CC BY
56
УДК 625.8
СигачевНиколай Петрович Nickolay Sigachev
Коновалова Наталия Анатольевна Nataliya Konovalova
Панков Павел Павлович Pavel Pankov
Ефименко Наталия Сергеевна Nataliya Efimenko
Григорьев Денис
Алексеевич Denis Grigoriev
ДОРОЖНЫЕ ЦЕМЕНТОГРУНТЫ НА ОСНОВЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ
ПОЛИМЕРНОЙ ДОБАВКОЙ
ROAD CEMENT SOILS ON THE BASIS OF ASH WASTES OF TRANSBAIKAL REGION, MODIFIED BY POLYMER ADDITIVES
В настоящее время очевидным является актуальность применения новых технологий в дорожном строительстве, что связано с геологическими и климатическими условиями на территории Российской Федерации и, соответственно, с состоянием дорог, которые не рассчитаны на большие нагрузки. Возрастающая с каждым годом интенсивность
At present time the relevance of new technologies in road construction is evident. This is due to geological and climatic conditions on the territory of the Russian Federation and, accordingly, the condition of the roads not designed for heavy loads. Increasing intensity of the traffic flow causes a decrease in the bearing capacity of the pavement, which leads to frequent repairs, re-
транспортного потока вызывает снижение несущей способности дорожной одежды, что приводит к частым ремонтам, реконструкции участков дорог и строительству новых. Для снижения материально-технических затрат в дорожном строительстве актуальным является максимальное использование грунтов, улучшенных добавками различной природы. Характер и уровень изменения свойств тесно связаны с исходными характеристиками сырьевого материала, химическими реакциями и физико-химическими процессами в смесях. Цель настоящего исследования заключалась в разработке эффективных дорожных цементогрунтов на основе местных сырьевых материалов с применением полимерной добавки. Для установления возможности применения золы уноса Читинской ТЭЦ-2 в дорожном строительстве проведены исследования ее физико-технических свойств, химического состава. В соответствии со стандартными методиками для образцов цементогрунта различных составов определены основные физико-механические характеристики
Ключевые слова: дорожный цементогрунт, дорожная одежда, золошлаковые отходы, полимерная добавка, физико-механические свойства
construction of road sections and construction of new ones. To reduce logistical costs in road construction it is necessary to maximize the use of soils, improved by additives of different nature. The nature and degree of properties change is closely connected with the original raw material characteristics, chemical reactions and physical-chemical processes in mixtures. The purpose of this study was to develop the efficient road cement soils on the basis of local raw materials with the use of polymer additives. To establish the possibility of the Chita HPP-2 fly ashes use in road construction the study of its physical and technical properties, chemical composition was conducted. The main physical and mechanical characteristics were determined in accordance with standard methods for the samples of various compositions cement soils
Key words: road cement soils, pavement, slag waste, polymer additive, physical and mechanical properties
Эффективность устройства дорожных одежд связана с использованием местных грунтовых материалов, укрепленных разнообразными вяжущими, ассортимент которых пополнили и золошлаковые отходы [5, 2]. Конструктивные слои дорожной одежды, выполненные из цементогрунта, имеют помимо достоинств и ряд существенных недостатков, которые заключаются в образовании трещин, возникающих как за счет прилагаемых динамических, так и климатических нагрузок, а также вследствие структурных особенностей полученного материала [9]. В этой связи при укреплении грунтов цементом целесообразно применять стабилизирующие добавки, позволяющие создавать оптимальные условия твердения цемента, повышать технологические и деформативные свойства полученного цементогрунта и, как следствие, прочность и долговечность изделий из этого материала [3]. Использование золошлаковых отходов ТЭЦ для получения высокоэффективных материалов для дорожного строительства
позволяет не только снизить расход дорогостоящего цемента, но и решить комплекс острых экологических проблем [1].
