CC BY
8
УДК 625. 731-03
Романенко И.И., к. техн. н. доцент, заведующий кафедрой «Механизация и автоматизация производства»
Петровнина И.Н., к. техн. н.
доцент
кафедра «Механизация и автоматизация производства»
Пинт Э.М., к. техн. н. профессор, доцент
кафедра «Механизация и автоматизация производства» Пензенский государственный университет архитектуры и строительства Россия, г. Пенза
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИМИ
ВЕЩЕСТВАМИ
Аннотация: Цель исследований-анализ влияния полимерного стабилизатора на физико-механические свойства грунтов стабилизированных вяжущими. Эталонные образцы изготавливали в форме кубов размером 100*100*100 мм и в виде призмы 100*100*400 мм. Контролировалась прочность стабилизированного грунта в сухом и водонасыщенном состоянии. Выявлено, что прочность стабилизированного грунта увеличилась на 10-20 %.
Ключевые слова: стабилизатор, прочность, шлакопортландцемент, известь, шлакощелочное вяжущее, песчаный грунт.
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
Petrovnina I.N., сandidate of Technical Sciences., associate professor аssociate Professor of the Department of «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
STABILIZATION OF SAND BASIS BY CHEMICALS
Abstract: The purpose of the research is to analyze the influence of the polymer stabilizer on the physical and mechanical properties of soils stabilized with astringents. The reference samples were made in the form of cubes measuring 100 * 100 * 100 mm and in the form of a prism 100 * 100 * 400 mm. Controlled
the strength of stabilized soil in a dry and water-saturated state. It was revealed that the strength of the stabilized soil increased by 10-20%.
Key words: stabilizer, strength, slag Portland cement, lime, slag-alkali binder, sandy soil.
С целью изменения физико-механических свойств грунтов используется технология введения в грунт различных химических добавок совместно с вяжущим. В качестве вяжущего применяем: органические и неорганические виды.
Песчаные виды грунтов можно стабилизировать двумя способами:
- распределением по поверхности основания корректирующего грунта;
- введением стабилизатора при помощи ресайклинга в грунт природной плотности и влажности.
За счет целенаправленного изменения заряда частиц грунта в результате действия химической добавки происходит улучшение процесса стабилизации и повышение плотности основания [1, 2].
В настоящее время наиболее широко применяются следующие неорганические вяжущие: портландцемент, шлак, известь, гипс, сложное вяжущее, шлакощелочное, зола-унос и конечно и вяжущее низкой водопотребности[3]. Вид грунта определяет какое вяжущее целесообразно использовать для стабилизации грунта.
Разработка гиперпластификаторов и комплексов для грунтов способствовало повышению производительности труда в дорожном строительстве и качестве выполняемых работ [4, 5, 6, 7].
Целью данного исследования является оценка влияния комплексного стабилизатора - водного полимера и портландцемента на прочность при сжатии песчаных грунтов.
В исследованиях использовали портландцемент мордовского цементного завода марки ЦЕМ I 42,5 Б (М500 Д0). Свойства цемента приведены в таблицах 1, 2, 3.
