Методики подбора составов грунтов, укрепленных известью, для дорожного строительства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оригинальная статья / Original article УДК 911.37, 691.5; 625.81

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-2-141-147

МЕТОДИКИ ПОДБОРА СОСТАВОВ ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ИЗВЕСТЬЮ, ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

М. Лофлер3, Н.А. Слободчиковаь

Университет прикладных наук,

14406, Федеративная Республика Германия, г. Потсдам, 60 06 08. ьИркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Строительство автомобильных дорог связано с большим потреблением высокопрочных каменных материалов, что приводит к значительной стоимости строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог. Применение извести для укрепления грунтов автомобильных дорог позволяет значительно снизить эту стоимость. МЕТОДЫ. Известь в дорожном строительстве используют как в гашеном, так и в негашеном виде для достижения таких целей, как осушение грунтов и укрепление грунтов. В статье рассматриваются физико-химические процессы структурообразования грунтов, укрепленных известью. Учитывая, что в песчаных и глинистых грунтах процессы структурообразования различны, минимальное количество извести, необходимое для укрепления этих грунтов, также будет различным. Проводится сравнительный анализ методик подбора составов грунтоизвестковых смесей, принятых в Бельгии, Швеции, США и Российской Федерации. РЕЗУЛЬТАТЫ. В разных странах методики подбора составов грунтовых смесей отличаются. Основные расхождения главным образом касаются методик лабораторных испытаний и определения качественных характеристик, связанных с оптимизацией грунтовой смеси. ВЫВОДЫ. В Российской Федерации укрепление грунтов известью регламентируется ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия (с Изменениями № 1, 2)». Данный нормативный документ не содержит подробных рекомендаций по подбору составов грунтоизвестковой смеси, лабораторные испытания этих составов очень трудоемкие и требуют совершенствования в области укрепления грунтов известью с учетом опыта других стран.

Ключевые слова: грунт, укрепленный известью, грунтоизвестковая смесь, укрепленный грунт, укрепленные грунты дорожных одежд.

Информация о статье. Дата поступления 26 февраля 2018 г.; дата принятия к печати 22 марта 2018 г.; дата онлайн-размещения 26 июня 2018 г.

Формат цитирования. Лофлер М., Слободчикова Н.А. Методики подбора составов грунтов, укрепленных известью, для дорожного строительства // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 2. С. 141-147. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-2-141-147

METHODS FOR REINFORCING SOIL COMPOSITIONS WITH LIME FOR ROAD CONSTRUCTION

M. Lofler, N^. Slobodchikova

Potsdam University of Applied Sciences,

60 06 08, Potsdam, 14406, Germany

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation

эЛофлер Маркус, профессор университета прикладных наук, e-mail: [email protected] Markus Lofler, Professor University of Applied Sciences, e-mail: [email protected] ьСлободчикова Надежда Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: [email protected]

Nadezhda A. Slobodchikova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, e-mail: [email protected]

ABSTRACT. AIM. Road construction involves a large-scale consumption of high-strength stone materials, which leads to the considerable costs of road construction, reconstruction and major repairs. The application of lime for soil reinforcement in the areas of road construction allows these costs to be significantly reduced. METHODS. In road construction, lime is used both in its hydrated and unhydrated forms for such purposes as soil drainage and soil reinforcement. This article deals with the physical and chemical processes of soil structural formation under soil reinforcement with lime. Given that the process of soil structure formation varies in sand and clay soils, the minimum amount of lime necessary to reinforce these soil types is expected to differ as well. A comparative analysis of the methods for selecting the compositions of soil-lime mixtures used in Belgium, Sweden, the USA and the Russian Federation is carried out. RESULTS. In the mentioned countries, different methods for selecting the compositions of ground mixtures are used. Main differences concern laboratory test methods and approaches to determining the quality characteristics of optimized soil mixtures. CONCLUSIONS. In the Russian Federation, soil reinforcement activities are governed by the 23558-94 GOST "Crushed-gravel-sand mixtures and soils treated with inorganic binding materials for road and airfield construction". This normative document does not contain detailed recommendations on the selection of soil-lime compositions. The laboratory testing of these compounds is highly labour-intensive and requires improvements in the area of enhancing soils with lime, taking into account the experience of other countries.

