Лабораторные исследования по укреплению местных грунтов лесных автомобильных дорог

TECHNICAL SCIENCES

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УКРЕПЛЕНИЮ МЕСТНЫХ ГРУНТОВ ЛЕСНЫХ

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Бавбель Е.И.

Белорусский государственный технологический университет, доцент кафедры лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного производства, кандидат

технических наук, доцент, Минск, Республика Беларусь Науменко А.И.

Белорусский государственный технологический университет, старший преподаватель кафедры инженерной графики, кандидат технических наук,

Минск, Республика Беларусь Кипра В.А. Синяк Е.С.

Белорусский государственный технологический университет,

студенты, Минск, Республика Беларусь

LABORATORY RESEARCH ON STRENGTHENING LOCAL SOILS OF FOREST

AUTOMOBILE ROADS

Baubel, J.I.

Belarusian state technological University, Associate Professor of the Department of forest machines, roads and technologies of timber industry, candidate of technical Sciences, associate Professor, Minsk, Republic of Belarus Naumenko A.I.

Belarusian state technological University, Senior lecturer of the Department of engineering graphics, candidate of technical Sciences,

Minsk, Republic of Belarus Kipra V.A. Sinyak E.S.

Belarusian state technological University,

students,

Minsk, Republic of Belarus

АННОТАЦИЯ

К настоящему времени накоплен большой опыт по применению как органических, так и неорганических вяжущих материалов для укрепления грунтов, используемых в дорожных конструкциях. Практика показала, что цементогрунтовые покрытия можно использовать на лесных автомобильных дорогах при условии защиты их слоем износа от непосредственного воздействия колес автопоезда. Однако технология укрепления грунта цементом до сих пор не получила широкого применения при строительстве лесных дорог.

Решающее значение для широкого применения в практику дорожного строительства композиционных смесей на основе цемента имеют следующие факторы: существенное снижение потребности в цементе при укреплении местных грунтов, высокие прочностные и деформативные свойства цементогрунта, соответствующие тяжелым условиям эксплуатации лесных дорог. Решение данных задач возможно при обосновании структуры и состава дорожной цементогрунтовой смеси на основе математической модели.

В результате проведенных экспериментальный исследований получены аналитические и графические зависимости физико-механических свойств местных грунтов, укрепленных композиционным вяжущим.

ABSTRACT

To date, accumulated a large experience in the application of both organic and inorganic binding materials for strengthening of soils used in road constructions. Practice has shown that cement-based coatings can be used on forest roads, provided that they are protected by a layer of wear and tear from the direct impact of the wheels of a road train. However, the technology of strengthening the soil with cement is still not widely used in the construction of forest roads.

The following factors are crucial for the wide application of cement-based composite mixtures in road construction: a significant reduction in the need for cement in strengthening local soils, high strength and deformation properties of cement, corresponding to the severe conditions of forest roads. The solution of these problems is

possible when justifying the structure and composition of the road cement-soil mixture on the basis of a mathematical model.

As a result of the experimental studies, analytical and graphic dependences of the physical and mechanical properties of local soils reinforced with a composite binder were obtained.

Ключевые слова: цементогрунтовая смесь, рецептурно-технологические условия, параметры структуры, эксплуатационные свойства.

Keywords: cement-ground mixture, recipe and technological conditions, structure parameters, operational properties.

Постановка проблемы. Дорожные конструкции воспринимают различные виды внешних воздействий, основными из которых являются воздействия от автомобильной нагрузки и погодно-климатических факторов. Кроме внешних воздействий, дорожные конструкции должны воспринимать нагрузки (иногда значительные) от собственной массы. Основными элементами дорожной конструкции - дорожная одежда и земляное полотно. Дорожную одежду считают достаточно прочной, если под воздействием всех нагрузок она сохраняет в течение заданного срока сплошность и требуемую ровность покрытия. Земляное полотно считают устойчивым, если изменение его несущей способности, высотных и геометрических параметров не выходит за расчетные пределы в течение срока службы [1.

В последние годы, с появлением большегрузных автомобильных поездов, значительно возросла колесная автомобильная нагрузка, которая вызывает предельные вертикальные и горизонтальные напряжения и деформации в конструктивных слоях дорожной одежды и верхних слоях земляного полотна. Это вызывает необходимость строить все более мощные и дорогостоящие конструкции.

