ПОДБОР СОСТАВОВ ЗОЛОШЛАКОЦЕМЕНТНОЙ СМЕСИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГРУНТОБЕТОНОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Научная статья УДК 691.3

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5 Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 41

ПОДБОР СОСТАВОВ ЗОЛОШЛАКОЦЕМЕНТНОЙ СМЕСИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГРУНТОБЕТОНОВ1

© Авторы, 2023 БОБЫЛЬСКАЯ Виктория Александровна

SPIN: 5587-5247 кандидат технических наук, доцент, кафедра строительного

производства и конструкций

Сибирский государственный университет водного транспорта (Россия, Новосибирск)

SPIN: 4333-0354, МАЗГАЛЕВА Ада Владимировна

ORCID: 0000-0001-8670-9229 кандидат технических наук, кандидат технических наук,

ScopusID: 57430911000 доцент, кафедра строительного производства и конструкций

Сибирский государственный университет водного транспорта (Россия, Новосибирск, e-mail: a. v. mazgaleva@nsawt. ru)

SPIN: 1892-5667 ЛЕЩЕНКО Сергей Иванович

кандидат технических наук, доцент, кафедра Водных изысканий, путей и гидротехнических сооружений

Сибирский государственный университет водного транспорта (Россия, Новосибирск)

Аннотация. Показана важность использования крупнотоннажных золошлаковых отходов и создания на их основе новых грунтобетонных материалов. Выделены основные компоненты при подборе составов золошлаковых смесей. Рассмотрены этапы подбора составов золошлакоцементных смесей при проектировании грунтобетонов для строительства сельских дорог II класса: отбор проб, расчет содержания компонентов, определяются физико-механические свойства образцов при наборе прочности в нормальных условиях через 28 и 90 суток, проверка полученных при испытании данных на соответствие требованиям СП 34.13330.2012. Показана рекомендуемая оптимальная влажность укрепляемых грунтов - песков мелких пылеватых и мелких, супесей, суглинков и глин. Определены исходные составы для проведения испытаний, произведен выбор оптимального состава. Определен гранулометрический состав золошлаковых отходов. Определено содержание микроармирующих добавок. Изучено влияние расхода золошлакоцементных смесей и отходов хризотилцемента на прочностные характеристики укрепляемого грунта. Определены оптимальные расходы комплексной добавки. Определено содержанием компонентов в композиции грунтобетонного состава, состоящего из суглинистого грунта, портландцемента, золошлаковых смесей ЗШС, отходов хризотилцемента ОХЦ и талового пека. Результаты, полученные в процессе проведения опытов в лаборатории, были опробированы при натурных внедрениях.

Ключевые слова: золошлакоцементные смеси; грунтобетоны; структурообразующая добавка; микроармирующая добавка; отходы хризотилцемента; золошлаковые смеси; строительные материалы

Для цитирования: Подбор составов золошлакоцементной смеси при проектировании грунтобетонов / В.А. Бобыльская, А.В. Мазгалева, С.И. Лещенко // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 41-46. ^ 10.51608/26867818 2023 4 41

1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).

Original article

SELECTION OF ASH AND SLAG CEMENT MIXTURE COMPOSITIONS IN THE DESIGN OF SOIL CONCRETE

© The Author(s) 2023 BOBYLSKAYA Viktoriya Alexandrovna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Siberian State University of Water Transport (Russia, Novosibirsk)

MAZGALEVA Ada Vladimirovna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Siberian State University of Water Transport (Russia, Novosibirsk, e-mail: [email protected])

LESHCHENKO Sergey Ivanovich

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Siberian State University of Water Transport (Russia, Novosibirsk)

Abstract. The article shows the importance of using large-tonnage ash and slag waste and creating new soil concrete materials on their basis. The main components are identified in the selection of ash and slag mixtures. The stages of selection of ash and slag cement mixtures in the design of soil concrete for the construction of rural roads of class II are considered. Sampling, calculation of the content of components, physical and mechanical properties of samples are determined, when strength is set under normal conditions after 28 and 90 days. The verification of the data is obtained during testing for compliance with the requirements of SP 34.13330.2012. The recommended optimal humidity of the reinforced soils is shown - fine dusty and fine sands, sandy loams, loams and clays. The initial compositions for testing were determined, the optimal composition was selected. The granulometric composition of ash and slag waste has been determined. The content of micro-reinforcing additives was determined. The influence of the consumption of ash and slag cement mixtures and chrysotile cement waste on the strength characteristics has been studied Keywords: ash and slag cement mixtures; soil concrete; structure-forming additive; micro-reinforcing additive; chrysotile cement waste; ash and slag mixtures; building materials

