CC BY
42
УДК 624.9
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ГРУНТ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГРАЖДАНСКИХ СООРУЖЕНИЙ
М.И. Харун, Д. Д. Коротеев, Г. Э. Окольникова Российский университет дружбы народов
Ключевые слова:
грунто-цементный композит, прочность на сжатие, условия отвердения, грунт-цементное отношение. История статьи:
Дата поступления в редакцию 11.06.17 Дата принятия к печати 12.06.17
Аннотация
Модифицированный грунт широко используется для укрепления фундаментов, строительства дорог, а также для производства кирпича и тротуарной плитки. Авторы в своих исследованиях модифицировали грунт цементом. Одним из важнейших физико-механических свойств грунто-цементного композита (ГЦК) является прочность на сжатие. Авторы провели исследование прочности ГЦК в зависимости от условий его отверждения и процентного содержания цемента. дорогами.
Для исследования использовали суглинок с индексом пластичности ^ = 12,3, портландцемент марки 500, молотый известняк с удельной поверхностью 4500 см2/г, суперпластификатор С-3 и воду для смешивания. Отвердение образцов проводилось в воздушно-влажных условиях во влажных опилках, а также часть образцов подвергались тер-мо-влажной обработки в паровой камере. Экспериментально установлено, что прочность ГЦК зависит не только от соотношения глинистого заполнителя и минерального связующего, но также от температурных и влажных условий отвердения. Исследование также показало, что добавки молотого известняка и суперпластификатора С-3 способствуют увеличению прочности на сжатие ГЦК. Разработана математическая модель для определения прочности на сжатие ГЦК в зависимости от процента цемента и периода отвердения. Предложенная математическая модель рекомендована к применению для оценки прочности на сжатие массивного слоя ГЦК после срочного ремонта подземных трубопроводов проходящих под автомобильными
Введение
Модифицированный грунт различных композиционных составов является относительно не дорогим и эффективным строительным материалом. Основу грунто-цементного композита (ГЦК) составляет глинистый грунт различного типа и минеральное вяжущее, например, портландцемент, а также специальные добавки [1, 2].
Смешивание грунта с портландцементом позволяет повысить однородность и механическую прочность основания [1, 3]. ГЦК применяют при строительстве аэродромов, автомобильных и железных дорог [2-5]. Для этого используют местные материалы, извлекаемые из котлована под строящийся объект. Это позволяет значительно улучшить экономические показатели объекта.
ГЦК широко применяют для стабилизации и укрепления фундаментов в гражданском строительстве [6, 7]. ГЦК успешно применяют для устройства фундаментов под малоэтажные здания [8]. Равномерная передача нагрузок на основание обеспечивается через ГЦК слой под фундаментом.
ГЦК применяют не только в качестве стабилизатора основания, но и для изготовления искусственного камня. При этом ГЦК смесь может быть армирована, например, волокнами конопли или льна [9]. Такое армирование незначительно влияет на прочность камня при осевом сжатии, но повышает сопротивление растяжению при изгибе.
При изготовлении ГЦК возможна утилизация шлама от водоподготовки [10]. После проверки на экологическую безопасность шлам добавляли в ГЦК в количестве 5% от массы грунта. Результаты исследования показали техническую возможность использования шлама из очистных сооружений водоподготовки для производства ГЦК камня.
ГЦК камень в виде прямоугольных плит служит покрытием тротуаров [11]. Плиты являются полупроницаемыми для атмосферных осадков.
Различные добавки позволяют получить ГЦК с дополнительными свойствами. Применения нано-частиц 8Ю2 позволяет повысить плотность ГЦК смеси и прочности материала на сжатие [12].
Исследование ГЦК из стабилизированного песчаного грунта показало эффективность водного раствора полимерного модификатора [13]. Использован винил-акриловый сополимер, вводимый в смесь с водой за-творения. Прочность на сжатие увеличена на 10-20%.
