CC BY
53
УДК 691:624.138
П. Е. Буланов, А. Р. Гимазов, И. Р. Замалиев, Е. А. Вдовин, Л. Ф. Мавлиев
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА НА СВОЙСТВА
УКРЕПЛЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА
Ключевые слова: глинистый грунт, каолинит, монтмориллонит, реликтовые минералы.
В работе представлены результаты исследования основных физико-технические свойства укрепленных цементом суглинка легкого пылеватого с содержанием реликтовых минералов более 85 %, каолиновой глины с содержание минерала каолинита до 95 % и бентонитовой глины содержанием минерала монтмориллонита до 70 %>.
Keywords: clay soil, kaolinite, montmorillonite, relict minerals.
The results of research of the basic construction and technical properties of hardened by cement are the following: silty loam lung with content of relict minerals more than 85%, kaolin clay with content of kaolinite mineral up to 95%, ben-tonite clay with content of montmorillonite mineral 70%.
Введение
Физико-технические свойства цементогрунтов во многом зависят от условий происхождения (генезиса) глинистых грунтов, их минералогического, химического и гранулометрического состава [1].
Глинистые грунты имеют широкий спектр минералогического состава и состоят из различных видов глинистых и неглинистых минералов [2, 3]. Они представляют собой продукт выветривания полевошпатовых и некоторых других силикатных пород, состоят преимущественно из монтмориллонита, каолинита и гидрослюд с примесью в основном реликтовых минералов - кварца, слюды, вторичного кальцита, опала и др. Наибольшее распространение в грунтах среди глинистых минералов имеют каолинит и монтмориллонит. Каолинит - относительно стойкий минерал, содержащийся в довольно большом количестве во многих глинистых грунтах (Al2O3^2SiO2^2H2O). Второй наиболее встречающийся глинистый минерал - монтмориллонит (2Al2O3^2SiO24H2O). Он образуется в условиях щелочной среды в морских осадках и в коре выветривания. Относится к подклассу слоистых силикатов, обладает способностью к сильному набуханию [4].
По минеральному составу глинистые грунты принято подразделять на мономинеральные (каолиновые, монтмориллонитовые, иллитовые и т.п.) и полиминеральные, состоящие из различных глинистых и реликтовых минералов [5, 6].
Повышение прочности цементогрунта происходит в результате физико-химических реакций между грунтом и вяжущим, т.е. взаимодействия веществ, присутствующих в грунтовых минералах, и продуктов гидратации портландцемента (ПЦ) [7]. При этом более высокая плотность и прочность достигается за счет уменьшения пустот, связывания грунтовых частиц и их агрегации, сохранения флокуляционной структуры и предотвращения набухания грунта [8].
Согласно D.T. Bergado, L.R. Anderson, N. Miura, A.S. Balasubramaniam [9] существует две основные химические реакции, которые регулируют физико-механические свойства цементогрунтов: первичная реакция гидратации между цементом и водой, вто-
ричная пуццолановая реакция между портландитом, возникшим в результате гидратации ПЦ, и глинистыми минералами. Реакция гидратации приводит к образованию первичных продуктов гидратации ПЦ, что обосновывает относительно высокую прочностью и морозостойкость цементогрунта. Вторичная пуццолановая реакция возникает, когда концентрация Са(ОН)2 достигает в поровой воде определенного предела [9, 10]. Возможно, пуццолановая реакция происходит между присутствующими в глине оксидами кремния и алюминия с ионами кальция в ПЦ, образовывая гидроалюминаты кальция, гидросиликаты кальция и гидроалюмосиликаты кальция [11].
D.T. Bergado, L.R. Anderson, N. Miura, A.S. Balasubramaniam [9] предположили, что зависимость предела прочности на сжатие (R^) от содержания ПЦ разделяется на 3 зоны: неактивная зона, активная зона, нейтральная или полунейтральная зона, как показано на рисунке 1. Данная закономерность согласуется с результатами и ряда других ученых [12-14]. Однако, K.Q. Lin и I.H. Wong [15] установили параболическую зависимость между пределом прочности на сжатие цементогрунта и содержанием ПЦ (рис. 2).
В научных трудах American Concrete Institute [16] (рисунок 3), показана линейная зависимость изменения прочности цементогрунта от содержания портландцемента. Наибольший прирост прочности материала достигается при увеличении дозировки цемента и увеличении крупности заполнителя. В глинистых грунтах наблюдается меньшая зависимость прочности от расхода ПЦ в сравнении с песчаными и скальными. Нижний график соответствует прочности цементогрунта с мелкими частицами (глинистый грунт), верхние - цементогрунта с большими размерами частиц (песчаные, скальные). При этом из графика видно, что прочность материала на глинистом грунте соответствует закономерности Ic=40*C (Ic - предел прочности на сжатие, С -расход ПЦ).
