Актуальность использования укрепленных грунтов в настоящее время обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог и дефицитом, либо высокой стоимостью каменных материалов. Месторождения каменных материалов, пригодных для строительства дорожных одежд автомобильных дорог, на территории России размещены весьма неравномерно. Большая часть территории страны находится в условиях недостатка каменных материалов, доставляемых на нужды дорожного строительства из горных ее частей. Значительные затраты на транспортирование материалов вызывают увеличение общей стоимости строительства автомобильных дорог. Поэтому на территориях с дефицитом местных каменных материалов целесообразно применять грунты, укрепленные вяжущими веществами.
К настоящему времени в России и зарубежных странах накоплен значительный опыт по применению технологии укрепления грунтов для строительства конструктивных слоев дорожных одежд автомобильных дорог. Данный способ хорошо себя зарекомендовал как эффективный, экономичный и универсальный метод строительства дорожных одежд в местах, где отсутствуют запасы каменных материалов.
Портландцемент является одним из самых распространенных, универсальных и дешевых минеральных вяжущих, применяемых для укрепления грунтов. В портландцементе заложены те потенциальные вяжущие свойства, при максимальной реализации которых обеспечивается коренное изменение первоначальных свойств, присущих грунту, с приданием ему новых качеств: постоянной и необратимой прочности, связности (монолитности) и морозостойкости. Поэтому повышение эффективности укрепления грунтов портландцементом с заданными структурно-механическими свойствами является актуальной задачей [1, 5].
Цель исследования
Целью исследования является изучение физико-механических свойств грунта, укрепленного портландцементом со стабилизирующей добавкой, повышающей эффективность формирования структуры материала, для использования в строительстве дорожных одежд автомобильных дорог.
Материал и методы исследования
Для проведения исследований использовались образцы естественного грунта – супеси песчанистой, укрепленной портландцементом М400, производства ООО «Завод сухих строительных смесей «Brozex», сводорастворимой стабилизирующей добавкой на основе гидропропилена с агломерационным воздействием. Характеристика укрепляемого грунта представлена в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика грунта, укрепленного портландцементом со стабилизирующей добавкой
|
Наимено-вание грунта |
Содержание фракций грунта, %, размерами, мм |
Плот-ность сухого грунта, г/см3 |
Влаж-ность, % |
Число пластич-ности |
Опти-мальная влаж-ность, %; |
pH грунта |
Содер-жание гуму-совых веществ, % |
|||||||||||
|
Более 10 |
10-5 |
5-2 |
2-1 |
1-0,5 |
0,5-0,25 |
0,25-0,1 |
0,1-0,05 |
0,05-0,01 |
0,01-0,002 |
Менее 0,002 |
ρ |
WL |
Wp |
Ip |
Wопт |
pH |
|
|
|
Супесь песча-нистая |
5,1 |
4,6 |
5,3 |
8,5 |
10,2 |
13,3 |
15,5 |
17,9 |
11,2 |
7,0 |
1,4 |
1,47 |
21 |
17 |
4 |
9 |
6,3 |
1,3 |
Лабораторные исследования по определению водонасыщения и предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов укрепленного грунта проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94: Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. Перед испытаниями образцы укрепленного грунта подвергались полному водонасыщению. Математическая обработка полученных результатов эксперимента проводилась с помощью программного комплекса STATISTICA.
Результаты исследования
Процессы, происходящие при укреплении грунтов портландцементом, весьма разнообразны, находятся в тесной взаимосвязи и включают:
-
химические процессы – гидратация цементных зерен, твердение продуктов гидратации и их новообразований, возникающих при взаимодействии с частицами грунта и тонкодисперсной его частью;
-
физико-химические процессы – обменное поглощение отдельных составных частей продуктов гидратации цемента тонкодисперсной частью грунта. При этом может иметь место молекулярная сорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, а также необратимая коагуляция глинистых и коллоидных веществ, их микроагрегирование и прочное цементирование;
-
физические и механические процессы – тонкое размельчение грунтовых агрегатов, точное дозирование минерального вяжущего, равномерное перемешивание его с грунтом, оптимальное увлажнение смеси и уплотнение ее до максимальной плотности с последующим длительным обеспечением требуемого режима твердения готового слоя укрепленного грунта [2].
В результате указанных взаимодействий укрепленные грунты должны приобретать заданные структурно-механические свойства и сохранять их длительное время в сухом и во влажном состоянии. Значительную роль при этом играют процессы, определяющие формирование структуры материала.
Принято различать три типа пространственных структур дисперсных систем (материалов): кристаллизационные конденсационные и коагуляционные. Кристаллизационные структуры являются наиболее прочными и формируются при укреплении грунтов портландцементом. Они возникают в результате сращивания кристалликов новой твердой фазы, возникающей из перенасыщенного раствора при гидратационном твердении минерального вяжущего (рис. 1, а). Конденсационные структуры характеризуются тем, что возникают при небольших сил сцепления – химических (рис. 1, б). Коагуляционные структуры характеризуются тем, что частицы дисперсной фазы образуют беспорядочную пространственную сетку (рис. 1, в). Коагуляционные структуры отличаются от структур других типов следующими свойствами: относительно малой прочностью; предельной тиксотропностью; ярко выраженной пластичностью и способностью к ползучести; высокой эластичностью[1].