Напряжения и деформации проникают на глубину до 1,5 м от поверхности покрытия, постепенно затухая в рабочем слое земляного полотна. Колесная нагрузка вызывает прогиб дорожной одежды и приводит к появлению в монолитных слоях (асфальтобетон, цементобетон, материалы, укрепленные минеральным или органическим вяжущим) растягивающие напряжения, а в несвязных слоях основания (грунты, не обработанные вяжущим) -касательные напряжения, которые зависят от величины действующей нагрузки на колесо и площади отпечатка колеса [1].

Нагрузки от автомобильных колес прилагаются многократно, что приводит к усталости и постепенному разрушению структуры материалов в монолитных слоях. Дискретные материалы (щебень, гравий) также постепенно изнашиваются, теряя несущую и распределяющую способность.

Горизонтальные усилия достигают больших значений в местах прохождения транспортных средств, при изменении скорости, на крутых уклонах и кривых. Горизонтальные усилия затухают в верхних слоях покрытия.

Кроме колесной нагрузки на прочность и долговечность дорожной одежды и земляного полотна значительное влияние оказывают погодно -климатические факторы: нагревание - охлаждение; водо-насыщение - высушивание; замораживание - оттаивание.

Температура воздуха оказывает более существенное влияние на свойства материалов дорожных одежд, содержащих органические вяжущие. При низких температурах повышается их модуль упругости и хрупкость, при повышенных - снижается модуль упругости и сдвигоустойчивость. Свойства материалов, укрепленных минеральными вяжущими, в меньшей степени зависят от температуры. Однако в обоих случаях в монолитных покрытиях возникают настолько большие температурные напряжения, что это приводит к появлению температурных трещин.

При водонасыщении наиболее существенно снижается прочность связных (глинистых) грунтов земляного полотна (в 2 раза и более), так как конденсационные структурные связи, обеспечивающие их высокую прочность в сухом состоянии, обратимо разрушаются. Многие группы грунтов при увлажнении набухают, а дорожно-строительные материалы, в том числе и монолитные, снижают прочность при водонасыщении.

Высушивание зачастую сопровождается увеличением прочности материалов. Однако цикличность водонасыщения - высушивания (расширения - сжатия) приводит к расшатыванию структуры, снижению плотности и прочности материалов дорожных конструкций [5].

С одной стороны замораживание приводит к значительному увеличению прочности многих во-донасыщенных материалов дорожных конструкций. Так, прочность замерзших глинистых грунтов возрастает на порядок, но при этом неотвратимо проявляется такое негативное явление, как морозное пучение. Это может привести к появлению растягивающих напряжений в верхней зоне монолитных слоев дорожных одежд и появлению трещин.

Негативные последствия циклического замораживания - оттаивания материалов осенью и весной однозначны, особенно если материалы насыщены влагой. При этом наибольшее число циклов воспринимает покрытие дорожной одежды, материал которого испытывает напряжения различного рода, главным образом из-за замерзающей и расширяющейся влаги.

Укрепленные грунты разнообразного состава и свойств характеризуются изменением прочности и деформационных свойств в весьма широком диапазоне. Такие изменения в свойствах и прочностных характеристиках будут зависеть от вида применяемого вяжущего материала, его дозировки, от свойств и состава грунта, от климатических условий местности.

Несмотря на эти колебания свойств укрепленные грунты в целом принято рассматривать как полужесткие и нежесткие материалы, что дает возможность использовать для назначения конструкции дорожных одежд существующие теории расчета, предназначенные для дорожных одежд нежесткого типа.

Практический опыт проектирования и строительства автомобильных дорог с применением укрепленных грунтов в конструкциях дорожных одежд показывает, что в назначении тех или иных слоев, их сочетании и толщины не может быть шаблона и единого решения для всех условий. Не все условия изучены с достаточной полнотой, однако уже сейчас накоплен большой опыт, позволяющий

обосновать применение укрепленных грунтов в дорожных основаниях и покрытиях.

