CC BY
4
nontraditional additives, Transportation research 1787, TRB, national research Council, Washington, DC, 2003, S. 33-41.
5. Wilk, C. M. (1997) Stabilisation of Heavy Metals with Portland Cement: Research Synopsis. Waste Management Information, Public Works Department, Portland Cement Association, Skokie, Il.
6. Yong, R.N., Mohamed, A.M.O. and Warkentin, B.P. (1996) Principles of Contaminant Transport in Soils, Elsevier, Oxford.
7. A.B. Mustafa , AR Bazara and AR Nour El Din , « soil Stabilization of polymeric materials», Angenandte MaKromoleKular Chemie , vol. 97, no. 1, pp. 1-12, 2003.
8. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний.
9. ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия.
УДК 691. 3; 691.54
Романенко И.И., к. техн. н. доцент, заведующий кафедрой «Механизация и автоматизация производства»
Пинт Э.М., к. техн. н. профессор, доцент
кафедра «Механизация и автоматизация производства»
Петровнина И.Н., к.техн. н.
доцент
кафедра «Механизация и автоматизация производства» Пензенский государственный университет архитектуры и строительства Россия, г. Пенза СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТА ДОРОЖНОГО ОСНОВАНИЯ Аннотация:
Проблема стабилизации грунта дорожного основания является актуальным вопросом при массовом проведении ремонтных работ. Была решена задача по частичной замене неорганического вяжущего -портландцемента молотыми граншлаками металлургического производства. Полученные результаты свидетельствуют о высоких эксплуатационных свойствах полученных грунтобетонов.
Ключевые слова: молотый граншлак; гранитная пыль; удельная поверхность; усадка; трещинообразование; испарение влаги.
Romanenko I.I., сandidate of Technical Sciences., associate professor mad of the Department «Mechanization and automation of production» Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza
Pint E.M., сandidate of Technical Sciences, professor аssociate Professor of the Department of «Mechanization and automation
of production»
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza
Petrovnina I.N., сandidate of Technical Sciencesassociate professor
аssociate Professor of the Department of «Mechanization and automation
of production»
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza STABILIZATION OF GROUND ROAD BASIS
Annotation:
The problem of soil stabilization of the road foundation is a topical issue in the large-scale repair works. The task was solved to partially replace the inorganic cement-Portland cement with ground slag of metallurgical production. The received results testify to high operational properties of the obtained cinder concrete.
Key words: ground grind slag; granite dust; specific surface area; shrinkage; cracking; evaporation of moisture.
Одним из первостепенных компонентов для развития аграрных регионов государства является дорожное строительство, поскольку оно способствует экономическому и социальному развитию района, создает условия для инвестиционной привлекательности малых предприятий в сельской местности и обеспечивает приток рабочей силы.
Для эффективного строительства дорог местного значения в Пензенской области существует целый ряд важных предпосылок, которые необходимо учитывать при проведении проектно-изыскательских работ, выборе подрядных организаций для строительства, оценки качества исходных материалов и организации технического надзора за выполнением работ.
Прежде всего, это наличие современной высокотехнологичной импортной дорожной техники, подготовленных специалистов, собственной сырьевой базы для проведения дорожных работ.
С целью существенного снижения себестоимости дорожного строительства необходимо широкое использование местных природных материалов.
Все это в едином комплексе должно эффективно реализовано в сельских районах Пензенской области при сооружении дорог.
Авторами работы проводились исследования с целью повышения технической эффективности уже существующей технологии по приготовлению грунтобетона из местных строительных материалов и получения высоких эксплуатационных свойств дорожного основания.
Для проведения исследований отбирались грунты из следующих поселковых образований Пензенской области: Чемодановка, Чаадаевка и Грабово. Почвы содержат глинистые частицы с включением кремнистой опоки от 10 до 25 %, доля песка составляет от 20 до 30 %.
В качестве стабилизаторов грунта применяли:
• Коуо-Сге1е (СШ 01393679-001-2011),
• стабилизатор М10 + 50 (Канада) и
• предлагаемый авторами работы стабилизатор с рабочим названием «350-Пен».
В таблице 1 представлены основные свойства используемых стабилизаторов.
