Учет физико-химических факторов при оптимизации технологии укрепления грунтов отходами энергетики в дорожном строительстве

Г.С. Меренцова, д.т.н., профессор; А.О. Хребто, ассистент, Алтайский ГТИ им. И.И. Ползунова

Для разработки рациональных технологических параметров при укреплении грунтов проведен комплекс исследований по оценке их свойств, включая химико-минералогический состав и физико-механические свойства.

Установлено, что исследуемые грунты месторождений степных районов Алтайского края относятся к подтипам: песок пылеватый, а также супесь пылеватая и супесь тяжелая пылеватая с числом пластичности Iр = 4–5.

Грунты представляют собой многофазную дисперсную систему, в которой твердая фаза состоит в основном из минеральных частиц, а жидкая и газообразная фазы, заполняющие поры, представлены растворами различных водорастворимых солей и газами. При этом минеральные частицы твердой фазы грунта различаются по размерам, форме и составу. Как показали микроскопические исследования, эти минеральные частицы имеют в основном кристаллическое строение, имеются также включения аморфных частиц (SiO2·nH2O). По минералогическому составу частицы представлены окатанными (65–80%) и остроугольными (20–35%) зернами и обломками кварца, полевых шпатов, слюды и других минералов. Общее содержание кварцевых частиц – 75–85%, содержание частиц полевого шпата составляет 15–20%,они в основном имеют остроугольную форму, цвет частиц серый и желтый. Водные алюмосиликаты представлены в основном биотитом, темного цвета (3–5%), а также мусковитом и вермикулитом, соответственно светлые, прозрачные и золотисто-бурые частицы (1–3%). Частицы, размером менее 0.005 мм представлены глинистыми минералами – каолином, монтмориллонитом, гидрослюдами и отличаются разной формой (листочки, чешуйки, пластинки). Поверхности кристаллических частиц имеют неровности размером (0.7–500) 10–6 мм.

По химическому составу грунты представлены в основном кремнеземом SiO2 (70–85%), находящимся как в связанном, так и в свободном состоянии, глиноземом Аl2О3 (15–28%), входящим в состав глинистых минералов, а также в небольших количествах оксидами других элементов (железа, кальция, магния, калия, натрия, титана).

Для укрепления грунтов использовались отходы энергетики, обладающие повышенными вяжущими свойствами – высококальциевые золы-уноса от сжигания бурого угля Канско-Ачинского угольного бассейна.

Повышенные вяжущие свойства этих зол обусловлены наличием в них клинкерных минералов (18–35%), которые содержат βC2S, C2F, CА, C3А, а также присутствием стеклофазы в условиях известково-гипсовой самоактивизации. Более половины количества клинкерных минералов (10–27%) приходится на долю βC2S. Содержание общего оксида кальция (CaO) находится в пределах 20–46%, а свободного оксида кальция (CaOсв) – 1.72–12%. [1].

При взаимодействии компонентов исследуемых грунтов и зол в процессе укрепления формируется затвердевающая структура за счет происходящих физико-химических взаимодействий между ними в присутствии воды.

Оптимальное количество воды определялось с учетом достижения максимальной плотности. Одновременно была определена максимальная плотность зологрунтовой смеси. Определена математическая модель зависимости плотности смеси (y) от её влажности (x) в соответствии с экспериментальными данными следующая

у = 1.40464 + 0.177411 x–0.00683036 x2.

Анализ результатов свидетельствует о том, что оптимальная влажность зологрунта составляет 12%. Этот показатель должен быть учтен при разработке технического регламента на устройство конструктивного слоя дорожной одежды из грунта, укрепленного исследуемыми золами-уноса.

При формировании структуры укрепленного грунта происходят процессы, протекающие в коллоидных системах, которые рассматриваются с позиции физической и коллоидной химии на основе теоретических положений о поверхностной энергии вещества на границе раздела фаз.

Физические и физико-химические свойства исследуемых грунтов, как и любых кристаллических тел, определяются поверхностной энергией, которая образуется на поверхности неорганических частиц грунта и золы вследствие энергетической неуравновешенности поверхностного слоя веществ. Величина поверхностной энергии кристалла находится в прямой зависимости от площади его граней, то есть активность грунта зависит, прежде всего, от удельной площади поверхности его частиц, которая определяется количественным содержанием тонкодисперсных (глинистых и коллоидных) фракций.

Введение в грунты высококальциевых зол уноса приводит к существенному изменению их физико-механических свойств, особенно грунтов, содержащих глинистые коллоидные частицы. Высококальциевые золы, как показали проведенные исследования, целесообразно применять, так как они проявляют гидратационную активность при твердении после смешивания с водой, при этом происходит реакции гидратации в результате соединения минералов с водой с образованием гидратированных соединений.