ГЦК с использованием органических и минеральных добавок может быть успешно применен в условиях резко-континентального климата для укрепления оснований сельских дорог [14].
ГЦК, в состав которого входит вяжущее и ионный закрепитель грунта, перспективен для дорожного строительства [15]. На прочностные и эксплуатационные свойства большое влияние оказывают гранулометрический, химический и минералогический состав грунта.
ГЦК со стабилизаторами, влияющими на пластичность смеси с использованием глинистых грунтов, используются в дорожном строительстве [16]. У стабилизированных глинистых пород, входящих в состав ГЦК, образуются микрокомпозиты, которые служат заполнителем. Это способствует повышению прочности и водостойкости ГЦК.
Анализ публикаций, посвященных исследованию и применению ГЦК показывает активный интерес научной общественности к этому материалу. Из широкого диапазона исследований видно, что влияние тепловой обработки ГЦК смеси при твердении и наборе прочности изучено не в полной мере. Это сдерживает решение задач повышения интенсивности производства работ с использованием ГЦК.
Материалы и методы исследования
Для изготовления образцов ГЦК использованы следующие материалы: портландцемент марки 500, суглинок плотностью 2,71 г/см3 с числом пластичности 1р=12,3; вода для смешивания. В качестве минеральной добавки использован молотый известняк с удельной поверхностью 4500 см2/г. Минеральная добавка использована в количестве 10% от массы заполнителя. Для повышения удобоукладываемости ГЦК смеси использован суперпластификатор С-3 в количестве 1,6% от массы цемента.
К исследованию приняты пять смесей, содержащих грунт и портландцемент в соотношениях 1:0,06; 1:0,09; 1:0,12; 1:0,15; 1:0,18. Из указанных смесей изготовлено пять серий образцов с размером ребра 100 мм. В соответствии с планом эксперимента каждая серия состоит из двадцати пяти образцов: по пять для каждого из условий твердения и набора прочности.
При исследовании использованы следующие условия твердения и набора прочности:
• воздушно-влажностное в мокрых опилках:
- в течение 28 суток при температуре воздуха в помещении 19-22 °С;
- в течение 90 суток при температуре воздуха в помещении 19-27 °С;
• в пропарочной камере при температуре 85±2 °С по режиму в часах 2+8+2 (набор температуры + проектная температура + охлаждение).
Экспериментальное исследование прочности на сжатие ГЦК образцов выполнено на гидравлическом прессе мощностью 500 кН.
Количество образцов для каждой серии и условий твердения определено математическим планированием эксперимента. Математическая обработка экспериментальных данных выполнена по известным методикам математической статистики и теории вероятностей. Это позволило получить результаты экспериментального исследования с надежностью а = 0,95.
Использование указанных материалов для изготовления ГЦК образцов и их исследование по представленной методике позволило получить статистически значимые результаты экспериментального исследования.
Результаты и обсуждение
Важнейшей физико-механической характеристикой ГЦК является прочность на осевое сжатие. От прочности ГЦК зависит возможность его применения при строительстве автомобильных и железных дорог, а
также фундаментов и укрепления оснований под них.
В рамках настоящего исследования выполнено экспериментальное определение прочности ГЦК образцов на осевое сжатие. На рис. 1 представлены диаграммы изменения прочности ГЦК различных условий твердения в зависимости от грунто-цементного отношения.
18
св
е 15
о
К *
о св К Л
н о о к
(Г
о
Л
с
12
1 : 0.06 1 : 0.09 1 : 0.12 1 : 0.15 1 : 0.18
Грунт : Цемент
• воздушно-влажностное твердение в течение 28 суток ▲ воздушно-влажностное твердение в течение 90 суток ■ термо-влажная обработка ГЦК образцов в пропарочной камере Рис. 1. Изменение прочности на осевое сжатие ГЦК различных условий твердения в зависимости от грунто-цементного отношения
9
6
3
0
Анализ диаграмм показывает, что характер изменения прочности на сжатие одинаков для всех использованных условий твердения. Увеличение количества портландцемента в составе ГЦК обусловливает нарастание прочности, которое происходит экспоненциально при коэффициенте детерминации Я2=0,99.