Таблица 1
Свойства Наименование стабилизатора
Коуо-Сге1е М10 + 50 «350-Пен»
Состояние Порошок Жидкость Жидкость
рН 50% 7-10 9 7-9
водного
раствора
Цвет Бело-серый Молочно-белый Молочно-белый
Химический Не раскрывается На основе акрила Органоминеральная
состав композиция
Способ В вяжущее В воду В воду
введения
Дозировка 0,1-0,5 % от массы грунта 0,1-3,0 % от массы грунта 2,5-12,0 л/м3 грунта
Расход 5 - 23 5 - 20 5 - 15
портландцем
ента на 1 м3
грунта %, от
массы грунта
Получаемый Увеличивает Повышает Повышает водо- и
эффект долговечность водо - и морозостойкость;
дорожной одежды; морозостойкость; увеличивает
снижает стоимость увеличивает прочность;
строительных работ. прочность; увеличивает водонепроницаемост ь; увеличивает долговечность дорожной одежды; унижает стоимость строительных работ увеличивает водонепроницаемост ь; увеличивает долговечность дорожной одежды; унижает стоимость строительных работ
Разновиднос Супесчаные, Во всех грунтах с Супесчаные,
ти грунтов песчаные, суглинки и числом пластичности песчаные, включая
пригодные глины с числом менее 12 техногенные отходы
для работы пластичности не производств,
со более 12 суглинки и глины с
стабилизатор числом пластичности
ом не более 12
Полученные грунты просушивали в лабораторных условиях в сушильной камере при температуре 105оС и в дальнейшем просеивали на ситах. Грунт, прошедший через сито с диаметром отверстий 0 5 мм использовали в экспериментальных исследованиях, а частицы грунта с размерами более 5 мм отбрасывались.
Испытания на прочность грунтобетонов проводились на образцах цилиндрической формы диаметром 7 см и высотой 7 см. Формования образцов производили при оптимальной влажности (10,1-11,5 %) комплексной смеси на гидравлическом прессе с усилием 30,0 МПа. После формовки образцы - цилиндры хранились в камере нормального твердения. Испытания проводились в возрасте 14, 28 и 90 суток хранения. Составы грунтобетонов и результаты испытаний представлены в табл. 2.
Таблица 2
Кинетика набора прочности грунтобетона_
Составы Ингредиенты, свойства
Грунт ПТЦ М500 ДО Стабилизатор, расход на 1м3 смеси Влажность смеси Предел прочности на сжатие, МПа в возрасте:
7 суток 14 суток 28 суток 90 суток
1 100 10 Коуо-Сге1е, 10 кг 10,1 2,91 4,9 5,65 7,1
2 100 15 Коуо-Сге1е, 10 кг 10,9 3,4 5,6 7,57 8,3
3 100 20 Коуо-Сге1е, 10 кг 11,5 3,9 7,2 8,4 10,7
4 100 10 М10 + 50, 50 кг 10,1 2,0 3,6 4,4 6,4
5 100 15 М10 + 50, 50 кг 10,9 2,99 4,2 5,7 7,0
6 100 20 М10 + 50, 50 кг 11,5 3,3 5,2 7,6 8,7
7 100 10 «350 Пен», 3,0 л 10,1 2,79 5,1 6,2 7,8
8 100 15 «350 Пен», 3,0 л 10,9 3,5 6,0 7,89 9,9
9 100 20 «350 Пен», 3,0 л 11,5 3,9 7,5 9,2 12,1
Анализ полученных результатов, приведенных в табл. 2, позволяет сделать вывод, что составы 7, 8, 9 на основе стабилизатора «350 Пен» во всех сроках наблюдения прочность имеют на 9,9 - 13,1 % выше, по сравнению с грунтобетонами, полученными при использовании стабилизаторов Коуо-Сге1е и М10 + 50.
Далее авторами работы исследовалась возможность применения гидравлического вяжущего на основе молотых металлургических
граншлаков «Граунд» и «Граунд-М» [1] для производства грунтобетонов.
В связи с этим изучались процессы твердения и кинетики набора прочности композиционных материалов-грунтобетонов на основе техногенных отходов производств и некондиционных грунтов. При этом решалась следующая задача: получение мало затратных и дешевых дорожных грунтобетонов, и при этом отвечающих всем требованиям по долговечности, предъявляемым к конструкциям дорожных оснований из указанных бетонов.
Применение техногенных отходов позволит получать грунтобетоны для дорожных оснований со специальными свойствами, которые могут заменить грунтобетоны на основе портландцемента. Речь идет о не о полной замене портландцемента, а только о расширении номенклатуры выпускаемых грунтобетонов[1].
