CC BY
28
УДК 330.341
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИКАТОРОВ СВОЙСТВ ГРУНТОВ И МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГРУНТОВЫХ АЭРОДРОМОВ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
А. В. ГЛУХОВ1, Е. Е. ОСТАПЧУК2, В. В. САРАСЕКО2, И. В. ТРЕУШКОВ2
1 ООО «НПО «Стрим», Российская Федерация, г. Москва 2 ФГБОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России», Российская Федерация, г. Химки E-mail: strim123592@mail.ru, e.ostapchuk@amchs.ru, v.saraseko@amchs.ru, i.treushkov@amchs.ru
В статье рассмотрен положительный опыт применения технологии холодного ресайклинга для строительства грунтовых аэродромов в Арктической зоне Российской Федерации (далее - АЗРФ). Применение модификаторов свойств грунтов и минеральных вяжущих в этой технологии является одним из перспективных и экономически обоснованных направлений развития инфраструктуры Арктики для нужд МЧС России.
Ключевые слова: Арктическая зона, аэродромы, ресайклинг, модификаторы свойств грунтов, прочность, морозостойкость.
APPLICATION OF SOIL PROPERTIES MODIFIERS AND MINERAL BINDERS FOR THE CONSTRUCTION OF UNPAVED AIRFIELDS IN THE ARCTIC ZONE
OF THE RUSSIAN FEDERATION
A. V. GLUKHOV1, E. E. OSTAPCHUK2, V. V. SARASEKO2, I. V. TREUSHKOV2
1 NPO STREAM LLC, Russian Federation, Moscow
о
2 The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Khimki E-mail: strim123592@mail.ru, e.ostapchuk@amchs.ru, v.saraseko@amchs.ru, i.treushkov@amchs.ru
The article discusses the positive experience of using cold recycling technology for the construction of unpaved airfields in the Arctic zone of the Russian Federation (Russian Arctic). The use of soil properties modifiers and mineral binders in this technology is one of the promising and economically sound directions for the development of Arctic infrastructure for the needs of the Russian Emergencies Ministry.
Key words: Arctic zone, airfields, recycling, modifiers of soil properties, strength, frost resistance.
Развитие инфраструктуры является одним из ключевых направлений государственной политики Российской Федерации в Арктической зоне Российской Федерации (далее - АЗРФ). Решение такой задачи возможно с помощью применения новых технологий и
материалов, в том числе и для строительства
1
грунтовых аэродромов .
© Глухов А. В., Остапчук Е. Е., Сарасеко В. В., Треушков И. В, 2022
1 Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035
года: Указ Президента РФ от 05.03.2020 № 164. URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/ 45255 (дата обращения 13.08.2021)
В настоящее время, по ряду объективных и субъективных причин, практически отсутствует железнодорожное и автомобильное сообщение в этом регионе России. Оперативное реагирование на чрезвычайные ситуации природного и техногенного характера становится возможным, в большинстве случаев, благодаря применению авиационного транспорта. МЧС России создает комплексную систему безопасности в Арктическом регионе, включающую 10 Комплексных арктических аварийно-спасательных центров, арктическую авиационную группировку и органы управления. Уже создано шесть центров, размещенных в населенных пунктах Мурманск, Архангельск, Воркута, Надым, Дудинка, Нарьян-Мар.
Планируется к созданию еще четыре в Восточной Арктике.
Для развития авиасообщения в АЗРФ необходимо строительство грунтовых аэродромов и вертолетных площадок в зоне вечной мерзлоты. Такое строительство представляет собой сложную и дорогостоящую инженерную задачу. При проектировании сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов применяют один из следующих принципов использования грунтов в качестве естественных оснований:
I - грунты основания используют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации;
II - допускают частичное или полное оттаивание грунтов в пределах сезонного оттаивающего слоя;
III - предусматривают предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов с удалением или осушением переувлажненных слоев и улучшением строительных свойств деятельного слоя путем замены естественных грунтов крупнозернистыми песками, щебнем, ПГС и т.д.
Принципы I и II применяют при условии, когда годовой температурный баланс покрытия отрицателен2. Практическая реализация принципа I проведена на о. Котельный архипелага Новосибирские острова. На острове, площадь которого составляет 23200 квадратных километров (рис. 1) в 2021 году была построена грунтовая взлётно-посадочная полоса аэродрома «Темп».
