Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Основные способы укрепления грунтов в дорожном строительстве 10
1.2. Характерные особенности глинистых грунтов как сырья для получения грунтобетонов 17
1.3. Применение стабилизаторов для укрепления грунтов 28
1.4. Процессы структурообразования в грунтобетоне 34
1.5. Выводы 40
2. Методы исследований 42
2.1. Определение физико-механических свойств глинистых пород и материалов на их основе 42
2.2. Методика получения образцов грунтобетона 45
2.3. Методы изучения фазового состава и микроструктурных особенностей сырьевых материалов и грунтобетонов на их основе . 47
2.4. Выводы 51
3. Характеристика сырьевых компонентов грунтобетона 52
3.1. Состав и генетические особенности глинистых пород КМ А . 53
3.2. Анализ особенностей применяемых стабилизаторов грунтов . 72
3.3. Физико-химические свойства «Дорзина» 75
3.4 Молекулярный состав «Дорзина» 77
3.5 Зависимость адсорбционных свойств глинистых пород от минерального состава 81
3.6 Выводы 103
4. Свойства грунтобетонов в зависимости от вида сырья, содержания стабилизатора и вяжущего . 105
4.1. Влияние стабилизатора на компоненты грунтобетонной смеси 105
4.2. Анализ физико-механических характеристик грунтобетона в зависимости от состава 113
4.3. Микроструктурные особенности грунтобетонов в присутствии стабилизатора 125
4.4. Проектирование состава грунтобетона 130
4.5. Выводы 134
5. Технология устройства слоя основания с использованием стабилизатора грунта 136
5.1. Расчет конструкций дорожных одежд 136
5.2. Особенности технологии устройства слоя основания из грунтобетона с использованием стабилизатора грунта 139
5.3. Технико-экономическое обоснование целесообразности использования разработанных грунтобетонов в дорожном строительстве 150
5.4. Выводы 159
Общие выводы 161
Библиографический список 164
Приложения 173
- Основные способы укрепления грунтов в дорожном строительстве
- Состав и генетические особенности глинистых пород КМ А
- Анализ физико-механических характеристик грунтобетона в зависимости от состава
- Расчет конструкций дорожных одежд
Введение к работе
Создание равнопрочного альтернативного конструктивного элемента дорожной одежды или снижение материалоемкости с учетом увеличения прочностных характеристик без потери несущей способности и других эксплуатационных свойств является одной из целей повышения эффективности строительства автомобильных дорог. Одним из практических путей достижения данного положения является широкомасштабное применение при устройстве слоя основания стабилизированных глинистых грунтов.
Во многих регионах Российской Федерации наблюдается дефицит, а также высокая стоимость традиционных каменных материалов, что вызывает увеличение общей стоимости объекта строительства. В связи с этим перспективным направлением является разработка составов грунтобетона на основе местных глинистых пород с учетом их генетических особенностей для повышения водостойкости, морозостойкости и прочностных характеристик композита в целом.
Рабочей гипотезой данных исследований является создание материала рациональной структуры путем стабилизации за счет консолидирующего и гид-рофобизирующего действия низкомолекулярных органических комплексов на алюмосиликатную слоистую составляющую в системе «глинистый грунт - стабилизатор органического происхождения» с учетом минерального состава глинистых пород различных генетических типов.
Вовлечение местных сырьевых материалов при строительстве конструктивных элементов дорожных одежд в настоящее время обусловлено увеличивающимися объемами строительства в связи с реализацией национальной программы «Модернизация и развитие автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года».
Применение стабилизированных глинистых грунтов позволит получать композиционный материал для устройства основания дорожной одежды на автомобильных дорогах IV технической категории в III—IV дорожно-климатических зонах, исключив дорогостоящий щебень, расширив сырьевую базу дорожных грунтобетонов и снизив объемы работ по устройству земляного полотна.
Диссертационная работа выполнена в рамках: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» мероприятия 1.3 «Регулирование агрегативной устойчивости и рео-
5 логических свойств концентрированных минеральных суспензий гиперпластификаторами»; тематического плана госбюджетных НИР мероприятия 1.3.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по тематике «Утилизация отходов горнодобывающих предприятий в дорожном строительстве», а также хоздоговорных работ по тематике «Применение природного и техногенного сырья в дорожном строительстве на 2009-2011 гг.».