Цементогрунт представляет собой затвердевший материал, состоящий из естественного грунта, цемента и воды. Монолитность данного материала обеспечивается сложными физическими, физико-химическими и химическими процессами взаимодействия между его компонентами. Вместе с тем, цементогрунт имеет низкую морозо-и водостойкость [10]. Полимерные добавки, широко используемые в мировой практике, позволяют улучшить деформативные свойства цементогрунтов. Однако отечественные полимерные добавки не всегда дают устойчивый эффект, а применение зарубежных добавок неэффективно из-за их высокой стоимости или неприменимости на территории Российской Федерации ввиду сложных геологических и климатических условий [4]. Таким образом, введение в цементогрунт комплексных полимерных добавок позволит повысить его трещино-
стойкость, деформативность, снизить его стоимость и улучшить физико-механические свойства.
Огромное значение для развития научного направления об укреплении грунтов принадлежит работам П.А. Ребиндера, основанным на изучении адсорбционных процессов на поверхности тонкодисперсных грунтов. Его работы посвящены возможности регулирования процессов формирования прочных пространственных структур, улучшению эффективности отдельных технологических операций путем ускорения или торможения процессов взаимодействия с вяжущими материалами. В работах М.М. Филатова, В.М. Безрука показано, что при разработке любых методов укрепления грунтов нужно учитывать свойства и особенности тонкодисперсной части грунта, емкость обмена и состав поглощающего комплекса, химический и минералогический составы и генетические признаки грунта. Это позволяет регулировать и изменять процессы формирования прочных пространственных структур, улучшать эффективность отдельных технологических операций путем ускорения или торможения процессов взаимодействия с вяжущими и повышать прочность и другие свойства укрепленных грунтов.
Многолетний практический опыт применения укрепленных грунтов в России и зарубежом показывает, что грунты, укрепленные только одним вяжущим, характеризуются набором отрицательных свойств. Поэтому важным направлением в модификации свойств цементогрунтов является применение полимерных добавок. В работах Г.И. Горчакова и Ю.М. Баженова (1966) отмечается, что, если тонким порам цементогрунта придать гидрофобность, прочность его будет стабильной и долговечной. Для этих целей целесообразно использование полимеров, содержащих различные полярные группы, обеспечивающие высокую степень гидрофобности и, следо-
вательно, морозоустойчивость, прочность и долговечность цементогрунта [6, 7, 8].
Цель настоящего исследования заключалась в разработке эффективных дорожных цементогрунтов на основе местных сырьевых материалов с применением полимерной добавки.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач исследования: изучение минерального состава и микроструктурных особенностей местных грунтов и золы уноса Читинской ТЭЦ-2; изучение механизма действия полимерной добавки в зависимости от генетических особенностей грунтов и их минерального состава.
Для обеспечения геологического исследования произведено бурение двух скважин на ст. Черновская Забайкальской железной дороги самоходной буровой установкой УГБ-50 колонковым способом, диаметром 160 мм, укороченными до 0,5 м рейсами. В процессе бурения скважины произведены порейсовые описания керна, зафиксированы границы распространения литологических разностей и отобраны образцы грунтов для лабораторных исследований. Физические характеристики исходных грунтов представлены в табл. 1.
В эксперименте в качестве сырьевых материалов также использовали портландцемент марки П/А-3 32.5 Б (с добавкой доменного гранулированного шлака и золы) Ангарского цементно-горного комбината по ГОСТ 31108-2003, золу уноса Читинской ТЭЦ-2, полимерную добавку «Криогелит» по ТУ 5775-002-01107272-2012, воду по ГОСТ 2874. С целью установления возможности применения золы уноса Читинской ТЭЦ-2 в дорожном строительстве проведены исследования ее физико-технических свойств, химического состава с учетом рекомендаций ВСН 185-75, государственных стандартов на методы испытаний и технических требований. Зерновой состав золы уноса представлен в табл. 2.
