CC BY
22Теоретическое обоснование выбора глинистого грунта для изготовления глинобетона
Черкасов Андрей Владимирович;
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, andrey_cherkasov_97@mail.ru.
Кузьмин Денис Егорович;
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, blazblue@list.ru
Склифос Виктория Олеговна;
студент, кафедра материаловедения, Дальневосточный федеральный университет, Vika.sklifos@bk.ru
Чернеев Алексей Михайлович;
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, alexeycherneev@gmail.com
Храмов Денис Александрович;
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, den0011126@gmail.com
В данной статье рассматриваются основные теоретические положения по выбору глинистого грунта для глинобетона. Предполагается использовать глинистый грунт для приготовления глинобетонной смеси, а также ее использования в строительстве. Выделены некоторые характерные особенности глинистых частиц. Акцентировано внимание на гранулометрическом составе глинистого грунта, его ключевых свойствах. Обособляются вопросы, касающиеся пористости, связности глинистого грунта, а также явление морозного пучения (актуальная проблема в России). Исходными данными, на которых базируется теоретическая основа, анализ и выводы, является немецкий опыт использования (в частности, исследования в лаборатории экспериментального строительства Кассельского университета в Германии). На основании выводов автора данной статьи даются рекомендации по выбору и применению глинистого грунта для глинобетона, в зависимости от условий местности для строительства и эксплуатации.
Ключевые слова: глинобетон, компонент, свойства, гранулометрический состав, связность грунта, морозное пучение, характеристики, рекомендации.
Говорить об актуальности строительства как такового в наше время не приходится. Современных строительных материалов (тех, которые наиболее широко применяются в строительстве сейчас) много, но более всего предпочтение отдают композитам в виде бетона на цементном вяжущем. Безусловно, это хорошо зарекомендовавший себя материал, обладающий достаточной прочностью (которая варьируется в зависимости от потребности), долговечностью, простотой изготовления и надежностью. Однако существуют и другие виды бетона, о существовании которых в наши дни не каждый знает (потому как они не получили широкого распространения, или недостаточно исследованы), например, глинобетоны [1].
Немаловажную роль играет экономическая сторона вопроса, поскольку изготовление глинобетона подразумевает использование в большом процентном содержании местных грунтов, включая грунт выемки [2]. Изготовление глинобетона - процесс не более трудоемкий [3], чем получение бетонной смеси на цементном вяжущем; может осуществляться как ручным, так и механизированным способом. Так, например, опыт исследования и применения рассматриваемого материала в Германии показывает наличие специальных средств механизации процесса изготовления в виде машин [1].
В данной работе преследуется следующие цели и задачи:
рассмотрение и анализ особенностей глинистого грунта и глинистых частиц с последующим выводом;
обзор и сравнение гранулометрических составов;
выводы по гранулометрическим составам; рекомендации по применению в изготовлении глинобетона
Следует сказать, что состав и свойства глинистых грунтов зависят от их местонахождения. Минеральный состав глинистого грунта представлен тремя основными минералами: полевой шпат (АЬО^ОбЗЮ^, каолинит
(АЬО^ЗЮ^^О), монтмориллонит (А!2О348Ю2). В большом количестве во многих глинистых грунтах содержится каолинит, характеризую-
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о
О)
о
см
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
щиися относительном стойкостью и жесткостью. Полевой шпат является прочным, но не растворимым в воде минералом; в то время как монтмориллонит обладает хорошими адсорбирующими свойствами. Таким образом, если глинистый грунт содержит в большем количестве каолинит, то он будет менее связный (водой), более жесткий и хрупкий; а если монтмориллонит, то грунт будет обладать большей связностью (так как его удельная поверхность на два порядка выше, чем у каолинита: 10 м2/г - каолинит, 1000 м2/г - монтмориллонит) [1]. Чем выше удельная поверхность грунта, тем выше внутренние силы сцепления. Исходя из этого, можно сделать первый вывод по глинистому грунту.
Первый вывод: глинистый грунт, содержание каолинита в котором преобладает существенно (каолиновая глина), будет менее прочным на растяжение и сжатие, ввиду меньшей силы внутреннего сопротивления частиц. В то время как, грунт с преобладающим содержанием монтмориллонита (бентонитовая глина) будет впитывать больше влаги (адсорбирующие свойства) и подвергается в большей степени осадкам и пучениям.
