Контакты

Адрес:
664056 г. Иркутск,
ул. Салацкого, 17
(м/р Приморский),

тел./факс: (3952) 793-663  
Написать нам письмо

Использование комплексных добавок для укрепления грунтов в сельском дорожном строительстве

В.А. ГРИШИНА, инженер, В.Ф. ХРИТАНКОВ, канд. техн. наук,

А.П. ПИЧУГИН, д-р техн. наук, Новосибирский государственный аграрный университет

Автомобильные дороги в сельских районах являются важнейшей составной частью общей инфраструктуры аг­ропромышленного комплекса, и их отсутствие или не­удовлетворительное состояние приводят к значительным потерям сельскохозяйственной продукции. Кроме того, от состояния дорог в сельских районах зависит качество жизни на селе. Конструкция дорожной одежды внутрихо­зяйственных дорог вследствие меньшей интенсивности движения подвержена меньшим воздействиям транс­портных нагрузок, и требования к физико-механическим свойствам, морозо- и износостойкости, усталостной прочности могут быть менее жесткими, чем для материа­лов дорог общего пользования. При этом дорожная одеж­да должна иметь достаточную прочность в течение года, а в слоях можно использовать материалы, не требующие высоких эксплуатационных показателей. Качество авто­мобильных дорог и особенно их долговечность в огром­ной степени зависят от надежности земляного полотна. Разрушения дорожного полотна связаны с процессами, происходящими в грунтовом основании, сооруженном из местных грунтов. Влага, находящаяся в порах и пустотах при переменном замерзании и оттаивании, снижает несу­щую способность фунта в основании дороги.

Создание материалов для стабилизации и упрочне­ния местных грунтов с возможностью их использования при сооружении земляного полотна и основания до­рожной одежды отнесено к разряду приоритетных согласно «Концепции национальной программы мо­дернизации и развития автомобильных дорог Россий­ской Федерации до 2025 года», утвержденной в 2004 г. В местах интенсивного движения, для пропуска гусенич­ных и негабаритных машин устраивают дополнитель­ные полосы движения, специальные подъездные или грунтовые дороги вдоль дорог с твердым покрытием. Увеличение ширины проезжей части или устройство укрепительных полос вдоль автомобильной дороги вле­чет за собой дополнительный расход материалов, и в связи с этим особое значение приобретает использова­ние различных производственных отходов.

Большая часть Западно-сибирского региона не име­ет природных каменных материалов, пригодных для до­рожного строительства. Использование золошлаковых отходов в дорожном строительстве расширяет сырьевую базу региона и упрощает некоторые технологические процессы. Широкое применение отходов ТЭС в виде золы-уноса или золошлаковой смеси позволяет:

- использовать местные грунты в качестве дорожно­-строительного материала, получаемого при воздей­ствии на грунт добавок извести в сочетании с добав­ками золы-уноса, что существенно удешевляет до­рожное строительство;

- высвободить огромные площади, занимаемые отвалами золы, не используемой рационально, и тем самым повысить экономический эффект от применения бурых углей в качестве местного дешевого топлива ТЭС.
Основной целью данной работы является разработка надежного и научно обоснованного способа получения укрепленного местного грунта применительно к климати­ческим условиям Новосибирской области. В этом отно­шении перспективным является укрепление фунтов зо­лошлаковой смесью ТЭС с добавлением отходов асбесто-цементного производства и омыленного таллового пека.

Для реализации поставленной цели требовалось ре­шить ряд теоретических и практических задач: провести анализ составов и свойств материалов, применяемых для укрепления фунтов основания автомобильных дорог, и анализ эффективности действия добавок различного ти­па в зольное вяжущее и композиции на его основе; теоре­тически обосновать и экспериментально подтвердить эффективность добавки омыленного таллового пека в зольное вяжущее; исследовать возможность микроарми­рования золошлакофунта отходами асбестоцементного производства; оптимизировать составы золошлакофунта с комплексными добавками; изучить закономерности влияния зольного вяжущего с добавками на физические, прочностные, деформативные и реологические свойства укрепленного фунта; оценить технико-экономическую эффективность работы.

