CC BY
1УДК 630 384.4;525 814
Оксана Викторовна Зубова,
старший преподаватель
zubova_o@mail.ru
Геннадий Александрович Бессараб,
кандидат технических наук, профессор
Назия Ахадовна Суворова,
кандидат технических наук, доцент
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЗОЛОПЕСЧАНОЙ СМЕСИ, ОБРАБОТАННОЙ ЦЕМЕНТОМ И ЛЕСОХИМИЧЕСКОЙ ДОБАВКОЙ
Зола от сжигания осадков сточных вод, лесохимическая добавка, дорожно-строительный материал, укрепление грунтов, цемент.
Ash, resin additive, road-building material, strengthening soil, cement.
Целью исследования является определение влияния золы и лесохимической добавки на свойства дорожного материала - пескоцемента.
Задачи исследований: определение - оптимального состава смеси и дозировок вяжущих материалов, предела прочности при сжатии образцов из смесей, водостойкости полученного материала при водонасыщении; оценка свойств полученного дорожно-строительного материала в соответствии с требованиями СНиП 2.05.07-85 и СН 25-74.
Одним из возможных путей повышения эффективности исследований является использование математической теории планирования эксперимента и применение математических методов для обработки результатов его проведения.
В исследованиях использован трехуровневый трехфакторный эксперимент (ПФЭ) по оптимизации золопесчаной смеси и количества вяжущих, при которых выходной параметр принимает наибольшее значение.
Характеристика материалов.
Песок - природный каръерный дорожно-строительный материал моренного происхождения из прочных горных пород с размером частиц менее 5 мм с модулем крупности 2,1; относится к разнозернистым пескам, пригодным для дорожных работ. По зерновому составу песок относится к разновидности среднезернистых с коэффициентом фильтрации 1,3 м/сут., насыпной плотности 1,5 т/м , истинной плотности 2,72 т/м ; оптимальная влажность песка - 10 %.
Зола - продукт сжигания осадков промышленных и бытовых вод. Исследованиями установлено, что проба золы имеет следующий средний химический состав по массе, %: MgO - 1,9; Al2O3 - 0,6; SiO2 - 53,9; P - 6,1; CaO - 6,2; TiO2 - 6,3; MnO - 0,2; Fe - 7,5; Cu - 0,12; Zn - 0,3; O - 47. Установлено, что проба представляет собой конгломерат мелких (от 1-2 до 1050 мкм) частиц. Оптимальная влажность золы - 22 %. Насыпная плотность золы - 0,68 г/см . Истинная плотность золы от сжигания сточных вод -2,26 г/см3.
Цемент - минеральное гидравлическое вяжущее вещество марки М400 (портландцемент). Химический состав портландцемента по массе содержания клинкерных минералов (%) - двухкальциевый силикат 2CaO SiO2 , трехкальциевый силикат 3CaO SiO2 , трехкальциевый алюминат 3CaO Al2O3 , четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO Al2O3 Fe2O3.
Лесохимическая добавка (ЛХД) - отход лесохимического производства. Термолизат - осадок пиролиза хвойной топливной щепы и измельченных древесных остатков при температуре 500 °С. Химический состав термолизата по массе сложных высокомолекулярных соединений (%) - жирные кислоты (стеариновая, пальмитиновая и другие с содержанием до 34 %), смоляные кислоты (левопимаровая, абиетиновая и другие кислоты суммарным содержанием до 36 %); остальное - органические примеси. ЛХД использована в виде водной эмульсии 20 %-й концентрации.
Методика исследования. Образцы из золопесчаной смеси, обработанные вяжущими материалами при оптимальной влажности смеси, диаметром и высотой 3,5 см изготовлены на гидравлическом прессе при
удельном давлении 30 МПа. Лесохимическую добавку вводили в виде водной эмульсии, приготовленной на основе едкого калия (КОН) с пересчетом на твердый смоляной осадок.
Хранение образцов в воздушно-влажных условиях и длительное водонасыщение в воде выполнены в соответствии с рекомендациями инструкции СН 25-74.
Испытания образцов с определением показателей прочности при сжатии (Ясж, МПа), водопоглощения (Жвп, % ) и коэффициента водостойкости (Квод, доли ед.) производили после их хранения в воздушновлажных условиях в течение 28 сут. и выдерживания в воде на протяжении 5 сут.
