Гидрофобизация лессовых грунтов цементом с использованием растворов алифатических аминов

УДК 666.973

ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ ЦЕМЕНТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТВОРОВ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ

В.Г. Кочерга, профессор, д.т.н., Ростовский государственный строительный университет, А.В. Ланко, мл. науч. сотр., Центр интеллектуальных транспортных систем Ростовского государственного строительного университета

Аннотация. Изучено влияние катионного реагента на основе алифатических аминов на композицию лессовых грунтов, укрепленных цементом, с целью применения местных материалов в конструктивных слоях дорожных одежд.

Ключевые слова: цементогрунт, полимер, алифатические амины, предел прочности при изгибе и сжатии, водонасыщение, дорожная одежда.

Введение

В России и за рубежом в дорожном строительстве широкое применение получили такие местные материалы как грунты, укрепленные, как правило, фондируемыми вяжущими (цементом, известью, битумом и т.п.). Особую актуальность получили работы по исследованию комплексных методов укрепления связных грунтов с применением поверхностно - активных веществ (ПАВ).

Опыт эксплуатации

Применение комплексно укрепленных связных грунтов в конструктивных слоях дорожных одежд приводит к улучшению прочностных и деформационных характеристик материалов, воднотеплового режима земляного полотна и позволяет широко использовать местные материалы и грунты. В результате может быть снижена общая толщина дорожной одежды с покрытиями нежесткого типа в 1,5-2 раза.

В настоящей работе приводятся результаты исследования возможности использования ПАВ на основе алифатических аминов в цементогрунте для укрепления лессовых грунтов Южных районов России.

Анализ публикаций

Для улучшения физико-механических свойств в практике дорожного строительства применялись как отечественные, так и зарубежные стабилизаторы грунтов. Такие как: Коалой: (производство ЮАР), ИКР (производитель Германия), 188-2500 (производитель США), Статус (Россия), КепоШ.

При применении этих стабилизаторов существует ряд недостатков: Статус и Коалой: при комплексном укреплении грунтов с использованием цемента, не совместимы с ним. ИКР, 188-2500 обладают не значительными гидрофобными свойствами. КепоШ: требует большого процентного содержания цемента.

Цель и постановка задачи

Юг Европейской части России относится к району, где кондиционные строительные материалы являются остродефицитными или совершенно отсутствуют. Регион относится к той части России, где широко распространены лессовые грунты. Общей особенностью лессовых грунтов является значительное снижение их несущей способности при переувлажнении, приводящее к проса-дочным явлениям, в то время как при оптимальной влажности и соответствующей ей максимальной плотности они обладают достаточной прочностью.

Значительный интерес представляет изучение возможности гидрофобизации связных лессовых грунтов с целью улучшения в слоях дорожных одежд из связных лессовых грунтов прочностных и деформационных характеристик, водо- и морозостойкости укрепленных материалов.

Влияние алифатических аминов на цементогрунт

Наибольший интерес при укреплении грунтов представляют активно взаимодействующие с водой глинистые минералы, которые составляют около 90% от высокодисперсной части лессовых

грунтов. Среди них обычно преобладают гидрослюды (до 20%), на втором месте находится группа монтмориллонита (до 15%), затем каолинит (до 3%) и хлорид (до 1%).

Если для каолинита, хлорита и гидрослюд характерна неразбухающая в воде пространственная решетка, то подвижность кристаллической решетки монтмориллонита - весьма важный фактор, определяющий многие свойства лессовых грунтов. Увеличение объема связано с поглощением воды межпакетными пространствами. Увеличение этой воды приводит к уменьшению объема минерала.

К водорастворимой группе минералов относятся карбонаты в виде кальцита (труднорастворимые), сульфаты в виде гипса (среднерастворимые) и галоиды в виде галита (легко растворимые). Содержание карбоната в лессовых грунтах Юга Европейской части России колеблется в пределах 6-9%, иногда 10-12% и более. В структуре лессового грунта дисперсные карбонаты исполняют роль цемента.

