Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по использованию металлургических шлаков 7
1.2. Краткие сведения по использованию металлургических шлаков для укрепления грунтов 7
1.2. Особенности процессов гидратации и твердения шлаковых вяжущих 16
1.3. Процессы структурообразования в грунтах, укрепленных шлаковым вяжущим 24
1.4. Использование гранулированного молотого шлака Новолипецкого металлургического комбината 31
1.5. Цель и задачи исследования 37
2. Материалы и методики исследований 39
2.1. Применяемые материалы 39
2.2. Методы исследований 42
2.2.1. Методики определения физико-механических характеристик грунтов 42
2.2.2. Методики определения физико-механических свойств битумов 42
2.2.3. Методика определения коррозионной стойкости шлакогрунта 43
2.2.4. Методика определения усилия на отрыв 45
2.2.5. Методика определения силы сцепления 46
2.2.6. Методики определения ИК-спектров, снятие рентгенограмм и математической обработки результатов экспериментов 49
3. Определение физико-механических свойств шлакогрунтовыз композиций 51
3.1. Определение нормальной густоты 51
3.2. Гидравлическая активность шлаков и кинетика набора прочности шлакощелочных вяжущих 52
3.3. Исследования кинетики набора прочности шлакогрунтовых композиций от дозировки шлакового вяжущего 56
3.4. Исследования прочностных свойств грунтошлаковых композиций в зависимости от дозировки шлакового вяжущего 67
3.5 Исследование влияния влажности и величины уплотняющей нагрузки на плотность и прочность шлакогрунта 72
Выводы 79
4. Определение долговечности шлакогрунтовых композиций 81
4.1. Исследование сцепления защитного слоя со шлакогрунтом и установление границ применения для этой цели дорожных битумов .81
4.2. Морозостойкость битумо-шлаковой композиции 87
4.3. Исследование коррозионной стойкости укрепленных оснований в агрессивных средах 93
Выводы 102
5. Практические рекомендации 103
5.1. Технологическая схема устройства шлакогрунтовых оснований .103
5.2. Расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемого материала 106
Общие выводы 108
Список литературы 109
Приложения 119
- Краткие сведения по использованию металлургических шлаков для укрепления грунтов
- Гидравлическая активность шлаков и кинетика набора прочности шлакощелочных вяжущих
- Морозостойкость битумо-шлаковой композиции
- Технологическая схема устройства шлакогрунтовых оснований
Краткие сведения по использованию металлургических шлаков для укрепления грунтов
Начало исследований по разработке методов укрепления грунтов путем введения неорганических вяжущих материалов (портландцемента, извести и т.д.) относится к середине двадцатых годов текущего столетия. Большой вклад в науку по укреплению грунтов внесли труды отечественных ученых [1, 5, 7, 8, 9,50,75,98,100,119, 121].
Впервые научные основы укрепления грунтов были сформулированы профессором Филатовым М.М. [119, 120, 121]. Им было высказано утверждение, что путем активного воздействия на тонкодисперсную часть грунта добавками различных вяжущих веществ можно коренным образом преобразовать и изменить его природные свойства.
Дальнейшее развитие и теоретическое обоснование метода укрепления грунтов нашли в работах В.М. Безрука [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].
Вопрос частичной или полной замены дефицитного и дорогостоящего цемента более дешевым и менее дефицитными отходами промышленности уже давно интересует как исследователей так и строителей. В связи с этим следует отметить работы Мазо М.Г., Силенко А.В., Еленовича А.С. и т.д., в которых доказано, что путем частичной или полной замены цемента в укрепленном грунте самораспадающимися шлаками, а также известково-шлаковым, нефелиновым, сланцезольным и другими низкомарочными вяжущими можно получать материал вполне пригодный для устройства конструктивных слоев дорожных одежд [87, 108, 50].
Первые исследования по укреплению грунтов смесью извести и измельченных доменных гранулированных шлаков были проведены в Днепропетровском инженерно-строительном институте Мазо М.Г. в 1934г. [87]. В своих исследованиях Мазо М.Г. использовал известково-шлаковое вяжущее. Несмотря на то, что молотый доменный шлак применялся довольно грубого помола, испытания показали, что неразмокаемый шлакогрунт получался при добавке к грунту около 15% известково-шлакового вяжущего, а водостойкие -при добавке 25%. Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов нормального твердения из грунта, укрепленного 20% известково-шлакового вяжущего составлял в месячном возрасте 3,9 МПа. Этим самым была доказана возможность использования известково-шлакового вяжущего для укрепления грунтов.
