CC BY
44
ЦЕМЕНТОГРУНТИ НА ОСНОВІ МОДИФІКОВАНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ В’ЯЖУЧИХ
С.Й. Солодкий, доцент, к.т.н., Р.В. Гайванович, аспірант, Національний університет «Львівська політехніка»
Анотація. Робота присвячена комплексному дослідженню грунтів (дрібних пісків), укріплених композиційними в’яжучими, що вміщують в своєму складі активні алюмосилікатні добавки різної природи активності природного та техногенного походження. Для підвищення активності застосовується модифікація в ’яжучої системи сульфатом натрію. Досліджуються такі характеристики цементогрунтів: міцність і модуль пружності на стиск і розтяг при згині, параметри механіки руйнування. Проведені дослідження підтверджують доцільність впровадження композиційних в’яжучих і цементоґрунтів на їх основі в практику будівництва дорожніх одягів.
Ключові слова: композиційні в ’яжучі, цементогрунт, механіка руйнування.
Вступ
Наукові розробки в галузі в’яжучих речовин за останнє десятиріччя свідчать [1, 2, 3], що поряд з традиційним портландцементом зростає роль композиційних (малоклінкерних) цементів, які в своєму складі поєднують портландцементний клінкер з альтернативними матеріалами. До таких матеріалів відносять мінеральні добавки у вигляді природних (пуцолан, метакаолін тощо), а також традиційних техногенних матеріалів: високодисперсна зола-виносу, мелений доменний гранульований шлак, осаджений силікатний пил. Так, використання у складі малоклінкерних цементів високодисперсних зол-виносу Бурштинської ТЕС, перліту Берегівського кар’єру (м. Берегово) є для західного регіону України як екологічно, так і економічно доцільним, а для такої матеріалоємної галузі, як дорожнє будівництво, набуває особливої актуальності.
Аналіз останніх досліджень
Світовий досвід використання композиційних в’яжучих (КВ) [3] свідчить про те, що правильний підбір їх складу дає змогу отримати в’яжучі з широким спектром фізико-механічних характеристик, що в свою чергу, відкриває можливість виготовлення матеріалів зі спеціальними та заданими властивостями. Збереження активності таких в’ яжучих на рівні традиційного портландцементу досягається за рахунок активізації взаємодії їх компонентів модифікацією хімічними добавками. Висока ефективність модифікування композиційних цементів сполуками лужних металів теорети-
чно і практично доведена школою НДІВМ ім. В.Д. Глуховського при КНУБА [4].
Проведені дослідження [5] підтвердили, що такі в’яжучі за фізико-механічними властивостями не поступаються традиційним і придатні для приготування будівельних композитів.
Мета і постановка задачі
Метою досліджень було отримання цементоґрунтів на основі композиційних в’яжучих, які за показниками міцності, деформативності не поступаються традиційним і відповідають вимогам чинних нормативних документів. В зв’язку з існуванням проблеми репродукції тріщин на покриття дорожніх одягів особлива увага приділяється дослідженню тріщиностійкості цементо-ґрунтів методами механіки руйнування.
Дослідження властивостей цементоґрунтів
Як композиційне в’яжуче використано дві системи: №1 - “портландцементний клінкер - доменний гранульований шлак - перліт”, №2 - “портландцемен-тний клінкер - доменний гранульований шлак -зола-виносу ТЕС” [5]. Сумісний помел компонентів відповідного складу здійснювали в кульовому млині. Питома поверхня цементу становила 410-430 м2/кг (метод повітропроникності).
Як активізатор взаємодії в системах використовували хімічно чистий сульфат натрію, який вводився з водою затворення у вигляді розчину в кількості 5 % маси цементу. Склади композиційних в’ яжучих наведено в табл. 1.
Таблиця 1 Склади композиційних в’яжучих
Позначення Витрата компонентів, % маси в’яжучого
портланд-цементний клінкер доменний гранульований шлак перліт зола-виносу
КВ-1 50 15 35 -
КВ-2 65 15 - 20
Для приготування цементоґрунтів був використаний пісок Ясинецького кар’єру (Львівська область) з модулем крупності 1,32.
