Эффективные направления использования грунтов в дорожном строительстве в условиях Западной Сибири
Г.С. Меренцова, д.т.н., профессор; А.О. Хребто, ассистент, Алтайский ГТИ им. И.И. Ползунова
Во многих регионах Западной Сибири, не обеспеченных каменными материалами, важную роль при строительстве и реконструкции автомобильных дорог играет широкое использование местных грунтов. Наличие большого количества пылеватых грунтов, распространенных в Западной Сибири не позволяет достичь нужной несущей роли скелета, что требует рационального укрепления этих грунтов вяжущими материалами для использования в дорожном строительстве. Коренное изменение свойств пылеватых грунтов можно достигнуть введением органических и неорганических вяжущих. Наиболее рациональна обработка грунтов путем их комплексного укрепления.
При использовании грунтов Западной Сибири различного генезиса в дорожном строительстве необходимо учитывать особенности их химико-минералогического состава, который определяет процессы физико-химического взаимодействия укрепляемого грунта с компонентами вводимого вяжущего и органическими и неорганическими добавками. Известны работы по укреплению различных грунтов цементами, однако это вяжущее является в настоящее время дорогостоящим материалом, поэтому его применение не всегда рационально. Проводились исследования по оценке возможности укрепления грунтов степной зоны Алтайского края отходами энергетики – высококальциевыми золамиуноса Барнаульской ТЭЦ-3. Для этого были выбраны грунты, которые по дорожно-строительной классификации являются некондиционным материалом, так как содержат большое количество пылеватых частиц (15–30%).
Исследования проводились на пылеватых грунтах Благовещенского и Родинского районов Алтайского края. По результатам определения гранулометрического состава и совокупности других показателей, к которым относятся содержание песчаных, пылеватых и глинистых частиц, а также число пластичности (Iр), исследуемые грунты относятся к подтипам песок пылеватый, супесь пылеватая и супесь тяжелая пылеватая с числом пластичности Iр = 4–5. При этом, согласно классификации грунтов по их дорожностроительным свойствам, супесь пылеватая и супесь тяжелая пылеватая соответственно непригодны и малопригодны для сооружения земляного полотна, а для укрепления вяжущими материалами малопригодны. Пески пылеватые также малопригодны для сооружения земляного полотна и для укрепления вяжущими материалами.
Используемые в проведенной работе грунты являются пылеватыми, обладают пучинистыми свойствами и потерей устойчивости в водонасыщенном состоянии, поэтому для использования таких грунтов в дорожном строительстве необходимо их укрепление.
При введении в грунт в оптимальных количествах органических и неорганических веществ решалась главная задача – превратить местный некондиционный грунт в дорожно-строительный материал, обладающий требуемой прочностью, водо- и морозостойкостью при улучшении деформативных показателей дорожного конструктивного слоя. При создании рациональных методов улучшения свойств грунтов и коренного качественного их преобразования учитывались свойства тонкодисперсной части грунта, состав поглощаемого комплекса, а также генетические особенности грунта, его минералогический и химический состав.
При проведении исследований применялись комплексные методы укрепления грунтов, необходимых для формирования таких структурно-механических свойств, которые обеспечивают прочность и долговечность самих грунтов и дорожной одежды в целом. Для этого проведены исследования влияния свойств грунта и состава комплексных добавок, а также вяжущих, в том числе зол-уноса и портландцемента, на конечную прочность укрепленного грунта (рис. 1).
Анализ полученных прочностных характеристик свидетельствует о положительном влиянии комплексной органоминеральной добавки при укреплении грунтов золой-уноса (состав 3). Наряду с оценкой прочностных показателей проведены исследования по повышению морозостойкости укрепленных грунтов. С целью повышения показателей трещиностойкости, а также водо- и морозостойкости осуществлялась модификация составов путем введения портландцемента и химических добавок.