Однако, исследования эти были поверхностные и ограниченные, т.к. в природе производства металлургии существует более 8 тыс. различных шлаков с различными модулями основности и активности. В этих исследованиях не было сделано акцента на классификацию шлаков, пригодных для структурообразующих центров. Помимо этого эти шлаки как самостоятельно укрепляющий агент никогда не выступали, а использовались совместно с катализатором или активатором твердения.
Начиная с конца 30-х годов и на протяжении более 15 лет вопросами использования молотого доменного шлака для укрепления грунтов занимался А.В. Сиденко. [108]. В его исследованиях использовался Кузнецкий кислый гранулированный шлак. В качестве активизаторов твердения к молотому шлаку добавляли 5-15%) извести. Глинистые, илистые, а также песчаные грунты, укрепленные таким известково-шлаковым вяжущем, приобретали высокую прочность не только при сжатии, но и на разрыв и срез. Так при объемном отношении известково-шлакового теста к глине 1:6 пределы прочности образцов водного твердения в месячном возрасте оказались: при сжатии-2,0 МПа, срезе-0,7 МПа и разрыве-0,6 МПа, через 90 дней соответственно 4,9, 1,2 и 1,0 МПа у образцов, изготовленных из двух объемных частей супеси в одной части известково-шлакового теста, предел прочности на сжатие повысился в течение 3 лет 10 месяцев от первоначального RC/K=2,3 до RCyK=9,9 МПа. Шлакогрунтовый материал в воде не давал усадки. Образцы хранившиеся в водной среде 15 лет не показали никаких признаков разрушения. Испытания на морозостойкость не проводили, однако предел прочности на сжатие шлаког-рунтового материала фундаментов через две зимы был высокий и составил 10,5 МПа.
Критерием долговечности материала является морозо-коррозионная стойкость, показатели прочности на сжатие полностью не отражают критерий долговечности. Поэтому исследования, связанные только лишь с определением прочностных физико-механических свойств, могут сказать лишь о пригодности материала к дальнейшим исследованиям. К сожалению, в рассматриваемой работе не указаны режимы уплотнения и полная характеристика грунтов, а испытания и режимы хранения образцов несколько отличаются от методики принятой в дорожном строительстве. Однако в принципе укрепление грунтов указанным способом вполне возможно и в дорожном строительстве.
Долгих П.Д. продолжил работы, начатые Силенко А.В., применив для исследования в качестве вяжущего кислые Кузнецкие доменные шлаки с добавкой к ним известкового теста в количестве 40%) от массы шлака [47,48,49]. Шлак перед употреблением размалывали в шаровой мельнице до тонкости по-мола 300 м /кг. Укреплению подвергали иловые и лессовидные суглинки и супеси; разные пески и глины, а также болотные торфяные образования. К сожалению, в работах Долгих П.Д. нет классификации грунтов и способов их укрепления, однако эффект закрепления грунтов вяжущим материалом, состоящим из молотого гранулированного шлака, извести и воды в соотношении 4:1:0,4:0,6 получен весьма значительный: в возрасте 28 дней от 5 до 8 МПа, причем со временем прочность значительно возрастала.
С целью изучения возможности уменьшения расхода клинкерного цемента в цементогрунте, предназначенном для фундаментов и стен сельских зданий,. Виленкина Н.М в 1963 г. провела экспериментальные исследования по укреплению глинистых грунтов известково-шлаковым вяжущим [37]. Вяжущее состояло из 75%) гранулированного доменного шлака Липецкого завода, 22% извести и 3% гипса. Местное вяжущее готовили совместным помолом в вибромельнице. Удельная поверхность вяжущего ( по Товарову) составила 488 м2/кг. Цилиндрические образцы с высотой и диаметром в 25 мм формовались из шла-когрунтовой смеси оптимальной влажности под нагрузкой в 8,0 МПа в течение 30 секунд. Добавка вяжущего к грунту в количестве 10% обеспечивала предел прочности образцов водного твердения к 28 суточному возрасту 6,0 МПа, а к 90-суточному-8,0 МПа. Результаты исследований, проведенных. Виленки-ной Н.М, показали, что при укреплении грунтов возможна полная замена клинкерных цементов известково-шлаковыми вяжущими.
