Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в связи с увеличением интенсивности и скоростей движения, ростом грузонапряженности и осевых нагрузок к прочности, устойчивости и надежности автомобильных дорог предъявляются более жесткие требования.
Большинство дорог, возведенных на земляном полотне и, особенно, высоких насыпях автомобильных дорог преимущественно из неукрепленных глинистых пород, характеризующихся высокой влажностью, повышенной сжимаемостью, а также низкой несущей способностью, теряют свою пропускную способность на 80-90%. При отсутствии в теле высокой насыпи слоев из стабильных материалов и наличие неоднородности в типе грунтов, хаотично перемешанных как по высоте, так и по ширине земляного полотна, традиционные противодеформадионные мероприятия в процессе ремонта в постэксплуатационный период дорожных одежд нередко не дают ожидаемого результата.
Территориальные и административные органы управлених автомобильными дорогами разрабатывают и утверждают стандарты для предприятий, технические условия, методические рекомендации и нормативные документы территориального уровня с учетом характеристик грунтов, материалов дорожных одежд, условий движения транспортных средств И многих других параметров с целью максимальной дифференциации, исходя из особенностей регионов и генетических типов местных глинистых горных пород. В связи с этим переход на строительство конструкций высоких насыпей с использованием грунтоизвесткового композита позволит не только повысить общую устойчивость сооружений, увеличить срок эксплуатации, но и значительно снизить сроки строительства высокой насыпи и объемы земляных работ в целом.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимых по заданию Министерства образования РФ и финансируемых из средств федерального бюджета на 2004—2008 гг.
Цель и задачи работы. Необходимость разработки эффективных грунтоизвестковых композитов на основе глинистых пород КМА для строительства высоких насыпей автомобильных дорог.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение минералогического состава, структурных особенностей и свойств глинистых горных пород региона КМА как сырья для получения грунтоизвестковых композитов;
исследование особенностей структурообразоваыия грунтоизвестковых композитов с использованием известьсодержащих отходов (ИСО) и комплексного грунтоизвесткового вяжущего (КПИВ);
разработка составов и изучение свойств грунтоизвестковых композитов для укрепления земляного полотна и строительства устойчивых конструкций высоких насыпей автомобильных дорог,
модернизация методики расчета устойчивости и разработка теорешче-
ской модели работы конструкции высокой насыпи автомобильной дороги с учетом использования грунтоизвесткового композита;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований в промышленных условиях.
Научная новизна работы. Предложен механизм формирования грунтоизвесткового композита на основе системы «глинистые породы незавершенной стадии минералообразований - ИСО», заключающийся во взаимодействии активного компонента глинистых пород, представленного реігггеиоаморфньїм веществом, состоящим из смешанослойных глинистых образований, с Са(ОН)г, обеспечивающего протекание реакций пущюла-нового типа в данной полиминеральной системе.
Выявлена модель микроструктурных трансформаций в системе «глинистая порода - перемещенный глинистый грунт - грунтоизвестковый композит», заключающаяся в наследовании структурных элементов глинистого грунта и упрочнении его известковым компонентом с образованием прочного каркаса грунтоизвесткового композита. Это позволяет на стадии выбора сырья, выявляя глинистые породы с оптимальным минералогическим составом, регулировать структурообразование грунтоизвесткового композита.
Установлен характер распределения частиц по размерам в системе «глинистая порода - комплексное грунтоизвестковое вяжущее». Для перемещенного глинистого грунта характерным диапазоном распределения пиков содержания частиц по размерам является 2,7-24,4 мкм, что объясняется содержанием в нем большого количества пылеватых и глинистых зерен. Известьсодержащие отходы характеризуются ярко выраженными пиками в диапазоне 99—261 мкм, что можно объяснить агрегацией активных фаз ИСО. Кривая гранулометрического состава КГИВ-30 имеет характерные пики в диапазоне 16,3-29,8 мкм; при этом для КГИВ-50 характерны пики в диапазоне 6,01-16,3 мкм, что оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры грунтоизвесткового композита, вследствие гомогенизации и механоактивации КГИВ, и, как следствие, синтеза до-рожно-строитеяьных материалов с более прочной структурой.
Предложен алгоритм расчета конструкции высокой насыпи автомобильной дороги с использованием метода конечных элементов в зависимости от типа глинистых пород, вида вяжущего и состава грунтоизвесткового композита, заключающийся в определении свойств грунтов (числа пластичности, содержания фракции менее 0,005 мм, естественной и относительной влажности), теоретическом подборе составов грунтоизвесткового композита (ГИК), выборе вида вяжущего, определении физико-механических характеристик полученных ГИК и определении расчетных параметров ГИК на основании данных стабилометрпи. Разработана теоретическая модель работы конструкции высокой насыпи па основе грунтоизвесткового композита, заключающаяся в установлении характера распределения возникающих напряжений в теле насыпи в зависимости от гео-
метрических И прочностных параметров, характера нагружения и условий работы высокой насыпи. На основе полученных результатов моделирования доказана устойчивость разработанной модели конструкции высокой насыпи.
Практическое значение работы. Разработаны составы грунтоиз-вестковой смеси на основе глинистого сырья региона КМА и ИСО для использования при строительстве устойчивых конструкций высоких насыпей земляного полотна автомобильных дорог.
Установлена возможность активации вяжущих свойств известьсодер-жащих отходов путем получения комплексного грунтоизвесткового вяжущего на основе глинистых грунтов, низкоактивного известьсодержащего компонента, суперпластификатора и их совместной дезинтеграции.
Составлены технические условия цо использованию комплексного грунтоизвесткового вяжущего при производстве грунтоизвестковых композитов для дорожного строительства.
Разработаны составы грунтоизвесткового композита на основе комплексного грунтоизвесткового вяжущего. Изучение свойств полученного вяжущего и грунтобетонов на его основе показало возможность получения более плотных и прочных структур материала с уменьшением водопотреб-ности формуемых смесей. Предложены области рационального использования КГИВ,
Предложена технология строительства устойчивых конструкций высоких насыпей автомобильных дорог с использованием грунтоизвесткового композита на основе тинистых пород и ншкоактивных швестьсодержа-щих отходов.
Внедрение результанте исследований. Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве автомобильных дорог разработаны следующие нормативные документы:
технические условия на «Комплексное грунтоизвестковое вяжущее» ТУ 5744-001-02066339-2006;
рекомендации по использованию глинистых пород КМА для производства грунтоизвестковых композитов;
технический регламент на «Производство грунтоизвестковых композитов с использованием глинистых грунтов КМА и комплексного грунтоизвесткового вяжущего для строительства устойчивых конструкций высоких насыпей».
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270205 и 270106, что отражено в учебных программах дисциплин «Дорожно-строительные материалы и изделия», «Изыскания и проектирование автомобильных дорог», «Технология и организация строительства автомобильных дорог», «Инженерные сооружения в транспортном строительстве», «Инженерная геология».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на международных конгрессах «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2003, 2005); II Международной научно-практической конференции «Экологии: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004); Международной научно-практической конференции «Наука н технология строительных материалов: состояние и перспективы развития» (г. Минск, 2005).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в двенадцати научных публикациях, в том числе в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 255 страницах машинописного текста, включающего 34 таблицы, 73 рисунка и фотографий, список литературы из 183 наименований, 8 приложений.