Изучение влияния рецептурных факторов на свойства укрепляемого грунта. Для испытания были произведены 2 состава композиционных вяжущих. В состав №1 входит 70% портландцемента и 30% золы-уноса. В состав №2 входит 11% портландцемента от массы грунта и 5-15% волокна от массы портландцемента.

В качестве исследуемого грунта был использована супесь легкая. На рисунке 1 представлена зависимость расхода состава композиционного вяжущего №1 на прочностные характеристики грунта.

Рсж Мпа

1,6

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

у = 0,001х4 - 0,0452х3 + 0,7182х2 - 4,7921х + 11,944 R2 = 0,8555

10

11

12

13

14

15

Расход композиционного вяжущего, %

Рисунок 1 - Влияние расхода композиционного вяжущего на прочность укрепляемого грунта

5

6

7

8

9

Из графика следует, что рациональным и вполне достаточным расходом композиционного вяжущего следует считать 10-13%. Укрепленные грунты имеют показатель прочности III класса.

При ведении добавки золы-уноса в количестве большем, чем 30% от массы портландцемента, сни-

жается предел прочности при сжатии, что негативно сказывается на общей прочности цементо-грунта.

На рисунке 2 представлен график зависимости расхода волокна на прочность укрепляемого грунта.

Рсж Мпа

16

14 12 10 8 6 4 2

13

15

3 5 7 9 11

Расход фиброволокна, %

Рисунок 2 - Влияние расхода фиброволокна на прочность при сжатии укрепляемого грунта

17

0

Из графика следует, что максимальная прочность достигается при добавлении 5 % волокна, при

дальнейшем увеличении количества волокна прочность на сжатии уменьшается. Поэтому целесообразно использовать 5 % фиброволокна от массы портландцемента. По сравнению с контрольными

образцами, в состав которых входит только минеральное вяжущее (рисунок 3), прочность на сжатие выше примерно 10 раз.

Рисунок 3 -

Удлинение

- Испытание контрольных образцов

Введение фиброволокна положительно влияет так же на прочность грунтобетона при растяжении при изгибе, однако степень влияния количества

фиброволокна на прочность при сжатии более выраженная по сравнению с прочностью при изгибе (рисунок 4).

Мпа

1,6 —

1,5 -

1,4 -

1,3 -

1,2 -

1,1 -

1

0,9 -

0,8 -

0,7 -

0,6 -

0,5 -

0,4

0,3 -

0,2 -

0,1 —

1,51

I С фиброволокном I Контрольные

Рисунок 4 - Предела прочности на растяжение при изгибе

Влияние технологических параметров на свойства укрепляемого грунта. Как показывает анализ [5], влияние на качество и срок службы дорожных одежд факторов различного характера по величине сопоставимы друг с другом. Поэтому исходное состояние укрепленного грунта определяется не только составом компонентов вяжущего, но и способом и технологией укрепления. На основе

литературных источников были выявлены основные технологические факторы при укреплении грунтов: исходная влажность укрепляемого грунта, длительность технологического разрыва между перемешиванием цементогрунтовой смеси и окончательной укладкой, и уплотнением, очередность введения вяжущих материалов и степени уплотнения цементогрунта.

В ходе лабораторных исследований было изучено влияние некоторых технологических факторов на прочность цементогрунта.

Одной из важнейших технологических составляющих при производстве и получении композитов на основе местных грунтов с применением минеральных вяжущих материалов является оптимальное количество воды, необходимое для затвердения цемента и его полной гидратации [3].

Кроме того, расход воды влияет на обеспечение пластичности смеси, что в свою очередь необходимо для достижения максимального уплотнения и достижения необходимой плотности и прочности дорожной конструкции. При недостаточном количестве воды наблюдается неполная гидратация цемента, то приводит к понижению прочностных свойств из-за недостаточного набора прочности минеральным вяжущим.

Кроме того, цементогрунтовая смесь с низким содержанием воды теряет свою удобоукладывае-мость, что также приводит к образованию дефектов структуры цементогрунта, высокой пористости и низким эксплуатационным параметрам. При повышенном расходе воды в укрепляемой цементогрун-товой смеси также проявляются отрицательные свойства, а именно увеличивается пористость структуры.

Таким образом, оптимизация расхода воды в укрепляемой грунтовой смеси является важным рецептурным и технологическим элементом формирования плотной и прочной структуры грунтобетона, от которой зависят все эксплуатационные характеристики материала [5].