Дальнейшими исследованиями, проведенными в ПГАСА Калашниковым В.И. и Романенко И.И. установлено, что вяжущее, содержащее доменный шлак и гипс, вызывает внутренние напряжения в материале, что с течением времени приводит к возникновению трещин. Поэтому о долговечности такого материала, где содержатся 3% гипса и 22% извести, а остальное- металлургический шлак можно сказать с натяжкой.
Глуховским В.Д. и Пашковым И.А. изучена и обоснована технология изготовления и свойства шлакощелочных бетонов, в которых заполнителями служат местные грунты, а вяжущим -тонкомолотые гранулированные доменные шлаки, активизированные раствором содо-поташной смеси или другими щелочными соединениями [42, 45, 88]. Авторы указывают, что такие бетоны отличаются от цементных и известково-песчанных отсутствием в их составе кальциевых вяжущих веществ, а также тем, что зерна заполнителя связываются щелочными алюмосиликатами, наряду с которыми возможно появление щелочноземельных силикатных и алюмосиликатных новообразований, содержащих щелочные окислы. Глуховский В.Д. установил, что наиболее пригодными заполнителями для таких бетонов являются овражные пески, менее пригодны легкие суглинки, а тяжелые суглинки непригодны для этой цели. Содержание органических примесей в грунтах не нормируется, так как по мнению автора оно оказывает менее вредное влияние на прочность шлакощелочных бетонов по сравнению с цементными бетонами. Для приготовления таких бетонов применяются гранулированные доменные шлаки, независимо от их химического и минералогического состава, которые измельчаются до удельной поверхности 280-300 м /кг и контролируются по прибору ПСХ-2. Состав таких бетонов колеблется в следующих пределах: грунта - 70-85%, шлака до 15% и щелочного компонента 1-3%. Предел прочности при сжатии их изменяется от 2,0 до 6,0 МПа [42, 45]. Шлакощелочные бетоны по данным. Глуховского В.Д, Пашкова И.А. и Марченко Л.С. обладают рядом преимуществ по сравнению с цементными: более высокой прочностью и морозоустойчивостью, повышенной устойчивостью к попеременному водонасыщению и высушиванию, пониженной водонепроницаемости, а также лучшей коррозионной стойкостью[42, 88, 79]. Технология приготовления шлакощелочного бетона предусматривает смешение смеси в бетономешалках принудительного действия, а уплотнение при помощи вибраторов с частотой колебаний не менее 3000 колебаний в мин) гу. Такой метод обработки грунта более трудоемкий и дорогостоящий, чем технология смешения на месте, которая принята в дорожном строительстве. Кроме того, шлакощелочное вяжущее имеет малый срок схватывания, что затрудняет возможность его применения в дорожном строительстве.
Гидравлическая активность шлаков и кинетика набора прочности шлакощелочных вяжущих
Для оценки способности шлаков самостоятельно образовывать твердеющие структуры без щелочной, гипсовой, известковой активизации были изготовлены образцы шлакового теста нормальной густоты.
Образцы размерами 2x2x2 см после уплотнения на виброплощадке твердели в нормальных условиях, испытания проводили в сроки 1, 3, 7, 14 и 28 суток. Параллельно изготавливались образцы с тремя типами активизаторов: NaOH, жидким стеклом с силикатным модулем 2,3 и содощелочным плавом.
Способность к самостоятельному твердению шлаков проявляется при тонком измельчении и при условии, если шлак является основным с достаточно высоким модулем активности, в результате гидролиза шлаковых частиц и образования гидроокиси кальция происходит взаимодействие последнего с кремне-кислородными тетраэдрами шлакового стекла по месту разрыва связей Si-02.
Однако в нормальных условиях в следствии малой скорости гидролиза реакция протекает очень медленно и сколь -либо значимая прочность набирается в течении одного-трех лет твердения.