Испытания образцов из золопесчаной смеси, в составе которой 10, 20, 30, 40, 50, 60 % золы по массе с добавлением цемента в количестве 2, 4, 6, 8, 10 % и ЛХД - 0 и 2 %, выполнены в дорожно-испытательной лаборатории кафедры сухопутного транспорта леса СПб ГЛТА.
По результатам испытаний образцов золопесчаной смеси, укрепленной цементом и ЛХД, по параметрам Ясж (МПа), Жвп (%) и Квод (доли ед.) были проведены оптимизационные исследования золопесчаной смеси, с использованием полнофакторного эксперимента (ПФЭ): первый фактор - состав смеси, второй фактор - дозировка вяжущего (цемент), третий - дозировка ЛХД.
Обработка полученных результатов ПФЭ выполнена с использованием стандартных программ MS EXCEL с выводом уравнений регрессии по всем основным факторам эксперимента и значимых коэффициентов корреляции.
Результаты испытания на прочность образцов из золопесчаной смеси представлены далее на рис. 1-5.
Анализ данных эксперимента и графиков показывает, что обработка золопесчаной смеси в составе природный песок : зола в соотношении 90 : 10; 80 : 20; 70 : 30; 60 : 40; 50 : 50; 40 : 60 цементом и ЛХД позволяет получить материал с высокими показателями прочности.
Все исследуемые смеси, обработанные 2 % ЛХД, имеют более высокий показатель прочности при сжатии водонасыщенных образцов, чем пескоцемент с золой. В среднем по всем опытам с обработкой смеси
(Ö 6
6 5,9
5
s 5
s
Η
4 4,3
4 ^3,5
о
s
Q- О
3 2,9
л υ 2,8
2 2,4
2
I
т i Л
О 1 1
I
с
0
10 20 30 40 50 60
Зола,%
Ясж = -0,043х3 + 0,0532х2 + 1,3991 x Rcx = -0,0537x3 + 0,0544x2 + 1,9747x
R2 = 0,8513; ЛХД = 0 % R2 = 0,928; ЛХД = 2 %
Рис. 1. Графики зависимости предела прочности при сжатии образцов золопесчаных смесей, обработанных цементом - 2 % и ЛХД - 0 и 2 % (+-) - ЛХД = 2 %; (^-) - ЛХД = 0 %
R™ = 0,0507x5 - 0,7592x4 + 3,9675x3 -- 9,1528x2 + 10,573x R2 = 0,9692. ЛХД = 0 %
R™ = 0,0313x5 - 0,4702x4 +2,3889x3 -- 5,5283x2 + 8,5491x R2 = 0,9995. ЛХД = 2 %
Ясж = 0,02 36х5 - 0,4169х4 + 2,5898х3 -- 7,5937х2 + 12,347х R2 = 0,985; ЛХД = 0 %
Rcx = -0,0191 х4 + 0,2278х3 -- 2,0971х2 + 9,2275х R2 = 0,9606; ЛХД = 2 %
Рис. 3. Графики зависимости предела прочности при сжатии образцов золопесчаных смесей, обработанных цементом - 6 % и ЛХД - 0 и 2 % (+-) - ЛХД = 2 %; (^-) - ЛХД = 0 %
Rc* = -1,6172х2 + 10,343х R^ = -1,6538х2 + 11,002х
R2 = 0,7162; ЛХД = 0 % R2 = 0,5117; ЛХД = 2 %
го
ιζ
Q_
1=
_Û
Ι-
Ο
0
1 T
о
Q_
İZ
20
15
10
5
0
20 21,4 İ22,' 19,5
15 Т85 19
15, 4 12
8,4
10 20 30 40 50 60
Зола,%
Ясж = 0,688х5 - 1,2286х4 + 7,9622х3 - Rcx = -0,0866х4 + 1,2846х3 -
- 23,81х2 + 34,505х - 7,5486х2 + 18,604х
S2 = 1 (ЛХД = 2 %) S2 = 0,8759 (ЛХД = 0 %)
Рис. 5. Графики зависимости предела прочности при сжатии образцов золопесчаных смесей, обработанных цементом - 10 % и ЛХД - 0 и 2 % (^-) - ЛХД = 2 %; (^-) - ЛХД = 0 %
пескоцемента с золой эмульсией ЛХД показатели прочности при сжатии (Ясж , МПа) увеличиваются в сравнении с базовой смесью в пределах: от 5,3 до 37,2 % (цемент - 2 %); от 11,1 до 30,8 % (цемент - 4 %); от 16,2 до 22,6 % (цемент - 6 %); от 7,0 до 13,6 % (цемент - 8 %), от 11,4 до 16,6 % (цемент - 10 %);
Наибольший прирост прочности образцов отмечен в пескоцементах с содержанием 30-40 % золы, обработанных 2-6 % цемента.