Содержание воды, добавляемой в смеситель при приготовлении смеси, определяется с учетом естественной влажности грунта по формуле:

Рв =

Р

1 +

100

/ИО^ч

Ч 100 )

где Рв - количество воды, добавляемой в смесь, т; P - масса грунта, подлежащего увлажнению, т; W - естественная влажность грунта, % массы; Щ)ПТ - оптимальная влажность смеси, % массы.

Эффективность укрепления грунтов зависит от правильного увлажнения смеси. Оптимальная влажность цементогрунта при уплотнении позволяет достигнуть максимальной плотности при относительной малой затрате энергии, а также наиболее благоприятные условия для последующего взаимодействия с грунтом продуктов гидрации и гидролиза портландцемента (рисунок 5).

0,4

0,2 у = 0,0173x4 - 0,7729x3 + 12,878x2 - 94,642x + 259,57

R2 = 0,8828

0

8 9 10 11 12 13 14

Влажность грунта, %

Рисунок 5 - Влияние влажности грунта на прочность при сжатии

Сразу после перемешивания и увлажнения це-ментогрунтовой смеси с водой в течение короткого времени в ней преобладает коагуляционная структура, самовосстанавливающая после механического разрушения. В этот период цементогрунтовая смесь наиболее пластична, удобоукладываемая и способна к наибольшему уплотнению. На следующем этапе происходит развитие кристаллизацион-

ной структуры, сопровождаемое уменьшением пластичности смеси увеличением ее жесткости. Смесь в таком состоянии плохо уплотняется.

Приготовленные цементогрунтовые смеси выдерживались определенный промежуток времени (от 0 до 240 мин), а затем из них изготавливались и испытывались образцы (рисунок 6).

Рсж Мпа

1,6

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

50

у = 5Е-09х4 - 3Е-06х3 + 0,0005х2 - 0,0328х + 1,6993 R2 = 0,9044

200

250

300

100 150

Время, мин.

Рисунок 6 - Влияние длительности технологического разрыва на прочность цементогрунта

Заключение. Существенное увеличение длительности допустимого технологического разрыва между перемешиванием смеси и ее уплотнением в условиях строительства лесных автомобильных дорог имеет большое значение, так как позволит получить цементогрунт с более высокой прочностью при использовании простейших машин для приготовления цементогрунтовых смесей на дороге и обычной недостаточно четкой работе потока машин при малых объемах дорожно-строительных работ.

Литература

1. Лыщик П.А., Бавбель Е.И. Проблема развития транспортной инфраструктуры лесопользователей // Труды БГТУ. 2011. № 2: Лесная и деревооб-раб. пром-сть. С. 62-64.

2. Лыщик П. А., Игнатенко В. В., Бавбель Е. И., Науменко А. И. Обоснование структуры и состава

дорожной цементогрунтовой смеси на основе мате-магической модели / // Труды БГТУ. - 2015. - № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. - С. 39-43.

3. Лыщик П. А., Науменко А. И. Новые композиционные материалы для укрепления дорожных грунтов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика / ФГБОУ ВПО ВГЛТА, Воронеж, РФ. 2014. Т. 2. № 3-3 (8-3). С. 200-202.

4. Лыщик П. А., Бавбель Е. И., Науменко А. И. Состав минерального вяжущего для укрепления дорожных грунтов // Труды БГТУ. 2014. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 33-36.

5. Лыщик П. А., Науменко А. И. Механизмы структурообразования дорожных грунтов, укрепленных минеральными вяжущими // Труды БГТУ. 2014. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 4244.

РАЗРАБОТКА СОСТАВА МАЛОЦЕМЕНТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ МЕСТНЫХ ДОРОЖНЫХ ГРУНТОВ

Бавбель Е.И.

Белорусский государственный технологический университет, доцент кафедры лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного производства, кандидат

технических наук, доцент, Минск, Республика Беларусь Науменко А.И.

Белорусский государственный технологический университет, старший преподаватель кафедры инженерной графики, кандидат технических наук,

Минск, Республика Беларусь Жилинский М.В.

Белорусский государственный технологический университет,

магистр технических наук, Минск, Республика Беларусь