Скорость процессов структурообразования шлакощелочных вяжущих, а следовательно, и набора прочности, существенно зависит от химического, минералогического и фазового состава шлаков. Так, с увеличением основности шлака она возрастает, что подтверждается более высокой прочностью вяжущих на основных шлаках твердевших в нормальных условиях в течение 28 суток. Это возможно объяснить особенностями структуры основных шлаков, допускающими существование в стекловидной фазе включений «квазикристаллических» фаз. В стеклах, отвечающих составу доменных шлаков с модулем основности больше 1, содержится примерно 50-70% кристаллитов. Такие фазы выделяются в виде меллилитов и ортосиликатов, обладающих более высокой основностью, чем остаточная часть расплава, и способных выполнять роль кристал-лохимических затравок, интенсифицирующих ускорение конденсационно-кристаллизационных процессов.
В табл. 3.2. приведены результаты набора прочности шлаковых и шлакощелочных вяжущих за 28 суток нормального твердения.
Как видно из табл. 3.2., шлаки литейных производств при затворении водой обладают чрезвычайно низкой активностью. В течении трех-семи суток они практически не твердеют и остаются пастами, лишь шлаки БСМ и ПКМ приобретают прочность соответственно 0,6 и 0,18 МПа, через 28 суток их прочность не превышает 2 МПа. Добавка цемента в количестве 5% практически незначительно повышает активность при твердении. Введение активизаторов в виде содощелочного плава, силиката натрия и комплексного активизатора также не дает существенного прироста прочности, а для шлака БСМ добавка содощелочного плава приводит даже к снижению прочности.
В сравнении со стекловидными шлаками литейных производств гранулированные шлаки ЭТФ и Липецкий очень чувствительны к действию щелочных активизаторов. Так, Липецкий шлак при дозировке Чирчикского содощелочного плава в количестве 12% на сухое вещество от массы шлака хотя и не тверде 56 ет в первые трое суток, но в период от 3 до 7 суток набирает прочность 10 МПа.
Для этого шлака становится эффективна и добавка цемента в количестве 5%, которая ускоряет начальный набор прочности, обеспечивая через 3-е суток 20 МПа и обеспечивает высокую конечную прочность через 28 суток. Шлак ЭТФ хорошо относится к действию едкой щелочи. Предварительные испытания его с добавками силиката натрия, соды и содощелочного плава не дают положительного результата, однако добавление 3% щелочи в пересчете на сухое вещество позволило достигнуть предела прочности на сжатие через 7 суток 2,3 МПа, а через 28 суток-14,8 МПа.
В целом, анализируя результаты таблицы могут быть сделаны следующие выводы:
1. Шлаки литейных производств обладают низкой гидравлической активностью.
2. Шлаки литейных производств характеризуются невысокой способностью к самопроизвольному диспергирование частиц шлака в щелочной среде и в результате не образуют в достаточном количестве коллоидных золей. Доля полных связей в шлаках ТПА, БСМ легко поляризующихся в щелочной среде ниже, чем в шлаках Новолипецкого металлургического комбината и ЭТФ ПО «Фосфор». В связи с этим их термодинамическая активность при затворении щелочными растворами и водой очень низкая.
Морозостойкость битумо-шлаковой композиции
Прочность и долговечность дорожного полотна и конструктивных слоев из укрепленного грунта в значительной мере определяется структурой дорожного покрытия. Из практики эксплуатации линейных сооружений данного типа следует, что для изучения долговечности покрытия и в особенности морозостойкого, структура его должна отвечать следующим требованиям: мелкозернистая и предельно однородная; сильно развитая поверхность раздела между заполнителем и вяжущим, а адгезия между ними должна быть предельно высокой; пористость минимальной. Пористость оказывает большое влияние на долговечность покрытия, так как верхний слой находится постоянно во взаимодействии с водной средой, то роль ее усиливается при взаимодействии знакопеременных температур. После 5 циклов замораживания-оттаивания прочностные показатели снижаются на 50 % и более [1], причем на показатели морозостойкости оказывают существенную роль уплотняющие нагрузки.