Рис.1. Расположение аэродрома «Темп» на интерактивной карте присутствия МЧС России в АЗРФ
При строительстве аэродрома использовалась технология «холодного» ресайклинга, которая представляет собой способ создания покрытий, при котором путем перемешивания местных грунтов с минеральным вяжущим (цементом ЦЕМ I 32,5) и модификаторами свойств грунтов (АКРОПОЛ ГС-М) в определенной пропорции, дальнейшего увлажнения и уплотнения получаемого слоя, создается покрытие, способное выполнять функции аэродромного полотна.
Направленное изменение свойств местных грунтов возможно модифицированием их поверхностно-активными веществами специального действия - различными стабилизаторами и добавками. В производстве строительных материалов под модифицирова-
нием понимают видоизменение физико-химической структуры и свойств материала путем введения в его состав различных элементов или добавления к нему определенных веществ. При этом добавляемое вещество называют модификатором, введение которого в малых количествах в состав материала вызывает изменение структуры и свойств по-следнего[1].
По данным С. Г. Фурсова, все стабилизаторы по составу и природе взаимодействия с грунтами объединены в три класса[2] (рис. 2):
2 СП 25.13330.2020 Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах
Рис. 2. Укрупненные группы модификаторов свойств грунтов
Модификаторы свойств грунтов:
1) Ионные закрепители глинистых грунтов («Perma-Zyme», «LBS» - США, «ANT» -Россия, «Дорзин» - Украина, «Roadbond» -ЮАР, «Consolid» - Швейцария, «RRP-235-Special», «Kinpronano» - Германия, «Статус» -Россия и др.), которые позволяют ликвидировать способность глинистых грунтов взаимодействовать с водой за счет нейтрализации сил поверхностного притяжения воды. Гидрофобная пленка из поверхностно-активных веществ не допускает молекулы воды в зоне контактов минеральных частиц грунта, и тем самым предохраняет грунт от размокания.
Изменения на уровне микроструктуры приводят не только к стабильному сохранению физико-механических свойств природного глинистого грунта, но и к их улучшению (повышается прочность, снижается набухание и т. д.).
Данные модификаторы нельзя рассматривать как минеральные или органические вяжущие вещества, создающие прочные кристаллизационные и коагуляционные связи в укрепленном грунте.
Рекомендуется применять их совместно с минеральным вяжущим веществом: цементом, известью, золой уноса и др. В этом случае модификатор способствует повышению физико-механических характеристик грунта, а также снижению расхода минерального вяжущего [2].
2) Полимерные эмульсии («М10+50» -США, «Nanostab» - Германия), эффект модифицирования которых обусловлен распадом эмульсии (испарением воды) и отверждением полимера. Время распада эмульсии и отверждения полимера зависит от температуры и влажности воздуха, а также от содержания тонкодисперсных частиц грунта, активно отбирающих воду из эмульсии.
3) Модификаторы, основанные на ферментах, биологические и наноструктуриро-ванные вещества.
Стабилизаторы грунтов характеризуются как многокомпонентные системы, которые имеют, преимущественно, кислую среду, обладают свойствами поверхностно-активных веществ. В состав стабилизаторов, как правило, входят суперпластификаторы, гидрофоби-заторы, сложные органические соединения, которые включают сложноэфирные группы и ионогенные комплексы. Стабилизаторы рекомендуются к применению в виде разбавленного водяного раствора. Вода активизируется за счет ионизации, после того, как стабилизатор растворится в ней. На состояние глинистых и коллоидных частиц грунта раствор стабилизатора влияет активнее всего. Он изменяет их заряд за счет энергичного обмена электрическими зарядами между ионизированной водой и частицами почвы. После обмена зарядами с ионизированной водой, между грунтовыми частицами нарушаются естественные связи с капиллярной и пленочной водой. Вода легко отделяется от частиц грунта, тем самым, создавая благоприятные условия для уплотнения грунтов.
Технологии с применением модификаторов свойств грунтов (регенерация и ре-сайклинг дорожной одежды) применяются в дорожном строительстве (рис. 3) .
Основные существующие марки стабилизаторов:
1. ANT - ООО «АНТ-Инжиниринг», Волгоградская обл.
2. NANOSTAB - ООО «Крис-Дор».
3
Каталог эффективных технологий, новых материалов и современного оборудования дорожного хозяйства за 2017 г. (включая информацию об их применении органами управления дорожным хозяйством) / Отв. ред. А. А. Дом-ницкий // Федеральное дорожное агентство Министерства транспорта Российской Федерации. М.: ФАУ «РОСДОРНИИ», 2017. 399 с.
