Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНЫХ СМЕСЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА МОНОЛИТНЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Чудинов С.А. 1 Ращектаев В.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»
В настоящей работе рассмотрены вопросы применения щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков для устройства монолитных оснований дорожных одежд. Монолитные основания щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков в большей степени соответствуют функциональному назначению оснований дорожных одежд, чем основания из дискретных (щебеночных, гравийных и т.п.) материалов. Представлены результаты лабораторных исследований физико-механических свойств образцов щебеночно-песчаной смеси металлургических шлаков Первоуральского новотрубного завода фракции 0-20 мм, укрепленной цементом ЦЕМ IIIА 32,5Н производства ООО «Уралцемент». Результаты исследований показывают, что марке по прочности М60 для устройства слоев оснований дорожных одежд капитального типа соответствует шлаковая щебеночно-песчаная смесь с добавкой 4% цемента по массе смеси в возрасте 28 суток твердения. Морозостойкость шлаковой щебеночно-песчаной смеси с добавкой 4% цемента по массе смеси в возрасте 28 суток твердения соответствует марке F25.
монолитные основания
щебеночно-песчаные смеси
металлургические шлаки
самоомоноличивание
гидравлическая активность
1. Волков М.И. Методы испытаний строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1974. – 315 с.
2. Отчет о НИР «Разработка и внедрение рекомендаций по использованию техногенных отходов предприятий Свердловской области в слоях дорожной одежды на автомобильных дорогах: «обход г. Невьянска» и «Серов-Ивдель». ФГУДП «Омский Союздорнии» – Омск, 2003. – 75 с.
3. Отчет по НИР «Технико-экономический анализ использования шлаковых материалов при строительстве автомобильных дорог Свердловской области». НТФ «Металлоконсалтинг». – Екатеринбург, 1998. – 84 с.
4. Тулаев А.Л., Корошев М.В., Исаев В.С. Дорожные одежды с использованием шлаков. – М.: Транспорт, 1986. – 221 с.
5. Чудинов С.А. Исследования влияния технологических факторов на прочность цементогрунтов//Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». – 2010. – № 1 (8). – С. 46–52.

Использование в строительстве местных материалов, переработка техногенных образований является важной народно-хозяйственной межотраслевой задачей. Значительную часть техногенных отходов составляют металлургические шлаки. На сегодняшний день, только на Урале шлаковые отвалы черной металлургии занимают площадь свыше 280 тыс. гектаров и в них находится около 70 миллионов тонн шлаков [2]. Разработка и совершенствование технологий применения металлургических шлаков в дорожном строительстве является актуальной задачей.

Цель исследования

Изучить физико-механические свойства щебеночно-песчаной смеси на основе металлургических шлаков, укрепленной цементом, для использования в строительстве монолитных слоев оснований дорожных одежд.

Материал и методы исследования

Для проведения исследований использовались образцы щебеночно-песчаной смеси металлургических шлаков Первоуральского новотрубного завода фракции 0-20 мм, укрепленной цементом ЦЕМ IIIА 32,5H производства ООО «Уралцемент». Лабораторные испытания физико-механических свойств материала 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.

Результаты исследования

Металлургический шлак представляет собой отвердевшее камневидное вещество, образующееся при выплавке металлов. Основу металлургических шлаков составляют оксиды CaO, SiO2, MgO и FeO. Благодаря такому химическому составу металлургические шлаки обладают гидравлической активностью и способностью к самоомоноличиванию [2, 3].

В настоящее время металлургические шлаки используются преимущественно в дорожном хозяйстве в виде фракционированного щебня и отсевов дробления. При этом получаемые отсевы шлаков фракции 0-10 мм остаются без внимания потребителей и накапливаются в отвалах. Кроме того, фракционированные щебеночные материалы металлургических шлаков слабо проявляют гидравлическую активность и способность к самоомоноличиванию.

Несущие слои оснований дорожных одежд обеспечивают совместно с покрытием перераспределение и снижение на расположенные ниже дополнительные слои или грунт земляного полотна давления от автотранспорта и веса дорожной одежды, не вызывающего предельных деформаций в подстилающем грунте, а при пучинистых грунтах еще и предохраняют их от морозного пучения. Поэтому и материалы, используемые для устройства оснований дорожных одежд должны обеспечивать выполнение этих функций в течение всего периода эксплуатации дороги при минимальных эксплуатационных затратах. Но при этом следует учитывать и особенности условий работы оснований, которые заключаются в том, что в процессе эксплуатации на них действуют не постоянные нагрузки, а непрерывно возрастающие. Это обусловлено как систематическим увеличением интенсивности движения по дорогам и грузоподъемности автомобилей, так и увеличением количества циклов попеременного замораживания и оттаивания, действующих разрушительно на материал основания на всем протяжении срока службы дороги. Поэтому, для обеспечения надежной сопротивляемости дорожной конструкции возрастающим разрушающим нагрузкам в течение всего срока службы необходимо, чтобы энергия структурных связей в материале несущего слоя также постоянно увеличивалась. При этом в идеале нарастание прочности несущего слоя должно быть сопоставимо с увеличением разрушительных нагрузок, действующих на него. Только при этих условиях с минимальными эксплуатационными затратами возможно обеспечить надежную и долговременную работу дорожных конструкций. Это должно быть одним из основных требований к свойствам материала применяемого для устройства оснований дорожных одежд [1, 4, 5]. С этих позиций монолитные основания щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков в большей степени соответствуют функциональному назначению оснований дорожных одежд, чем основания из дискретных (щебеночных, гравийных и т.п.) материалов.