Исследования, проведенные рядом авторов [2,3,4] свидетельствуют о повышенной морозостойкости асфальтобетонов с пористостью менее 3 %. Это определяется однородностью структуры, исключает внутренние напряжения от разности коэффициентов линейного температурного расширения материалов. Модифицирование битумом способствует образованию органоминеральных соединений, которые образуют структурно-механический барьер.
Обычные асфальтобетоны не способны с течением времени залечивать трещины, которые возникают в покрытии из-за воздействия температурно-влажностного воздействия и уплотняющего эффекта в результате движения транспорта. Процессы твердения, постоянно происходящие в грунтах, укрепленные шлаком, и взаимодействия продуктов гидратации шлакового вяжущего с грунтом и органическим вяжущим способствуют интенсивному образованию органоминаральных соединений на протяжении всего периода эксплуатации, что приводит к самозалечиванию дефектов структуры.
Для проведения испытаний нами разработана технология по приготовлению бетонов поверхностного слоя дорожной одежды. Содержание компонентов в смеси составляет: шлака Липецкого-20 %, грунта-60 %, активной скелетной составляющей-2% (граншлак или шлаковый песок, активатор твердения-5-8 % от шлака, органическое вяжущее- битум БНД 60/90(содержание 7-10 % от минеральной части ). Уплотнение производили под нагрузкой 10,0; 20,0; 30,0 и 40,0 МПа. Формовались образцы высотой и диаметром 50 мм. Результаты определения пористости образцов в зависимости от уплотняющей нагрузки представлены нарис. 4.4.
Полученные диаграммы подтверждают наши представления, что деструктивные процессы при замораживании-оттаивании не столь значительны. Результаты исследований, представленные на рис. 4.4., свидетельствует, что действие попеременного замораживания и оттаивания незначительно сказываются на изменение пористости. После 100 циклов замораживания-оттаивания изменение пористости составляет от 2 до 5%. Более высокое содержание битума в смеси при одинаковой степени уплотнения приводит к снижению открытой пористости. Так, при содержании битума 10% и величине статического уплотнения 40 Мпа значение открытой пористости составляет 24,5%о, а при содержании битума 7%-27,8. Минимальное содержание битума, исходя из физико-механических свойств, составляет 8-9%.
При разработке поверхностного слоя дорожной одежды, нами оценива лось количество щелочного активизатора вводимого в органическую смесь. Содержание активизатора было принято 5% и 8% от массы молотого шлака. Выбор минимального значения 5% не случаен. Используя предыдущий опыт исследований Волженского А.В., который установил, что содержание щелочного компонента в количестве 5% способствует образованию водорастворимых соединений, нами была принята дозировка 5% [32].
Сравнительные результаты прочности образцов на сжатие проводились после испытания их на морозостойкость. В качестве контрольного был принят образец без щелочного активизатора.
Полученные результаты свидетельствуют, что введение комплексного активизатора NaOH+Na2Si03 в количестве 5%, способствует увеличению прочности при температуре 20С в 1,5 раза, а при введении 8% активизатора прочность возрастает в 2,5 раза. Такая же закономерность наблюдается при испытании образцов с температуре 50С, увеличение прочности по сравнению с контрольным образцом составило 1,2% и 3,2% соответственно при дозировке 5% и 8% активизатора.
Исследуя те же композиции при помощи РЖ-спектроскопии в шлакоби-тумном бетоне найдена органоминеральные соединения, (рис. 4.5.)
В области 3270 см -1 уменьшается полоса поглощения (анализ с исходными материалами), характеризующие свободные колебания гидроксильных групп, то можно предположить, что битум взаимодействует с продуктами гид 92 ратации шлака по схеме: Si-OH+HO-R Si-0-R+H20 Процесс взаимодействия битума со шлаком и его изменением физического состояния характеризуется изменением и сужением полос в области 800-1200 см -1 , при этом происходит образование соединений по следующей схеме: МеО+К-СООН - Ме-О-OCR+H20. Органоминеральные композиции, а именно Me-0-OCR- Si-O-R приводят к созданию структурно-механического барьера. Возникшие кристаллогидраты очевидно уменьшают диаметр пор, что приводит к снижению температуры замерзания воды, и в структуре шлакобитумной композиции при температур -20 С переходит в лед только 50-70 % воды.
