CC BY
185
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 625.7/.8(571.56)
Г. В. Егоров, А. В. Андреева, О. Н. Буренина
УКРЕПЛЕННЫЕ ГРУНТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАБИЛИЗАТОРА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Изложены результаты исследований физико-механических свойств материалов для строительства оснований автомобильных дорог с применением ионного стабилизатора. Определен оптимальный состав укрепленной грунтовой смеси и технико-экономический эффект использования укрепленной грунтовой смеси со стабилизатором в строительстве автомобильных дорог.
Ключевые слова: стабилизатор, прочность, плотность, влажность, дорожная одежда, морозостойкость, водопоглощение, портландцемент, гидрофобность, технико-экономический показатель.
G. V. Egorov, A. V. Andreeva, O. N. Burenina
Improved soil with use of the stabilizer for roads building in conditions of the North
The results of the research of the physical-mechanical properties of materials for building roads bases with use of ion stabilizer are given. The optimal composition of the fixed earth mixture and technical-economical effect of use of the fixed earth mixture with the stabilizer in roads building is determined.
Key words: stabilizer, strength, density, moisture, road pavement, frost resistance, water absorption, portlandcement, humidity, technical and economic indicator.
Применение укрепленных грунтов в основаниях дорожных одежд является одной из наиболее реальных возможностей снижения стоимости строительства и затрат ресурсов. Эти материалы не требуют дальних перевозок автомобильным транспортом и исключают надобность в перевозках таких материалов железнодорожным транспортом. Недостаток и дороговизна привозных традиционных строительных
ЕГОРОВ Григорий Виссарионович - аспирант Института проблем нефти и газа СО РАН, ассистент, зав. лаб. кафедры автомобильных дорог и аэродромов автодорожного факультета СВФУ им. М.К. Аммосова.
E-mail: egorovgrigoriadf@yandex.ru.
АНДРЕЕВА Айталина Валентиновна - научный сотрудник Института проблем нефти и газа СО РАН.
E-mail: aita1973@mail.ru.
БУРЕНИНА Ольга Николаевна - к. т. н., ведущий научный сотрудник Института проблем нефти и газа СО РАН.
E-mail: bon.ipng@mail.ru.
материалов делает необходимым использование во все больших объемах местного грунта (грунта в естественном залегании непосредственно на строительной площадке) при строительстве и обслуживании дорог, а также при любых земляных работах.
В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где использованы укрепленные грунты для строительства дорожных оснований и покрытий. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает 3 млрд м2 [1]. В Республике Саха (Якутия) в основном пользуются традиционными методами укрепления. В частности, укреплением цементом. В этом случае необходимо использовать большое количество дорогостоящего цемента.
При разработке любых методов укрепления грунтов в целях качественного изменения первоначальных их свойств всегда необходимо всесторонне учитывать свойства и особенности тонкодисперсной (глинистоколлоидной) части грунта, а также емкость обмена и
Рис. 1. Технологическая схема изготовления образцов
состав поглощающего комплекса, минералогический и химический составы и генетические признаки грунта, что является научной основой укрепления грунтов, особенно глинистых [2].
Надлежащие свойства укрепленных грунтов гарантируются не только правильным подбором состава, а также соблюдением технологических операций при их приготовлении, уплотнении и уходе.
При устройстве слоев основания и морозозащитного слоя проезжей части и обочин из укрепленных грунтов поступление влаги к материалу земляного полотна сверху через дорожную одежду практически исключается. В результате этого влажность верхней части земляного полотна всегда бывает меньше, чем при устройстве традиционных щебеночных оснований на дренирующем песчаном слое. Вследствие хорошей распределяющей способности слоев из укрепленных грунтов ровность покрытий на таких основаниях обычно лучше, чем на щебеночном или гравийном основании.
Направленное изменение свойств местных грунтов возможно модифицированием их поверхностноактивными веществами специального действия
- различными стабилизаторами и добавками. В производстве строительных материалов под модифицированием 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 последнего.
Целью данной работы является подбор оптимального состава укрепленной грунтовой смеси с применением стабилизатора для строительства автомобиль-
ных дорог в условиях Севера.
В качестве объектов исследования были выбраны глина месторождения Тураннахского месторождения РС (Я), ионный стабилизатор «ANT» и портландцемент 400-Д20 Мохсоголлохского месторождения Республики Саха (Якутия) производства ОАО ПО «Якутцемент».