Анализ научно-технической литературы и патент­ной информации по укреплению фунтов в дорожном строительстве и применению для этих целей золошла­ковых отходов ТЭС показал, что данной проблеме по­священо большое количество работ. Отечественная практика утилизации зол в бетонах отдает предпочтение низкокальциевой золе, образующейся при сжигании каменного угля, имеющего относительно стабильный и однородный химический и зерновой состав, что не ока­зывает отрицательного влияния на равномерность из­менения объема смешанного вяжущего вещества. Пра­вильно подобранный состав бетонной смеси с золой по многим характеристикам может превосходить бетон на портландцементе и, прежде всего в отношении лучшей удобоукладываемости, повышенной прочности, более гладкой поверхности золобетонных конструкций.

Морозостойкость зольных цементов несколько ниже, а коррозионная стойкость выше, чем цементов без мине­ральной добавки. Зольные цементы отличаются более низкими деформациями усадки и набухания. Одна из особенностей цементов с добавками золы — пониженное выделение тепла при гидратации. Это определяет при­годность для изготовления массивных сооружений из гидротехнического и дорожного бетона, при твердении которого повышенное тепловыделение цемента вызывает трещинообразование. Вяжущие на основе золошлаковых отходов имеют высокую коррозионную стойкость и обла­дают способностью в условиях повышенной влажности в течение длительного времени продолжать набирать проч­ность после достижения проектных показателей.

Наиболее распространенным местным материалом являются грунты, поэтому весьма актуальна разработка методов укрепления фунтов. Основания из укреплен­ных грунтов отличаются низкой стоимостью, долговеч­ностью, повышенной морозостойкостью. Наиболее эффективным и простым является метод укрепления различных грунтов портландцементом. Несмотря на очевидные преимущества, применение портландцемен­та в укреплении грунтов несколько ограничивается его дефицитностью и высокой стоимостью. Кроме того, укрепление грунтов только с помощью цемента не всег­да эффективно. Возможно использование золы ТЭС в сочетании с цементом или известью для укрепления несцементированных обломочных, песчаных и супесча­ных грунтов. Наиболее пригодными для этих целей яв­ляются золы сухого улавливания и удаления.

При строительстве автомобильных дорог золы-уноса сухого удаления используют в качестве активной гид­равлической добавки совместно с цементом или из­вестью, а также как самостоятельное медленнотвердею­щее вяжущее для устройства дорожных оснований и покрытий из укрепленных грунтов и отходов, получае­мых при дроблении каменных материалов. Зола улуч­шает гранулометрический состав смеси и благодаря сво­им пуццолановым свойствам участвует в процессах схватывания и твердения цемента.

В смесях с грунтами отвальные золошлаковые мате­риалы применяются при строительстве улучшенных грунтовых дорог. Эффективность применения отваль­ных золошлаковьтх смесей можно существенно повы­сить, вводя в них цемент, известь и другие добавки.

Использованные в работе золы, шлаки и Золошлаковая смесь представляют собой материал в виде разно-прочных гранул и кусков разнообразной величины и формы. Свойства материала как заполнителя для легких бетонов зависят от качества сжигаемого угля и технологи­ческого процесса его сгорания. В работе использованы золы бурых углей Назаровского и Березовского место­рождений, золошлаковые смеси и шлак, образуемые при сжигании углей Томь-Усинского (Т-У) угольного бассей­на на ТЭС и в котельных Новосибирска и Новосибирской области. Топливные золы и шлаки в отвалах неоднородны по своему химическому, минералогическому и грануло­метрическому составу. Характерной особенностью кис­лых золошлаков является их неоднородность по размерам частиц, конфигурации, цвету и структуре. Преимущест­венно преобладают шарообразные частицы. Цвет частиц изменяется от светлого до черного с металлическим блес­ком. Испытания золошлаковой смеси по ГОСТ 25592—83 показали следующее: содержание шлака 1,3—19.7 мас. %; содержание зерен золы и шлака, проходящих через сито № 0,315, - 65,8—82.3%; содержание зерен размером более 5 мм 13,1 — 17,9%; максимальный размер зерен шлака 19-24 мм; влажность 14-3-19,5%; плотность насыпная 795—850 кг/м3; потеря массы при прокали­вании 8,7-15,1%.

