ГРУНТОБЕТОН ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
SOIL CONCRETE FOR ROAD CONSTRUCTION

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, а именно к грунтобетонам, и может быть использовано в качестве подстилающего слоя дорожных одежд или для устройства слоев оснований дорожных одежд.
Из уровня техники известны различные композиции грунтобетонов для устройства конструктивных слоев автомобильных дорог на основе глинистых грунтов, предусматривающих использование вяжущих различного типа твердения и добавок, в том числе производственных отходов в виде минерального сырья.
Известны составы смесей для грунтобетона (Патент RU № 2392244, опубл. 20.04.2010, бюл. № 17), содержащие глинистый грунт, вяжущее, добавку и воду, при этом в качестве химической добавки используется ферментный препарат «Дорзин», а в качестве вяжущего – портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: глинистый грунт – 78–83; портландцемент – 4–8; «Дорзин» – 0,03–0,06; вода – остальное. К недостаткам данных смесей следует отнести высокую материалоемкость традиционных активных укрепляющих компонентов – портландцемента для достижения необходимых физико-механических показателей.
Известен состав для устройства нижних слоев оснований дорожных одежд (Пат. RU № 2468139, опубл. 27.08.2012, бюл. № 24), принятый за прототип, включающий минеральное вяжущее вещество – цемент, золошлаковую смесь, отходы асбестоцементного производства (ОАЦП) и талловый пек при следующем соотношении компонентов, %: грунт 52,0–60,0; цемент 3,0–5,0; золошлаковая смесь 12,0–18,0; отходы АЦП 5,0–7,0; вода 14,0–22,0; омыленный талловый пек 0,5–1,5 от массы цемента.
Недостатками вышеуказанного состава является: недостаточно высокие физико-механические показатели грунтов, укрепленных цементом и комплексными добавками, при достаточно высоком содержании компонентов для укрепления. Кроме того, среди характеристик конечного материала не учитывается воздействие воды на укрепленный грунт, т.е. такие характеристики как: прочность на сжатие водонасыщенных образцов при температуре 20°С; прочность на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при температуре 20°С; набухание.
Изобретение направлено на разработку грунтобетона для дорожного строительства с улучшенными физико-механическими показателями: с высокими пределами прочности при сжатии, высокими пределами прочности при изгибе, низким набухание.
Это достигается тем, что Грунтобетон для дорожного строительства включает глинистый грунт, вяжущие и добавку, при этом глинистый грунт используется в виде суглинка легкого песчанистого, в качестве вяжущего используются минеральное вяжущее портландцемент и органическое вяжущее битумная эмульсия, в качестве активной минеральной добавки используется кислая зола-уноса, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
суглинок легкий песчанистый
87,5-90,5
портландцемент
4,25-5,25
битумная эмульсия
4,25-5,25
кислая зола-уноса
1-2
Характеристика компонентов:
1. Суглинок легкий песчанистый.
Для изучения возможности производства грунтобетона был рассмотрен распространенный в природные грунт – суглинок легкий песчанистый. Изучены его нормируемые физико-механические свойства в соответствии с ГОСТ 25100–2020, гранулометрический состав и минеральный состав грунта по данным рентгенофазового анализа (таблица 1).
2. Портландцемент марки ЦЕМ I 42,5М., ГОСТ 31108–2016.
3. Медленно распадающаяся битумная эмульсия, ее характеристики (таблица 2).
Таблица 2
Свойства дорожной битумной эмульсии марки ЭБДК-М
Показатель
Значения требуемые ГОСТ Р58952.1–2020
Индекс распада при использовании песка кварцевого
>260
Содержание вяжущего с эмульгатором, %
58–62
Остаток на сите № 014, %, не более
0,25
Условная вязкость при 40°С, с, не более
30
Остаток на сите № 014, после хранения 7 суток %, не более
0,30
Устойчивость к расслоению, при хранении 7 суток, %, не более
5
Адгезия к минеральному материалу, %, не более
50–100
4. Кислая зола-уноса, например, Троицкой ГРЭC.
В качестве активной минеральной добавки со структурирующим эффектом была рассмотрена кислая зола-уноса Троицкой ГРЭС, физико-механические свойства которой в соответствии с ГОСТ 25818–2017 и минерально-фазовый состав приведены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические свойства кислой золы-уноса
Троицкой ГРЭС и ее минерально-фазовый состав
Физико-механические свойства в соответствии с ГОСТ 25818–2017
Наименование показателя
Значения
Удельная поверхность по ПСХ, м<sup>2</sup>/кг
495
Остаток на сите № 008, мас. %
15
Водопотребность, %
73
Индекс активности на 28 сут.
84
Индекс активности на 90 сут.
95
Минерально-фазовый состав
Наименование компонента
Содержание, %
Кварц
9,25
Муллит
18,69
Магнетит
1,87
RAS
70,19
Для исследования свойств грунтобетона для дорожного строительства были рассмотрены составы смесей грунтобетона, приведенные в таблице 4.
