ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ВЯЖУЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ И КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ

Усачев А.М.¹, Усачев С.М.², Свиридова А.В.³

¹ORCID: 0000-0002-6150-2050, Кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0002-3856-187Х, Кандидат технических наук, ³студент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ВЯЖУЩИМИ  МАТЕРИАЛАМИ И КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ

Аннотация

В последние годы в строительстве дорожных покрытий актуальным становится применение укрепленных грунтов. Это значительно удешевляет и сокращает продолжительность строительства.

В данной статье приведены результаты испытания местных грунтов, укрепленных портландцементом и комплексной добавкой. Применяемая добавка способствует обезвоживанию грунта и уменьшению его пластичности, позволяет ускорить процессы гидратации цемента, что повышает прочность и гибкость оснований дорог.

Получены экспериментальные данные по оптимальной дозировке комплексной добавки, а также рациональной влажности укрепленных грунтов.

Ключевые слова: укрепленные грунты, вяжущие вещества, комплексная добавка.

 

Usachev A.M.¹, Usachev S.M.², Sviridova A.V.³

¹ORCID: 0000-0002-6150-2050, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-3856-187Х, PhD in Engineering, ³ student, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering

ASSESSMENT OF QUALITY OF THE SOIL STRENGTHENED BY KNITTING MATERIALS AND COMPLEX ADDITIVE

Abstract

In recent years, in the construction of pavements makes the use of reinforced soil. This significantly reduces the cost and shortens the construction duration.

In this article, the results of tests of local soil, fortified Portland cement and a complex additive. Used supplement promotes dehydration of the soil and reduction of its plasticity, allows to accelerate the processes of hydration of cement, improves the strength and flexibility of the road base.

The obtained experimental data on the optimal dosage of supplements, as well as the rational humidity fortified soils.

Keywords: fortified soils, astringent substances, complex addition.

 

Восемьдесят лет назад в России были начаты исследования в области строительства автомобильных дорог. И уже тогда ставилась задача по максимальному использованию различных грунтов, залегающих вдоль трассы, для устройства дорожной одежды.

Укрепленные грунты – принципиально новый подход к конструированию оснований дорожных и аэродромных покрытий. Под укрепленными грунтами понимают искусственные материалы, получаемые смешением грунтов с минеральным вяжущим и добавками, уплотненные до требуемой плотности и отвечающие нормативным показателям качества.

В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где применены укрепленные грунты (в основном цементогрунты) для оснований и покрытий дорожных одежд. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает в настоящее время 3 млрд. м² [1].

Актуальность использования укрепленных грунтов в настоящее время обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог, а также дефицитом и высокой стоимостью каменных материалов. Использование укрепленных грунтов позволяет значительно сократить затраты на строительство дорог, увеличить производительность, уменьшить расходы на обслуживание дорог, увеличить гарантийный срок эксплуатации трассы, а также уменьшить количество вредных выбросов в окружающую среду. При этом практически отсутствует ограничении в выборе строительного материала. Поэтому целесообразно для устройства дорожных одежд применять местные материалы, укрепленные различными вяжущими веществами [2].

Целью данной работы явилось исследование влияния комплексной добавки на качество укрепленных грунтов, а также асфальтогрунтобетонов  (АГБ).

В экспериментах использовались местные грунты, а также портландцемент ПЦ500 Д0 и комплексная добавка, представляющая собой порошкообразный материал, в основе которого присутствуют щелочноземельные металлы и синтетические цеолиты, дополненные активатором твердения.

Компоненты добавки снижают плотность грунта, способствуют его обезвоживанию, за счет механизмов физической адсорбции воды, химического связывания, а также кристаллогидратного присоединения воды; замещают ионы натрия и калия глинистых минералов на ионы кальция, что приводит к уменьшению пластичности и улучшает обрабатываемость; приводят к преобразованию коллоидно-химической природы грунта и созданию оптимальных условий для формирования прочной структуры цементогрунта.

Соответственно, сама добавка усиливает и повышает прочность и гибкость укрепленных грунтов на молекулярном уровне, ускоряет процессы гидратации цемента. Комплексная добавка формирует длинноигольчатую нанокристаллическую структуру в укрепленном грунте, образуя большее количество кристаллов и, соответствующие кристаллические матрицы, заполняющие поры и сплетающие частицы и агрегаты грунта.