Химический анализ зол и шлаков, проведенный по ГОСТ 5383—83, представлен в таблице. Ввиду низкого содержания оксида кальция применяемые золошлако­вые смеси и шлак относятся к неактивным инертным заполнителям согласно существующей классификации, а золы Назаровского и Березовского месторождений, содержащие до 40% СаО, относятся к активным.

Используемый для некоторых сравнительных соста­вов речной кварцевый песок Криводановского место­рождения соответствует требованиям ГОСТ 8735—88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» и ГОСТ 8736—85 «Песок для строительных работ. Техни­ческие условия» и отнесен к мелким пескам. Химичес­кий состав песка представлен в таблице. Для дисперсно­го армирования грунтобетона использовали отходы асбестоцементной промышленности (АЦП), сопутствую­щие производству асбестоцементных изделий на заводе в г.Искитим Новосибирской обл., представляющие со­бой крупнотоннажный шлак (отход) из гидротированного цемента. Шлам находится в рыхлом состоянии и содержит агрегированные или дисперсные частицы ас­бестоцемента с наличием до 50—60% гидратированного портландцемента М400 производства Искитимцемента. Содержащийся в шламе хризотил-асбест представлен волокнами длиной 1—6 мм и диаметром 0,02—0,8 мкм. По химическому составу хризотил-асбест представляет со­бой гидросиликат магния, который может быть выражен формулой 3MgO 2SiO2H2O (см. таблицу).

В исследованиях был использован портландцемент М400 Искитимцемента. Испытания, проведенные по ГОСТ 310.1-4-81 и ГОСТ 5382-91, подтвердили его фи­зико-механические и химические показатели, и соответ­ствие требованиям ГОСТ 10178-85* «Портландцемент и шлакопортдандцемент. Технические условия». Хими­ческий состав цемента приведен в таблице. Альтерна­тивное минеральное вяжущее представлено кальциевой известью негашеной, комовой, третьего сорта, медленногасящейся производства Искитимцементстроя без добавок с насыпной плотностью 930 кг/м3 и удельной поверхностью 3500—3600 см2Д.

Омыленный талловый пек, химический материал на основе жирных кислот, использовали как добавку-мо­дификатор для активизации золошлаковой смеси.

Древесный пек не является химически индивидуаль­ным веществом, а относится к коллоидно-аморфным сис­темам, в состав которых входит свыше 200 наименований.

различных химических веществ — сложных органических. главным образом кислотосодержащих веществ с большой молекулярной массой. Большая часть древесного пека состоит из высокомолекулярных веществ (оксикислот). которые образуются в результате разгонки смолы при вы­сокой температуре за счет конденсации, переохлаждения, поликонденсации и полимеризации. В состав древесного пека входят также фенолы, смоляные и жирные кислоты, которые являются поверхностно-активными веществами. Эти вещества предстаатяют большой интерес, гак как обладают гидрофобизируюшим эффектом при взаимо­действии с минеральными частицами грунта. Древесный пек обладает хорошими вяжущими свойствами, а также гидрофобностью, т. е. способностью придавать поверх­ности минералов полную или частичную несмачиваемость водой. Прочность и водоустойчивость фунтов, обработан­ных древесным пеком, зависит от равномерного распреде­ления вяжущего в грунте, полноты обволакивания грунто­вых частиц и их афегатов вяжущим, качества сцепления вяжущего с поверхностью фунтовых минеральных час­тиц. В свою очередь, обволакивание минеральных частиц вяжущим обусловливается молекулярно-поверхностными свойствами фунтов, и в первую очередь величиной энер­гии свободной поверхности фунтов. При взаимодействии фунта, особенно его тонкодисперсной части, с вяжущим на минеральных частицах и афегатах образуется слой вяжущею с повышенной плотностью, который и обеспе­чивает сцепление более активной части вяжущего с мине­ральной поверхностью фунта. Необходимо отметить, что поверхность минералов грунта вследствие различного строения их кристаллических решеток обладает различ­ной адсорбционной способностью по отношению к вяжу­щему. Ребра и углы кристаллов вследствие большого коли­чества нескомпенсированных зарядов, а следовательно, большого остаточного электросилового поля, более ин­тенсивно сцепляются с вяжущим.