Таблица 1
Физические характеристики укрепляемых грунтов
Физические характеристики Наименование грунта
Супесь Суглинок Глина
Природная влажность - W, д.е. 0,20 0,13 0,25
Плотность - р, г/см3 1,87 1,92 2,05
Плотность сухого грунта - рй, г/смз 1,56 1,58 1,64
Плотность частиц грунта - ра, г/смз 2,30 2,56 2,73
Коэффициент пористости - е 0,47 0,62 0,66
Влажность на границе текучести - WL, д.е. 0,24 0,26 0,36
Влажность на границе раскатывания - Wp, д.е. 0,185 0,09 0,18
Число пластичности - 1р, д.е. 0,055 0,17 0,18
Показатель текучести - 1ь, д.е. 0,30 0,25 0,37
Модуль деформации грунта - Е, МПа 22 21 21
Угол внутреннего трения грунта - ф 240 230 160
Удельное сцепление - с, кПа 15 33 37
Таблица 2
Зерновой состав золы уноса Читинской ТЭЦ-2
Остатки на ситах, % по массе Диаметр отверстий контрольных сит, мм
1,25 0,63 0,315 0,14 0,08 0,071 < 0,071
Частные 0,32 2,42 41,65 19,17 6,22 3,52 26,72
Полные 0,32 2,74 44,39 63,55 69,77 73,28 100,00
Влажность и зерновой состав опреде- золы уноса — по ГОСТ Р 25129. Основные
ляли по ГОСТ 8735. Удельную поверхность физические свойства золы уноса показаны
определи расчетным способом по грану- в табл. 3. лометрическому составу. Битумоемкость
Таблица 3
Физические свойства золы уноса Читинской ТЭЦ-2
Наименование показателя Зола ТЭЦ-2 Требования ГОСТ 25592, ГОСТ 52129
Влажность отгружаемого материала, % 0,59 не более 1
Насыпная плотность, кг/м3 660 не регламентируется
Истинная плотность, кг/м3 2240 не регламентируется
Удельная поверхность, м2/кг 276 не менее 300
Полный остаток зольной фракции (< 0,315 мм), % 25,39 не более 15
Битумоемкость, г 54 не более 80
Химический состав золы уноса состав золы уноса Читинской ТЭЦ-2 предопределяли методом атомно-эмиссионной ставлен в табл. 4. спектрометрии (1СР95А). Химический
Таблица 4
Химический состав золы уноса Читинской ТЭЦ-2
Материал Массовое содержание ю), %
SiO2 Аф.з МдО Na2O К20 ТЮ2 СаО Са°св
Зола ТЭЦ-2 36,1 10,2 7,80 1,42 0,56 1,21 0,41 0,61 9,37 0,4
Элементный анализ выполнен методом 1СР84Т. Результаты анализа представлены в табл. 5.
Таблица 5
Результаты элементного анализа золы уноса Читинской ТЭЦ-2
Материал Содержание элементов, РРВ / предел обнаружения
Sb/50 As/30 Ва/10 Ве/5 В1/50 Cd/10 Fe/50 Сг/10 Со/10 Си/5 А1/50
Зола ТЭЦ-2
20600 <30 12900 <5 <50 <10 13900 4950 <10 <5 537668
1_а/10 РЬ/30 Мо/10 N1/10 Р/50 Мд/50 Мп/5 Sn/50 Ад/1 Са/50
1260 <30 2610 <10 <50 23 544716 6050 <50 <1 5574156
Бг/1 Ш/50 71/10 V/10 Zn/5 Нд/1 К/100 &/10 У/5 Na/50
80700 9560 1280 1130 4440 <1 128599 <10 <5 1008315
Образцы укрепленного грунта изготовлены согласно ГОСТ 23558-94 из глинистых грунтов и золы уноса в соотношении 2:1, а также портландцемента в качестве вяжущего и полимерной добавки. Полимерная добавка представляет собой синтетический водорастворимый полимер, имеющий склонность к набуханию, образованию студнеобразных структур и относящийся к классу неионогенных ПАВ. Наличие функциональных гидроксильных групп обусловливает высокую совместимость с цементными системами.