На рис. 5.6 приведеш ИК-cneKTps битумо-шлакового композита на основе шлака Новолипецкого металлургического комбината, битума БНД-90/130, активатора NaOH +Na2Si03 после 25, 50 и 100 циклов попеременного замораживания-оттаивания.
Анализ полученных данных свидетельствуют об увеличении содержания кристаллогидратов воды в области 1720-3200 см _1 наблюдается широкая полоса поглощения характерная для валентных колебаний кристаллогидратной воды. Это подтверждает, что шлак при взаимодействии с водой и активаторами твердения гидратирует с образованием кристаллогидратов нерастворимых или малорастворимых в воде. При этом образуются конденсационно-кристаллизационные структуры вокруг зерен граншлака и шлаковых зерен вяжущего.
Отсутствие процессов старения битума в результате сложных физико-химических взаимодействий шлак-битум новообразования свидетельствует интенсивность поглощения в области 1601 см _1, которая не изменяет своей величины.
В зоне поглощения 900-1200см " наблюдается усиление процессов взаимодействия кальция и магния с карбоксильными и гидроксильными группами битума. Кристаллогидраты обладают большой удельной поверхностью, армируют битум не только на поверхности, в порах, трещинах, но и во всем объеме. Этим подтверждается гипотеза о повышенной морозостойкости битумо- шлакового композита.
Технологическая схема устройства шлакогрунтовых оснований
Широкое распространение предложенному методу способствует применение комплексной механизации работ, простота сооружений и дешевизной инженерного сооружения по сравнению с конструкциями укрепленных оснований на основе портландцемента. Получение долговечной конструкции дорожного полотна зависит от правильности выбора исходных материалов, их физико-механических свойств и конечно же от технологических процессов.
Технологический процесс по устройству шлакогрунтового основания состоит из следующих операций:
-отрывка корыта дорожного полотна заданного профиля;
-устройство песчаной подушки, ее увлажнение и уплотнение;
-распределение шлакогрунтовой смеси;
-планировка поверхности смеси
-уплотнение готового слоя.
Рассмотрим работу дорожного комплекса базирующегося на притрассовом карьере. Схема притрассовой базы приведена на рис. 5.1.
Готовят шлакогрунтовую смесь в передвижных смесителях, расположенных в притрассовом карьере. Бульдозером 3 грунт подается в накопительную емкость 2, а далее ленточным транспортером 4 подается в накопитель и дозатор смесителя ДС-320. Из бункера склада 6 молотый шлак подается в дозатор инертных материалов и далее в смеситель 1.
После усреднения смеси подается щелочной активизатор в виде раствора заданной плотности 8. Готовая смесь выгружается в автосамосвал 11 и далее доставляется на участок. Дальность доставки 5-8 км.
Механизация работ планирует широкое привлечение к работе асфальтоукладчиков. Подготовленное основание увлажняют водой поливочной машины из расчета 1,5-2 л на 1 м , что позволит исключить поглощение влаги грунтом основания из грунтошлакобетонной композиции.
Автосамосвалы загружают асфальтоукладчик готовой смесью, который распределяет ее заданной толщины по ширине разгрузочного устройства. Уплотнение первого слоя основания проводится самоходными катками на пнев-моходу за 8 проходов для обеспечения заданной степени уплотнения основания. Второй слой устраивают аналогично первому сразу после устройства первого слоя. Двухслойные основания рекомендовано устраивать для дорог с нормальным и тяжелым автомобильным движением и интенсивностью движения 1000 автомашин в сутки и более.
Для увеличения сцепления основания с покрытием перед его укладкой производится поверхностная обработка основания. Подгрунтовка выполняется горячим битумом БНД 90/130, наносится слой толщиной 7 мм из расчета 0,7 л на м и рассыпается щебень фракций 10-15 мм в количестве 1-1,5 м на 10 м .. После этого конструкция укатывается катком до 3 т и покрывается тонким ело-ем битума из расчета 0,5-1 л/м .
Окончательный слой износа из асфальтобетонной смеси формируется в течение двух недель после поверхностной обработки.