В рассмотренных работах зависимость предела прочности на сжатие от расхода ПЦ отличаются друг от друга в значительной степени. Поэтому, целью данного исследования является установление
зависимости влияния расхода ПЦ на предел прочности при сжатии укрепленных глинистых грунтов различного минералогического состава и определение основных физико-технических свойств цемен-тогрунтов с оптимальным содержанием вяжущего.
Рис. 1 - Зависимость предела прочности на сжатие укрепленных грунтов от содержания портландцемента по данным D.T. Bergado, L.R. Anderson, N. Miura, A.S. Balasubramaniam
Рис. 2 - Зависимость предела прочности на сжатие укрепленных грунтов от содержания портландцемента по данным K.Q. Lin и I.H. Wong
р4
Расход цемента, %
Рис. 3 - Зависимость предела прочности на сжатие укрепленных грунтов от содержания портландцемента по данным American Concrete Institute
Экспериментальная часть
Для исследований использованы следующие глинистые грунты.
1) Суглинок легкий пылеватый (СГ) Саха-ровского месторождения Алексеевского района Республики Татарстан с числом пластичности 11,62 и содержанием песчаных частиц 8,38 %,pH водной вытяжки 8,7. Содержание реликтовых минералов более 85 % (52,49 % кварца).
2) Каолиновая глина (КГ) Самарской области с числом пластичности 18,07 и содержанием песчаных частиц 6,02 %, pH водной вытяжки 8,3. Содержание минерала каолинита до 95 %.
3) Бентонитовая глина (БГ) Биклянского карьера Тукаевского района Республики Татарстан с числом пластичности 22,32 и содержанием песчаных частиц 8,00 %, pH водной вытяжки 8,3. Содержанием минерала монтмориллонита до 70 %.
В качестве вяжущего применялся ПЦ ЦЕМ I 42,5Н ЗАО «Ульяновскцемент». Расход ПЦ составил от 2 % до 50 % от массы грунта. Воду добавляли в цементогрунтовые смеси до достижения образцов максимальной плотности и оптимальной влажности. Определение прочности на сжатие цементогрунтов производилось на водонасыщенных в течение 2 суток образцах размером 10х10х10 см.
Результаты исследований приведены на рисунках 4.
Из рисунков 4 видно, что в исследуемых цемен-тогрунтах повышение прочности наблюдается с увеличением расхода ПЦ. Однако, интенсивность повышения прочности во всех трех рассматриваемых цементогрунтах различна. Полученные результаты имеют наибольшее сходство с зависимостью D.T. Bergado, L.R. Anderson, N. Miura, A.S. Balasubramaniam [9], в которых представлены 3 зоны активности вяжущего в цементогрунтах, т.е. зоны влияния количества ПЦ на прочность цементо-грунта.
ЦСГ .
. ■ ЦБГ
Ь 8 10 14 Ii*. Di ЗЛ 34 36 3fi 30 33 34 36 4t) 43 44 46
Рк»шПЦ,Ч
Рис. 4 - Зависимость предела прочности на сжатие укрепленных суглинка легкого пылеватого, бентонитовой глины и каолиновой глиныот содержания портландцемента
Анализ графиков показал, что в суглинке легком пылеватом, укрепленном ПЦ (ЦСГ) малоактивной зоне соответствует участок кривой с расходом вя-
жущего 2-6 %, активной зоне - 6-14 %, полунейтральной - более 14 %.
В каолиновой глине, укрепленной ПЦ (ЦКГ) малоактивной зоне соответствует участок кривой с расходом вяжущего 2-10%, активной зоне - 10-26%, полунейтральной - более 26%.
В бентонитовой глине, укрепленной ПЦ (ЦБГ) неактивной зоне соответствует участок кривой с расходом вяжущего 2-10%, малоактивной зоне - 1016%, активной зоне - 16-32%, полунейтральной -более 32%.
Поэтому, для дальнейших исследований приняты следующие оптимальные расходы ПЦ: для ЦСГ - 6, 10 и 14%, для ЦКГ - 10, 18 и 26%, для ЦБГ - 16, 24 и 32%. Определены основные физико-технические свойства рассматриваемых цементогрунтов и це-ментогрунтовых смесей с оптимальными расходами ПЦ. В таблице 1 представлены результаты определения оптимальной влажности ^опт) и максимальной плотности (ртах), предела прочности на сжатие (Иож), предела прочности на растяжение при изгибе ^изг) и коэффициента морозостойкости (для ЦСГ -15 циклов замораживания-оттаивания, для ЦКГ и ЦБГ - 10 циклов).