Уравнения регрессии зависимости предела прочности при сжатии (Ясж , МПа) и среднеквадратические отклонения экспериментальных данных от теоретических (X2) при испытании водонасыщенных образцов золопесчаной смеси от дозировок золы, цемента и ЛХД представлены на рис. 1-5. Уравнение регрессии имеют полиномиальный тип второй, третьей, четвертой и пятой степени.
'у
Величина достоверности аппроксимации испытания на прочность (S ) всех смесей составляет 0,5117-0,9995.
Результаты испытания на водопоглощение образцов из золопесчаной смеси представлены на рис. 6-10.
Уравнения регрессии зависимости водопоглощения (Жш , %) и среднеквадратические отклонения экспериментальных данных от теоретических (S2) при испытании водонасыщенных образцов золопесчаной смеси от содержания золы, дозировок цемента и ЛХД даны на рис. 6-10. Уравнения регрессии имеют линейный тип.
Величина достоверности аппроксимации испытания на прочность (S ) всех смесей составляет 0,9407-0,9886.
Анализ данных эксперимента и графиков на рис. 6-10 показывает, что у материала образцов с содержанием золы в пределах 10-60 %, цемента от 2 до 10 % и ЛХД - 2 % водопоглощение понижается в 3 раза и более.
Wen = -0,6757x + 6,1433 WBn = -1,7074x + 13,573
S2 = 0,9476; ЛХД = 0 % S2 = 0,9739; ЛХД = 2 %
WBn = -0,8963x + 6,302 WBn = -2,066x + 14,206
S2 = 0,9407; ЛХД = 2 % S2 = 0,9793; ЛХД = 0 %
Рис. 7. Графики зависимости водопоглощения (WBn, %) золопесчаных смесей, обработанных цементом - 4 % и ЛХД - 0 и 2 % (+-) - ЛХД = 0 %; (^-) - ЛХД = 2 %
Wbu = -1,082х + 7,9453 WBn = -1,5623x + 11,981
S2 = 0,9632; ЛХД = 2 % S2 = 0,9766; ЛХД = 0 %
(D
S
I
(D
a-
o
c;
ΐ-
Ο
1=
o
d
o
m
10
8
6
4
2
0
9,0 8
7 6,6
58 6 6 4,8 7
2,3 1 ► 2,5
i 1,1
10 20 30 40 50 60
Зола,%
= -0,9006x + 6,5853 Wan = -1,3886x + 11,507
S2 = 0,9886; ЛХД = 2 % S2 = 0,9599; ЛХД = 0 %
Рис. 9. Графики зависимости водопоглощения (Жвп , %) золопесчаных смесей, обработанных цементом - 8 % и ЛХД - 0 и 2 % (+-) - ЛХД = 0 %; (^-) - ЛХД = 2 %
WBn = -0,5934х + WBn = -1,5097х + 11,507
5,4887 S2 = 0,9827; ЛХД = 0 %
S2 = 0,9169
В образцах пескоцемента с содержанием золы 10-30 % и ЛХД - 0 % при дозировках цемента 2-10 % водопоглощение имеет более высокое абсолютное значение в пределах от 8 до 11 % по массе материала, а при обработке их эмульсией ЛХД в объеме 2 % снижается до 4-6 %.
Результаты эксперимента показали, что добавка цемента в количестве 2-10 % в золопесчаную смесь с содержанием золы 30-40 % является достаточной для получения прочного и водостойкого материала.