3. NOVOCRETE - ООО «НовоКрете Системс Ист».
4. Акционерное общество «ОргСинтез-Ресурс».
5. Дорзин.
6. POLYBOND - Super Roads Technologies S A, Швейцария.
7. «ПГСЖ-1», «ПГСБ-2», «ПГСП-3» -ООО «МД Системы».
8. «Чимстон» - ООО «Региональный центр инжиринга».
9. Статус 3 - ООО «Статус-Грунт», Ногинск.
10. «ПАРАГОН LBS» «ПАРАГОН М10+50» - Paragon Management, Канада, ООО «ПАРАГОН ГРУПП».
11. Полистаб - ООО «Донские дороги», Воронеж.
12. Акропол - НПО «Стрим», Москва.
13. Стабилар Е95, ООО «Новые дороги, Воронеж.
14. ДорЦем ДС-1 - «НПО МГТ».
С целью анализа материалов - модификаторов свойств грунтов сформированы критерии, по которым проводится сравнение:
1. Области применения - типы грунтов или их смесей, с которыми предусмотрено взаимодействие модификаторов свойств грунтов (табл. 1);
2. Заявленные прочностные характеристики - пределы прочности на сжатие, пределы прочности на изгиб, модули деформации (табл. 2);
3. Заявленный расход - нормы расхода модификатора, катализатора и воды (табл. 3).
Рис. 3. Технологии устройства дорожной одежды
Таблица 1. Типы грунтов или их смесей, с которыми предусмотрено взаимодействие модификаторов свойств грунтов
Марка Производитель / поставщик Требования к грунтам
1 2 3
ANT (двухкомпонентный: жидкий стабилизатор +вяжущее) ООО «АНТ-Инжиниринг», Волгоградская обл. Естественные, осадочные, несцементированные, крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, песчано-гравийные, песчано-щебёночные, песчано-гравийно-щебёночные смеси и пески
ПОЛИСТАБ ООО «Донские дороги», Воронеж Песок, суглинок, супесь, глины с ограничениями по числу пластичности не более 12
NANOSTAB ООО «Крис-Дор» природные дисперсные: супесчаные, песчаные, крупнообломочные; техногенные (в том числе асфальтогранулят). Суглинки и глины с числом пластичности не более 22
Марка Производитель / поставщик Требования к грунтам
1 2 3
NOVOCRETE ООО «НовоКрете Системс Ист» Природные дисперсные: супесчаные, песчаные, крупнообломочные; - техногенные (в том числе асфальтогранулят). суглинки и глины с числом пластичности не более 22
Материал вяжущий на основе полиуретана (двухкомпонентная полиуретановая система, полиуретан, вяжущий материал, вяжущее) Акционерное общество «ОргСинтезРесурс» Щебень различных фракций
Дорзин (Roadzyme) ООО «ДорТех Инвест» Щебень различных фракций, Песок, суглинок, супесь, глины с ограничениями по числу пластичности не более 22
POLYBOND Super Roads Technologies S A Швейцария - природные дисперсные: супесчаные, песчаные, крупнообломочные; - техногенные (в том числе асфальтогранулят). суглинки и глины с числом пластичности не более 22
«ПГСЭ-4» Consolid Group, Швейцария Песок пылеватый, супесь песчанистая, суглинок легкий пылеватый
«Чимстон» ООО «Региональный центр инжи-ринга» любые грунты с числом пластичности до 17
Статус-3 ООО «Статус-Грунт», Ногинск Глина, суглинок, супесь, песок
ПАРАГОН М10+50, LBS Paragon Management, Канада Гравий, галька, песок, супесь. глина, суглинок
Полистаб ООО «Донские дороги», Воронеж Песок пылеватый, супесь песчанистая, суглинок легкий пылеватый
АКРОПОЛ НПО «СТРИМ», Москва все виды грунтов, включая тяжелые глины
Стабилар 95 ООО «Новые дороги», Воронеж Щебень, гравий, песок, суглинок, супесь, глина
ДорЦем ДС-1 «НПО МГТ» Россия Песок, супесь, суглинок, глина, ПГС, содержание органических примесей до 15 %
Таблица 2. Заявленные прочностные характеристики грунтов, усиленных модификаторами