Исследовано влияние расхода ПЦ на показатели водопоглощения и пористости образцов ЦСГ, ЦКГ и ЦБГ (табл. 2).
По представленным в таблицах 1 и 2 результатам испытаний видно, что рассматриваемые глинистые грунты, укрепленные добавкой ПЦ, обладают относительно невысокой марочной прочностью, при этом даже для достижения таких результатов требуется большой расхода вяжущего.
Таблица 1 - Основные физико-технические свойства цементогрунтовых смесей и цементогрунтов
Наименование цементогрунта Расход ПЦ, % % % н 8 £ СП м о и й В а й о 1 Р4 е-
6 15,02 1,90 1,08 0,31 Разр.
ЦСГ 10 13,81 1,92 2,90 0,56 0,28
14 12,29 1,95 4,44 0,81 0,50
10 24,04 1,55 0,79 0,17 Разр.
ЦКГ 18 22,11 1,6 2,21 0,54 Разр.
26 20,22 1,66 3,59 0,9 0,21
16 24,11 1,56 0,49 0,14 Разр.
ЦБГ 24 21,88 1,59 1,87 0,32 Разр.
32 19,92 1,64 3,33 0,60 Разр.
Морозостойкость образцов не соответствует требованиям во всех испытанных цементогрунтах и при различных расходах ПЦ. Образцы обладают высоким водопоглощением, и соответственно высокой пористостью, что отрицательно влияет на морозостойкость и прочность образцов. Проведенные исследования подтвердили, что получение качественных дорожно-строительных материалов из укрепленных цементом грунтов возможно только
при помощи введения в их состав различных модифицирующих добавок.
Таблица 2 - Показатели водопоглощения и пористости цементогрунтов
Наименование цементогрунта Расход ПЦ Средняя плотность образцов, г/см3 Полный объем пор, % Водопоглощение по массе, % Водопоглощение по объему, % Объем открытых капиллярных пор, % Объем открытых некапиллярных пор, % Объем условно-закрытых пор, % Показатель микропористости
ЦСГ 6 1,90 23,39 10,08 19,15 19,15 0,41 3,83 0,28
10 1,92 23,20 8,33 15,99 15,99 0,34 6,87 0,25
14 1,95 22,62 7,06 13,79 13,79 0,22 8,61 0,22
ЦКГ 10 1,55 33,48 16,43 25,47 25,47 1,38 6,63 0,36
18 1,60 31,91 14,04 22,46 22,46 1,27 8,18 0,34
26 1,66 30,25 11,76 19,52 19,52 1,17 9,56 0,31
ЦБГ 16 1,56 34,18 19,91 31,06 31,06 2,45 0,67 0,38
24 1,59 33,19 17,74 28,21 28,21 2,11 2,87 0,37
32 1,64 31,17 14,50 23,78 23,78 1,86 5,53 0,35
Обсуждение результатов
При укреплении глинистых грунтов цемент выступает как структурообразователь и является основным компонентом смеси, обеспечивающим создание кристаллизационной структуры материала. При формировании этой структуры происходит коренное, качественное изменение природных свойств грунта [1].
Введение в глинистый грунт цемента приводит к значительному уменьшению количества макропор за счет заполнения продуктами гидратации пространства между грунтовыми агрегатами, что в свою очередь приводит к уменьшению проницаемости материала [17].
Грунты с высоким содержанием глинистых минералов тяжело поддаются укреплению из-за склонности к комкообразованию [18]. Это подтверждается проведенными экспериментами, в которых установлено, что прочностные показатели ЦСГ выше показателей ЦКГ и ЦБГ при введении одинакового количества ПЦ.
Неактивная или малоактивная зона в ЦСГ, ЦКГ и ЦБГ соответствует малым расходам вяжущего, что возможно связано с неравномерным распределением ПЦ в глинистых грунтах, а также низкой прочностью грунтовых агрегатов, поверхность которых не взаимодействует с продуктами гидратации. При во-донасыщении прочность грунтовых агрегатов снижается и под действием внешних нагрузок цементо-грунт легко разрушается.
Активная зона является наиболее рациональной и эффективной: показатели свойств достигают высоких значений без излишнего расхода цемента. Вероятно, это связано с достаточным количеством вяжущего и воды для создания прочной кристаллизационной структуры и равномерным распределением вяжущего по поверхности агрегатов грунта.