Увеличение дозировки цемента с 6 до 10 % повышает прочность (Ясж , МПа) образцов в 4,7 раза, но водопоглощение образцов (Жвп , %) при этом также возрастает пропорционально дозировке цемента в 1,7 раза.
Результаты исследования золопесчаной смеси по методике ПФЭ 2 с содержанием золы от 20 до 40 %, цемента от 2 до 6 % и ЛХД от 3 до 6 % по массе смеси приведены в следующей таблице.
Матрица планирования ПФЭ и результаты испытаний образцов
Факторы - натуральные Значения выходной величины -
№ значения показатели физико-механических свойств
п/п цемент, ЛХД, Ясух , Явод , Квод , W E
зола, % % % МПа МПа ед. '' вп 5 -^упр 5
% МПа
1 20 2 6 0,8 0,5 0,62 5,74 210
2 40 2 6 1,2 0,8 0,67 4,82 275
3 20 6 6 4,2 3,1 0,74 3,74 320
4 40 6 6 8,5 6,2 0,73 6,98 486
5 20 2 3 1,9 1,8 0,95 7,56 315
6 40 2 3 4,0 3,5 0,88 4,25 386
7 20 6 3 8,7 7,5 0,89 3,25 514
8 40 6 3 9,4 8,7 0,92 8,37 772
9 30 4 4,5 5,6 5,0 0,89 4,08 478
Анализ изменений величин показателей Ясж (сухих и водонасыщенных) позволяет сделать заключение, что исследуемый материал в основном достаточно водостоек (Квод > 0,6), прочность при сжатии образцов по разрушающей нагрузке находится в пределах 0,5-9,4 МПа.
Необходимо отметить, что показатели предела прочности при сжатии образцов, укрепленных от 2 до 6 % цемента при 20-40 % содержания золы в смеси, имеют несколько меньшие значения Ясж , в среднем Ясж = 3,1-7,5 МПа при увеличенной дозировке ЛХД 3-6 %.
Выводы.
1. Оптимальный состав дорожно-строительного материала на основе пескоцемента с золой от сжигания осадков сточных вод в пропорции 70 : 30-60 : 40 (%) с вяжущими: цемент 4-8 %, ЛХД 2 %.
2. Смесь песка с золой 30-40 %, цемент - 4-8 % и ЛХД - 2 % имеют предел прочности при сжатии 5,6-21,5 МПа, I класс прочности по требованиям инструкции СН 25-74. Модуль упругости - 210-772 МПа. Водопоглощение - 5,14 и 3,06 % .
3. Коэффициент водостойкости исследуемого материла по абсолютной величине составляет 0,62-0,92, что соответствует требованиям инструкции СН 25-74 и СНиП 2.05.07-85.
4. При использовании в дорожном строительстве материала пескоцемент с добавкой золы от сжигания осадка сточных вод, обработанного эмульсией ЛХД, решается вопрос утилизации золы.
Библиографический список
1. СН 25-74. Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов [Текст]. - М.: Стройиздат, 1975. - 125 с.
2. Безрук, В.М. Укрепленные грунты [Текст] / В. М. Безрук, И. Л. Гурячков и др. - М.: Транспорт, 1982. - 231 с.
3. Гончарова, Л. В. Основы укрепления грунтов [Текст] / Л. В. Гончарова. -М.: Транспорт, 1982. - 140 с.
4. СНиП 2.05.07-85. Промышленный транспорт [Текст]. - М.: Строиздат, 1986. - 68 с.
Приведены результаты поисковых исследований по использованию золы от сжигания осадков сточных вод и лесохимической добавки в качестве активных компонентов комплексного вяжущего при укреплении грунтов в дорожном строительстве. В исследованиях проведен полнофакторный эксперимент по оптимизации количества вяжущих. Получены положительные результаты по прочности и водопоглощению золопесчаной смеси, укрепленной цементом и лесохимической добавкой. Даны рекомендации по дозировкам активных компонентов смеси.
* * *
The results of exploratory research on the use of ash from the incineration of sewage sludge and wood chemical additives as active components of a comprehensive binder with the strengthening of soils in road construction. In studies conducted full factor experiment to optimize the number of binders. The positive results on the strength and water absorption of the mixture of sand and ash, hardened cement and resin addition. The recommendations on the dosage of active ingredients of the mixture.