Keywords: soil strengthened with lime, ground-lime mixture, fortified soil, reinforced ground of road clothes

Information about the article. Received February 26, 2018; accepted for publication March 22, 2018; available onlineJune 26, 2018.

For citation. Lofler M., Slobodchikova N.A. Methods for reinforcing soil compositions with lime for road construction. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018, vol. 8, no. 2, pp. 141-147. (In Russian). DOI: 10.21285/22272917-2018-2-141-147.

Введение

Строительство автомобильных дорог связано с большим потреблением высокопрочных каменных материалов, что приводит к значительной стоимости строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог, т.к. количество месторождений горных пород, пригодных для производства этих материалов, на территории нашей страны ограничено. Использование в конструкциях автомобильных дорог укрепленных грунтов взамен высокопрочных каменных материалов позволяет значительно снизить стоимость строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог. Одним из наиболее известных способов укрепления грунтов в дорожном строительстве является укрепление известью [1-5].

Известь в дорожном строительстве применяют как в гашеном, так и в негашеном виде для достижения таких целей, как осушение грунтов и укрепление грунтов.

Негашеная известь при смешивании с влажным грунтом поглощает

до 32% воды от его собственного веса с образованием гашеной извести. Выделяемое тепло при этой реакции будет дополнительно приводить к снижению влажности из-за испарения. Причем реакция с водой происходит даже в том случае, если грунт не содержит значительного количества глинистых частиц. Реакция же с глинистыми частицами вызывает дальнейшее осушение. В результате осушение происходит в течение нескольких часов, что позволяет уплотнить грунт значительно быстрее, чем при естественном испарении.

В Российской Федерации укрепление грунтов известью регламентируется ГОСТ 23558-94 «Смеси ще-беночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия (с Изменениями № 1, 2)» [6]. Данный документ устанавливает возможность применения извести как самостоятельного вяжущего и в составе комплексных вяжущих в качестве активатора твердения. В то же время в этом ГОСТ отсутствуют

сведения о качественных характеристиках грунтов, укрепленных известью, и нет четких рекомендаций по подбору составов грунтоизвестковых смесей. Между тем в Российской Федерации накоплен большой опыт по известкованию грунтов [4, 7]. Физико-химические процессы при известковании [8-10]

Песчаные грунты. Процесс затвердения извести начинается с испарения воды и кристаллизации гид-роксида кальция. С течением времени тонкодисперсные частицы гидрата окиси кальция в присутствии воды начинают перестраиваться в более крупные кристаллы. В результате сращивания кристаллов Са(ОН)2 образуется пространственно разветвленный каркас, окружающий и цементирующий песчаные частицы. Также при твердении происходит поглощение углекислоты из воздуха и преобразование в углекислый кальций (процесс карбонизации):

Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н2О.

Процесс карбонизации протекает медленно в присутствии влаги при достаточно крупных газопроницаемых порах и распространяется в твердеющем материале на небольшую глубину.

Пленка углекислого кальция, образующаяся в первый период твердения на поверхности извести, кольматирует поры и тем самым затрудняет дальнейшее проникновение углекислоты в более глубокие внутренние слои грунта. Благодаря этому процесс карбонизации сильно тормозится и может даже почти приостановиться.

Цементирующие массу песка в монолит кристаллы Са(ОН)2 и СаСО3 придают ему относительно небольшую прочность. Такой материал недостаточно устойчив к воздействию воды и отрицательных температур.

Глинистые грунты. Известь является воздушным вяжущим. При укреплении глинистых грунтов она вступает в химическое и физико-

химическое взаимодействие с тонкодисперсными частицами грунта и приобретает свойства гидравлического вяжущего. Можно выделить две стадии.

Стадия 1. Модификация. После первоначального смешения ионы Са+ из гашеной извести мигрируют к поверхности глинистых частиц и вытесняют воду и другие ионы (натрия и водорода). Наличие в супесях и глинах тонкодисперсных частиц алюмо-силикатного состава, а также активного кварца в условиях щелочной среды, вызванной гидратом окиси кальция, приводит к образованию гидросиликатов тоберморитового типа различной основности 2CaO SiO2. Увеличение прочности происходит за счет обмена катионов, при котором катионы натрия и водорода замещены ионами кальция. Даже в грунтах, где глина насыщена ионами кальция (карбонатные грунты), добавление извести увеличит Ph и, следовательно, интенсивность обмена.