Предел прочности на сжатие, Мпа, при 20°С, Предел прочности Модуль
Марка модификатора на растяжение при изгибе, МПа, не менее: упругости, МПа, при 20°С, не менее:
не менее:
1 2 3 4
ANT 1,5-4 0,7-1,2 400-800
NANOSTAB - 1,2-5,2 200-650
NOVOCRETE - 1,0-5,0 300-550
Материал вяжущий на основе полиуретана (двухкомпонентная поли- - 1,0-0,99 250-420
уретановая система, полиуретан,
вяжущий материал, вяжущее)
Предел прочности на сжатие, Мпа, при 20°С, Предел прочности Модуль
Марка модификатора на растяжение при изгибе, МПа, не менее: упругости, МПа, при 20°С, не менее:
не менее:
1 2 3 4
Дорзин (Roadzyme) 1,0-7,5 0,25-1,5 180-1000
POLYBOND 1,0-10,0 0,2-2,0 600
«ПГСЭ-4» 0,5-1,0 - 200-500
«Чимстон» 1-10 0,2-2,0 -
Статус-3 1-10 0,25-200 450
ПАРАГОН М10+50, LBS - - 180
Полистаб 1,0-10,0 0,2-2,0 600
АКРОПОЛ 28,1 4,9 1000
Стабилар 95 4,0 2,0 300
ДорЦем ДС-1 2-10 - 350-800
Таблица 3. Нормы расхода модификатора, катализаторов и воды при устройстве покрытий
из грунтов, усиленных модификаторами
Марка модификатора Норма расхода модификатора, % Нормы расхода катализаторов, % Нормы расхода воды, %
1 2 3 4
ANT 0,0075 1-5 до 10
NANOSTAB 0,4-0,7 1-5 до 15
NOVOCRETE 0,1-0,5 цемент, в зависимости от условий: 1-7 до 15
Материал вяжущий на основе полиуретана 2 кг/кв.м - -
Дорзин (Roadzyme) 0,003 4 до 13
POLYBOND 0,00169-0,00195 2-3 до 10
«ПГСЭ-4» 0,003-0,01 - -
«Чимстон» 0,007 1-7 до 13
Статус-3 0,0012 5-7 до 10
ПАРАГОН М10+50, LBS 0,01-0,03 - до 25
Полистаб 0,006 1-9 до 13
АКРОПОЛ 0,002- 0,0025 до7 до12
Стабилар 95 0,01 1-7 до 13
ДорЦем ДС-1 0,001 7 до 13
В рамках соглашения о научно-техническом сотрудничестве между Академией гражданской защиты МЧС России и ООО Научно-производственным объединением «СТРИМ» проведен обмен информацией в области новых научно-технических разработок. Объединением предоставлен технический отчёт на выполнение работ по договору № 866/2020-К-7-2З от 12 мая 2020 г. по объекту: «Строительство аэродрома «Темп», остров Котельный, архипелага Новосибирские острова».
На рис. 4-7 представлены этапы проведения лабораторных испытаний.
Результаты испытаний по укреплению грунта острова Котельный с применением стабилизатора АКРОПОЛ ГС-М следующие:
грунт «Аэродромный» укрепленный портландцементом и модификатором АКРО-ПОЛ ГС-М, по прочности на сжатие превышает марку В35;
при введении модификатора АКРОПОЛ ГС-М наблюдается улучшение характеристик уже после одного цикла водонасыщения образцов. Прочность на сжатие у образцов, модифицированных составом АКРОПОЛ ГС-М превосходит прочность контрольного образца на 8,7 %. В дальнейшем при водонасыщении укрепленного грунта с введенным модификатором, разница в прочностных характеристиках может составить до 50 %.
Рис. 4. Инертные материалы для проведения опыта
Рис. 5. Изготовление образцов в лабораторных условиях
Рис. 6. Испытания для определения прочности материалов при сжатии и водопоглощения образцов
Рис. 7. Проведение испытаний на морозостойкость
Образцы из грунта, цемента и модификатора АКРОПОЛ ГС-М выдержали 8 циклов переменного замораживания и оттаивания, что соответствует марке по морозостойкости F1 300. Однако, после 5 циклов испытаний, уменьшение массы составило 27,8 %, а снижение скорости ультразвука - 76,3 %, что превышает значение, допустимое ГОСТ 100602012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости».