Цель работы. Разработка эффективных грунтобетонов на основе глинистых пород с использованием стабилизатора для дорожного строительства.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: изучение основных свойств, минерального состава и микроструктурных особенностей глинистых пород региона КМА как стабилизируемого материала; изучение механизма действия стабилизатора «Дорзин» в зависимости от минерального состава и генетических особенностей глинистых пород; определение рационального состава композита, содержащего глинистую породу, цемент и стабилизатор «Дорзин» для устройства оснований автомобильных дорог IV технической категории; промышленная апробация результатов работы, подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы. Разработаны принципы повышения эффективности грунтобетонов в качестве конструктивных слоев дорожных одежд на основе глинистого сырья с учетом видового состава породообразующих минералов путем предварительной стабилизации алюмосиликатного вещества низкомолекулярными органическими комплексами и последующего консолидирования цементом. Структурообразование глинистой составляющей полиминеральных осадочных пород при взаимодействии со стабилизатором обусловлено блокированием активных гидрофильных центров ультрадисперсных индивидов слоистых алюмосиликатов, что приводит к снижению катионной емкости и повышению гидрофобности. Использование стабилизатора (ионного закрепителя) способствует уменьшению расхода цемента при получении грунтобетона для дорожного строительства при сохранении технико-эксплуатационных характеристик.
Выявлен характер влияния кристаллохимических особенностей глинистых минералов на формирование стабилизированного органо-глинистого композита, заключающийся во взаимодействии через водородные связи: иллитовая и каолинитовая компоненты грунтов стабилизируются по микрокомпозиционному механизму, смектитовая - по интеркаляционному, перефирийному и микрокомпозиционному механизмам. Эффективность воздействия органических комплексов на породообразующие минералы находится в прямой зависимости от структурно-химической природы слоистых алюмосиликатов и снижается в ряду: рентгеноаморфные фазы -> смектит -> смешанослойные образования -> иллит -> хлорит -> каолинит. При этом катионная емкость является интегральной характеристикой, применение которой позволяет при экспресс-оценке выявить степень эффективности структурообразования стабилизированного грунта. Предложенная схема является прогнозной основой использования ионных закрепителей для создания высокоэффективных стабилизированных грунтобетонов для дорожного строительства.
Предложена феноменологическая модель механизма структурообразования композита в системе «глинистое полиминеральное вещество - ионный закрепитель - цемент - вода» с учетом взаимодействия низкомолекулярных органических комплексов со слоистыми алюмосиликатами. Формирование органо-глинистого композита включает в себя процессы аккумуляции органических комплексов частицами глинистых минералов и гидратацию цемента. Аккумуляция органо-комплексов смектитами приводит к уменьшению гидрофильности грунтов и снижению емкости катионного поглощения, что положительно влияет на гидратацию цемента в присутствии глинистого минерала. Образовавшиеся глинистые микрокомпозиты совместно с каркасными минералами выступают в качестве заполнителя и микронаполнителя при формировании грунтобетона. Скрытокристаллические (рентгеноаморфные) алюмосиликатные фазы являются активным пуццолановым компонентом, связывающим свободный портландит на больших сроках твердения. Совокупность описанных процессов приводит к трансформации конденсационной структуры смеси в кон-денсационно-кристаллизационную структуру дорожного композита.
Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по применению стабилизатора «Дорзин» при производстве грунтобетонов на основе глинистых пород КМА различных генетических типов для дорожного строительства.
Предложены составы грунтобетонов с применением стабилизатора «Дор-зин» для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, позволяющие получать строительный материал различных марок по прочности (М40-М60) и морозостойкости (F10-F25). Доказано снижение содержания цемента в грунтобетонной смеси на 30-40% по сравнению с бездобавочными составами без изменения прочностных показателей конечного композита при использовании стабилизатора «Дорзин» и параллельное повышение показателей водо- и морозостойкости.
Разработаны номограммы по определению требуемого количества цемента для получения грунтобетонов заданной марки на основе стабилизированных исследуемых пород исходя из условий прочности и морозостойкости.
Предложена технология устройства слоя основания дорожной одежды на автомобильной дороге IV технической категории из грунтобетона с использованием высокопроизводительной грунтосмесительной машины.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на участке нового строительства протяженностью 1,55 км при реконструкции автомобильной дороги «Короча -Губкин - Горшечное» в Корочанском и Губкинском районах Белгородской области.
Для внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы: стандарт организации СТО 02066339-002-2011 «Стабилизированные глинистые грунты КМА для дорожного строительства»; рекомендации по применению стабилизатора «Дорзин» при устройстве слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМА; технологический регламент на устройство слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМА.