Грунт становится рыхлым и зернистым. Уменьшается число пластичности и наблюдается тенденция к набуханию и сжимаемости, развиваются процессы флоккуляции и агломерации. Причем образование хлопьев и агрегатов происходит в течение нескольких часов.

Стадия 2. Стабилизация. При добавлении в грунт извести и воды кремнезем и глинозем (SiO2, AI2O3), образующие глинистый грунт, освобождаются и вступают в реакцию с гидроксидом кальция. При этом pH грунта быстро возрастает (более 10,5), что способствует протеканию реакции. Происходит разрушение глинистых частиц с образованием малоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов:

SiO2 + Ca(OH)2 = CSH;

AI2O3 + Ca(OH)2 = CAS.

Гидросиликаты (CSH) и гидроалюминаты (САН) представляют собой новые цементирующие вещества, образующиеся в портландцементе.

Они создают скелет, который увеличивает прочность стабилизированного грунта. Из гранулированного хлопьевидного грунт превращается в жесткий относительно непроницаемый слой со значительной несущей способностью. Процесс стабилизации

начинается в течение нескольких часов и продолжается в течение многих лет, благодаря чему происходит нарастание прочности. Образованная структура является постоянной, прочной и непроницаемой, при этом одновременно прочной и гибкой (рисунок).

глинистые частицы

Стабилизация глинистого грунта известью Stabilization of clay soil with lime

Введение в глинистый грунт извести повышает его водоустойчивость и механическую прочность.

Подбор составов грунтоизве-стковой смеси

Для определения оптимального количества извести для укрепления грунтов в лабораторных условиях производится подбор состава грунто-

известкового соотношения.

В основе всех методик подбора состава грунтоизвестковой смеси лежит ориентировочное значение количества извести (таблица), которое корректируется путем определения качественных характеристик грунто-известковой смеси.

Ориентировочное количество извести при подборе состава грунтоизвестковой смеси Approximate amount of lime in the selection of composition of the soil-lime mixture

Наименование конструктивного элемента автомобильной дороги / Name of the structural element of the road Содержание извести в грунтоизвестковой смеси, % от массы грунта / Lime contenting round-lime mixture, % of soil mass

США / USA [7, 10] Швеция / Sweden [8] США / USA [9]

Слои автомобильных дорог из несвязных грунтов / Sand 2-8 - 4 ± 0,5 5 ± 1

Слои автомобильных дорог из связных грунтов / Clay 5-8 6-8 для суглинков / clayloam 8-10 для глин / clay

Земляное полотно / Subgrade 3-6 -

Основание дорожной одежды / Base of pavement 2-4 -

В разных странах методики подбора составов грунтовых смесей отличаются. Основные расхождения в методиках подборов составов главным образом касаются методик лабо-

раторных испытаний и определения качественных характеристик, связанных с оптимизацией грунтовой смеси. Наиболее широкий опыт применения грунтов, укрепленных известью, име-

ют Франция, Бельгия и США.

Французская и бельгийская методики. Минимальное количество извести определяется исходя из того количества, при котором число пластичности грунтоизвестковой смеси существенно не изменится. Качество грунтоизвестковой смеси для устройства слоев оснований определяется параметрами:

• ImmediateBearingIndex (IBI), который представляет собой набор прочности образцов грунта, укрепленного известью, в 90-минутном возрасте, %.

Качество грунтоизвестковой смеси для устройства слоев покрытий кроме параметра IВI также определяется параметрами:

• CBRSP - набор прочности CBR, образцов, уплотненных в соответствии с методом Проктора [4, 5] и подвергнутых насыщению воде в течение 4 сут.;

• Отношение

• Набухание Gv, которое определяется после 168 часов выдерживания в воде при 40°C;

• Морозостойкость UCS, которая определяется как прочность на сжатие после требуемого количества циклов замораживания-оттаивания, МПа.

• Водостойкость I, которая определяется как

где UCS(28 + 321) - прочность на сжатие цилиндрических образцов, которые после нормального твердения в возрасте 28 сут. были подвергнуты насыщению водой в течение 32 сут. (при 20 ± 2°С); UCS(60)- прочность на сжатие цилиндрических образцов нормального твердения в возрасте 60 суток.