При добавлении комплексной добавки в укрепляемом грунте за счет гигроскопичности щелочноземельных металлов задерживается вода, позволяя полностью реализовать частицам цемента свойства гидравлического вяжущего (за счет завершения процессов гидролиза и гидратации). При этом расход воды для достижения оптимальной влажности укрепляемого грунта уменьшается, что обеспечивает более высокие физико-механические свойства и трещиностойкость конструктивного слоя из укрепленного грунта.

Комплексная добавка и цементное тесто более длительное время сохраняют коагуляционную структуру, компенсируя тем самым активные центры частиц и агрегатов, в том числе разрушенных и при уплотнении.

Комплексная добавка обеспечивает полную реализацию активности цемента за счет длительного поддержания требуемой влажности для процесса гидролиза и гидратации частиц вяжущего. Щелочные металлы добавки участвуют в катионном обмене с коллоидными и глинистыми частицами грунта, снижая пленку свободной воды на грунтовых частицах и агрегатах, тем самым позволяя получить более высокую плотность укрепленного грунта.

В Центре коллективного пользования имени проф. Ю.М. Борисова, а также на кафедре «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций» Воронежского ГАСУ были проведены предварительные исследования по определению оптимального количества комплексной добавки для асфальтогрунтобетона.

Изначально компоненты добавки тщательно перемешивались в сухом состоянии до получения смеси однородного состава. После готовилось вяжущее на основе портландцемента ПЦ500 Д0 с содержанием полученной добавки в количестве 0, 1, 2, 3, 5 и 7 % от массы цемента. На основе полученного вяжущего готовились серии модельных образцов цементно-песчанного раствора. Компоненты смеси перемешивалась до получения однородной массы. После приготовления цементно-песчаного раствора осуществлялось формование образцов-цилиндров размером d=h=5 см. Удельное давление прессования составляло 20 МПа (200 кгс/см²), что соответствует нагрузке от действия укладчика.

После трех суток твердения в нормальных условиях определялись значения средней плотности и прочности при сжатии изготовленных образцов.

 Результаты данных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1  - Свойства образцов в 3-х суточном возрасте

Исходя из предварительно полученных результатов, рациональная дозировка комплексной добавки составляет 2 %. В дальнейших исследованиях на реальных АГБ, а также на искусственных смесях песка, щебня и глины применялась именно эта дозировка.

Первым этапом исследований стало определение оптимальной дозировки воды в АГБ. Изготавливались образцы асфальтогрунтобетона с различным количеством воды: от 4 до 20 % от массы сухих компонентов.

Результаты данных исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные свойства АГБ при различной влажности

Для исследуемой АГБ смеси оптимальной является влажность 12 %. При этой влажности смесь хорошо укладывается, а образцы имеют максимальные значения прочности при сжатии. Уменьшение влажности до 6…8 % приводит к резкому снижению значений прочности и средней прочности. При содержании влаги 4 % смесь не формуется, а рассыпается подобно сухому песку. Увеличение влажности до 20 % приводит к тому, что асфальтогрунтобетонная смесь растекается подобно жидкой сметане и, соответственно, сформовать из нее образцы не представляется возможным.

Параллельно была изготовлена серия образцов при 12 % влажности, где в качестве вяжущего применялся только ПЦ без использования комплексной добавки. Как видно из полученных результатов (см. табл. 2), отсутствие комплексной добавки приводит к снижению прочностных характеристик АГБ примерно на 7 %, что подтверждает предварительные теоретические выводы и практические результаты по эффективности используемой добавки.

В дальнейшем планируется провести исследования с различными грунтами и АГБ с целью определения рационального количества вяжущего в смесях, максимально допустимого содержания глинистых грунтов и др.

Литература

1. Укрепление обочин автомобильных дорог: ОДН 218.3.039 / Минтранс России, Гос. служба дор. хоз-ва. - М.: ГП «Информавтодор», 2003.
2. Совершенствование теоретических основ укрепления грунтов комплексными вяжущими с целью получения высокопрочных дорожных конструкций / Росдорнии, Союздорнии. - М., 2002.

References

1. Strengthening of roadsides of roads: ONE 218.3.039 / Ministry of transport, State. service Dor. households Islands. - M.: state enterprise "Informavtodor", 2003.
2. Improvement of theoretical foundations for complex soil stabilization with binders for the purpose of obtaining high strength road construction / Rosdornii, Soyuzdornii. - M., 2002.