Установлено, что твердение зологрунта, является сложным комплексом взаимосвязанных химических, физико-химических и физических процессов. С химической точки зрения твердение представляет собой переход безводных клинкерных минералов (двухкальциевый силикат – C2S, трехкальциевый алюминат С3А, четырехкальциевый алюмоферрит – C4AF) в гидросоединения в результате реакций гидролиза и гидратации, которые начинаются сразу после смешивания золы с грунтом и водой.

В зологрунтовой смеси возникают гидратированные соединения. Двухкальциевый силикат C2S в процессе гидратации при нормальной температуре образует гидросиликаты, химический состав которых меняется с течением времени. На конечной стадии реакция выражается уравнением:

2·(2CaO · SiO2)+3H2O = = 3.3 CaO · 2SiO2 · 2.3 H2O + 0.7 Ca(OH)2

На гидратацию С3А сильно влияют сульфаты, которые содержатся в золе, поэтому в присутствии гипса образуется гидросульфоалюминат кальция, то есть фазы эттрингитового типа:

3CаО · Аl2O3 + 3(СаSO4 · 2Н2O) + 26Н2O = 3CаО · А12О3 · 3СаSO4 · 32Н2О.

В связи с наличием в золе свободного оксида кальция происходит его взаимодействие с водой с образованием гидрооксида кальция Са(ОН)2 в присутствии которого эттрингитовая фаза выделяется сначала в коллоидном виде, затем появляются кристаллы игольчатой формы, которые возникают вблизи зерен С3А и в межпоровом пространстве. При недостатке гипса образуется моносульфатная форма гидросульфоалюмината, имеющая пластинчатое строение

3СаО · Al2O3 · CaSO4 · 12H2O.

Гидратация алюмоферритной фазы проходит аналогично гидратации алюминатов, но медленнее.

При проведении микроскопических исследований установлено, что зологрунт представляет собой сложный конгломерат кристаллических и коллоидных гидратных образований, не прореагировавших еще с водой остатков зерен золы, а также тонкодисперсных воды и воздуха. Для увеличения степени гидратации золы в ходе эксперимента вводилась добавка ускорителя твердения F-3.

Наличие в грунтах содержащихся тонкодисперсных тонкоколлоидных частиц позволяет рассматривать их как активную составляющую, оказывающую существенное влияние на процессы гидратации и твердения зольного вяжущего, благодаря способности глинистых частиц к активному химическому и физико-химическому взаимодействию с продуктами гидратации. При этом наибольшую активность проявляют растворимые формы глинозема. Растворимость глинистых минералов повышается с увеличением удельной поверхности, то есть уменьшением размера частиц. Щелочная среда, которая создается благодаря содержанию в золе оксида кальция способствует растворению кремнезема, а при высоких значениях рН может влиять и на глинозем.

Глинистые минералы обладают свойствами пуццолановых добавок, химически реагировать в присутствии воды при обычной температуре с гидрооксидом кальция. При этом в твердеющем зологрунте образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция различного типа, (основности и состава):

Аl2O3 · 4SiO2 · nH2O + Са(ОН)2 + mН2О = xCаО · А12О3 · pН2О + yCaO · SiO2 · tH2O

Глинистые частицы в грунтах выполняют функции центров кристаллизации, что способствует зарождению кристаллов новой фазы при твердении зологрунта. Процессы гидратации в зологрунтах протекают тем интенсивнее, чем выше дисперсность грунта, то есть чем выше содержание глинистых частиц, при этом повышается активность грунта и усиливается влияние на процессы структурообразования зологрунта. Например: показатели прочности при сжатии в 1.16–1.17 раз, а при изгибе в 1.18 выше при использовании суглинистых грунтов по сравнению с песчаными. Практически не наблюдаются процессы трещинообразования в твердеющей структуре.

При разработке оптимальных технологических параметров устройства конструктивных слоев из зологрунтов необходимо учитывать замедленную гидратацию свободного оксида кальция, содержащегося в стеклофазе золы. Уплотнение зологрунта катками необходимо проводить после завершения гидратации СаОсв, иначе произойдет образование трещин в твердеющей структуре зологрунта. Реакция взаимодействия СаОсв с водой проходит с выделением тепла, что создает возможность контролировать момент ее завершения.

Анализ кинетики изменения тепловыделения зологрунтовой смеси свидетельствует о том, что время начала уплотнения должно быть не ранее 1 часа с момента введения воды в зологрунтовую смесь. С учетом происходящих физико-химических процессов установлены оптимальные технологические параметры по показателям влажности укрепляемых грунтов и рациональному интервалу их уплотнения.

Таким образом, учет и корректировка технологических особенностей при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд из укрепленных грунтов должны осуществляться с детальным анализом химико-минералогического состава применяемых грунтов и вяжущих, который существенно влияет на процессы структурообразования, проходящих в укрепляемых грунтах.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (89) 2010, стр.60