Ионный стабилизатор «ANT» представляет собой водорастворимую активную органо-минеральную добавку, содержащую амфотерные поверхностноактивные вещества и микроэлементы. Стабилизатор «ANT», за счёт содержания в нём микроэлементов и поверхностно-активных веществ, обеспечивает ионное замещение пленочной воды на поверхности глинистых и коллоидных частиц, а также ионный обмен с поглощающим комплексом, обусловливая их коагуляцию. Активные вещества «ANT» адсорбируются на поверхности каменных материалов, материалах дробления дорожных одежд и грунтовых агрегатов, повышая их гидрофобность. В качестве вяжущего материала использовали широко применяемый в дорожном строительстве портландцемент.
Согласно технологической схеме изготовления образцов (рис. 1), для проведения исследований были изготовлены цилиндрические образцы диаметром и высотой 50 мм на технологическом оборудовании, разработанном в Институте неметаллических материалов СО РАН [3]. При этом усилие прессования (Р) составляло 3 МПа, формовочная влажность (W) -7-14 масс. %, содержание ионного стабилизатора варьировалось от 0,005 до 0,01 масс. %, количество портландцемента - от 3 до 5 масс. %. Продолжительность сушки - 28 суток. Было исследовано влияние количества вводимых добавок на прочность при сжатии разрабатываемых материалов и определены их
оптимальные значения [4].
Установлено, что основное количество влаги в материалах всех рецептур удаляется в первые 3 суток, причем скорость десорбции и количество остаточной влаги (около 2 масс. %) не зависит от исходной влажности сырья. Это объясняется тем, что в начале сушки, когда в глинистых грунтах имеется свободная вода, ее передвижение по капиллярам к поверхности испарения происходит с достаточно большой
скоростью. При дальнейшей сушке силы, удерживаю-
щие влагу на поверхности частиц, возрастают, что служит причиной постепенного уменьшения подвижности влаги и замедления процесса сушки. Процесс сушки считается законченным по истечении 28 суток. Высушенные до постоянной массы образцы считаются исходными и готовыми для проведения экспериментов.
Результаты исследования плотности образцов в зависимости от количества вводимых добавок цемента и стабилизатора «АЭТ» представлены на рис. 2, 3, 4.
Плотность
2000
19»
1900
19»
1900
1750
17D0
16»
1600
tail
□ 3 ■ 4
□ 5
10
12
14
Вода. масс.
Рис. 2. Зависимость плотности образцов от влажности и содержания цемента (3, 4, 5 масс. %) («АКТ» 0,005 масс. %)
Плотность. КГ'М*
2000
1950
1900
1050
1000
1750
1700
1Б50
mill
□з
■4
□ 5
0
10
12
14
Вода. масс.0
Рис. 3. Зависимость плотности образцов от влажности и содержания цемента (3, 4, 5 масс. %) («ANT» 0,007 масс. %)
Рис. 4. Зависимость плотности образцов от влажности и содержания цемента (3, 4, 5 масс. %) («ANT» 0,01 масс. %)
Рис. 5. Зависимость воздушной усадки образцов от влажности и содержания «ANT» (0,005, 0,007, 0,01 масс. %) (портландцемент 3 масс. %).
Установлено, что плотность образцов всех рецептур увеличивается с увеличением влажности исходного сырья. При этом максимальная плотность достигается при влажности, равной 14 масс. %.
Введение различного количества цемента и стабилизатора «ANT» на значения плотности образцов сказывается незаметно, наблюдается тенденция к незначительному увеличению плотности при содержании цемента в количестве 3 масс. % и стабилизатора «ANT» в количестве 0,007 масс. %.
Таким образом, результаты исследования плотности образцов позволили предположить улучшение физикомеханических свойств материалов, содержащих в своем составе цемент в количестве 3 масс. % и стабилизатор «ANT» - 0,007 масс. %.
Воздушная усадка образцов была определена на материалах, содержащих 3 масс. % цемента. Установлено, что воздушная усадка увеличивается с увеличением влажности исходного сырья и составляет порядка 2 % при влажности 14 масс. %. При этом наименьшая воздушная усадка наблюдается у образцов, содержащих в своем составе 0,007 масс. % «ANT» (рис. 5). Как уже было сказано выше, глинистый грунт имеет малую воздушную и общую усадку, что будет благоприятно сказываться на показателях трещиностойкости реальных укрепленных грунтов. Анализ полученных результатов показал, что прочность при сжатии образцов увеличивается линейно в зависимости от количества портландцемента. При этом наблюдается повышение прочности при сжатии до 20 %. Однако, учитывая экономическую целесообразность, выбрано оптимальное количество вводимого портландцемента, равное 3 масс. %, обеспечивающее достаточные значения прочности при сжатии.