В соответствии со стандартными методиками для образцов цементогрунта различных составов определены основные физико-механические характеристики: предел прочности при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе, количество выдерживаемых циклов замораживания-от-
таивания и в соответствии с данными характеристиками марки по прочности и морозостойкости. Прочность на сжатие и растяжение при изгибе определяли в соответствии с ГОСТ 10180. Морозостойкость образцов определяли согласно ГОСТ 10060.
Поскольку среднемесячная температура наиболее холодного месяца в Забайкальском крае в соответствии со СНиП 2301-99 ниже минус 10 С, то прочностные характеристики цементогрунтов должны быть получены на образцах, подвергнутых водонасыщению. Поэтому образцы перед испытанием предела прочности при сжатии погружали в воду на 48 часов. Анализ физико-механических свойств образцов проводили через 7 и 28 суток. Результаты физико-механических испытаний образцов приведены в табл. 6.
Таблица 6
Физико-механические характеристики образцов цементогрунтов, модифицированных полимерной добавкой
Образец Исходный грунт Расход вяжущего, % Расход полимерной добавки, % R , МПа еж' R , МПа изг' Марка по прочности Марка по морозостойкости
7 сут. 28 сут. 7 сут. 28 сут.
la супесь 10 1 3,1 3,8 0,4 0,7 М 20 F 25
I6 супесь 12 1 3,4 4,3 0,8 0,9 М 40 F 25
IB супесь 10 2 2,5 2,8 0,6 0,8 М 20 F 30
Ir супесь 12 2 2,7 3,6 0,4 0,8 М 40 F 30
IIa суглинок 10 1 4,4 4,6 0,8 0,9 М 40 F 25
II6 суглинок 12 1 4,6 4,8 0,9 1,0 М 40 F 25
IIB суглинок 10 2 3,4 3,6 0,6 0,9 М 20 F 30
IIr суглинок 12 2 3,6 3,8 0,7 0,8 М 20 F 30
I IIa глина 10 1 4,6 4,7 0,9 1,1 М 40 F 25
III6 глина 12 1 4,8 5,0 1,1 1,2 М 40 F 25
I IIB глина 10 2 4,0 4,2 0,8 0,9 М 40 F 30
IIIr глина 12 2 4,2 4,4 0,8 1,0 М 40 F 30
Анализ прочностных характеристик образцов различных составов показал их рост при введении в смесь 12 % портландцемента и 1 % полимерной добавки (1б, 11б, Шб). Использование полимерной добавки для укрепления глинистых грунтов позволяет создать прочный материал, структура которого значительно уплотняется по сравнению с исходной структурой грунта, позволяя нейтрализовать все отрицательные свойства, причем высокое содержание глинистой фракции в грунте оказывает положительное влияние на прочностные показатели цементогрунта, что можно объяснить особенностями взаимодействия с полимерной добавкой. Так, образец Шб имеет самые высокие прочностные показатели в сравнении с образцами I б и II б, на основе супеси и суглинка (см. рисунок).
Увеличение доли золы уноса в грунте приводит к понижению прочности материала, что связано с образованием рыхлой
пористой структуры образцов и наличием большого числа пустот в материале. Увеличение дозировки полимерной добавки приводит к незначительному снижению прочности на сжатие и растяжение при изгибе образцов 1в,г, Пв,г, Шв,г. Однако при этом существенно повышается морозостойкость образцов, которая определяется структурой и характером порового пространства. Испытания цементогрунтов на морозостойкость проводили методом попеременного замораживания-оттаивания. В результате определяли марку по морозостойкости, соответствующую установленному числу циклов, при которых допускается снижение прочности на сжатие не более чем на 25 % от нормируемой прочности в проектном возрасте. Все полученные образцы имеют марку по прочности М 20 — М 60 и марку по морозостойкости F 25 — F 30, что соответствует требованиям ГОСТ 23558-94.