В нейтральной или полунейтральной зоне наблюдается снижение интенсивности роста прочности в отличие от активной зоны. Возможно, это связано с невысокой прочностью грунтовых агрегатов в сравнении с традиционными заполнителями -песком и щебнем, что не позволяет создать прочный каркас в получаемом материале.
Выводы
1. Установлены зоны наибольшей активности вяжущего в цементогрунтах различного минерального состава, позволяющие наиболее эффективно расходовать вяжущее с получением больших показателей качества.
2. Определены основные физико-технические свойства цементогрунтов на основе суглинка легкого пылеватого, каолиновой и бентонитовой глины.
3. Выявлено, что использование только портландцемента при укреплении грунтов недостаточно для достижения высоких физико-технических свойств, а, следовательно, получение качественных дорожно-строительных материалов возможно только при помощи введения в состав различных модифицирующих добавок.
Литература
1. Безрук В.М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. М.: Транспорт, 1971. 247 с.
2. Bell F.G. Lime stabilization of clay minerals and soils // Engineering Geology. 1996. № 42. Р. 223-237.
3. Грим Р.Е. Минералогия глин. М.: Издательство иностранной литературы, 1959. 452 с.
4. Минке Г. Глинобетон и его применение. Калининград : ФГУИПП «Янтарный сказ», 2004. 232 с.
5. Шелихов Н.С., Рахимов Р.З. Строительные материалы из местного карбонатного сырья. М.: Издательство КГАСУ, 2015. 324 с.
6. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Стоянов О.В. Глинистые пуццоланы. Часть 1. Обзор // Вестник технологического университета. 2016. № 1 (19). С. 5-13.
7. Chen H., Wang Q. The behavior of organic matter in the process of soft soil stabilization using cement // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2006. № 65(4). P. 445-448.
8. Balasubramaniam A.S., Buessucesco B., Yan-Nam Erwin Oh, Bolton M.W., Bergado D.T., Lorenzo G.A. Strength degradation and critical state seeking behaviour of lime treated soft clay // Deep Mixing. 2005. № 5. С. 35-40.
9. Bergado D.T., Anderson L.R., Miura N., Balasubramaniam A.S. Improvement of soft ground in lowland and other environments. ASCE Reston, 1996. 427 p.
10. Xiao H.W., Lee F.H. Curing time effect on behavior of cement treated marine clay // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2008. № 33. P. 71-78.
11. Solanki P. Zaman M. Microstructural and mineralogical characterization of clay stabilized using calcium-based stabilizers // Scanning electron microscopy. 2012. № 38. P. 771798.
12. Tatsuoka F., Kobayashi A. Triaxial strength characteristics of cement-treated soft clay / Proc. 8th of ECSMFE. Vol. 8. № 1. 1983. P. 421-426.
13. Bouazza A., Kwan P.S., Chapman G. Strength properties of cement treated coode Island silt by the soil mixing method // Geotechnical engineering for transportation projects. 2004. № 126 (2). P. 1421-1428.
14. Kim W.-S., Tam N.M., Jung D.-H. Experimental studyon strength of cement stabilized clay // Journal of engineering. Design and technology. 2005. № 2(3). P. 116-126.
15. Lin K.Q., Wong I.H. Use of deep cement mixing to reduce settlement at bridge ap proaches // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1999. Vol. 125 № 4. P. 309-320.
16. ACI 230.1R-09: Report on Soil Cement / ACI Committee. 2009. 28 p.
17. Sasanian S. The behavior of cement stabilized clay at high water contents / A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. Ontario: The school of graduate and postdoctoral studies the university of western ontario London. 2011. 82 p.
18. Bone B.D. Review of scientific literature on the use of stabilisation/solidification for the treatment of contaminated soil, solid waste and sludges. UK : Environment Agency. 2004. 343 p.
© П. Е. Буланов - ассистент КГАСУ, f_lays@mail.ru; А. Р. Гимазов - студент КГАСУ, albertgimazov@mail.ru; И. Р. Замали-ев - студент КГАСУ, zamaliev.ilham@gmail.com; Е. А. Вдовин - кандидаттехн. наук, доц. КГАСУ, vdovin007@mail.ru; Л. Ф. Мавлиев - канд. техн. наук, ст. препод. КГАСУ, lenarmavliev@yandex.ru.
© P. E. Bulanov - assistant KSUAE, f_lays@mail.ru; A. R. Gimazov - student KSUAE, albertgimazov@mail.ru; I. R. Zamaliev -student KSUAE, zamaliev.ilham@gmail.com; E. A. Vdovin - candidate of technical sciences, associate professor, vdovin007@mail.ru; L. F. Mavliev - candidate of technical sciences, senior lecturer, lenarmavliev@yandex.ru.