Таблица 1
Физико-механические свойства портландцемента ЦЕМ I 42,5 Б (М500
Д0)
Наименование Требования Фактически
Прочность в возрасте 28 суток, МПа - изгиб не нормируется не менее 42,5 8,7 ± 0,3
- сжатие не более 62,5 51,0 ± 2,0
Прочность в возрасте 2 суток, МПа - изгиб не нормируется 4,7 ± 0,2
- сжатие не менее 20,0 24,0 ± 2,0
Удельная поверхность, м2/кг не нормируется 360 ± 10
Содержание оксида серы (VI) SO3, % не более 4,0 2,9 ± 0,2
Массовая доля добавок
(вспомогательный компонент), опока, % 0 - 5 нет
Нормальная густота цементного теста, % не нормируется 26,0 ± 1,0
Равномерность изменения объема (расширение), мм не более 10,0 0,2 ± 0,1
Сроки схватывания (час:мин) - начало - конец не ранее 60 мин не нормируется 2:20 ± 0:20 3:30 ± 0:20
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг не более 370 64 ± 10,0
Таблица 2
Химический состав портландцемента ЦЕМ I 42,5 Б_
п.п. SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 CaSO4 R2O
1,74 23,37 4,98 4,03 60,38 1,13 2,83 0,003 5,38 0,74
Таблица 3
Минералогический состав клинкера цемента ЦЕМ I 42,5 Б
Трехкальциевый силикат, C3S Двухкальциевый силикат, C2S Трехкальциевый алюминат, C3A Четырехкальциевы й алюмоферрит, C4AF
61,56 16,07 6,20 12,68
«350-Пента» продукт представляет собой водную эмульсию на основе винил-акрилового сополимера. Стабилизатор вводится в композицию совместно с водой затворения из расчета получения грунта оптимальной влажности и получения максимальной плотности и прочности. Свойства полимера представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Свойства винил-акрилового сополимера «350-Пента»_
Свойства «350-Пента»
Состояние Жидкость
рН 50% водного раствора 5-9
Цвет Молочно-белый
Температура кипения От 100 оС
Горючесть Не горит, не взрывоопасна
Плотность, г/см3 1,11-1,16
Химический состав Органоминеральная композиция на основе винил-акрилового-сополимера
Способ введения Дозируется в воду
Дозировка, л/м3 грунта 2,5-12,0
Для исследований были использованы песчаные грунты местных карьеров: Чаадаевский и Сурский. Все пробы подвергались ситовому анализу с целью определения модуля крупности песка и коэффициента фильтрации [8, 9]. Результаты анализа песчаных почв представлены в таблицах 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Таблица 5
Зерновой состав песка Чаадаевского карьера_
№ сита 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 <0,07
Частные остатки, % - 1,60 0,40 0,38 20,36 7,48 64,23 4,57 0,00
Полные остатки, % - 1,60 2,00 2,38 22,73 30,21 94,44 99,01 99,01
Полные проходы 100,0 98,40 98,00 97,63 77,27 69,79 5,56 0,99 0,99
Модуль крупности песка 1,52
Таблица 6
Физико-механические свойства песка Чаадаевского карьера
№№ пп Наименование показателя Един. изм. Требования ГОСТ 873693, ГОСТ 9128-2009 Фактические значения
1. Оценка зернового состава
1.1 Модуль крупности - 1,52
1.2 Полный остаток на сите № 063 % >> 10 >> 30 22,73
1.3 Содержание зерен св. 10 мм % 0,5 -
1.4 Содержание зерен св. 5 мм % 10,0 -
1.5 Содержание зерен менее 0,16 мм % Не более 20,0 4,57
2. Физико-механические показатели
2.1 Насыпная плотность в состоянии естественной влажности кг/м3 1330
2.2 Содержание пылевидных и глинистых частиц % не более 5,0 0,2
2.3 Истинная плотность кг/м3 2631
2.4 Содержание глины в комках % не более 0,5 0,3
2.5 Влажность % 7,5
2.6 Коэффициент фильтрации м/сут 3,00 1,18
Таблица 7
Зерновой состав песка Сурского ^ карьера__
№ сита 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 <0,07
Частные остатки, % - 1,60 0,40 0,38 5,14 1,42 88,41 2,66 0,00
Полные остатки, % - 1,60 2,00 2,38 7,51 8,93 97,34 100,0 100,0