For citation: Selection of ash and slag cement mixture compositions in the design of soil concrete / V.A. Bobylskaya, A.V. Mazgaleva, S.I. Leshchenko // Expert: theory and practice. 2023. № 4 (23). Рр. 41-46 (InRuss.). doi 10.51608/26867818 2023 4 41

Введение

Новосибирск, как и другие города Западной Сибири, имеет продолжительный отопительный период (230 суток) и в зимнее время комфортная температура в квартирах и домах жителей поддерживается за счет работы предприятий теплоэнергетики, работающих на твердых видах топлива, дающих огромное количество золошлаковых отходов [1-5]. В свете сложившейся ценовой ситуации на рынке строительных материалов, в настоящее время особенно актуальным становится применение крупнотоннажных отходов для создания грунтобетонов из местных материалов, особенно для строительства дорог в сельской местности [6-7].

Подбор состава золошлакоцементной смеси при проектировании грунтобетонов для строительства сельских дорог должен опираться на требования к физико-механическим свойствам смесей по таблице 1, предъявляемые ГОСТ 23558-94.

Таблица 1 - Значения прочностных показателей

укрепленного грунта

Свойство Значение показателя в зависимости

укрепленного от классам прочности

грунта I II III

Модуль

упругости, 800...500 500.250 250.80

МПа

Предел

прочности при

сжатии водонасыщенн 6...4 4.2 2.1

ых образцов, МПа

Предел

прочности на

растяжении при изгибе 1,0 0,6 0,2

водонасыщенн

ых образцов,

МПа, не менее

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Таблица 2 - Рекомендуемые ориентировочные расходы вяжущих для укрепления суглинистых грунтов в зависимости от конструктивного слоя дорожной одежды

Коэффициент

морозостойкос

ти,

не менее

0,75

0,7

0,65

Примечание: Показатели свойств при укреплении грунтов портландцементом, шлакопортландцементом и другими видами портландцементов даны для образцов, твердевших 28 суток.

При укреплении грунтов другими видами минеральных медленнотвердеющих вяжущих (известью, активной золой уноса сухого отбора, золой уноса с добавками цемента или извести, известково-шлаковым цементом, молотыми гранулированными шлаками) даны для образцов, твердевших 90 суток.

Конструктивный слой Вяжущее, %

Цемент Известь

Верхний слой основания (покрытия) 11-14 7-8

Нижний слой основания 8-12 5-6

Методология

Компоненты, выделенные при работе с составами:

- укрепляемый грунт;

- вяжущее (цемент, ГОСТ 31108-2020);

- структурообразующая добавка (золошлаковая смесь ЗШС);

- микроармирующая добавка (отходы хризотилцемента ОХЦ).

Этапы подбора состава золошлаковой смеси.

Первый этап - требуется отобрать составляющие пробы:

- проверяются свойства компонентов и сравниваются с нормативными требованиями;

- находится оптимум влажности смеси;

- определяется максимум плотности.

Этап второй - расчет содержания компонентов:

- определяются расходы всех 4-х компонентов;

- производятся пробные замесы;

- изготавливаются опытные образцы размерами 16х40х40 мм.

Этап 3 - испытание образцов:

- определяются физико-механические свойства образцов при наборе прочности в нормальных условиях через 28 и 90 суток.

Этап 4 - проверка полученных при испытании данных на соответствие предъявляемым требованиям:

- полученные в ходе испытания образцов физико-механические показатели сравниваются с требованиями СП 34.13330.2012.

Этап 5 - выбор оптимального состава.

При определении расходов вяжущего в составе смеси необходимо учитывать следующее:

- вид грунта и его физико-механические характеристики;

- конструктивный слой, для которого разрабатывается грунтобетон (таблица 2).

Для песков групп крупности песок мелкий и песок особо мелкий, применённых в оптимизиранных смесях по расходу цементных и известковых вяжущих и добавок направленного действия, определяется оптимальная влажность укрепляемого грунта (таблица 3) и максимальная плотность.

Таблица 3 - Оптимум влажности для укрепляемого грунта (рекомендуемая)

Вид грунта Оптимум влажности грунта

Пески однородные с /п = 1,7: - пески мелкие пылеватые, - пески мелкие 7-10

Супеси с /п=1^7 8-11

Суглинки легкие с /п=7^12 11-15

Суглинки тяжелые с /п=12^-17 14-19

Глины с /п < 20 17-23

Так как при подборе компонентов грунтобетонных смесей использовались отходы производства, то представлялось необходимым более детальное изучение особенностей вторичных материалов и их гранулометрического состава (таблица 4) [8-11].

Таблица 4 - Гранулометрический состав золошлаковых отходов

Номер сита, Масса, г % Масса, г %

мм

Гидрозола Гидрозола+дистил.