Таблица 4
Составы грунтобетона для дорожного строительства
Наименование компонента
Количество, %
Прототип
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 3
Грунт
52
89,25
87,5
89
90,5
Цемент
5,0
6,25
5,25
4,75
4,25
Зола-уноса
-
-
1
1,5
2
Битумная эмульсия
-
4,5
5,25
4,75
4,25
ЗШС
12
-
-
-
-
ОАЦП
9
-
-
-
-
Таловый пек (от содержания цемента)
1,5
-
-
-
-
Для экспериментальной проверки предлагаемого оптимального состава грунтобетона для дорожного строительства изготавливались различные варианты смесей на основе глинистого грунта с комбинацией всех компонентов как в рамках предлагаемых составов, так и за пределами обозначенных значений.
Приготовление грунтобетонной смеси с добавлением минеральных и органических компонентов для комплексного укрепления производили следующим образом. В навеску грунта 87,5-90,5 г последовательно с обязательным перемешиванием добавляли цемент и золу-уноса. Следует обратить внимание, что зола-уноса вводилась взамен части цемента (20–30% от массы цемента, с шагом 5%). После получения однородной массы вводили расчетное количество битумной эмульсии и продолжали перемешивание в течение 2-3 минут. Физико-механические показатели определяли в соответствии с ГОСТ 30491–2012 Подготовка образцов и оборудование применялось в соответствии ГОСТ 12801–98. Из полученной грунтобетонной смеси формовались образцы в виде цилиндров размерами 50×50 см и балочек размерами 4×4×16 см, которые после хранения в естественных условиях в течение 28 суток испытывались для определения: предел прочности при сжатии; предел прочности при изгибе; прочности на сжатие водонасыщенных образцов при температуре 20°С; прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при температуре 20°С; коэффициент морозостойкости; набухание. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 5.
Таблица 5
Физико-механические показатели составов грунтобетона
Свойства
Наименование состава грунтобетона:
Прото-тип
Состав №1
Состав №2
Состав №3
Состав №3
Предел прочности при сжатии, МПа
5,59
6,04
5,99
5,95
4,89
Предел прочности при изгибе, МПа
0,97
1,78
1,89
1,95
1,68
Усадка, мм/м
0,6
0,5
0,5
0,4
0,9
Прочность на сжатие при температуре 20°С, МПа
-
4,91
4,79
4,75
4,28
Прочность на сжатие водонасыщенных образцов при температуре 20°С, МПа
-
2,92
3,03
3,14
2,81
Прочность на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при температуре 20°С, МПа
-
1,73
1,82
1,91
1,64
Коэффициент морозостойкости
-
1
1,1
1,2
0,9
Набухание, % по объему
-
1,1
1
0,9
1,2
Таким образом, были получены и испытаны образцы грунтобетона для дорожного строительства на основе глинистого грунта – суглинка легкого песчанистого с применением портландцемента, битумной эмульсии и активной минеральной добавки со структурирующим эффектом – кислой золы-уноса Троицкой ГРЭС под воздействием разных нагружений при различных условиях. Разработанный грунтобетон по сравнению с прототипом обладает повышенным пределом прочности при сжатии (на 6%); пределом прочности при изгибе (в 2 раза); сниженным значением усадки (30%). При этом улучшение физико-механических показателей разработанного грунтобетона по сравнению с прототипом обеспечивается при меньших ресурсозатратах, а использование золы-уноса взамен части цемента позволяет снизить объемы его потребления. Кроме того, по сравнению с составом грунтобетона без использования золы-уноса (таблица 5, состав 1) разработанный грунтобетон (таблица 5, состав 3) отличается улучшенными: прочностью на сжатие водонасыщенных образцов при температуре 20°С (на 7%); прочность на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при температуре 20°С (12%); коэффициентом морозостойкости на (20%); набуханием (на 5%).
Предложенный состав (таблица 5, Состав 3) смеси позволяет достигнуть заявленного результата – улучшение физико-механических показателей грунтобетона – за счет того, что используется комплекс вяжущих в сочетании с активной минеральной добавкой (что является ключевой особенностью), выступающей регулятором структурообразования, в виде кислой золы-уноса Троицкой ГРЭС в количестве 1,5% от массы смеси.
Введение большего количества активной минеральной добавки в виде кислой золы-уноса Троицкой ГРЭС является нецелесообразным, так как приводит к снижению прочностных показателей, введение меньшего количества регулятора структурообразования добавки не позволяет добиться необходимой активности цемента и перераспределения битума после распада эмульсии ввиду недостаточной концентрации добавки, что приводит к снижению физико-механических показателей грунтобетона.
Роль золы-уноса заключается регулировании структурообразования грунтобетона. При оптимальном соотношении в системе «грунт + цемент + битумная эмульсия + зола-уноса» происходит связывание свободного портландита с кислой золой-уноса в результате пуццолановой реакции с формированием развитой сетки из гидратных соединений различного состава и морфологии, непрореагировавшая зола выступает селективными центрами адсорбции эмульсии, обеспечивая равномерное распределение битумных пленок в объеме композита без физической сорбции глинистыми частицами. Данное обстоятельство способствует достижению необходимых физико-механических показателей конструктивных слоев для дорожных одежд из грунтобетона. Следует отметить, что зола-уноса используется в естественном виде без дополнительной активации.