Результаты лабораторных испытаний и анализ опыта проведения работ по строительству грунтового аэродрома приводят к следующим выводам:
1. Применение АКРОПОЛ ГС-М позволяет снизить влажность верхней части основания грунта полотна, по сравнению с традиционными конструкциями щебеночных оснований на дренирующем песчаном слое.
2. Общая толщина аэродромных покрытий, включая взлётно-посадочную полосу, рулежные дорожки, места стоянки для обслуживания и хранения воздушных судов, места выполнения сервисных работ и подготовки судов к полетам, может быть снижена до 50 %.
3. Уменьшение силового воздействия на подстилающий грунт за счет более значительного распределения нагрузки по площади снижает вероятность появления в нем местных пластических деформаций.
4. Использование технологии «холодного» ресайклинга на переувлажненных грунтах (влажность выше оптимальной на 15 %) позволяет строить взлётно-посадочные полосы в местах с частичным, или (иногда) полным отсутствием возможности поверхностного водоотвода.
Представляется возможным оценить экономическую эффективность применения технологии для строительства объектов инфраструктуры в АЗРФ:
1. Во время строительства снижается потребность в автотранспорте в 1,5-3 раза, затраты труда - в 1,2-2 раза, себестоимость квадратного метра покрытия, выполненного по технологии «холодного» ресайклинга в 5-8 раз ниже выполненных по так называемым обычным, традиционным способам.
2. При соблюдении требований к ровности аэродромных покрытий существенно возрастает безопасность (безаварийность) полетов, что приводит к значительному уменьшению себестоимости авиаперевозок.
Таким образом, результаты лабораторных испытаний и опыт применения технологии «холодного» ресайклинга для строительства грунтовых аэродромов показывают обоснованную в том числе и экономически возможность развития инфраструктуры в АЗРФ для нужд МЧС России.
Список литературы
1. Прокопец В. С. Повышение эффективности дорожно-строительных материалов механоактивационным модифицированием исходного сырья: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05. Омск, 2005. 302 с.
2. Фурсов С. Г. Строительство конструктивных слоев дорожных одежд из грунтов, укрепленных вяжущими материалами // Автомобильные дороги и мосты, 2007, вып. 3. С. 17-21.
References
1. Prokopets V. S. Povysheniye effek-tivnosti dorozhno-stroitel'nykh materialov mek-hanoaktivatsionnym modifitsirovaniyem iskhod-nogo syr'ya. Diss. d-ra tekhn. nauk [Improving the efficiency of road-building materials by mechanical activation modification of raw materials. Dr. tech. sci. dis.]. Omsk, 2005. 302 p.
2. Fursov S. G. Stroitel'stvo kon-struktivnykh sloyev dorozhnykh odezhd iz gruntov, ukreplennykh vyazhushchimi materialami [Construction of structural layers of road coverings from soils reinforced with binding materials]. Avtomobil'nyye dorogi i mosty, 2007, issue 3, pp. 17-21.
Глухов Андрей Владимирович ООО «НПО «Стрим», Российская Федерация, г. Москва Генеральный директор E-mail: strim123592@mail.ru Glukhov Andrey Vladimirovich NPO STREAM LLC, Russian Federation, Moscow E-mail: strim123592@mail.ru
Остапчук Елизавета Евгеньевна
ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России, Российская Федерация, г. Химки
Младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела (организации научно-
исследовательской и конгрессно-выставочной деятельности) научно-исследовательского центра
E-mail: e.ostapchuk@amchs.ru
Ostapchuk Elizaveta Evgenievna
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Khimki
E-mail: e.ostapchuk@amchs.ru
Сарасеко Владислав Владимирович
ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России,
Российская Федерация, г. Химки
Научный сотрудник научно-исследовательского отдела (организации научно-исследовательской
и конгрессно-выставочной деятельности) научно-исследовательского центра
E-mail: v.saraseko@amchs.ru
Saraseko Vladislav Vladimirovich
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Khimki
E-mail: v.saraseko@amchs.ru
Треушков Игорь Владимирович
ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России, Российская Федерация, г. Химки
Научный сотрудник научно-исследовательского отдела (организации подготовки научно-
педагогических кадров) научно-исследовательского центра
E-mail: i.treushkov@amchs.ru
Treushkov Igor Vladimirovich
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Khimki
E-mail: i.treushkov@amchs.ru