Проведено порівняльні дослідження цеменґрунтів із використанням портландцементу марки М400 Миколаївського цементного заводу.
Витрата цементу, прийнята у відповідності до вимог ВБН В.2.3-218-002-95 «Проектування і будівництво основ та покриттів автомобільних доріг із кам’ яних матеріалів, промислових відходів і грунтів, укріплених цементом», становила 12%
при оптимальній вологості піску 9% мас. Зразки цементогрунту були виготовлені методом віброп-ресування.
Показники міцності і деформативності визначали шляхом випробування зразків-кубів розміром 0,1 х 0,1 х 0,1 м та зразків-призм розміром
0,1 х 0,1 х 0,4 м у віці 28, 90 та 180 діб у водона-сиченому стані.
В табл. 2 наведено значення міцності і модуля пружності на стиск і розтяг при згині досліджуваних цементоґрунтів.
Таблиця 2 Міцнісні і деформативні характеристики цементогрунтів
Показник Вид в’яжучого
КВ-1 КВ-2 портландцемент М400
28 доба 90 доба 180 доба 28 доба 90 доба 180 доба 28 доба 90 доба 180 доба
Міцність на стиск, МПа 5,20 7,81 8,46 7,33 8,77 9,79 5,97 5,23 8,56
Міцність на розтяг при згині, МПа 1,95 2,66 2,90 2,97 2,99 3,54 1,80 1,99 2,01
Модуль пружності при стиску, МПа 16953 18748 20396 22343 24025 25118 16633 18491 21331
Модуль пружності при згині, МПа 10330 13535 15273 15410 17493 18268 12818 15115 16180
Як свідчить аналіз даних табл. 2, найбільшою міцністю характеризуються цементоґрунти на основі КВ-2, а цементоґрунти на КВ-1 і портландцементі мають близькі значення міцностей. За ключовим показником якості матеріалів дорожнього одягу - міцністю на розтяг при згині, це-ментоґрунти на КВ мають перевагу протягом всього періоду твердіння. Так, за цим показником на 28 добу цементоґрунт на КВ-1 має перевагу над цементоґрунтом на портландцементі в 1,1 раза, а на КВ-2 - в 1,7. На 180 добу ця перевага збільшується до 1,4 та 1,8 разів відповідно. Очевидно, це можна пояснити високою міцністю контактних зон за рахунок хімічної взаємодії між цементним каменем і зернами піску при використанні КВ. Твердіння цементоґрунтів на основі композиційних в’ яжучих відбувається повільніше.
Цементоґрунти на КВ-2 мають найвищі значення модулів пружності. Модулі пружності при стиску для цементоґрунтів на КВ-1 і портландцементі є майже однаковими, а при згині для цементоґрун-тів на основі портландцементу є дещо більшими.
На 180 добу співвідношення модулів пружності при стиску і згині для досліджуваних цементоґ-рунтів знаходиться в межах 1,32-1,37
Параметри механіки руйнування визначалися за ГОСТ 29167-91 “Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении”. Для цього було виготовлене випробувальне обладнання, схема якого зображена на рис. 1. Використовували зразки-призми розміром 0,1 х 0,1 х 0,4 м з початковим надрізом довжиною 0,04 м.
Характеристики тріщиностійкості були визначені при рівноважних механічних випробуваннях. Рівноважні випробування на стадії локального деформування зразка характеризуються забезпеченням адекватності зміни зовнішніх сил внутрішнім напруженням опору матеріалів з відповідним статичним розвитком магістральної тріщини.
Електричні сигнали від датчиків сили і переміщення після попереднього підсилення подавалися на самописець. За допомогою самописця фіксувалася повна діаграма стану Е-У.
На рис. 2-4 зображені діаграми деформування енергозатрати на статичне руйнування; Gce - по-
досліджуваних цементоґрунтів. На основі цих вні питомі пружні енергозатрати на статичне де-
діаграм були визначені такі енергетичні показни- формування зразка до поділу на частини; J - стаки тріщиностійкості: G,■ - питомі енергозатрати на тичний джей-інтеграл. Значення цих характе-
статичне руйнування до моменту початку руху ристик для досліджуваних цементоґрунтів
магістральної тріщини; GF - питомі ефективні наведено в табл. 3.