Для изучения возможности применения щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков для устройства монолитных оснований дорожных одежд на примере щебеночно-песчаной смеси Первоуральского новотрубного завода, были проведены лабораторные исследования. Характеристика используемой шлаковой щебеночно-песчаной смеси Первоуральского новотрубного завода представлена в табл. 1. В качестве активной добавки в щебеночно-песчаной смеси использовался цемент ЦЕМ IIIА 32,5H.

Таблица 1

Характеристика шлаковой щебеночно-песчаной смеси Первоуральского новотрубного завода

Гранулометрический состав, %

Оптимальная влажность, %

Удельный вес, г/см3

Размер фракций, мм

20

10

5

2

Всего дресвы

0,5

0,25

0,1

0,05

Всего песка

0,05-0,005

<0,0005

Значение

0

30,0

22,7

18,3

71,0

13,3

3,3

2,4

3,4

22,4

6,1

0,5

7,5

3,28

Как показывают результаты исследований зависимости предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов и водонасыщения от содержания цемента (рис. 1, 2), марке по прочности М60 для устройства слоев оснований дорожных одежд капитального типа соответствует шлаковая щебеночно-песчаная смесь с добавкой 4% цемента по массе смеси в возрасте 28 суток твердения (предел прочности при сжатии Rсж=5,15 МПа). Стоит отметить, что без добавки цемента шлаковая щебеночно-песчаная смесь также обладает гидравлической активностью, при этом предел прочности при сжатии возрасте 28 суток твердения составляет 1,91 МПа.

Рис. 1. Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов шлаковой щебеночно-песчаной смеси в зависимости от содержания цемента при 28, 90 суточном наборе прочности.

Рис. 2. Водонасыщение образцов шлаковой щебеночно-песчаной смеси в зависимости от содержания цемента при 28, 90 суточном наборе прочности.

Непрерывный набор прочности с течением времени эксплуатации является важным свойством шлаковых щебеночно-песчаных смесей, так образцы в возрасте 90 суток твердения увеличили предел прочности на сжатие при содержании 0% цемента на 73%, при содержании 3% цемента – на 35%, при содержании 5% цемента – на 34%, при содержании 9% цемента – на 43%.

Полученные данные водонасыщения образцов шлаковых щебеночно-песчаных смесей свидетельствуют, что показатель водонасыщения не зависит от срока набора прочности, а зависит от содержания цемента. При этом минимальные значения водонасыщения в среднем 1,1% по массе смеси наблюдаются у образцов с содержанием цемента от 3% по массе смеси и выше, что связано с достижением оптимального гранулометрического состава материала.

Результаты определения морозостойкости шлаковой щебеночно-песчаной смеси, укрепленной 4% цемента показывают (рис. 3), что данная смесь в возрасте 28 суток твердения имеет марку по морозостойкости F25 и может применяться в слоях оснований дорожных одежд капитального типа в районах со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 °С до -30 °С.

Рис. 3. Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов шлаковой щебеночно-песчаной смеси, укрепленной 4% цемента, при испытаниях на морозостойкость.

Таким образом, результаты лабораторных исследований показывают возможность применения щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков Первоуральского новотрубного завода с добавкой 4% по массе смеси цемента ЦЕМ IIIА 32,5H для устройства монолитных оснований дорожных одежд капитального типа в районах со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 °С до -30 °С в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94.

Выводы

  1. Монолитные основания щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков в большей степени соответствуют функциональному назначению оснований дорожных одежд, чем основания из дискретных (щебеночных, гравийных и т.п.) материалов в течение всего периода эксплуатации автомобильных дорог при минимальных эксплуатационных затратах.
  2. Монолитные основания щебеночно-песчаных смесей металлургических шлаков обладают гидравлической активностью и способностью к самоомоноличиванию, что обеспечивает надежную сопротивляемость дорожной конструкции возрастающим разрушающим нагрузкам в течение всего периода эксплуатации автомобильных дорог.
  3. Щебеночно-песчаные смеси металлургических шлаков Первоуральского новотрубного завода с добавкой 4% по массе смеси цемента ЦЕМ IIIА 32,5H соответствуют требованиям ГОСТ 23558-94 для устройства оснований дорожных одежд капитального типа на большей части территории России в районах со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 °С до -30 °С.

Рецензенты:

Силуков Ю.Д., д.т.н., профессор кафедры транспорта и дорожного строительства Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.

Кошкаров Е.В., д.э.н., к.т.н., старший научный сотрудник, ООО «Научно-исследовательский центр «ГИПРОДОРНИИ», г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Чудинов С.А., Ращектаев В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНЫХ СМЕСЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА МОНОЛИТНЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14056 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074