В целях улучшения физико-механических показателей и показателей стойкости укрепленного грунта осуществлялось изучение влияния малых дозировок цемента марки М400 в количестве 3–5% от массы грунта на свойства зологрунта. Увеличение дозировки цемента до 5% в составе зологрунта оказало существенное влияние на процессы деструкции укрепленного грунта. Образцы в возрасте 28 суток не имели дефектов, а прочностные показатели изменились следующим образом: предел прочности при сжатии Rсж возрос в 7.9 раз по сравнению с зологрунтом без добавки цемента, предел прочности на растяжение при изгибе Rри возрос в 10.6 раз. Добавка цемента (от 3 до 5%) обеспечивает получение зологрунта с показателями прочности, соответствующими I классу. Однако это обусловлено повышенным расходом цемента и экономически невыгодно, в связи с его высокой стоимостью, следовательно данный путь нецелесообразен. Замена цемента золой-уноса позволяет снизить затраты на стоимость материалов в 4 раза. Поэтому было выбрано направление модификации золы за счет введения химических добавок.
Исследования показали, что применение совместно с золой-уноса органических полимерсодержащих добавок и поверхностно-активных веществ позволяет использовать для устройства оснований дорожных одежд пылеватые песчаные и супесчаные грунты и обеспечат их морозостойкость при одновременном отказе от использования портландцемента.
Установлено, что при укреплении грунтов цементом, содержащих дисперсные минералы типа монтмориллонита, наблюдается снижение прочности и морозостойкости укрепленного грунта. Такое отрицательное действие минералов монтмориллонита частично устраняется введением в грунты высококальциевой золы-уноса бурых углей КанскоАчинского угольного бассейна. При этом свободный оксид кальция, содержащийся в золе совместно с неорганической добавкой – ускорителем твердения улучшает процессы структурообразования укрепленного грунта.
Было предложено использование нового комплексного вяжущего (КОМД), включающего, наряду с высококальциевой золой органическую полимерсодержащую добавку, а также неорганическую добавку.
При добавке в грунт такого комплексного вяжущего улучшаются деформативность укрепленного грунта, повышается морозостойкость и создается возможность существенно сократить и отказаться от введения дорогостоящего цементного вяжущего.
Анализ влияния высококальциевых буроугольных зол на процессы структурообразования укрепленного грунта показал, что наиболее интенсивно проходят процессы деструкции в зологрунтах при использовании зол с повышенным содержанием свободного оксида кальция. В связи с этим одной из задач была нейтрализация отрицательного влияния этого оксида кальция на процессы структурообразования и, вместе с тем, увеличение прочностных характеристик укрепленных зологрунтов за счет введения оптимальной дозировки золы и применения специальных технологических приемов, путем модификации зольного вяжущего.
Анализ результатов испытания серии зологрунтов на пылеватых песчаных грунтах выполнен с учетом показателей прочности на сжатие и растяжение при изгибе, а также коэффициента деструкции, водостойкости и морозостойкости и позволил выявить влияние дозировки золы на свойства зологрунтов.
С увеличением содержания золы в зологрунте, на основе супесчаных и суглинистых грунтов, водостойкость (kвод.) снижается, в то время как прочностные показатели (Rсж, Rри) возрастают, поэтому с позиции стойкости структуры к атмосферным воздействиям, повышение дозировки золы нерационально. Увеличение дозировки золы не дало существенного улучшения показателей деструкции, которые определяются как соотношение прочности при изгибе к прочности при сжатии, то осуществлен выбор дозировки золы с минимальным учетом технико-экономических показателей, т.е. стоимости золы и транспортных расходов.
Наилучшие показатели прочности и стойкости укрепленных грунтов достигаются при использовании комплексных добавок, которые наиболее полно и эффективно модифицируют свойства и специфику структуры укрепленного грунта.
В проведенной работе исследовалось влияние комплексной органоминеральной добавки (КОМД), содержащей ускоритель твердения и латексосодержащую добавку. Влияние комплексной добавки рассматривалось на смеси песка пылеватого и пробы золы с различным содержанием трудногидратируемого оксида кальция (СаОтр). Отмечено, что более значительный эффект действия комплексной добавки наблюдается при использовании активных зол уноса с повышенным содержанием СаОтр.
Проведены исследования по разработке технологических параметров устройства дорожных оснований и покрытий из зологрунта с применением химической активизации высококальциевых зол. Разработана технологическая последовательность устройства конструктивных слоев автомобильных дорог из укрепляемого некондиционного грунта, учитывающая деформационные характеристики и долговечность конструктивного слоя. Выявлено положительное влияние органоминеральной добавки на характеристики зологрунтов, что позволяет их использовать не только для нижних слоев оснований, но и для верхних слоев оснований под асфальтобетонные покрытия, а также для покрытий автомобильных дорог переходного типа IV и V категорий с использованием слоев износа.