Результаты исследований по разработке состава грунтобетона приняты ГУ «Управление автомобильных дорог общего пользования и транспорта Белгородской области» для реализации долгосрочной областной целевой программы «Совершенствование и развитие дорожной сети в Белгородской области на 2011-2013 годы» в разрезе подпрограмм: «Строительство автодорог с твёрдым покрытием по населённым пунктам» и «Строительство подъездов к микрорай-
8 онам индивидуального жилищного строительства и животноводческим комплексам».
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профилям «Автомобильные дороги и аэродромы» и «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100.68 «Строительство» магистерским программам «Архитектурно-строительное материаловедение» и «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и инженеров по специальностям 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на региональных, всероссийских и международных научно-практических и научно-технических конференциях: «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007, 2010, 2011), «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008), «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Харьков, 2008), «Новые энер-го- и ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2008), «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009), «Ломоносов» (Москва, 2009), «Строительство-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г.Губкин, 2009, 2010) и «Молодая мысль: наука, технологии, инновации» (Братск, 2009, 2010 гг.).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в девяти научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На состав грунтобетона получен патент RU 2392244 С1, приоритет от 02 апреля 2009 г. На технологию получения грунтобетонов получено положительное решение о выдаче патента от 19 октября 2011 г. по заявке № 2010108582, приоритет от 9 марта 2010 г.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 202
9 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 30 таблиц, список литературы из 115 наименований, 14 приложений. На защиту выносятся: - теоретические принципы повышения эффективности грунтобетонов на ос нове глинистого сырья с учетом состава породообразующих минералов с ис пользованием стабилизатора грунта; -характер влияния кристаллохимических особенностей глинистых минералов на формирование стабилизированного органо-глинистого композита; - феноменологическая модель механизма структурообразования композита в системе «глинистое полиминеральное вещество - ионный закрепитель - це мент - вода»; -составы грунтобетона на основе глинистых пород КМА, стабилизатора «Дорзин» и цемента; номограммы по определению требуемого количества цемента для получения грунтобетонов заданной марки на основе исследуемых пород исходя из условий прочности и морозостойкости; конструкция дорожной одежды и технология устройства слоя основания из грунтобетона для автомобильной дороги IV технической категории; результаты внедрения.
Основные способы укрепления грунтов в дорожном строительстве
Актуальность внедрения инновационных технологий в дорожном строительстве обуславливает ряд факторов, таких как, континентальный характер климата с большим перепадом температур, сложные геологические условия большей части территорий Российской Федерации и стран СНГ и само состояние дорог, большинство из которых рассчитаны на более низкие нагрузки и интенсивность движения. Тенденция роста интенсивности транспортного потока исчерпала несущую способность дорожной одежды, вызывая необходимость в частых ремонтах, проведении реконструкции ранее проложенных и строительстве новых участков дорог, отвечающих требованиям, предъявляемых действующими в настоящее время нормативными документами [1].
Специфика строительства автомобильных дорог предполагает использование различных каменных материалов, расход которых при строительстве дорог может составлять до 3-4 тыс. м на 1 км дороги [2]. Дефицит данных материалов в отдельных районах строительства вызывает необходимость их транспортировки из удаленных карьеров, увеличивая себестоимость строительства из-за высокой доли транспортных расходов. Указанное обстоятельство является главной причиной значительного удорожания дорожного и аэродромного строительства и замедления темпов производства работ.
Необходимость снижения материально-технических затрат в дорожном строительстве ставит задачу максимального использования грунтов, улучшенных различными добавками. Характер и уровень изменения свойств тесно связаны с исходными характеристиками сырьевого материала, химическими реакциями и физико-химическими процессами в смесях [3,4].
Под укреплением грунтов понимается комплекс мероприятий, направленных на создание, по существу, новых строительных материалов с новыми физико-механическими свойствами по сравнению со свойствами исходных грунтов [5]. Укрепленный грунт представляет собой систему, в которой ее составные части - грунтовые зерна и связующие вещества - сохраняют свою химическую индивидуальность, а процессы физико-химического взаимодействия протекают главным образом на границах раздела фаз [6].
В понятие укрепления грунтов необходимо вкладывать весь комплекс мероприятий технологического и строительного порядка, придающих обработанным грунтам достаточную сопротивляемость нагрузкам, независимо от степени увлажнения грунта [7]. Для получения тех положительных результатов, которые имеются в настоящее время в области укрепления грунтов, была проделана большая и длительная работа, имеющая уже свою историю.