Легкорастворимые минералы важны для формирования свойств лессовых пород, особенно в засушливых районах. Полное или частичное устранение смачиваемости минералов грунта водой, или иначе гидрофобизация грунта, может быть достигнута путем уравновешивания энергетически активных центров поверхности минералов грунта веществами, обладающими такой способностью и в то же время, вследствие своей молекулярной природы, не смачиваемыми водой.

Одним из путей является путь уравновешивания нескомпенсированных электрических зарядов поверхностных ионов минералов органическими катионами. В глинистых частицах грунтов связных грунтов преобладают минералы групп каолинита, гидрослюд и монтмориллонита. Все они на своих базальных плоскостях имеют то или иное количество отрицательно заряженных ионов О2- и (ОН)-. На других плоскостях они могут иметь и некоторое количество положительно заряженных ионов, однако и там будут преобладать ионы с отрицательными зарядами.

Следовательно, для нейтрализации преобладающих в грунтово-коллоидной системе отрицательных зарядов необходимо применение органических катионов. В этом случае будет иметь место типичная ионная сорбция, приводящая к уменьшению поверхностной энергии системы. Органические катионы под влиянием электрического поля минерала способны ориентироваться своей полярной частью к его поверхности, а не полярной углеводородной частью - во внешнюю среду. В связи с инактивностью новой поверхности смачивание ее водой происходить не будет.

Органические катионы обладают большими объемом и молекулярным весом, вследствие чего они более энергично и прочно сорбируются грунтом. По мнению С.Б. Хендрикса [1] большие органические ионы адсорбируются более значительно, чем мелкие ионы, вследствие больших вандерва-альсовых сил. Большие органические катионы способны вытеснять неорганические катионы с их обменных позиций и прочно удерживаться на поверхности минерала.

Наиболее распространенными реагентами, способными давать органические катионы являются соли аминов. В настоящей работе рассматривается гидрофобизация укрепленного цементом пы-леватого суглинка с числом пластичности 11,03. Максимальная плотность грунта при оптимальной влажности 11,0% составила 2,22 г/см3. В качестве вяжущего использовался цемент марки М-500 в количестве 3-7% от массы грунта. Для улучшения структурно-механических свойств грунта был использован гидрофильный катион-ный полимер на основе алифатических аминов, вводимые в виде водного раствора в количестве 0,12-0,14% по массе грунта при увлажнении це-ментно-грунтовой смеси до оптимальной влажности. Алифатические амины усиливают вяжущие свойства грунта, обработанного цементом, и уменьшают количество цемента, вводимого в грунт.

Было установлено, что алифатические амины в указанном количестве положительно влияют на поровую структуру цементногрунтовой смеси, увеличивая ее плотность, а также повышают прочность, водостойкость и морозостойкость. Прочность с добавлением алифатических аминов превышает прочность образцов суглинистого це-ментногрунта на 10-14% и снижает водонасыще-ние на 30-40%.

В настоящее время проходит производственная проверка с целью изучения влияния катионного полимера на основе алифатических аминов на це-ментногрунт в конструкции дорожной одежды.

Рассматриваются две технологии внедрения полимера в цементогрунт:

1) при помощи немецкой дорожной машины Ре-сайклер WR-2500. Эта машина одновременно вводит цемент и воду с растворимым в ней полимером;

2) при помощи стационарной установки ДС-50.

Вывод

Применение катионного полимера на основе алифатических аминов способствует улучшению прочностных и деформационных характеристик материалов, водно-теплового режима земляного

полотна и позволяет широко использовать местные материалы и грунты.

Литература

1. Кострико М.Т. Вопросы теории гидрофобиза-ции грунтов. - Ленинград, 1957.

2. Ананьев В.П. Минералогический состав и свойства лессовых пород. - Ростов р/Дону: Изд-во Ростовского университета, 1985.

Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 февраля 2005 г.