Пензенская область расположена в умеренном географическом поясе, на стыке лесной, лесостепной и степной природных зон. В этом регионе отсутствуют высокопрочные горные породы и нет песков с модулем крупности Мкр = 2,5 - 3,0. Экономить средства при строительстве новых и реконструкции существующих дорог, при производстве новых видов вяжущих и материалов строительного назначения на их основе и таким образом снизить себестоимость дорожного строительства позволит внедрение новых технологий.
Для определения прочности на изгиб грунтобетона формовались образцы-балочки размером 40x40x160 мм. Методики формовки, хранения образцов-балочек идентичны условиям формовки и хранению образцов-цилиндров, изготовленных для определения прочности на сжатие. Составы, участвующие в экспериментальных исследованиях представлены в табл. 3, а полученные результаты приведены в табл. 4.
Таблица 3
Составы композиционных грунтобетонов_
Ингредиенты Составы, расход материалов на 1 м3 смеси, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Портландцемент 8 15 20 - - - - - -
«Граунд» - - - 10 15 20 - - -
«Граунд-М» - - - - - - 10 15 20
Грунто-песчано- 100 100 100 100 100 100 100 100 100
гранитная смесь
Пластификатор (% 0,8 0,8 0,8 - - - - - -
от расхода вяжущего)
Кинетика набора прочности композиционных г
Таблица 4 зунтобетонов
№ состава Предел прочности (МПа) образцов в возрасте, сут. Морозостойкост ь в возрасте 90 сут, кол. циклов
14 28 90
Ясж Яиз Ясж Яиз Ясж Яиз
1 3,21 1,99 6,16 2,12 8,44 3,00 50
2 4,5 2,06 7,91 2,67 12,0 3,38 65
3 6,78 2,28 16,33 3,41 20,62 3,60 70
4 4,36 2,48 8,88 3,85 17,51 4,51 100
5 6,5 2,77 10,72 3,85 22,04 4,92 100
6 15,87 3,22 25,11 4,40 37,92 5,63 150
7 2,56 1,95 7,03 2,89 15,50 3,74 75
8 4,05 2,88 12,00 3,11 18,43 4,00 100
9 5,73 3,03 19,96 3,46 26,79 4,41 100
Полученные результаты испытаний дают основание считать, что грунтобетоны на основе вяжущих «Граунд» и «Граунд-М» имеют выше показатели прочности на сжатие и на изгиб, чем составы на портландцементе. Кроме того, морозостойкость составов 4-9 выше показателей по морозостойкости составов 1-3. Таким образом, поставленная цель исследований - повышение прочности, морозостойкости оснований, долговечности, а, следовательно, снижение транспортных операций и стоимости дорожных работ достигнута за счет применения вяжущих, приготовленных на остове техногенных отходов производст [2]. Полученные композиционные грунтобетоны в зависимости от состава можно использовать как для оснований, так и для верхних слоев покрытия дорожного полотна.
Наличие постоянной высокощелочной среды в грунтобетоне, а также наличие примеси глинистых частиц создают условия для образования тоберморитоподобных низкоосновных гидросиликатов кальция СН, гидрогранатов, щелочных гидроалюмосиликатов, для которых характерна малая растворимость.
Процесс деструкции алюмокремнекислородного каркаса минералов молотых шлаков обусловлен каталитическим действием щелочей на разрыв ковалентных связей 81 - О - 81 и А1 - О - 81 [3].
Особенностью процессов гидратации и твердения грунтобетонов с молотыми граншлаками является то, что щелочной активатор взаимодействует со всеми алюмосиликатами, включая пылеватые глинистые частицы грунта. В результате чего синтезированные новообразования совместно с негидратированными частицами играют роль в образовании прочного каркаса [4].
Молотый граншлак до удельной поверхности 1800-3500 см2/г обладает большим количеством активных центров и способностью к быстрой
гидратации по сравнению с частицами граншлака размером 0-5 мм или 0-20 мм т.к. первоначально гидратация шлакового стекла протекает у частиц граншлака размером 0-10 мкм.
В настоящее время в Пензенской области большое внимание уделяется реконструкции дорог в городах и в сельской местности. В основу инновационной концепции строительства дорог легла технология замены старого покрытия на одежду нежесткого типа устраиваемую методом холодной регенерации с использованием машины - стабилизера [5].