Укрепление грунтов за рубежом датируется началом XX века. Наиболее активное развитие данного направления науки имело место в США и Германии. Первые исследования в данном направлении велись в разрезе неорганических вяжущих, в 20-е гг. в США опробовано введение извести в грунт, а в 30-е -гидравлических и минеральных вяжущих. В Германии до 1945 года было построено свыше 150 полевых аэродромов, активно велось укрепление грунтовых взлетно-посадочных полос, вспомогательных дорог и стоянок цементом. В США широкое применение получило укрепление сельскохозяйственных дорог известью, и уже в 40-е гг. были изданы первые рекомендации по строительству дорог такого типа. В 50-х гг. прошлого века укрепление грунтов неорганическими вяжущими получило широкое развитие и превратилось в стандартный способ строительства дорог, причем было опробовано одновременное введение неорганических вяжущих различных типов (извести и цемента).
Разработкой методов улучшения физико-механических свойств грунтов в дорожных целях в Советском Союзе занимался ряд научных школ под руководством профессоров Н.Н. Иванова, В.В. Охотина, П.А. Земятченского и М.М. Филатова начиная с 1930 года [8]. Уже с самого начала поисковые исследования по введению неорганических и органических вяжущих материалов в грунты имели тенденцию привязки к природным особенностям дорожно-климатических зон, в их основу были положены физико-механические свойства грунтов.
На Украине исследования свойств грунтов и методов их улучшения проводились под руководством профессоров А.К. Бируля, М.И. Волкова и СМ. Му-равлянского. Существенное значение в деле применения грунта как дорожностроительного материала имели работы проф. А.К. Бируля по конструкциям дорожных покрытий и оснований из укрепленного грунта [9].
В научных работах проф. М.М. Филатова [10] было сделано научное обобщение ранее выполненных исследований и на основе учения о поглотительной способности почв и адсорбционных явлений разработана теория улучшения грунтов органическими вяжущими материалами.
Теоретические исследования и результаты опытно-производственного строительства этого периода послужили основой для разработки первых инструкций по строительству покрытий и оснований из грунтов, улучшенных вяжущими материалами.
Реологические свойства глинистых грунтов изучались Н.Н. Масловым [11], С.С. Вяловым [12], М.Н. Гольдштейном [13], И.М. Горьковой [14] и другими учеными. В 30-х и 40-х годах прошлого века разрабатывались и внедрялись в практику дорожного строительства различные методы укрепления грунтов добавками органических (жидких битумов и каменноугольных дегтей) и неорганических вяжущих материалов (извести, портландцемента). При этом преимущественно применялись органические вяжущие, хотя в последнее время более широко используют - неорганические. С каждым годом относительно уменьшается применение добавок портландцемента, и возрастают объемы работ по укреплению грунтов тонкомолотыми гранулированными шлаками, ак 13 тивными золами уноса, активными белитовыми шламами (нефелиновыми или бокситовыми) и другими отходами промышленности, обладающими в большей или меньшей степени вяжущими свойствами [15, 16].
Огромное значение для развития научного направления об укреплении грунтов принадлежит работам П.А. Ребиндера, основанным на изучении адсорбционных процессов на поверхности тонкодисперсных грунтов. Его работы были посвящены возможности регулирования процессов формирования прочных пространственных структур, улучшению эффективности отдельных технологических операций путем ускорения или торможения процессов взаимодействия с вяжущими материалами [17, 18].
Современный уровень знаний и технического развития позволяет в результате обработки дисперсных грунтов вяжущими и другими веществами получать новые материалы с различными физическими свойствами. В России в настоящее время насчитывается около 200 методов укрепления грунтов и местных материалов, причем их количество растет с каждым годом. В рамках данной работы был проведен патентный поиск по направлениям: «Способ укрепления грунтов», «Смесь для грунтобетона» и «Дорзин», результаты которого приведены в прилож. 1. Обобщая многолетний отечественный и зарубежный практический опыт применения укрепленных грунтов, можно сделать вывод о том, что грунты, укрепленные одним вяжущим, характеризуются большим набором отрицательных свойств, значительно снижающих срок службы конструктивного слоя.
В случае укрепления грунтов органическими вяжущими, материал получается чрезмерно деформативным, что предопределяет быстрое колееобразование и другие пластические деформации в слое при эксплуатации дороги.
Состав и генетические особенности глинистых пород КМ А
С переходом к интенсивному строительству автомобильных дорог несоизмеримо возрастает роль детального исследования грунтов как элемента земляного полотна и сырьевого компонента дорожно-строительных материалов. Для их эффективного использования требуется проводить инженерно-геологические изыскания, призванные представить картину геологического строения с учетом определения всех физико-механических характеристик.