Методика, принятая в США.

Методика подбора состава грунтоизвестковой смеси включает в себя определение минимального количества

извести с помощью теста Eades и Grim [11-13]. Суть этого метода заключается в подборе минимального количества извести, при котором pH грунтоизвестковой смеси будет соответствовать значению 12.40.

В отличие от французской и бельгийской методик, данный метод позволят определить необходимое количество извести с изготовлением минимального количества образцов, что существенно упрощает процедуру подбора состава.

Качество грунтоизвестковой смеси оценивается показателями:

• Прочность на сжатие образцов после 7 дней твердения на воздухе при температуре 40°C и 24-часового капиллярного замачивания;

• Набухание Gv.

Методика, принятая в Российской Федерации. Согласно ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия (с Изменениями № 1, 2)» качество грунтоизвестковой смеси должно оцениваться по показателям:

• Прочность на сжатие и растяжение при изгибе образцов укрепленного грунта в возрасте 28, 90 и 180 сут. в зависимости от вида вяжущего;

• Морозостойкость - число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при которых допускается снижение пpочности на сжатие не более чем на 25% от ноpмиpуемой прочности в пpоектном возpасте.

Выводы

Зарубежные методики оценки качества подобранной грунтоизвест-ковой смеси позволяют оценить качество этой смеси в более короткие сроки.

Методика, принятая в США, позволяет установить минимальное количество извести на основе определения рН и является наиболее предпочтительной, т.к. уменьшает трудоемкость работ при подборе состава.

Российские нормативные документы не содержат подробных рекомендаций по подбору составов грунтоизвестковой смеси, лабораторные испытания этих составов очень тру-

доемкие. Следовательно, российские нормативные документы требуют совершенствования в области укрепления грунтов известью с учетом опыта других стран.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Волкова Е.В., Иванов Е.И., Нечаев Д.Н. Учет нестабилизированного состояния грунтов при оценке пространственной устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2015. № 2 (13). С. 45-50.

2. Слободчикова Н.А., Плюта К.В., Дзогий А.А. Перспективы использования отходов производства и потребления при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 8. С. 126-132.

3. Шабуров С.С., Уласович Р.П. Органоминеральные смеси в основаниях и покрытиях автомобильных дорог в суровых климатических условиях // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2015. № 2 (13). С. 112-118.

4. Безрук В.М., Гурячков И.Л., Лука-нина Т.М., Агапова Р.А. Укрепленные грунты. (Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве). М.: Транспорт, 1982. 231 с.

5. Рудых А.В., Пуценко К.Н. Обзор нормативной документации в области проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений на автомобильных дорогах // Молодежный вестник ИрГТУ. 2015. № 2. С. 6.

6. ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеноч-но-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия (с Изменениями № 1, 2)» [Электронный ресурс]. URL: base.consultant.ru/stand/ (14.12.2017).

7. Методы стабилизации грунтов различными материалами [Электронный ресурс]. URL: https://theconstructor.org/geotechnical/soil-stabilization-methods-and-materials/9439/ (14.12.2017).

8. Gregory Paul Makusa. State of the art review soil stabilization methods and materials in engineering practice. Department of Civil, Environmental and Natural resources engineering Division of Mining and Geotechnical Engineering Luleâ University ofTechnology Luleâ, Sweden Luleâ, 2012, p. 35.

9. Design Procedures for Soil Modification or Stabilization. Production Division Office of Geotechnical Engineering 120 South Shortridge Road Indianapolis, Indiana 46219. January 2008, p. 13.

10. Lime-treated soil construction manual lime stabilization & lime modification. Published by Nacional Lime Association Lime. Versatile Chimikal. January 2004, Bulletin 326, p. 41.

11. ASTM (2000b) Test Method for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort (12,400 ft-lb/ft). Designation D698. Annual Book of ASTM Standards, ASTM American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, US.

12. ASTM (2006) Standard Test Method for Using pH to Estimate the Soil-Lime Proportion Requirement for Soil Stabilization. Designation ASTM D6276. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, US.

13. NLA (2006) Mixture Design and Testing Procedures for Lime Stabilized Soil. Technical Brief. NLA National Lime Association. Arlington, VA.