Поверхность отклика для предела прочности при сжатии (Ясж) и растяжении при изгибе (Яизг) водонасыщенных образцов модифицированного цементогрунта в зависимости от количества портландцемента (О )
Следует отметить, что устойчивость цементогрунта с полимерной добавкой более высокая, чем у бездобавочных аналогов. Это объясняется тем, что при водонасыще-нии полимерсодержащих образцов вода, проникающая в поры, поглощается тонкодисперсной фазой, приводит к увеличению количества межмолекулярных контактов и при замораживании расширяется, формируя плотный, твердый и долговременный монолит. В связи с тем, что глинистая составляющая цементогрунтов без добавки поглощает большее количество воды, чем с учетом введения полимерной добавки, то в бездобавочных составах цементогрунта в
большей степени происходит накопление остаточных деформаций, что приводит к разуплотнению композита. Постепенно с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания бездобавочный цементо-грунт превращается в непрочный рыхлый материал слабосвязанных между собой агрегатов различной крупности.
Таким образом, дополнительное введение полимерной добавки в глинистые грунты позволяет получить морозостойкие и трещиностойкие материалы II и I класса прочности, что соответствует требованиям ВСН 185-75.
Литература-
1. Делицын Л.М., Ежова H.H., Власов A.C., Сударева C.B. Золоотвалы твердотопливных тепло-выгх электростанций как угроза экологической безопасности / / Экология промышленного производства. 2012. № 4. С. 15-25.
2. Иванов В.В., Кованова Л.И., Кривошеев С.Г., Ушакова H.A. Перспективы использования сухой золы уноса Рефтинской ГРЭС в дорожном строительстве / / Актуальные вопросы проектирования автомобильных дорог. Сб. научн. тр. ОАО ГИПРО-ДОРНИИ. 2011. № 2. С. 200-206.
-References
1. Delitsyn L.M., Ezhova N.N., Vlasov A.S., Su-dareva S.V. Ekologiya promyshlennogo proizvodstva. (Ecology of industrial production), 2012, no. 4, pp. 15-25.
2. Ivanov V.V., Kovanova L.I., Krivosheev S.G., Ushakova N.A. Aktualnye voprosy proektirovaniya avtomobilnyh dorog. (Topical issues of highways designing.): coll. of scientific papers OAO GIPRODOR-NII, 2011, no. 2, pp. 200-206.
3. Кривошеев С.Г., Шаламова Е.Н. Применение золы уноса Рефтинской ГРЭС в технологиях дорожного строительства // Актуальные вопросы проектирования автомобильных дорог. ОАО ГИ-ПРОДОРНИИ. 2012. № 3. С. 90-98.
4. Прокопец В.С., Голубева Е.А. Влияние ме-ханоактивированной целлюлозы на свойства по-лимерцементогрунтовой смеси // Вестник ТГАСУ. 2008. № 4 (21). Т. 1. С. 176-182.
5. Пугин К.Г., Юшков В.С. Строительство автомобильных дорог с использованием техногенных материалов // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2011. № 1. С. 35-43.
6. Сигачев Н.П., Коннов В.И., Коновалова Н.А., Шехтман Е.В., Панков П.П. Применение криотропных полимерных материалов для создания водонепроницаемых экранов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 12. С. 315-319.
7. Сигачев Н.П., Соколова О.В., Коновалова Н.А., Григорьев Д.А. Криотропные полимерные материалы для снижения морозоопасности грунтов региона г. Якутска. Дороги и мосты. 2014. Вып. 31/1. С. 241-246.
8. Sigachev N.P., Konovalova N.A., Sokolova O.V., Pankov P.P. Use of polymeric gels for improvement and transformation of the properties of soil ander construction, reconstruction and repair of the engineering constructions / / Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference, Westwood, Canada, 2014. Vol. II. P. 431-435.
9. Чудинов С.А. Повышение эффективности укрепления глинистых грунтов портландцементом с добавкой полиэлектролита // Актуальные вопросы проектирования автомобильных дорог. Сб. науч. тр. ОАО «ГИПРОДОРНИИ». 2013. № 4 (63). С. 121129.