Рис.1. Типы контактов: а) конденсационно-кристаллизационный контакт срастания или спекания;б) псевдоконденсационный контакт; в) коагуляционный контакт(с тонкой равновесной прослойкой дисперсионной среды).
Формирование кристаллизационной структуры грунтов, укрепленных портландцементом, при соблюдении оптимальных дозировок минерального вяжущего, максимальном уплотнении и организации требуемых условий твердения определяет высокие прочностные показатели, водо- и морозостойкость цементогрунтов. Однако кристаллизационные пространственные структуры таких материалов отличаются жесткостью, обладают низкими деформативными свойствами и трещиностойкостью. Данные характеристики материалов являются важными при использовании в дорожном строительстве[3, 4].
В целях целенаправленного регулирования процессов, определяющих формирование структуры и свойств цементогрунтов, были проведены исследования по укреплению грунтов портландцементом с водорастворимой стабилизирующей добавкой на основе гидропропилена. Использование стабилизирующей добавки при укреплении грунтов портландцементом позволяет формировать комплексную структуру цементогрунтов – кристаллизационно-коагуляционную, характеризуемую не только высокой прочностью, водо- и морозостойкостью, но и пластичностью и трещиностойкостью.
Как показывают результаты проведенных исследований зависимости водонасыщения и предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов супеси песчанистой, укрепленной портландцементом со стабилизирующей добавкой, в зависимости от количества вяжущих компонентов, цементогрунт обладает высокими прочностными характеристиками и низким водонасыщением (рис. 2, 3).
Рис.2. Поверхность отклика для предела прочности при сжатии (Rсж) водонасыщенных образцов укрепленного грунта в зависимости от количества портландцемента (Qпц) и содержания стабилизирующей добавки (Qст)
Рис.3. Поверхность отклика для водонасыщения (W) образцов укрепленного грунта в зависимости от количества портландцемента (Qпц) и содержания стабилизирующей добавки (Qст)
Введение стабилизирующей добавки без портландцемента позволяет формировать коагуляционную структуру укрепленного грунта, обладающей упруго-вязко-пластичными свойствами, низкой прочностью и водонасыщением. Укрепление грунта портландцементом и стабилизирующей добавкой позволяет сформировать комплексную кристаллизационно-коагуляционную структуру материала, обладающую высокой прочностью и низким водонасыщением, и силу особенностей своих структурных связей –пластичностью и трещиностойкостью.
Высокие физико-механические и деформативные свойства грунтов, укрепленных портландцементом со стабилизирующей добавкой, могут быть обеспечены оптимальным сочетанием дозировок вяжущих компонентов с учетом характеристик исходных грунтов. Результаты исследований показали, что при укреплении супеси песчанистой портландцементом, оптимальной дозировкой стабилизирующей добавки является 0,06 – 0,10 % от массы грунта. Уравнение регрессии в натуральном выражении, адекватно описывающее влияние количества портландцемента (Qпц) и содержания стабилизирующей добавки (Qст) на предел прочности при сжатии Rсж супеси песчанистой, имеет вид:
Rcж = 0,0513+6,4876Qст+1,4959Qпц-26,9174(Qст)2-0,0754QстQпц-0,0692(Qпц)2
Таким образом, результаты проведенных лабораторных исследований показывают эффективность применения стабилизирующей добавки водорастворимого гидропропилена при укреплении грунтов портландцементом для формирования кристаллизационно-коагуляционной структуры материала, обладающего высокими прочностными показателями, низким водонасыщением, пластичностью и трещиностойкостью.
Выводы
- При укреплении грунтов портландцементом происходит формирование кристаллизационной структуры материала, обладающей высокими прочностными показателями, водо- и морозостойкостью, а также жесткостью, низкими деформативными свойствами и трещиностойкостью. Целенаправленное формирование у укрепленных грунтов кристаллизационно-коагуляционной структуры позволяет придать материалу высокие прочностные свойства, морозостойкость, а также пластичность и трещиностойкость.
- Применение стабилизирующей добавки водорастворимого гидропропилена при укреплении грунтов портландцементом позволяет формировать кристаллизационно-коагуляционную структуру материала, обладающего высокими прочностными показателями и низким водонасыщением, и в силу особенностей своих структурных связей – пластичностью и трещиностойкостью.
- Высокие физико-механические и деформативные свойства грунтов, укрепленных портландцементом со стабилизирующей добавкой, могут быть обеспечены оптимальным сочетанием дозировок вяжущих компонентов с учетом характеристик исходных грунтов. При укреплении супеси песчанистой портландцементом, оптимальной дозировкой стабилизирующей добавки является 0,06–0,10 % от массы грунта.
Рецензенты:
СилуковЮ.Д., д.т.н., профессор кафедры транспорта и дорожного строительства Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.
КошкаровЕ.В., д.э.н., к.т.н., старший научный сотрудник, ООО «Научно-исследовательский центр ГИПРОДОРНИИ», г. Екатеринбург.