Не вдаваясь в подробности о строении и структуре глинистых частиц будем рассматривать полезные для практического применения свойства. Будем считать, что глинистый грунт -это грунт, содержащий глинистые частицы, то есть мелкозернистые частицы фракцией <0,002 мм, согласно ГОСТ 25100-2011 [4]. В соответствии с этим же стандартом глинистый грунт подразделяется на супесь, суглинок и глину. Для определения, к какому из перечисленных видов относится глинистый грунт, а также для определения физико-механических характеристик проводятся лабораторные исследования в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ).
Рассмотрим виды глинистых грунтов:
а) Супесь. Содержание глинистых частиц в супеси 10 % по массе [5]; большая часть грунта приходится на песок. Супесь очень неустойчива, комки легко крошатся под воздействием практически любой нагрузки вследствие малой связи частиц между собой. Так как процент содержание песчаных частиц наивысший, то супесь наименее пористый глинистый грунт ((коэффициент пористости е < 0,5), практически не подверженный морозному пучению.
б) Суглинок. Содержит от 10 до 30 % глинистых веществ. Более пористый грунт, нежели супесь (коэффициент пористости е = 0,5-1,0) [5]. Связность суглинка существенно выше, чем у супеси, что позволяет сохранять форму под воздействием определенных нагрузок, при некоторых условиях, не разрушаясь. Вместе с тем суглинок подвергается морозному пучению, в
зависимости от процента содержания глинистых частиц.
в) Глина. Имеет наибольший процент содержания глинистых веществ - от 30 % и более. Еще более пористый грунт с коэффициентом пористости е = 1-1,1 [5]. Обладает наилучшей связностью; способен принимать большие нагрузки, чем суглинок, сохраняя форму. Также характеризуется значительной вязкостью и пластичностью и очень легко формуется во влажном состоянии. Процент содержания песка мал, что ведет к интенсивному морозному пучению в условиях низких отрицательных температур.
В общем случае, в состав глинистых грунтов входят глинистые (<0,002 мм), пылеватые (0,002-0,06 мм) и песчаные (0,06-2 мм) частицы, определяющие классификацию грунта. Гранулометрическим анализом глинистых грунтов некогда занимался французский ученый Кратер [6]. В 1978 г. было предложено графическое изображение гранулометрического состава глинистого грунта [1] в виде треугольной диаграммы (рисунок 1).
Рисунок 1 — Графическое изображение гранулометрического состава глинистых грунтов
На основании рассмотрения гранулометрического состава сформулируем второй вывод.
Второй вывод:
Наименее удачным вариантом для производства глинобетона является супесь ввиду того, что она практически не подлежит формованию и не способна держать форму, вследствие малой связности. Так, использование супеси в приготовлении глинобетона не рекомендуется.
Суглинок может быть в большинстве случаев хорошей основой для глинобетона по причине хорошей связности, способностью к формованию и сохранению формы, однако стоит учитывать явление пучения.
Глина, наряду с суглинком, также может быть пригодна для глинобетона. Обладая наиболь-
шей связность, она лучше всего формуется и держит форму, что не вызовет особых трудностей в приготовлении глинобетона. Но следует особо тщательно подходить к вопросу о возможном пучении.
Второй вывод в первом приближении рекомендует выбирать в качестве глинистого грунта для глинобетона суглинок или глину. Но какой из этих двух грунтов лучше подойдет? Это зависит прежде всего от климатических условий местности. Ниже рассмотрим климатические факторы, которые оказывают влияние на глинистый грунт.
Следует сказать, что чем большее количество глинистых веществ содержит грунт, тем он более пористый, следовательно, будет больше увеличиваться в объеме при низких температурах за счет увеличения частиц воды. Так или иначе, глинобетон будет содержать какое-то количество влаги, либо вовсе будет высушен и герметично покрыт гидроизоляцией. Во втором случае мы получаем очень сухой, и, вместе с тем, хрупкий материал, который не может быть использован для несущих стен, что неприемлемо. Тогда остается первый случай, который предлагается рассмотреть на следующем примере.
Рисунок 2 - Результат трехлетнего испытания образцов глинобетона слева - первый образец, справа - второй образец
В исследовательской лаборатории экспериментального строительства FEB (Forschungslabor für Experimentelles Bauen, Германия, г. Кассель) выявляли влияние атмосферных осадков и низких температур на эрозию глинобетона [7, 8]. Испытанию были подвержены два состава. Первый состав содержал 16% глинистого вещества, второй - 40%. Оба состава изготавливались по одной технологии, из одного грунта, но в первый образец был добавлен песок. Оба образца имели одинаковые размеры и высушивались одинаковое время. После сушки у обоих образцов наблюдалась
усадка: первого образца - 3%, второго образца - 11%, причем у второго образца имелись волосяные трещины. После чего образцы в течение трех лет находились под воздействием атмосферных условий [9]. Глинобетон с большим содержанием глинистого вещества (второй образец) поглотил большое количество капиллярной влаги волосяными трещинами, что привело к разрыву верхних слоев (рисунок 2). Первый образ и вовсе не имел волосяных трещин, что после трехлетних испытаний показывало отсутствие каких-либо эрозий.