REFERENCES

1. Volkova E.V., Ivanov E.I., Nechaev D.N. Uchet nestabilizirovannogo sostoyaniya gruntov pri ocenke prostranstvennoj ustojchi-vosti otkosov nasypej avtomobilnyh dorog [Account of non-stable condition of soils during the assessment of spatial stability of slopes of embankments of highways]. Izvestiya vuzov. Inves-ticii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Reales-tate], 2015, no. 2 (13), pp. 45-50. (In Russian).

2. N.A. Slobodchikova, K.V. Pluta, A.A. Dzogii. Perspektivy ispol'zovaniya othodov pro-

izvodstva i potrebleniya pri stroitel'stve, rekon-strukcii i kapital'nom remonte avtomobil'nyh dorog [Application prospects of production and consumption waste in building, reconstruction and major repair of motor roads]. Vestnik Irkut-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2015, no. 8, pp. 126-132. (In Russian).

3. Shaburov S.S., Ulasovich R.P. Or-ganomineral'nye smesi v osnovaniyah I pokryti-yah avtomobil'nyh dorog v surovyh kli-

maticheskih usloviyah [Organo-mineral mixtures in basements and road covers in severe climate conditions]. Izvestiya vuzov. Investicii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2015, no. 2 (13), pp. 112-118. (In Russian).

4. Bezruk V.M., Guryachkov I.L., Lukan-ina T.M., Agapova R.A. Ukreplennye grunty. (Svojstva I primenenie v dorozhnom I aehro-dromnom stroitel'stve) [Fortified soils. (Properties and applications in road and airfield construction)]. Moscow, Transport Publ., 1982, 231 p. (In Russian).

5. Rudykh A.V., Putsenko K.N. Obzor normativnoj dokumentacii v oblasti proektiro-vaniya, stroitel'stva I ehkspluatacii inzhenernyh sooruzhenij na avtomobil'nyh dorogah [Review of regulatory documentation in design, construction and operation of engineering structures on highways]. Molodezhnyj vestnik IrGTU [Youth Bulletin of Irkutsk State Technical University], 2015, no. 2, p. 6. (In Russian).

6. GOST 23558-94 «Smesi shchebeno-chno-gravijno-peschanyei grunty, obrabotannye organicheskimi vyazhushchimi materialami, dlya dorozhnogo I aehrodromnogo stroitel'stva. Tekhnicheskie usloviya (s Izmeneniyami no. 1, 2)» [GOST 23558-94 "Crushed stone-gravel-sandy mixtures, and soils treated by inorganic-binders for road and airfield construction. Technical conditions (with Changes no. 1, 2)»]. Available at: base.consultant.ru/stand/ (accessed on 14 December 2017).

7. Metody stabilizacii gruntov razlich-nymi materialami [Methods of soil stabilization by various materials]. Available at:

Критерии авторства

Лофлер М., Слободчикова Н.А. имеют равные авторские права. Слободчикова Н.А. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

https://theconstructor.org/geotechnical/soil-stabilization-methods-and-materials/9439/ (accessed on 14 December 2017).

8. Gregory Paul Makusa. State of the art review soil stabilization methods and materials in engineering practice. Department of Civil, Environmental and Natural resources engineering Division of Mining and Geotechnical Engineering Luleâ University of Technology Luleâ, Sweden Luleâ, 2012, p. 35.

9. Design Procedures for Soil Modification or Stabilization. Production Division Office of Geotechnical Engineering 120 South Shortridge Road Indianapolis, Indiana 46219. January 2008, p. 13.

10. Lime-treated soil construction manual lime stabilization & lime modification. Published by Nacional Lime Association Lime. Versatile Chimikal. January 2004, Bulletin 326, p. 41.

11. ASTM (2000b) Test Method for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort (12,400 ft-lb/ft). Designation D698. Annual Book of ASTM Standards, ASTM American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, US.

12. ASTM (2006) Standard Test Method for Using pH to Estimate the Soil-Lime Proportion Requirement for Soil Stabilization. Designation ASTM D6276. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, US.

13. NLA (2006) Mixture Design and Testing Procedures for Lime Stabilized Soil. Technical Brief. NLA National Lime Association. Arlington, VA.

Contribution

Lofler M., Slobodchikova N.A. have equal authors' rights. Slobodchikova N.A. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.