Рис. 1. Схема випробувального обладнання: 1 - експериментальний зразок, 2 - силорозподільче кільце, 3 - шток, 4 - датчик зусиль (тензометр), 5 - датчик переміщень, 6 - кріплення датчика переміщень, 7 - траверса, 8 - нерухомий шарнір, 9 - рухомий шарнір, 10 - фіксуючі накладки, 11 - фіксатор штока
Рис. 2. Рівноважна діаграма деформування цементоґрунту на основі КВ-1
Таблиця 3 Параметри механіки руйнування для досліджуваних цементоґрунтів
Вид в’яжучого Характеристика тріщиностійкості
G, 10-7МДж/м2 Gf, 10-7МДж/м2 10-7МДж/м2 10-7МДж/м2
КВ-1 421 1237 164 372
КВ-2 338 1482 248 732
портланд-цемент 324 992 130 379
Рис. З. Рівноважна діаграма деформування цементоґрунту на основі КВ-2
Рис. 4. Рівноважна діаграма деформування цементогрунту на основі портландцементу М 400
Як слідує з аналізу табл. 3, цементоґрунти на композиційних в’яжучих мають перевагу за показниками тріщиностійкості згідно енергетичним критерієм. Найкращі показники спостерігаються для цементоґрунтів на основі КВ-2.
Велике значення для рівня опору розвитку тріщин і руйнування цементогрунту мають адгезійні зв’язки матриці з заповнювачем, вид і кількість пустот на поверхні контакту з зернами, капілярів в матриці. Гелеві пори, капіляри, тріщини і пустоти, які заповнені водою, парою, повітрям, є джерелом власних структурних напружень від капілярних сил. Сумарний об’єм пустот, ступінь їх заповнення в кінцевому випадку визначають інтенсивність деструктивних процесів, затрат пружньої енергії [6]. З огляду на це структуру цементогрунтів на КВ можна вважати більш досконалою порівняно з традиційними системами.
Висновки
Цементоґрунти на композиційних в’яжучих за показниками міцності і деформативності не поступаються традиційним на основі портландце-
менту, відповідають вимогам нормативних документів і можуть бути рекомендовані до впровадження в практику будівництва основ дорожнього одягу.
За показником міцності на розтяг при згині і параметрами механіки руйнування цементоґрунти на основі композиційних в’яжучих мають суттєву перевагу перед традиційними, що дає підстави прогнозувати їх високу ефективність і довговічність.
Література
1. Alkaline cements and concretes/Proc. of the 1th Int
Conference, vol.1,2. - VIPOL, Kiev, Ukraine. -1994.
2. Alkaline cements and concretes / Proc. of the 2th
Int. Conference (Kyiv, May 18-20, 1999), -ORANTA, Kiev, Ukraine. -1999.
3. Dhir and McCarthy. Optimising Binders for
Concrete Construction // World Cement, 1997, №1, Vol. 28, England. - pp. 74-81.
4. Krivenko P.V. Alkaline cements and concretes:
problems of durability // Proc. Second Int. Conf. «Alkaline cements and concretes» (Kyiv,
May 18-20, 1999), - ORANTA, Kiev, Ukraine, 1999. - pp. 3-43.
5. Солодкий С.Й., Русин Р.М. Матеріали для до-
рожніх одягів на основі композиційних модифікованих цементів // Froceed. 5th International Scientific Conference «Current issues of civil and environmental engineering» (Rzes-zow, Sept. 25-2б, 2000), Fart 1. - OWFR, Rzeszow, Foland, 2000. - pp. 493-497.
6. Леонович С.Н. Трещиностойкость и долговеч-
ность бетонных и железобетонных элементов в терминах силовых и энергетических критериев механики разрушения. - Минск,
1999. - 2бб с.
7. ДБН В.2.3-4-2000. Автомобільні дороги, Київ-
2000.
8. ВБН В.2.3-218-002-95. Проектування і будів-
ництво основ та покриттів автомобільних доріг із кам’яних матеріалів, промислових відходів і ґрунтів, укріплених цементом.
9. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения
характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.
Рецензент: В.О. Золотарьов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья надійшла до редакції 20 квітня 2005 р.
