CC BY
24Косухин А.М., аспирант, Бабин А.А., инженер, Косухин М.М., канд. техн. наук, проф., Шаповалов Н.А., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
kosuhin@intbel.ru
Показана возможность получения высокоподвижных проникающих смесей для укрепления оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА на традиционных вяжущих, ТМЦ и ВНВ модифицированных новым полифункциональным суперпластификатором на основе отходов производства углеводородов.
Исследованы реологические, физико-механические свойства предлагаемых смесей и укрепленных ими оснований автомобильных дорог.
Ключевые слова: высокоподвижные проникающие смеси, полифункциональный модификатор, проникающая способность, пластифицирующий эффект, ускорение процессов структурообразова-ния.
Эксплуатационные характеристики автомобильных дорог даже при высококачественных покрытиях определяются главным образом прочностными и деформативными свойствами оснований.
В практике строительства автомобильных дорог широко распространены отработанные традиционные способы и технологии устройства оснований, к которым относятся жесткие покрытия дорог из монолитного цементного бетона, литого асфальтобетона, сборных железобетонных плит, послойная укладка щебня разных фракций по размеру зерен и их уплотнением (крупность зерен уменьшается от низа к верху дорожного основания - древнеримский способ), укрепление щебеночного слоя вдавливанием сухой или влажной цементно-песчаной смеси либо строительного раствора, перемешивание при разрыхлении верхнего слоя малой подвижности, с последующим уплотнением его укаткой.
В настоящее время разработаны различные методы укрепления оснований автомобильных дорог из нескальных природных и искусственных грунтов, отходов промышленности, повышающих устойчивость их в дорожном полотне. Дальнейшее развитие исследований в рассматриваемом направлении должно идти по пути совершенствования и разработки новых комплексных методов, расширения ассортимента современных вяжущих, и других минеральных композиций с использованием в максимальной степени местных материалов и различных побочных продуктов промышленности.
В этой связи, нами были разработаны составы и исследованы свойства так называемых
строительных смесей с высокой проникающей способностью (СВПС). Предлагаемые СВПС представляют собой минеральные композиции на основе традиционных минеральных веществ; новых прогрессивных вяжущих - тонкомолотых цементов (ТМЦ) и вяжущих низкой водопо-требности (ВНВ); неорганических вяжущих веществ с минеральным наполнителем; полиминеральных вяжущих веществ; сложных строительных растворов; модифицированных мелкозернистых бетонов. Получение СВПС предусматривает использование в качестве минерального компонента ТМЦ и ВНВ отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов ГОКов КМА, что решает одновременно и экологические проблемы [1].
Тонкоизмельченные отходы ММС представлены в основном зернами кварца размером от 0,05 до 0,3 мм, зернами магнетита размером от 0,3 до 0,5 мм и другими рудными (слабомагнитными) и безрудными минералами. По химико-минералогическому составу отходы ММС близки к слаборудным кварцитам. Породообразующий минерал кварц (более 60%), содержится магнитит (до 8%), гематит (до 6%), карбонаты (8-10%), биотит (8-10%), силикаты (20-25%), прочие(до 1,5%).
Получение строительных смесей с высокой проникающей способностью возможно с введением в их состав высокоэффективных разжижи-телей минеральных строительных композиций -пластификаторов и суперпластификаторов, регуляторов сроков схватывания и твердения растворных смесей. С одной стороны эти добавки увеличивают и ускоряют смачиваемость и проникающую способность СВПС, а с другой -
Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова улучшают физико-механические характеристики дорожных одежд: прочностные и деформа-тивные, морозостойкость, истираемость, трещи-ностойкость, устойчивость к образованию колеи.
По мнению многих ученых, известные и широко применяемые пластифицирующие добавки наиболее разжижающее действие оказывают на минеральные вяжущие вещества и в меньшей степени - на систему «наполнитель-вода». В связи с этим крайне актуальным становится поиск и разработка новых суперпластификаторов - разжижителей. В свою очередь, гранулометрический состав минерального наполнителя должен способствовать повышению текучести смеси за счет однородности его состава. Он должен быть монодисперсным либо полидисперсным, но с близкими по своему размеру частицами смежных фракций. Составы наполнителей с прерывной гранулометрией частиц дают наибольший эффект в плотности их упаковки, что уменьшает расход вяжущей части в строительных смесях, но снижает их текучесть.
Известные в настоящее время пластифицирующие добавки выпускаются на основе дорогостоящих и дефицитных чистых химических веществ, что сдерживает их применение в строительной индустрии. Вместе с тем существует большое разнообразие отходов химических производств использование которых может решить как проблему дефицитности и стоимости сырья для производства добавок, так и экологические проблемы.
В связи с этим нами был синтезирован новый высокоэффективный суперпластификатор СБ-7 на основе отходов производства углеводородов - легкой пиролизной смолы, изучены возможности получения высокоподвижных проникающих смесей на традиционных вяжущих, ТМЦ и ВНВ с использованием разработанного СП и исследованы реологические, физико-механические и технологические свойства смесей и укрепленных ими оснований автомобильных дорог.
Использование смесей с высокой проникающей способностью в дорожном строительстве предусматривает укладку основания из щебня заданного зернового состава с последующим поливом этой смесью и уплотнением укаткой. Глубина пропитки щебеночного основания определяется его зерновым составом, составом СВПС и требуемой жесткостью и прочностью основания дорожной одежды, что, в свою очередь, зависит от категории строящейся дороги.