При этом абсолютные значения прочности на осевое сжатие отличаются в среднем на 75% для образцов, твердевших в воздушно-влажностных условиях 28 и 90 суток, и образцов, твердевших в пропарочной камере, соответственно.
Экспериментально установлено, что при увеличении содержания цемента в ГЦК смеси от 6 до 18% от массы заполнителя прочность на осевое сжатие увеличивается в среднем в 2,5 раза.
Анализ диаграмм показывает, что термо-влажностная обработка ГЦК позволяет существенно повысить прочность на осевое сжатие при меньшем количестве использованного цемента. Например, прочность образцов содержащих 18% цемента и твердевших в воздушно-влажностных условиях такая же, как у ГЦК, содержащего 9% цемента, твердевшего в пропарочной камере. Термо-влажностная обработка ГЦК позволяет значительно уменьшить расход цемента на его приготовление при прочих равных условиях.
При твердении ГЦК в воздушно-влажностных условиях в течение 90 дней его прочность увеличилась в среднем на 32%. При одинаковых расходах цемента указанная прочность не достигла значений для ГЦК, твердевшего в условиях пропаривания. Это позволяет утверждать, что применение термо-влажностной обработки ГЦК позволяет существенно снизить расход цемента и сократить продолжительность твердения и набора прочности.
Экспериментальное исследование ГЦК, в состав которого включена добавка из молотого известняка, показало, что прочность на сжатие увеличивается в среднем на 10-12%. Увеличение прочности на осевое сжатие обусловлено, в основном, двумя причинами. Прежде всего добавление молотого известняка способствует образованию гидрокарбоалюминатов кальция при более активной гидратации цемента. Кроме того, в присутствии молотого известняка в твердеющей массе наблюдается более высокая дисперсность новообразований. Это выявлено при анализе материала в электронном микроскопе.
Применение пластифицирующей добавки позволяет получить более подвижную и более плотную ГЦК смесь. Экспериментально установлено, что введение суперпластификатора С-3 в количестве 1.6% от массы цемента позволяет увеличить прочность ГЦК на осевое сжатие в среднем на 20%. При этом снижается водо-потребность смеси, что приводит к повышению ее плотности.
На основе экспериментальных данных разработана математическая модель изменения прочности ГЦК на осевое сжатие в зависимости от содержания цемента и срока твердения:
= 0,03-Ьв 0Д с
где Я5с — прочность ГЦК на осевое сжатие, МПа; 0,03 — коэффициент изменения прочности ГЦК во времени, МПа/сут.; С — содержание цемента в составе ГЦК; t — срок твердения ГЦК, сут. ^ < 90 суток).
Рис. 2. Зависимость прочности ГЦК от расхода цемента и срока твердения
Предложенную эмпирическую модель целесообразно применять для оценки прочности ГЦК при проведении текущих ремонтов оснований покрытий автомобильных дорог. Это позволяет определять допустимую транспортную нагрузку на отремонтированном участке дороги. Кроме того, предложенная модель позволяет определять прочность ГЦК при защите трубопроводов, проходящих под автомобильными и железными дорогами.
Заключение
В результате экспериментального исследования грунтобетона установлено:
- Прочность ГЦК на осевое сжатие зависит не только от соотношения заполнителя и вяжущего по массе, а также от температурно-влажностных условий твердения и набора прочности;
- Минеральная добавка в виде молотого известняка способствует активизации процесса гидратации цемента и повышению прочности ГЦК;
- Введение в ГЦК смесь суперпластификатора С-3 позволяет повысить его плотность и прочность на осевое сжатие;
- Предложенная эмпирическая модель позволяет определить допустимую транспортную нагрузку на отремонтированный участок автодороги для защиты отремонтированного трубопровода, который проходит под автодорогами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kharun M. and Svintsov A.P. Soil-Cement Ratio and Curing Conditions as the Factors of Soil-Concrete Strength. Key Engineering Material. 2017, 730: 358-363.