Дальнейшие исследования заключались в оптимальном выборе количества вводимого ионного
стабилизатора «ANT». Установлено, что увеличение количества ионного стабилизатора приводит к линейному повышению прочности материалов. Учитывая показатели ГОСТ 30491-97 [5] для укрепленных
грунтов - 1,5 МПа, экономически выгодно использовать композиты с добавкой «ANT» в количестве 0,005 масс. % .
При использовании комплекса добавок для выбора оптимального состава с наилучшим показателем по прочности при сжатии были изготовлены образцы следующего состава: глинистое сырье - 84,995 масс. %, «ANT» - 0,005 масс. %, портландцемент - 3 масс. %, вода - 12 масс. %. Установлено, что предел прочности при сжатии образцов составляет 3,89 МПа, что на 64 % выше показателей ГОСТа для материалов, используемых для строительства оснований автомобильных дорог.
Таким образом, разработан оптимальный состав материалов из укрепленных грунтов, позволяющий получить конструкционные материалы с высокими значениями физико-механических свойств.
В соответствии с действующими ценами на материалы [6], следует отметить, что предлагаемая технология значительно снижает расходы на строительство автомобильных дорог [7], во-первых, за счет низких цен на используемые материалы, во-вторых, в связи со снижением транспортных затрат по доставке материалов к месту строительства.
Была составлена смета на строительство дорожной одежды [8] с применением в качестве слоя покрытия толщиной 0,15 м суглинка, укрепленного стабилизатором «ANT». Смета была рассчитана на 1 км дороги 4 категории.
Дальность возки ПГС 195 км.
Установлено, что стоимость дорожной одежды с применением технологии «А№Г» в 4 раза дешевле, чем стоимость дорожной одежды из ПГС.
Таблица 1
Физико-механические свойства материалов из укрепленных грунтов
Показатели Значения
СТО 60929601.001-2010 без стабилизатора и цемента со стабилизатором и цементом
Плотность, кг/м3 - 1875 1970
Объемная усадка, % - 2,22 1,93
Предел прочности при сжатии сухих образцов, МПа 1,5 2,6 3,30
Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа 0,6 0 0,50
Водонасыщение по объему, % 12 - 3,45
Коэффициент водостойкости 0,01 - 0,15
Морозостойкость, число циклов 30 - 30
Коэффициент морозостойкости не менее 0,75 - 3,60
Таблица 2
Сравнительные технико-экономические показатели
Технология Ед. изм. Расход
«ANT»
Строительно-монтажные работы Руб. 919600
Трудозатраты чел.- час 158,1
Стоимость 1 м2 Руб. 153,3
ПГС
Строительно-монтажные работы Руб. 4953200
Трудозатраты чел.- час 1816, 6
Стоимость 1 м2 Руб. 825,6
При расчете трудозатрат на устройство 1 км дорожной одежды получено:
- с применением технологии «ANT» всего трудозатрат - 158,1 чел. час., в т. ч. рабочие - строители - 18,4 чел. час., механизаторы - 139,7 чел. час.
- вариант с дорожной одеждой из ПГС всего трудозатрат - 1816,6 чел. час., в т. ч. рабочие - строители - 288,6 чел. час., механизаторы - 1528,0 чел. час.
Установлено, что трудозатраты с применением технологии «ANT» в 11 раз меньше, чем при устройстве дорожной одежды из ПГС.
Таким образом, можно сделать вывод о перспективности использования стабилизатора “ANT” как в техническом, так и в экономическом аспектах.
Л и т е р а т у р а
1. Фурсов С. Г. Основные направления в области исследований укрепленных грунтов // Научные исследования и разработки. - М., 2006. - С. 22-23.
2. Безрук В. М. Основные принципы укрепления грун-
тов. - М.: Транспорт, 1987.
3. Попов С. Н., Степанов И. И., Черский И. Н. Оборудование для полусухого прессования мелкоштучных строительных материалов // Неметаллические материалы и конструкции для условий Севера. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1996. - С. 81-87.
4. ГОСТ 26447-85. «Определение прочности на сжатие грунтов». - М.: Изд. стандартов, 1985. - 19 с.
5. ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства». М.: Изд. стандартов, 1997. -13 с.
6. Харченко Е. В., Драчева Т. А., Данилова И. И., Иннокентьева М. Ш. Информационный вестник. Сборник текущих сметных цен на материалы, изделия и конструкции по трем базовым районам Республики Саха (Якутия). Выпуск 3 (10). Книга II. Якутск: ГУП «Региональный центр РС (Я) по ценообразованию в строительстве», 2010. - 216 с.
7. СНиП 2.06.03-85 «Автомобильные дороги». М.: ГОССТРОЙ СССР, 1989.
8. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд». М.: Союздорнии. 2001.