Полные проходы, % 100,0 98,40 98,00 97,63 92,49 91,07 2,66 0,00 0,00
Модуль крупности песка 1,18
Таблица 8
Физико-механические свойства песка Сурского карьера_
№№ пп Наименование показателя Един. изм. Требования ГОСТ 873693, ГОСТ 9128-2009 Фактические значения
1. Оценка зернового состава
1.1 Модуль крупности - 1,18
1.2 Полный остаток на сите № 063 % До 10 7,51
1.3 Содержание зерен св. 10 мм % 0,5 -
1.4 Содержание зерен св. 5 мм % 10,0 -
1.5 Содержание зерен менее 0,16 мм % Не более 20,0 2,66
2. Физико-механические показатели
2.1 Насыпная плотность в состоянии естественной влажности кг/м3 1408
2.2 Содержание пылевидных и глинистых частиц % не более 5,0 0,5
2.3 Истинная плотность кг/м3 2560
2.4 Содержание глины в комках % не более 0,5 -
2.5 Влажность оптимальная % 16,6
2.6 Коэффициент фильтрации м/сут 3,00 1,03
Таблица 9
Зерновой состав песка Камешкирского карьера_
№ сита 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071
Частные остатки, % - - 0,97 1,06 28,5 0,95 65,53 2,99
Полные остатки,% - 0,00 0,97 2,03 30,53 31,48 97,01 100,0
Полные проходы,% 100,0 0 100,00 99,03 97,97 69,47 68,52 2,99 0,00
Модуль крупности песка 1,62
Таблица 10
Физико-механические свойства песка Камешкирского карьера
№№ пп Наименование показателя Един. изм. Требования ГОСТ 873693, ГОСТ 9128-2009 Фактич еские значен ия
1. Оценка зернового состава
1.1 Модуль крупности - 1,62
1.2 Полный остаток на сите № 063 % >> 10 >> 30 30,53
1.3 Содержание зерен св. 10 мм % 0,5 -
1.4 Содержание зерен св. 5 мм % 10,0 -
1.5 Содержание зерен менее 0,16 мм % Не более 20,0 2,99
2. Физико-механические показатели
2.1 Насыпная плотность в состоянии естественной влажности кг/м3 1302
2.2 Содержание пылевидных и глинистых частиц % не более 5,0 0,2
2.3 Истинная плотность кг/м3 2570
2.4 Содержание глины в комках % не более 0,5 0,1
2.5 Влажность % 7,1
2.6 Коэффициент фильтрации (градиент 0,8) м/сут 3,00 1,39
Исследования были направлены с целью определения физико-механических свойств стабилизированного грунта, времени набора прочности и оптимальной дозировки раствора полимера и неорганического вяжущего.
Методика проведения исследований состоит из следующих операций:
• предварительная сушка песка при температуре 105оС до постоянного
веса,
• смешение в лабораторной роторной мешалке грунта с неорганическим вяжущим-портландцементом,
• приготовление водного раствора полимера заданной концентрации,
• доведение смеси грунта с портландцементом до оптимальной влажности.
Дозировка неорганического вяжущего варьировалась в пределах 5-15 % с шагом 5%. Расход стабилизатора «350-Пента» рассчитывался из условия расхода от 2,0 до 12,0 л/м3 грунта. Оптимальная влажность смеси формовочной составляла 13,1-15,6 %. Формовочные смеси оптимальной влажности помещали в формы и уплотняли на прессе при усилии 250 кг/см2 в течении 3 мин.
Полученные образцы грунтобетона помещали в камеру нормального твердения при температуре воздуха 20 ± 5оС и влажности 90%. Набор прочности проверяли в возрасте 14 и 28 суток твердения. После 28 суток часть образцов помещали в воду и выдерживали 7 суток. После извлечения образцов из воды они протираются ветошью и выдерживаются на воздухе в течении 2 часов.
Затем производятся испытания на прочность. Результаты испытаний сопоставляли с результатами воздушного твердения. На каждый срок испытания готовилось по три образца с целью обеспечения достаточного количества данных для точной интерполяции результатов. В таблице 11 представлены составы грунта, используемые в экспериментальных исследованиях. Физико-механические свойства грунтобетонов представлены в таблицах 12, 13, 14.