Апробация работы по разработке составов грунтобетонов велась на основе глинистых порода КМА, как наиболее яркого представителя связных грунтов на территории Российской Федерации. Образцы глинистых пород были отобраны совместно с представителями кафедры «Инженерной и экологической геологии» Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, г. Москва.
Рельеф местности района КМА типичен для южных склонов Среднерусской возвышенности, представляющей собой сильно расчлененную эрозионно-денудационную равнину с полого-холмистым рельефом. В восточной части области овраги и балки занимают более 10% общей земельной площади [88]. Абсолютные отметки поверхности земли на водоразделах составляют +220 +- +230 м, глубина расчленения от 60 80 м до 110-Н20 м. Наиболее высокие отметки +262 -н +277 м находятся на водораздельной части рек Оскол и Сейм в 30-К35 км к югу и юго-западу от города Старый Оскол [89].
В геолого-структурном отношении район КМА располагается в сводовой части Воронежской антеклизы - крупной положительной структуры Русской платформы. В геологическом строении принимают участие два структурных комплекса: нижний - кристаллический фундамент, сложенный метаморфическими породами архей-протерозойского возраста, и верхний - осадочный чехол, представленный отложениями палеозоя, мезозоя и кайнозоя, практически горизонтально залегающими (с наклоном до 3 -4 в южных румбах) на размытой поверхности нижнего структурного этажа (рис. 3.1). Породы осадочного чехла наследуют денудационную поверхность докембрийского фундамента, выполняя углубления в его рельефе. Они не несут следов тектонической перестройки, в их разрезах не отмечается активных зон и разрывных нарушений, а вскрытые скважинами зоны трещиноватых пород образуются в результате диа-генетического уплотнения и денудационного разрушения.
Мощность осадочного чехла изменяется от 56 до 143 м. Абсолютные отметки подошвы составляют +55 - +102 м, а кровли - от +142 до +221 м [89].
Анализ геологических условий показал, что регион КМА в основном перекрыт толщами глинистых горных пород, что дает возможность обозначить данный регион как перспективный с точки зрения использования местного грунта при устройстве оснований автомобильных дорог из грунтобетона без применения привозного, а также полной или частичной замены земляных масс.
Объектами проведенных исследований были: разрез эоцен-четвертичных (P2-Q), и разрез среднеюрских (J2) глин как наиболее распространенных видов глин на территории региона КМА. Исследования проводились на образцах (монолитах) глинистых пород.
Монолиты среднеюрских глин были отобраны в СЗ борту карьера Лебединского ГОКа на глубине около 110-120 м (на абсолютной отметке +70 +- +80 м). В борту карьера хорошо видно, что глины среднеюрского возраста залегают на сильно выветрелой поверхности отложений PR-возраста, которые представлены железистыми кварцитами. Они перекрываются верхнеюрскими глинами, супесями и песками. Выше залегают К]-отложения, представленные мелом, это подтверждает стратиграфическая колонка (рис. 3.1).
Образцы четвертичных и эоценовых глин были отобраны из керна скважины, пробуренной с помощью ударно-канатного бурения. Данные работы проводились в районе села Дальняя Игуменка Белгородской области, на искусственно террасированном склоне балки глубиной около 50 м. Бурение выполнялось установкой УГБ-1ВС, забивным стаканом диаметром 108 мм до глубины 5,5 м (рис.3.2).
Классификация грунтов по составу и типизация по свойствам производится на основании данных, полученных при определении гранулометрического состава грунта (табл. 3.1). Содержание фракций мельче 1 или 2 мкм, показывающее содержание глинистых минералов, показывает физические, физико-химические и технологические свойства грунтов. Для обозначения частиц твердого компонента грунта размером не более 0,2 мм служит гранулометрический показатель [90].
Все образцы относятся к глинам, кроме образца № 4, в составе которого очень велико содержание частиц 0,01 мм - более 65%.
Образец из верхней части разреза палеогена (№ 3) обладает высокими коэффициентами агрегативности, что, скорее всего, объясняется большим содержанием глинистых минералов. Как видно из табл. 3.2 в этом образце содержание глинистых минералов и особенно смешанослоеных составляет 50 -65%.