2. Kharun M., Svintsov A.P., Koroteev D.D. Forecasting the Compressive Strength of Soil-Concrete Depending on the Percentage of Cement and Curing Period. Journal of Fundamental and Applied Sciences. Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2017, 9(7S): 678-686.
3. Okyay U.S. and Dias D. Use of lime and cement treated soils with rigid inclusions. Proceedings of the 3rd International Conference on New Developments in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering 2012, Near East University, Nicosia, North Cyprus. 2012, 419-424.
4. Харун М. Прочность грунто-цементного основания по аэродромными покрытиями. Монтажные и специальные работы в строительстве. 2013, 12: 22-24.
5. Okyay U.S. and Dias D. Use of lime and cement treated soils as pile supported load transfer platform. Engineering Geology. 2010, 114(1-2): 34-44.
6. Ye G., Zhang Q., ZhangZ. and ChangH. Centrifugal modeling of a composite foundation combined with soil-cement columns and prefabricated vertical drains. Soils and Foundations. 2015, 55(5): 1259-1269.
7. Харун М., Малое А.Н., Манаева М.М. Грунто-бетон в строительстве гражданских сооружений. Бетон и железобетон. 2009, 3: 23-25.
8. Рамазанов А.А., Бадаева А.Д., Ланин Е.Б., Алнашаш Т.А. Грунтобетон в закладке фундамента. Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015, 3(30): 111-128.
9. Zak P., Ashour T., Korjenic A., Korjenic S. and Wu W. The influence of natural reinforcement fibers, gypsum and cement on compressive strength of earth bricks materials. Construction and Building Materials. 2016, 106: 179-188.
10. Rodrigues L.P. and Holanda J.N.F. Recycling of Water Treatment Plant Waste for Production of Soil-Cement Bricks. Procedia Materials Science. 2015, 8: 197-202.
11. Luis Z.-T.J., Jeferson S.B. and Miriam F.-C. Escurrimiento en pavimentos de bloques de suelo-cemento: un abordaje experimental. Ingenieria, Investigacion y Tecnologia. 2015, 16(1): 35-47.
12. Bahmani S.H., Huat B.B.K., Asadi A. and Farzadnia N. Stabilization of residual soil using SiO2 nanoparticles and cement. Construction and Building Materials. 2014, 64: 350-359.
13. Романенко И.И., Романенко М.И., Петровнина И.Н., Пинт Э.М. Влияние водорастворимого полимерного стабилизатора грунта на физико-механические свойства песчаного грунта. Интернет-журнал Науковедение. 2014, 5(24): 1-18.
14. Пичугин А.П., Денисов А.С., Гришина В.А., Язиков И.К., Алешкевич М.Г. Возможности обеспечения качества сельских дорог за счет внедрения грунтобетона с микроармирующими органоминеральными добавками. Инновации и продовольственная безопасность. 2014, 4(6): 7-16.
15. Карацупа С.В., Лютенко А.О., Полежаев К.А., Дмитриева Т.В. Дорожный грунтобетон с использованием ионного закрепителя грунта. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2012, 3(158): 22-23.
16. Строкова В.В., Дмитриева Т.В. Микроструктурные особенности грунтобетонов в присутствии стабилизатора. Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013, 31-32(50): 174-178.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
М. И. Харун, Д. Д. Коротеев, Г. Э. Окольникова. Модифицированный грунт для строительства гражданских сооружений — Системные технологии. — 2017. — № 23. — С. 56—61.
MODIFIED SOIL FOR CONSTRUCTION OF CIVIL STRUCTURES
M. I. Kharun, D. D. Koroteev, G. E. Okolnikova, Peoples' Friendship University of Russia
