влажности, расхождение между результатами параллельных опытов не должны превышать 1,5% по максимальной плотности и 10% по оптимальной влажности грунта. В том случае, если эти показатели превышены – процесс повторяется до получения требуемых результатов.  

Оборудование, необходимое для проведения исследований, подразделяется на основное и вспомогательное. В первую категорию входит уплотняющее устройство с грузом, падающим на наковальню с постоянной высоты (прибор, разработанный СОЮЗДОРНИИ, или его аналог) и форма для образца песка. Эти приборы должны удовлетворять следующим требованиям:

• вес падающего груза – 2500 г (+/– 25) г;

• высота падения – 300 мм (+/– 3 мм);

• диаметр наковальни – не менее 99,8 мм (99,6 мм для механизированных устройств);

• форма для образца песка – цилиндр высотой 127,4 мм (+/– 0,2 мм) и внутренним диаметром 100,0 мм (+ 0,3 мм), плюс поддон, зажимное кольцо, насадка;

• опорная плита - масса не менее 50 кг, максимальное отклонение поверхности от горизонтали не более 2 мм/м.  

В состав вспомогательного оборудования входят следующие приборы и инструменты:

• весы лабораторные и для статического взвешивания материалов;

• металлическая линейка длиной не менее 300 мм;

• мерные цилиндры вместимостью 50 и 100 мг;

• чашки металлические емкостью 5 л;

• весовые стаканчики (бюксы);

• растирочное устройство (фарфоровая ступка с пестиком);

• шкаф сушильный;

• набор сит с диаметром отверстий 5 и 10 мм;

• эксикатор (емкость для поддержания постоянного уровня влажности);

• металлический шпатель;

• лабораторный нож;

• штангенциркуль.

Все измерительные инструменты должны быть калиброваны или поверены в установленном порядке – это требование Федерального закона РФ от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Подготовка и проведение испытаний

Работу по определению максимальной плотности и оптимальной влажности при стандартном уплотнении песка предваряет комплекс мероприятий по подготовке необходимого для этого оборудования и проб материала. Цилиндрическая часть формы для образцов взвешивается, уплотняющая установка приводится в рабочее положение согласно инструкции по эксплуатации. Подготовка проб песка осуществляется в следующем порядке:

• взятие образца песка нарушенного сложения массой не менее 6 кг в состоянии естественной влажности;

• высушивание при комнатной температуре или в шкафу с перемешиванием;

• размельчение в растирочном устройстве без дробления;

• взвешивание образца песка, просеивание на ситах 10 и 5 мм с взвешиванием остатков;

• отбор проб, определение влажности и средней плотности крупных частиц, а также влажности мелких частиц в воздушно-сухом состоянии (ГОСТ 8269, ГОСТ 5180);

• вычисление процента содержания в песке крупных частиц;

• определение количества воды, необходимого для доувлажнения пробы до влажности первого испытания, установленного стандартом (ГОСТ 22733-2016) для песка с конкретной крупностью;

• добавление вычисленного объема влаги в песок, перемешивание, выдерживание в эксикаторе не менее 2-х часов при комнатной температуре.

После проведения комплекса подготовительных работ проводится последовательные испытания образца с использованием уплотняющего устройства. Часть пробы загружается в форму слоем 50-60 мм и уплотняется сорока ударами груза при его падении на наковальню с высоты 300 мм. Эта операция повторяется еще дважды с послойной укладкой песка, перед добавлением третьего слоя на цилиндр устанавливается насадка. После завершения уплотнения насадка снимается, слой песка над верхом цилиндра удаляется – он должен быть не более 10 мм. Дальнейшие действия:

• взвешивание цилиндра с песком;

• определение плотности материала по отношению разности масс цилиндрической части с грунтом и без него к объему внутренней полости;

• извлечение песка из формы, определение влажности в его нижней, средней и верхней части по методике ГОСТ 5180;

• добавление извлеченного из формы песка в чашку с остатками пробы, перемешивание;

• увеличение влажности добавлением воды (для песка на 1 – 2 %);

• повторение испытаний материала из пробы с применением уплотняющего устройства.  

Работа считается завершенной, когда при двух последующих циклах уплотнения выявится уменьшение массы и плотности образца, появятся выделения жидкости на соединениях формы. Результаты всех этапов испытаний заносятся в журнал установленной формы.

Обработка результатов испытаний

Результаты, полученные в ходе лабораторных испытания проб песка, позволяют судить о плотности сухого материала. Этот показатель определяется последовательными вычислениями по формуле, как отношение плотности грунта к его влажности при каждом очередном испытании. На основании полученных данных стоится график, его максимум по оси ординат показывает максимальную плотность, а соответствующая ей точка на оси абсцисс – оптимальную влажность.

Кроме определения максимальной плотности и оптимальной влажности при стандартном уплотнении песка по методике ГОСТ 22733-2016, существуют и другие способы вычисления этих значений. Это, в частности, метод Проктора (США). Он применяется и в России, но отличается от стандартного способом уплотнения и дает несколько иные результаты. Для приведения стандартных значений максимальной плотности и оптимальной влажности к результатам испытаний по методу Проктора используются коэффициенты, указанные в приложении ГОСТ 22733-2016.