Можно предположить, что немаловажным источником снижения стоимости дорожного строительства является замена дорогостоящих вяжущих материалов, каменных заполнителей на местные природные материалы или грунты, укрепленные комплексными вяжущими на основе отходов различных производств, например, металлургической и химической промышленности, дробления и сортировки каменных материалов, некондиционных песков Пензенской области.
Авторы настоящей работы предлагают участки дорог, отведенные под ремонт уличной дорожной сети в с. Грабово Бессоновского района Пензенской области, использовать как экспериментальные участки строительства. Задача инновационной работы - получение дорожного основания прочностью на сжатие 3,0-4,0 МПа и морозостойкостью F50.
Технология подготовки основания должна выполняться путем замены старого существующего покрытия на одежду нежесткого типа устраиваемую методом холодной регенерации. Глубина фрезерования суглинистого основания составляет 25 см. В качестве вяжущего используется портландцемент марки ПТЦ М400 ДО «Мордовцемент». Для стабилизации грунта и улучшения свойств грунтобетона в лаборатории был приготовлен комплекс «350-Пен» 50 % концентрации.
Структуру суглинка улучшали за счет вторичного использования доломитового щебня фракции 5-20 из ранее существующего щебеночного слоя толщиной 50-100 мм.
Соотношение между грунтом и щебнем в смеси равно как 2:1. Расход вяжущего составлял 8 % от массы грунта (100 %) подверженному стабилизации. Работы по устройству укрепленных слоев грунта методом смешения на месте проводились при среднесуточных положительных температур воздуха в районе строительства не менее +10 оС.
В случае укрепления глины и глиносодержащих грунтов с числом пластичности более 11 требуется внесения крупнозернистого песка с модулем крупности Мкр = 2,5-3,5 или отсева от дробления горных пород фракции 3-5 мм. Подвоз и распределение нового материала осуществляется на всю ширину участка и одинаковой толщиной для улучшения гранулометрического состава укрепленного основания. Контроль за равномерностью распределения материалов по поверхности осуществляется при помощи, например, нивелира. Это обеспечит оптимальный расход компонентов для получения основания с заданными физико- механическими
свойствами.
Распределение портландцемента по поверхности подготовленной площадки осуществлялось цементо-распределителем на базе трактора -«Кировец-750», увлажнение, введение активатора и гомогенизация грунтовой смеси осуществляется в один проход. Оптимальная скорость производства и укладки смеси составляет 4,0 м/мин. Толщина обрабатываемого грунта 250 мм. При этом грунтосмесительная машина -рециклер осуществляет предварительное уплотнение обработанного грунта.
После обработки укрепляемого грунта выполняется чистовая планировка поверхности автогрейдером. Уплотнение обработанного грунта обеспечивает получение заданной плотности грунтобетона (коэффициент уплотнения должен быть не менее 0,98). Очередность воздействия техники, по уплотнению грунтобетона следующая: легкий каток весом 2,5 т, средний - 8 т и заключительное уплотнение тяжелым 16 т катком. Уплотнение грунтобетона начинается через 30-55 мин после его укладки и предварительного уплотнения.
С целью создания благоприятных условий набора прочности, грунтобетон укрывают нетканым материалом «Дорнит» с поливкой его водой. По достижении 70 % прочности грунтобетона, уход с поливкой водой прекращается.
Предлагаемая авторами технология по стабилизации грунтового основания позволяет получить его более прочным, долговечным и морозостойким в сравнении с традиционной технологией. Удешевление дорожных работ происходит за счет использования стабилизатора грунта «350-Пен» и снижения транспортных расходов, что позволит существенно снизить себестоимость строительства.
Использованные источники:
1. Романенко И.И., Калашников В.И., Шаронов Г.И. Шлакощелочное вяжущее «Граунд-М» и способ его получения. Патент на изобретение RUS 2370465 21.05.2008 .
2. Романенко И.И., Петровнина И.Н., Еличев К.А., Романенко М.И. Побочные продукты металлургического производства как стабилизатор оснований дорожного полотна. Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2016, т. 8. № 1, с. 183-186.
3. Technical Committee C7/8 Road Pavements, PIARC, 2003 Pavement Recycling, Guidelines for : in-place recycling with cement; in-place recycling with emulsion or foamed; hot mix recycling in plant, France.
4. Maher, M. H.; W. Popp, Jr., 1997, Recycled Asphalt Pavement as a Base and Subbase Material. ASTM STP 1275 American Society of Testing and Materials, New Orleans, USA.
5. 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), с. 157.