Составы стабилизированного грунта и г
Таблица 11 рунтобетона
Номера Грунт, ПТЦ, % «350- Номера Грунт, ПТЦ, % «350-
составо % от Пента» составов % от Пента»
в массы сухого грунта массы сухого грунта
1 100,0 - 2,0 13 100,0 5
2 100,0 - 4,0 14 100,0 10 6,0
3 100,0 - 6,0 15 100,0 15
4 100,0 - 8,0 16 100,0 5
5 100,0 - 10,0 17 100,0 10 8,0
6 100,0 - 12,0 18 100,0 15
7 100,0 5 19 100,0 5
8 100,0 10 2,0 20 100,0 10 10,0
9 100,0 15 21 100,0 15
10 100,0 5 22 100,0 5
11 100,0 10 4,0 23 100,0 10 12,0
12 100,0 15 24 100,0 15
Таблица 12
№ Грунт, % ПТЦ, % от «350- Прочность на сжатие, МПа, в
состава массы сухого Пента», возрасте, сут.
грунта л/м3 14 28 35 (водное твердение)
1 100,0 - 2,0 0,77 1,25 1,00
2 100,0 - 4,0 1,45 2,07 1,61
3 100,0 - 6,0 2,36 2,58 2,07
4 100,0 - 8,0 2,44 2,76 2,26
5 100,0 - 10,0 2,60 2,94 2,41
6 100,0 - 12,0 2,66 2,97 2,47
7 100,0 5 2,46 7,81 7,10
8 100,0 10 2,0 6,18 12,9 13,09
9 100,0 15 16,6 21,4 26,32
10 100,0 5 2,78 8,91 9,04
11 100,0 10 4,0 6,90 13,66 15,44
12 100,0 15 17,5 22,1 25,11
13 100,0 5 3,24 9,53 9,33
14 100,0 10 6,0 7,79 15,04 16,54
15 100,0 15 19,6 24,5 28,91
16 100,0 5 3,79 10,32 10,62
17 100,0 10 8,0 8,44 16,41 19,28
18 100,0 15 17,8 23,16 26,17
19 100,0 5 3,05 9,12 8,12
20 100,0 10 10,0 7,25 14,65 15,99
21 100,0 15 16,9 22,8 23,18
22 100,0 5 2,89 9,00 8,82
23 100,0 10 12,0 6,58 14,33 16,19
24 100,0 15 15,05 21,0 23,64
Физико-механические свойства г Таблица рунтобетонов на Сурском песке
№ состава Грунт, % ПТЦ, % от массы сухого грунта «350- Пента», л/м3 Прочность на сжатие, МПа, в возрасте, сут.
14 28 35 (водное твердение)
1 100,0 - 2,0 0,62 1,08 0,88
2 100,0 - 4,0 1,31 1,81 0,65
3 100,0 - 6,0 2,15 2,39 1,96
4 100,0 - 8,0 2,15 2,56 2,13
5 100,0 - 10,0 2,29 2,68 2,31
6 100,0 - 12,0 2,31 2,79 2,42
7 100,0 5 2,0 2,25 7,01 5,92
8 100,0 10 5,55 11,81 9,97
9 100,0 15 15,11 19,71 16,41
10 100,0 5 4,0 2,50 8,11 7,10
11 100,0 10 6,07 12,42 10,39
12 100,0 15 1,56 20,31 17,83
13 100,0 5 6,0 2,94 8,48 7,46
14 100,0 10 7,11 13,56 11,59
15 100,0 15 18,03 22,78 19,52
16 100,0 5 8,0 3,39 9,44 7,93
17 100,0 10 7,77 14,80 12,80
18 100,0 15 16,74 21,03 17,59
19 100,0 5 10,0 2,84 8,35 6,79
20 100,0 10 6,49 13,48 11,32
21 100,0 15 15,88 21,66 19,92
22 100,0 5 12,0 2,54 8,21 7,69
23 100,0 10 5,95 13,11 11,81
24 100,0 15 13,63 19,95 18,41
Анализируя полученные результаты по набору прочности грунтобетонов, полученные на основе грунта и полимерной добавки, можно сказать, что при твердении в воздушных условиях в течении 28 суток прочность на сжатие увеличивается с увеличением дозировки полимера на всех видах грунта.