Таким образом, мы формулируем третий вывод.
Третий вывод: чем большее количество глинистых веществ содержится в грунте, тем больше он подвержен разрушениям (эрозиям) под воздействием климатических условий (дождя и мороза ), в то время как большее содержание песка в составе глинобетона способствует этому явлению (эрозии) воспрепятствовать.
В заключение, на основании трех выводов подведем итог.
Итоговый вывод: Выбор глинистого грунта зависит в первую очередь от условий использования материала, а главным образом, от климата района строительства и дальнейшей эксплуатации. Для получения глинобетона с требуемыми характеристиками необходимо обращать внимание на содержание глинистых частиц, их минеральный состав (монтмориллонит, каолинит), содержание песка и других частиц в грунте. Также следует исходить из условий прочности и основного назначения глинобетона [10], будь он для наружного/внутреннего слоя стены, несущей стены или же в виде глиняной штукатурки.
Литература
1. Минке Г. Глинобетон и его применение / Г. Минке. - Калининград: ФГУИПП «Янтарный сказ», 2004. - 232 с.
2. Эванс Я, Смит М. Дж., Смайли Л. Дом из самана. Философия и практика;
3. Комохов А.П. Высокоэффективная технология грунтобетона как современного композиционного материала // Строительство и реконструкция. 2002, №2. С.25-28
4. Minke, G. Lehbauforschung, Schriftenreihe Fachbereich Architektur. Gesamthoen-Schule Kassel. Heft 3, Kassel, 1984;
5. Beckert, J.: Wirkung von Verunreinigungen der Raumluft auf den Menschen, in: Beckert rt al.(ed.): Gesundes Wohnen, Dusseldorf 1986;
6. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д., Марголис Л.Я. О механической прочности пористых дисперсных тел // Доклады Академии наук, 1964. Т. 154, № 3. - С. 695-698
х х О го А С.
X
го m
о
м о
Theoretical justification of the choice of the clay soil for the production of clay concrete
Cherkasov A.V., Kuzmin D.E., Sklifos V.O., Cherneev A.M., Khramov D.A.
Far Eastern Federal University
This article discusses the basic theoretical positions on the choice of clay soil for clay concrete. It is assumed to use clay soil for the preparation of clay mixture, as well as its use in construction. Some characteristic particular qualities features of clay particles were identified. Attention is focused on the granulometric composition of clay soil, its key properties. Issues relating to porosity, the connectivity of clay soil, as well as the phenomenon of frosty swelling (an actual problem in Russia) are singled out. The initial data on which the theoretical basis, analysis and conclusions are based, is the German experience of using (in particular, research in the laboratory of experimental construction of the University of Kassel in Germany). Based on the conclusions of the author of this article, recommendations are given on the choice and application of clay soil for clay concrete, depending on the terrain conditions for construction and operation.
Keywords: clay concrete, component, properties, granulometric composition, ground connectivity, frost swelling, characteristics, recommendations.
References
1. Minke G. Glinobeton and its application / G. Minke. -Kaliningrad: FGUIPP "Amber Tale", 2004. - 232 p.
2. Evans I, Smith M.J., Smiley L. House from adobe. Philosophy
and practice;
3. Komokhov A.P. High-performance technology of soil concrete
as a modern composite material // Construction and reconstruction. 2002, №2. Pp. 25-28
4. Minke, G. Lehbauforschung, Schriftenreihe Fachbereich Architektur. Gesamthoen-Schule Kassel. Heft 3, Kassel, 1984;
5. Beckert, J .: Wirkung von Verunreinigungen der Raumluft auf
den Menschen, in: Beckert rt al. (Ed.): Gesundes Wohnen, Dusseldorf 1986;
6. Rebinder P.A., Schukin E.D., Margolis L.Ya. On the mechanical strength of porous dispersed bodies // Reports of the Academy of Sciences, 1964. T. 154, № 3. - P. 695698
o>
о
CS
О Ш
m
X
3
<
m о x
X