При проектировании СВПС для укрепления щебеночных оснований дорог, необходимо зна-
_2009, №4
ние наибольшего размера частиц наполнителя, который определяется по формуле для размера просветов в случайной упаковке зерен щебня [2]:
ё < (0,2549/а)2 ^к/Ф,
где ёь - наименьший размер зерен фракции щебня, мм; а - плотность упаковки его зерен в слое основания; Ф - коэффициент формы зерен щебня; к - коэффициент, учитывающий степень перекрытия каналов в слое при укатке основания, к = 1/Ф3, для зерен угловатой формы Ф= 1,24 - 1,50.
Так для щебеночного основания с размером зерен = 20 мм и а = 0,60 из этого выражения наибольший размер частиц минерального порошка в СВПС равен 0,355 мм.
Экспериментальные исследования нами были проведены на цементе ПЦ 400 Д 20, цементе ПЦ 400 Д 20, домолотом до удельной поверхности 570 м2/г и цементе ТмЦ-50 (ММС), полученном путем домола 50% отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и 50% цемента ПЦ 400 Д 20 до удельной поверхности 570 м2/г, с использованием суперпластификатора СБ-7 [3] и воды.
Путем методики расплыва миниконуса была определена оптимальная дозировка суперпластификатора СБ-7, при которой наблюдалось разжижение теста (диаметр расплыва миникону-са - 170 мм) без снижения его прочностных ха-рактиристик. Так, для цемента ПЦ 400 Д 20 она составила 0,2%, для цементов ПЦ 400 Д 20 (домолотого) и ТМЦ-50 (ММС) - 0,35%. Предел прочности на сжатие в 2 8-суточном возрасте затвердевших образцов составил: для цемента ПЦ 400 Д 20 - 51 МПа, для домолотого ПЦ 400 Д 20 - 57,8 МПа, для ТМЦ-50 (ММС) - 36 МПа.
На основе седиментационного анализа используемых вяжущих с оптимальной дозировкой СБ-7 был определен наиболее вероятный радиус частиц, который составил: для ПЦ 400 Д 20 - 8,0 мкм; ПЦ 400 Д 20 (домолотого) - 2,7 мкм; для ТМЦ-50 (ММС) - 3,8 мкм. Полученные значения наивероятнейшего радиуса на порядок меньше максимально допустимого радиуса частиц СВПС, рассчитанного по вышеприведенной формуле. В то же время нужно отметить, что при приготовлении СВПС на исходном ПЦ 400 Д 20 наблюдалось расслоение смеси, в случае же использования цементов с более высокой удельной поверхностью водоотделения не наблюдалось.
При использовании смесей с высокой проникающей способностью для укрепления дорожных оснований возник вопрос определения их проникающей способности во времени, кото-
рая напрямую зависит от степени подвижности СВПС.
Нами были проведены эксперименты методом расплыва миниконуса по определении потери подвижности СВПС во времени. За исходные значения были взяты смеси на основе ПЦ 400 Д 20, ПЦ 400 Д 20 (домолотом) и ТМЦ-50 (ММС) с оптимальным содержанием добавки СБ-7 и диаметром расплыва миниконуса - 170 мм. За контрольное значение принималась точка диаметра расплыва миниконуса 120мм, ниже которой смесь не обладает стопроцентным проникновением в толщу основания (слой щебня). Смеси приготавливались с введением суперпластификатора с водой затворения и с введением суперпластификатора непосредственно после выдержки смеси. Рас-плыв миниконуса замерялся через каждые 10 минут выдержки смеси.
Таким образом, были получены следующие результаты: при введении суперпластификатора СБ-7 с водой затворения СВПС сохраняли свою проникающую способность на уровне 100 % для ПЦ 400 Д 20 - в течение 34 минут. Для домолотого ПЦ 400 Д 20 - в течение 7 минут, что связано с увеличенной удельной поверхностью по сравнению с исходным ПЦ 400 Д20, а следовательно, с ускорением процессов структурообразования. Для ТМЦ-50 (ММС) стопроцентная проникающая способность сохраняется в течение 18 минут, что связано с замедлением процессов структурообразо-вания за счет наличия железосодержащих фаз в отходах ММС. Однако при введении добавки непо-
средственно перед укладкой смесей их 100-прцентная проникающая способность сохранялась в течение 45 минут, при этом проникающая способность мало зависела от вида цемента.
На основе данного эксперимента возникает вопрос о разработке технологий изготовления СВПС для укрепления дорожных оснований из условия сохранения их высокой проникающей способности во времени. Для практического применения СВПС рекомендуется ввод суперпластификатора непосредственно перед укладкой смеси с использованием имеющегося оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гридчин, А. М. Дорожно-строительные материалы из отходов промышленности. - Белгород, 1997. - 204 с.
2. Хархардин, А. Н. Способы получения высокоплотных составов зернистого сырья // Известия вузов. Строительство. - 1996. - № 10. - С. 56-60.
3. Рекомендации по применению суперпластификаторов для батонов СБ-3 и СБ-5. - Белгород, 1986.
4. Исаченко, Е.И. Смеси с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА: дис. канд. техн. наук: 05.23.05.; 02.00.11: защищена 23.12.2004: утверждена 13.05.2005 / Исаченко Елена Ивановна. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - 156 с.