исходная вода

7 5,1 2,93 0,53 1,17

5 8,5 4,89 0,81 1,79

3 19,25 11,07 2,75 6,09

2 20,6 11,85 2,46 5,45

1 15,88 9,13 4,38 9,70

0,5 8,53 4,91 2,21 4,89

0,25 29,07 16,72 8,33 18,45

0,1 56,55 32,53 19,28 42,69

<0,1 10,38 5,97 4,41 9,77

Всего 173,86 100 45,16 100

Гидрозола НС1(10)+дист. вод Гидрозола НС1(10)+Н202+дист.в

а ода

5 0,34 1,05 0,69 2,15

3 1,77 5,48 2,44 7,60

2 2,31 7,15 2,72 8,47

1 4,05 12,53 4,63 14,42

0,5 2,12 6,56 2,36 7,35

0,25 4,86 15,04 5,75 17,91

0,1 12,35 38,22 10,90 33,96

<0,1 4,51 13,96 2,61 8,13

Всего 32,31 100 32,10 100,00

Гидрозола НС1(20)+дист. Гидрозола НС1(20)+Н202+дист.

вода вода

7 0,62 1,82 1,31 3,80

5 1,04 3,06 1,06 3,07

3 2,57 7,56 2,84 8,23

2 3,03 8,92 2,31 6,70

1 4,06 11,95 4,20 12,18

0,5 2,99 8,80 2,45 7,10

0,25 5,91 17,39 6,07 17,60

0,1 10,66 31,37 11,18 32,42

<0,1 3,10 9,12 3,07 8,90

Всего 33,98 100 34,49 100

Рекомендуемая дозировка комплексного минерального вяжущего с добавкой промышленных отходов и отходов теплоэнергетики ограничивается 30-35%. Это касается применения золошлаковых смесей отдельно или вместе с золой уноса. Предварительный расход ЗШС был взят в рамках 2030%.

- влажность грунта,

- водопотребность грунта,

- влажность добавок,

- водопотребность добавок,

- требуемой удобоукладываемости (пластичности) испытываемой смеси.

Таблица 5 - Исходные составы для испытаний, масс.час.

№ составов Укрепля емый грунт ЗШС ОХЦ Вяжущ ее (цемен т, ГОСТ 31108)

Состав 1 100

Состав 2 100 10 - 10

Состав 3 100 10 5 10

Состав 4 100 10 10 10

Состав 5 100 15 10 10

Состав 6 100 20 10 10

Состав 7 100 20 10 5

Состав 8 100 25 10 5

Состав 9 100 25 5 5

Состав 10 100 10 15 5

Состав 11 100 - 15 5

Состав 12 100 - 15 10

Состав 13 100 - 20 10

Состав 14 100 10 15 15

Содержание микроармирующих добавок (в нашем случае отходов хризотилцемента ОХЦ) устанавливается из экономических соображений, технологических возможностей и требований к прочности дорожного основания (для II класса дорог требуется прочность на изгиб не менее 0,6 МПа).

Результаты, полученные в процессе проведения опытов в лаборатории, были опробированы при натурных внедрениях [10-13] и позволяют определиться с содержанием компонентов (таблица 6).

Таблица 6 - Содержание компонентов в композиции

Компонент Содержание, (масс. %)

Суглинистый грунт 100

портландцемент 5-7

ЗШС 18-22

ОХЦ 8-12

Талловый пек 2,5-3,5

Результаты

Для проведения испытаний для определения физико-механических свойств были взяты следующие составы смеси, содержание ЗШС в которых было принято 5, 10, 15, 20, 30 и 50 % по объему (таблица 5).

Влажность составов смесей, принятых к испытаниям, подбиралась с учетом следующих факторов:

Обсуждение

Достаточный расход ЗШС варьируется в пределах 18-22%. Такой расход увеличивает прочность на сжатие суглинистого грунта до 3,0-3,5 МПа.

Расход ОХЦ в пределах 8-12% дает максимальные прочностные характеристики. Увеличение содержания ОХЦ свыше 12% существенно не увеличивает прочность на изгибе.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Расход цемента (вариация в пределах 0-20%) предсказуемо дает увеличение прочности на сжатие и изгиб при росте расхода вяжущего в составе грунтобетона, при совместном введении вяжущего и ОХЦ прочность на изгиб растет быстрее, чем прочность на сжатие.

Выводы

В ходе проведенных экспериментов в рамках подбора содержания компонентов грунтобетона было исследовано влияние расхода отходов хризотилцемента (ОХЦ) на исследуемые механические характеристики (сжатие, изгиб) укрепляемого суглинистого грунта, оптимальное количество составляет 18-22 % масс.