Однако необходимо отметить, что для наиболее полной характеристики глинистого грунта необходимо знать и минеральный состав, так как, например, частицы каолинита размером 0,97 мкм должны пополнять глинистую фракцию, а имеющие размер 1,02 мкм - пылеватую, хотя по любым свойствам они практически не отличаются. При анализе состава некоторых генетических типов дисперсных грунтов нередко получается, что пылеватые по гранулометрическому составу грунты являются глинистыми по минеральному.
При определении физико-химических и физических свойств глинистых грунтов, таких как удельный вес, емкость обмена, гигроскопичность, максимальная молекулярная влагоемкость, набухаемость, усадка, пластичность, липкость и тиксотропность глин, нужно проводить изучение глинистых минералов, так как без этого трудно понять и объяснить названные свойства [91].
Для исследования грунтов, используемых в строительстве, в соответствии с нормативными документами [31] используют два показателя - гранулометрический состав и число пластичности. Минеральный анализ является желательной, а не обязательным видом анализа, что приводит к ошибочным проектным решениям.
Определение минерального состава глинистых грунтов осуществлялась на основе данных рентгенофазового и дифференциально-термического анализов.
Минеральный состав исследуемых образцов (табл. 3.2) характеризуются высоким содержанием кварца в образцах J2cv (№ 4, 6) - более 50%. В образце Р2ку-возраста (№ 3) отмечается высокое содержание смектита - 65%.
В образцах эоцен-четвертичного возраста (№ 1, 2) достаточно велико содержание RAS - рентгено-аморфного вещества, т.е. тонкодисперсного вещества, частицы которого невозможно определить методом рентгеновской дефрак-тометрии из-за их очень маленького размера. На основе результатов определения гранулометрического состава, можно предположить, что RAS сложено очень мелкими глинистыми частицами. Отсутствие RAS в пробе № 3 обусловлено высоким содержанием ультратонкого смектита, размеры частиц которого имеют приграничные значения с RAS.
Анализ физико-механических характеристик грунтобетона в зависимости от состава
Для апробации теоретических исследований, определения оптимальных составов и эффективных областей использования стабилизированных грунтов было опробовано введение компонентов в ґрунтобетонную смесь с определенным шагом варьирования и изучено влияние количества вводимого вяжущего и стабилизатора на физико-механические свойства стабилизированных грунтов.
В качестве сырьевых компонентов грунтобетонной смеси для изучения влияния стабилизатора на свойства системы «глинистые породы - стабилизатор - цемент - вода» были использованы глинистые породы региона КМА эоцен-четвертичного и среднеюрского возраста, стабилизатор грунта «Дорзин», произведенный ООО «Днепровская ассоциация-К», и цемент марки ЦЕМ I 42,5 Н, произведенный на Белгородском цементном заводе.
Необходимо отметить, что данная характеристика для исследуемых грунтов имеет невысокие показатели, однако, её значение необходимо учесть при установлении окончательного состава композита.
Начальными параметрами, знание которых необходимо при формировании образцов грунтобетонной смеси, являются оптимальная влажность фунта и во-допотребность цемента, значение которых определяет количество воды в смеси. С целью определения количества вяжущего, необходимого для получения грунтобетона заданной марки по прочности и морозостойкости, исходя из проектируемых конструкций дорожных одежд, был выбран диапазон содержания цемента 0-10% при одновременном введении стабилизатора в смесь (концентрация водного раствора «Дорзин» - 1:500, содержание стабилизатора в растворе 0,002% от массы смеси).
Анализ прочностных характеристик образцов грунтобетона (рис. 4.8) различных составов показал их рост при введении в ґрунтобетонную смесь большего количества вяжущего, что связано с особенностями структурообразования дорожного композита.
Изучение полученных результатов позволило сделать вывод о высокой прочности образцов грунтобетона. На седьмые сутки уже получена прочность, соответствующая 60-70% от прочности на 28 сутки.
Рост прочности на начальных этапах твердения менее динамичный, но в дальнейшем темп ускоряется. Результаты прочностных показателей стабилизированного грунта с учетом введения цемента в смесь повторяют тенденцию результатов бесцементных составов, однако, значения показателей значительно повышаются.
Использование «Дорзина» для укрепления глинистых грунтов позволяет создать прочный материал, структура которого значительно уплотняется по сравнению с исходной структурой грунта, позволяя нейтрализовать все отрицательные свойства, причем высокое содержание глинистой фракции в грунте оказывает положительное влияние на прочностные показатели грунтобетона в связи с особенностями взаимодействия со стабилизатором.