10. Шуваев А.Н., Куюков С.А., Панова М.В., Жигайлов А.А. Актуальные вопросы проектирования автомобильных дорог. Сб. науч. тр. ОАО «ГИ-ПРОДОРНИИ». 2013. № 4 (63). С. 130-137.
Коротко об авторах _
СигачевН.П., д-р техн. наук, профессор, директор, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия [email protected]
Научные интересы: строительные материалы и изделия, теплоснабжение, железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог, геотехнология
3. Krivosheev S.G., Shalamova E.N. Aktualnye voprosy proektirovaniya avtomobilnyh dorog. (Topical issues of highways designing) OAO GIPRODOR-NII, 2012, no. 3, pp. 90-98.
4. Prokopets V.S., Golubeva E.A. Vestnik TGASU (Herald of the TGASU), 2008, no. 4 (21), vol. 1, pp. 176-182.
5. Pugin K.G., Yushkov V.S. Transport. Trans-portnye sooruzheniya. Ekologiya. (Transportation. Traffic construction. Ecology), 2011, no. 1, pp. 35-43.
6. Sigachev N.P., Konnov V.I., Konovalova N.A., Shehtman E.V., Pankov P.P. Gorny informatsion-no-analiticheskiy byulleten (Mining informational and analytical bulletin), 2014, no. 12, pp. 315-319.
7. Sigachev N.P., Sokolova O.V., Konovalova N.A., Grigoriev D.A. Dorogimosty (Roads and bridges), 2014, vyp. 31/1, pp. 241-246.
8. Sigachev N.P., Konovalova N.A., Sokolova O.V., Pankov P.P. Science, Technology and Higher Education (Science, Technology and Higher Education): materials of the IV international research and practice conference, Westwood, Canada, 2014, vol. II, pp. 431-435.
9. Chudinov S.A. Aktualnye voprosy proektirovaniya avtomobilnyh dorog. Sbornik nauchnyh trudov OAO «GIPRODORNII» (Topical issues of highways designing), 2013, no. 4 (63), pp. 121-129.
10. Shuvaev A.N., Kuyukov S.A., Panova M.V., Zhigailov A.A. Aktualnye voprosy proektirovaniya avtomobilnyh dorog. Sbornik nauchnyh trudov OAO «GIPRODORNII» (Topical issues of highways designing), 2013, no. 4 (63), pp. 130-137.
_Briefly about the authors
N. Sigachev, doctor of technical sciences, professor, director, Transbaikal Insitute of Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building materials and products, heating, railway track, railway location, designing, geotechnology
Коновалова H.A., канд. хим. наук, доцент каф. «Безопасность жизнедеятельности и инженерная защита окружающей среды», Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия [email protected]
N. Konovalova, candidate of chemical sciences, assistant professor, Transbaikal Insitute of Railway Transport, Chita, Russia
Научные интересы: химия элементоорганических соединений, высокомолекулярные соединения, геотехнология, строительные материалы и изделия
Scientific interests: chemistry of organic-element compound, high-molecular compound, building material and products, geotechnology
Панков П.П., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г.Чита, Россия
Научные интересы: строительные материалы и изделия, железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог, геотехнология
P. Pankov, postgraduate, Transbaikal Insitute of Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building material and products, railway track, railway location, designing, geotechnol-ogy
Ефименко H.C., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г.Чита, Россия [email protected]
Научные интересы: строительные материалы и изделия, железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог, геотехнология
N. Efimenko, postgraduate, Transbaikal Insitute of Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building material and products, railway track, railway location, designing, geotechnol-ogy
Григорьев Д.А., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г.Чита, Россия grigordenis@m ail.ru
Научные интересы: строительные материалы и изделия, железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог, геотехнология
D. Grigoriev, postgraduate, Transbaikal Insitute of Railway Transport, Chita, Russia
Scientific interests: building material and products, railway track, railway location, designing, geotechnol-ogy