Оценку степени активности минеральных вяжущих осуществляй фотоэлектроколориметрическим методом с использованием видимого света в диапазоне длин волн 400—75 нм. Данный метод позволил определить содержа­ние оксидов кремния, железа и алюминия. Идентифика­цию различных фаз в образцах исходных материалов и укрепленного фунта, определение изменения структуры укрепленного фунта проводили рентгенофазовым мето­дом. Присутствие в исследуемых материалах той ли иной фазы, обнаружение реакций взаимодействия выполняли дифференциальным термическим анализом (ДТА).

Непосредственно перед изготовлением образцов определяли максимальную плотность при оптимальной влажности (ГОСТ 22733—2002) в грунтах, укрепленных вяжущим (ГОСТ 23558—94). Изготовление, хранение и испытания образцов на сжатие, изгиб, определение де­формационных характеристик, плотности, набухания и водонасыщения, испытания на морозостойкость произ­водили в соответствии с нормативными требованиями ГОСТ i 2801-98.

При сравнении прочностных характеристик отдава­лось предпочтение прочности при растяжении и изгибе, поскольку данная схема испытания более точно отража­ет работу конструкции дорожной одежды. Сроки испы­тания для определения кинетики исследуемых характе­ристик были назначены 7, 28, 90, 180, 365, 545 и 730 сут. В качестве образцов использовали балочки 160x40x40 мм. Твердения золошлаковых смесей, укрепленных це­ментом, условно можно разделить на две стадии:

· взаимодействие между клинкерными материалами и водой с образованием основной части цементирую­щего вещества и выделением свободной извести;

· взаимодействие выделившейся извести с золой уно­са, содержащейся в золошлаковой смеси, и образова­ние вторичных цементирующих новообразований.

На первой стадии твердение протекает почти с такой же скоростью, как и в обычных бетонах. На второй стадии материал затвердевает гораздо медленнее, поэтому золошлаковые смеси, укрепленные цементом, способны постепенно увеличивать свою прочность в течение дли­тельного времени. Выполнение физико-химических ис­следований выявило усиливающее влияние предлагаемой комплексной добавки в укрепленных фунтах по сравне­нию с укреплением цементом. Так, отмечено повышение термоустойчивости минеральных фаз и переход в зону по­вышенной температуры на термофаммах практически для всех переходных процессов эндо- и экзотермических эф­фектов. Кроме того, на дифрактограммах появились до­полнительные пики, соответствующие образованию гид­росиликатов кальция, что свидетельствует о положитель­ном влиянии комплексных добавок на активизацию зол и золошлаковых смесей. Подтверждением усиливающею влияния комплексных добавок на укрепленные фунты явились фотоэлектроколориметрические и микрострук­турные исследования, выявившие более упорядоченную структуру материала и его стабильность во времени.

Использование комплексных добавок при укреплении грунта для дорожного строительства с применением отхо­дов АЦП и таллового пека в комплексе с золой уноса или золошлаковой смесью позволили получить устойчивые результаты по прочности фунтового основания и активи­зации оксида кальция в присутствии таллового пека. По разработанным рекомендациям и методике укрепления фунта непосредственно на строительной площадке были опробованы рецептуры фунтобетона с комплексными добавками и заложены производственные участки дорож­ного полотна. Отбор проб и испытание дорожного основа­ния неразрушающими методами позволили сделать за­ключение о рациональности и эффективности использо­вания выбранных добавок в дорожном строительстве.

Показать в формате для печати