В соответствии со стандартными методиками ГОСТ 23558-94 [36] для образцов грунтобетона различных составов были определены основные физико-механические характеристики: предел прочности при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе, количество выдерживаемых циклов замораживания-оттаивания и в соответствии с данными характеристиками марки по прочности и морозостойкости (табл. 4.3).
Так как среднемесячная температура наиболее холодного месяца в Белгородской области в соответствии со СНиП 23-01-99 [101] выше -10С, то прочностные характеристики грунтобетонов должны быть получены на образцах, подвергнутых капиллярному водонасыщению. Поэтому образцы грунтобетонов перед испытанием предела прочности при сжатии на 28 сутки погружали во влажный песок для водонасыщения на 72 часа.
Важным технологическим фактором является морозостойкость грунтобетона. Исходя из теории механизма морозного разрушения, морозостойкость определяется структурой и характером порового пространства. Испытания грунтобетонов на морозостойкость определяли по методу попеременного замораживания-оттаивания. В результате определялась марка по морозостойкости, соответствующая установленному числу циклов, при которых допускается снижение прочности на сжатие не более чем на 25% от нормируемой прочности в проектном возрасте.
Требуемое значение марки по морозостойкости определяется в соответствии с табл. А1 прилож. А ГОСТ 23558-94 [36] в зависимости от типа дорожной одежды и конструктивного слоя, в качестве которого будет уложен данный материал.
Следовательно, в соответствии с полученными физико-механическими характеристиками применение грунтобетона в дорожном строительстве при использовании его в качестве основного или дополнительного слоя основания возможно уже при введении в ґрунтобетонную смесь в качестве вяжущего -цемента в количестве 6%, в качестве стабилизатора - «Дорзин» в количестве 0,002% от массы смеси.
При эксплуатации грунтобетона в качестве нижнего слоя основания большое значение имеет стойкость бетона к водонасыщению подземными водами, то есть необходимо проверить может ли данный слой работать в качестве ка-пилляропрерывающего. Условие капиллярного подсоса является одним из самых агрессивных по отношению к грунтобетону. В процессе испытания должно происходить вымывание водорастворимых солей из образцов грунтобетона и образование высолов. На исследуемых образцах высолов не обнаружилось, следовательно, водорастворимые соли в составе грунтобетона отсутствуют. Кроме того, на образцах грунтобетона, в состав которого входит 6-10% цемента при одновременном введении «Дорзина», не наблюдалось никаких внешних разрушений, следовательно, образцы полностью выдержали данное испытании и пригодны к применению в качестве нижнего слоя основания без применения дополнительных синтетических прослоек.
Таким образом, в рамках реализации программы дорожных работ с целью минимизации материальных затрат целесообразно использовать грунтобетон в качестве слоя основания на автомобильных дорогах низших технических категорий. Оптимальное количество вводимого цемента составляет 6-8%, что позволяет получить прочностные показатели для исследуемых глинистых грунтов, соответствующие маркам по прочности М40-М60 и по морозостойкости F15-F20, определяемые в соответствии с ГОСТ 23558-94 [36]. Введение 10% цемента позволяет использовать грунтобетон при устройстве дорожной одежды капитального типа, соответствующего марке по прочности М60 и морозостойкости F25.
Для уточнения правильности принятого решения о применении «Дорзина» при производстве грунтобетонов в лабораторных условиях были заформованы образцы грунтобетона аналогичных выше рассмотренным составам, но без дополнительного введения стабилизатора (табл. 4.5). Для данных составов были определены физико-механические характеристики в соответствии с ГОСТ 23558-94 [36].
Анализ полученных результатов образцов грунтобетона показал, что составы с различным содержанием цемента набирают прочность в течение всего времени твердения. При этом большее количество вяжущего в составе смеси способствует более интенсивному набору прочности.
Данный факт связан, прежде всего, с образованием большего количества кристаллизационных связей в процессе химического и физико-химического взаимодействия Са(ОН)г с глинистыми частицами и аморфным веществом.
Расчет конструкций дорожных одежд
Для оценки экономической целесообразности разработанного материала были рассчитаны две равнопрочные конструкции дорожной одежды на автомобильной дороге IV технической категории, одна из которых предусматривает использование традиционных материалов, используемых при строительстве автомобильных дорог, а другая - использование грунтобетона в качестве слоя основания. Расчет конструкции производился в соответствии с ОДН 218.046-2001 [103].