Добавление ОХЦ от 8 до 12% дает максимум значений прочностных характеристик и позволяет рекомендовать полученные составы грунтобетонных смесей к применению для строительства дорог II класса.

Библиографический список

1. Гришина, В.А. Влияние гидрозолоотвалов ТЭЦ г. Новосибирска на окружающую среду / В. А. Гришина, В.Е. Леонов, В.С. Перехвальский // Безопасность жизнедеятельности. - 2002. - №3. - С. 25-27.

2. Гришина, В.А. Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ / В.А. Гришина, В.Е. Леонов // Современные проблемы геодезии и оптики : сборник материалов ЬШ международная научно-технической конференции, посвященной 70-летию СГГА. -Новосибирск, 2003. - С. 16-17.

3. Моисеенко, В.Г. Мировой и отечественный опыт утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ (ТЭС, ГРЭС) / В.Г. Моисеенко , Р.А. Беляев //В кн.: Применение золошлаковых отходов ТЭЦ в различных областях народного хозяйства и решение связанных с этим экологических вопросов. -Благовещенск, 1998. - 81с.

4. Путилин, Е. И. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог / Е.И. Путилин, В.С. Цветков // Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. - М., 2003. - 60 с.

5. Целыковский, Ю.К. Некоторые проблемы использования золошлаковых отходов ТЭС в России / Ю.К. Целыковский // Энергетик. - 1998. - №7. - С. 29-31.

6. Гришина, В. А. Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ с получением экологически безопасной продукции / В.А. Гришина, В.Е. Леонов, В.С. Перехвальский // VI Сибирский научный вестник : Сборник материалов конференции. - Новосибирск, 2003. - С. 223-225.

7. Гришина, В. А. Использование комплексных добавок для укрепления грунтов в сельском дорожном строительстве / В. А. Гришина, В. Ф. Хританков, А. П. Пичугин // Строительные

материалы. - 2008. - № 10. - С. 36-39. - ББМ ТХКвК.

8. Пичугин, А. П. Физико-химические процессы в укрепленных грунтах / А. П. Пичугин, В. А. Гришина, И. К. Язиков // Строительные материалы. -2009. - № 12. - С. 41-43. - ББМ KYLPWR.

9. Пичугин, А.П. Деформационные процессы в укрепленных грунтах / А. П. Пичугин, В. А. Гришина, И. К. Язиков // Экология и новые технологии в строительном материаловедении : международный сборник научных трудов. - Новосибирск, 2010. - С. 74-75.

10. Грунтобетон с добавками для строительства сельских дорог и сооружений сельскохозяйственных объектов / А. П. Пичугин, В. А. Бобыльская, С. И. Лещенко, А. В. Мазгалева // Теория и практика современной аграрной науки : Сборник III национальной (всероссийской) научной конференции с международным участием, Новосибирск, 28 февраля 2020 года. Том 3. -Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос», 2020. - С. 703-707. - ББМ БХБ^У!

11. Грунтобетон с добавками для строительства сельских дорог и сооружений / А. П. Пичугин, В. А. Бобыльская, С. И. Лещенко, А. В. Мазгалева // Эффективные методологии и технологии управления качеством строительных материалов : сборник научных трудов по материалам национальной Научно-технической конференции с международным участием, Новосибирск, 16-19 февраля 2021 года / Новосибирский государственный аграрный университет; Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет; Российская академия естественных наук. - Новосибирск: Б. и., 2021. - С. 113-117. - EDN VZODHO.

12. Использование отходов производства в грунтобетонных смесях при строительстве зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения / В. А. Вандышева, Р. Р. Файзулин, А. В. Мазгалева, В. А. Бобыльская // Интеллектуальный потенциал Сибири : 30-я Региональная научная студенческая конференция. Материалы конференции: в 4 частях, Новосибирск, 23-27 мая 2022 года. Том Часть 3. -Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2022. - С. 474-477. - EDN XHCNVA.

13. Мазгалева, А. В. Грунтобетоны и укреплённые грунты для строительства сельских дорог и сооружений сельскохозяйственных объектов / А. В. Мазгалева, В. А. Бобыльская, С. И. Лещенко // Теория и практика современной аграрной науки : Сборник V национальной (всероссийской) научной конференции с международным участием, Новосибирск, 28 февраля 2022 года. - Новосибирск: Издательский центр Новосибирского государственного аграрного университета "Золотой колос", 2022. - С. 580-584. - EDN вГОБСИ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 28.09.2023; одобрена после рецензирования 09.11.2023; принята к публикации 09.11.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 28.09.2023; approved after reviewing 09.11.2023; accepted for publication 09.11.2023.