Прочность грунтобетона на Чаадаевском песке с добавкой «350-Пента» в количестве 12 % в 2,35 раза превышает прочность грунтобетона с дозировкой стабилизатора 2 %. На Сурском песке превышение составляет 2,48 раза. Это говорит о том, что увеличение дозировки полимерного стабилизатора грунта приводит к росту прочности на сжатие.
Водное твердение образцов грунтобетона также приводит к росту прочности. Прирост прочности при дозировке полимера с 2 % до 12 %
составляет 2,78-2,82. Коэффициент водостойкости составляет 0,81-0,94.
Введение в полученную композицию портландцемент в количестве 5, 10 и 15 % способствует существенному увеличению физико-механических свойств грунтобетона. Прочность грунтобетона в возрасте 28 суток при дозировке 5 % ПТЦ составляет 7,01-7,82 МПа, а при дозировке 15 % - 22,7822,8 МПа (табл. 12, 13).
Прочностные свойства образцов, которые содержат от 5 до 15 % портландцемента и от 2 до 12 % полимера увеличиваются после погружения в воду. Причиной увеличения прочности на сжатие образцов из грунтобетона является вода, которая выступает в качестве катализатора реакции гидратации. В тоже время увеличение содержания полимера приводит к увеличению плотности образцов из грунтобетона.
Рис. 1. Изменение плотности Рис. 2. Изменение плотности
грунтобетона в возрасте 14 суток на грунтобетона в возрасте 14 суток на Чаадаевском песке Сурском песке
Влияние содержания стабилизатора грунта на плотность грунтобетона при твердении в воздушных условиях представлено на рис. 1, 2, 3 и 4. При твердении в воздушных условиях, увеличение содержания полимера вызывает приращение плотности образцов. Это связано с приращением среднего веса единицы объема полимербетонной смеси.
Рис. 3. Изменение плотности
Рис. 4. Изменение плотности
грунтобетона в возрасте 28 суток на грунтобетона в возРасте 28 суг°к на Чаадаевском песке СУРском песке
Таким образом, по результатам исследований можно сделать следующие выводы. Модифицирование песчаных грунтов стабилизатором позволяет направленно влиять на физико-механических свойства. Удалось увеличить прочность на сжатие образцов грунта до 7,0-23,0 МПа. Повышение дозировки «350-Пента» способствует росту плотности грунтобетона.
Оптимальная дозировка «350-Пента» для модифицирования грунта составляет 8%. Модификатор- стабилизатор грунта вызывает формированию гидрофобной природы грунта. Оптимальная дозировка портландцемента в грунтобетоны в экспериментах составила 10 %, при этом водостойкость составляет 0,81-0,94.
Использованные источники:
1. Абрамова Т.Т. Использование стабилизаторов для улучшения свойств связных грунтов / Т.Т. Абрамова, А.И. Босов, К.Э. Валиева // Геотехника. -2012. - № 3. - С. 4-28.
2. Максимов А.Т. Применение полимерной добавки Nicoflok для укрепления и стабилизации грунтов / А.Т. Максимов, Г.И. Собко. - М.: ВТУ Спецстроя России, 2006. - 89 с.
3. Романенко И.И., Пилясов Б.В. Материал на основе металлургических шлаков для укрепления дорожных оснований / И.И. Романенко, Б.В. Пилясов // Строительные материалы. 2008. № 12. С. 28-29.
4. Santoni, R.L., Tingling, I.S., and Webster, SL, stabilization of Silty Sands with
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»