Расчет вариантов дорожных одежд производился с использованием программного продукта «CREDO - RADON» на компьютере в режиме автоварьирования. Расчеты производились по всем необходимым критериям, в результате расчета были определены толщины слоев, общий модуль упругости, общая толщина конструкции. Результаты расчета приведены в прилож. 4.
Стоимость рассчитанных конструкций была определена с использованием программного продукта «Гранд - СМЕТА». Локальные сметы были составлены в ценах I квартала 2011 года ресурсным методом на основании Методики определения стоимости строительной продукции на территории Российской Федерации МДС 81-35.2004 [104].
В расценках принят размер оплаты труда рабочих-строителей с учетом разрядности работ, исходя из среднемесячной зарплаты 14900 руб. в месяц. При оплате труда рабочих, обслуживающих машины, учтена часовая тарифная ставка в размере 112,55 руб., что соответствует разряду 5.5.
Сметные затраты стоимости 1 маш/часа эксплуатации строительных машин и механизмов включены согласно расчета сметных расценок на эксплуатацию строительных машин и автотранспортных средств в Белгородской области в редакции 2009 года, выданных «Управлением государственной экспертизы».
Стоимость материальных ресурсов определена на основании мониторинга цен на материалы» по прайс-листам заводов-изготовителей, действующих на текущий период и по сборникам ТЕР в Белгородской области в редакции 2009 года с К=5,06 согласно письма № 23 от 31.01.2011 г.
Автоперевозка материалов и погрузо-разгрузочные работы учтены по сборнику ТССЦ 81-01-2001 на перевозку грузов для строительства в Белгородской области. К = 4,6 на автотранспорт и К = 4,97 на машины и механизмы, согласно письма № 23 от 31.01.2011г.
Накладные расходы и плановая прибыль определены согласно МДС 81-35.2004 [104] и письма МРРРФ № 41099 - кк/08 от 06.12.2010 года от фонда оплаты труда основных рабочих и рабочих-механизаторов.
Для определения стоимости материалов, учитывающей транспортные и за-готовительно-складские расходы, составлены калькуляция стоимости транспортных расходов и расчет сметной стоимости материалов, приведенные в прилож. 5. Сравнение вариантов дорожной одежды представлено в табл. 5.1, а расчеты сметной стоимости в прилож. 6.
При проектировании технологии производства работ по устройству конструкций с применением грунтобетона руководствовались рядом требований. Основными из них являются: - получение строительной продукции требуемого качества; - наименьшая стоимость единицы продукции; - создание условий для высокой производительности труда [105]. Технология производства работ по устройству грунтобетонных слоев напрямую зависит от способов приготовления смеси используемых при этом машин и механизмов. В настоящее время различают три способа приготовления грунтобетонной смеси: - приготовление смеси на дороге комплексом многопроходных машин (фрез); - приготовление смеси на дороге однопроходными грунтосмесительными машинами (ресайклерами); - приготовление смеси на базах в специально установленных грунтосме-сительных машинах или обычных бетоносмесителях [106].
Для устройства синтезируемого материала предусмотрена технология устройства слоя основания однопроходной грунтосмесительной машиной (ресайк-лер) BOMAG МРН 122, технологическая карта приведена на рис. 5.2.
Последовательность выполнения работ по устройству ґрунтобетонного основания состоит из следующих этапов: 1. Подготовительные работы. Чтобы максимально использовать преимущества данного метода (скоростной характер выполнения работ, высокую производительность), работы по устройству основания из укрепленного грунта должны быть соответствующим образом подготовлены. Эта подготовка должна включать: - анализ и подробное планирование всех аспектов работ; - выявление и своевременное удаление любых помех и дефектов; - оценка потребности материалов; - обеспечение высокой готовности машин; - установка технических средств организации дорожного движения. 2. Разбивочные работы. Ширина прохода ресайклера обычно меньше ширины дороги, поэтому для обработки дороги на всю ширину надо выполнить несколько проходов. На этом этапе необходимо, в зависимости от ширины, определить количество проходов, их последовательность, зоны перекрытия проходов для обеспечения однородности покрытия. 3. Устройство укрепленного основания ресайклером BOMAG МРН 120. На первой захватке производится транспортировка грунта автосамосвалами КАМАЗ-55111 к месту укладки, профилирование верха земляного полотна автогрейдером ДЗ-98Б и прикатка виброкатком BOMAG BW 213 за 1-2 прохода по следу. На второй захватке осуществляют смешение грунта с цементом и стабилизатором с помощью потока машин: распределитель цемента Streumaster RW8000, поливомоечная машина ПМ-130 и ресайклер BOMAG МРН 122.