Укрепленный глинистый грунт
STRENGTHENED CLAY SOIL

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для сооружения земляного полотна и устройства укрепленных дорожных оснований на дорогах I-V категорий.
Из уровня техники известно, что земляное полотно автомобильной дороги является одним из основных конструктивных элементов автомобильной дороги, от устойчивости и прочности которого зависит срок службы дорожных одежд. При этом для возведения земляного полотна, а также устройства укрепленных дорожных оснований используют грунты, укрепленные различными неорганическими вяжущими.
Наибольшее распространение в дорожном строительстве получили грунты, укрепленные цементом или известью. Однако грунты, укрепленные известью, имеют низкую морозостойкость. Применение цемента в качестве основного вида вяжущего укрепленного грунта значительно повышает его стоимость.
2
3
3
Известно (ГОСТ 23558-94. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия), что все виды пылевидных и глинистых грунтов с числом пластичности не более 12 можно укреплять комплексными вяжущими марок по прочности в 90-суточном возрасте, определяемой по ГОСТ 3344, не менее 100. Причем в качестве основного компонента следует использовать молотые слабоактивные и активные шлаки черной металлургии и шлаки фосфорные по ГОСТ 3344, основные золы-уноса по ГОСТ 25818, бокситовые и нефелиновые шламы, а в качестве активаторов твердения - портландцемент, шлакопортландцемент марок по прочности не ниже 400 по ГОСТ 10178, известь строительную I и II сортов по ГОСТ 9197, гипс строительный марок не ниже Г10 по ГОСТ 125, содощелочной (содосульфатный) плав с содержанием NaCO не менее 95% и NaOH не менее 2% по массе, жидкое стекло с кремнеземистым модулем 1,7-1,8 и плотностью от 1,15 до 1,25 г/см. Данная информация взята за прототип.
Исходя из представленной информации видно, что при укреплении грунтов комплексными вяжущими материалами время набора прочности укрепленного грунта будет составлять около 90 суток. Кроме этого, грунты, укрепленные комплексными вяжущими по ГОСТ 23558-94, имеют низкую прочность даже в проектном возрасте через 90 суток соответственно. Причем при использовании в качестве активатора твердения портландцемента или шлакопортландцемента их марка по прочности должна быть не ниже 400 по ГОСТ 10178. Из-за высокой марки такой вид портландцемента или шлакопортландцемента имеет высокую стоимость.
В ГОСТ 23558-94 также указано, что для снижения расхода вяжущих материалов, повышения прочности, морозостойкости и улучшения технологических свойств следует применять следующие химические добавки: щелочной сток производства капролактама, хлорид кальция, хлорид натрия, нитрит кальция, жидкость гидрофобизирующая (ГКЖ-94).
Однако дополнительное использование при укреплении грунтов таких химических добавок как нитрита кальция, жидкости гидрофобизирующей (ГКЖ-94) способствует снижению расхода вяжущего с одновременным снижением прочности, водонепроницаемости укрепленного грунта, также их использование замедляет схватывание вяжущих веществ и их твердение. Применение щелочного стока производства капролактама, хлорида кальция или хлорида натрия в качестве ускорителей твердения повышает морозостойкость грунта, укрепленного различными видами вяжущего, но способствует снижению его прочности и, как следствие, уменьшает сопротивляемость грунта внешним нагрузкам и всей конструкции автомобильной дороги.
Задача изобретения направлена на достижение технического результата, заключающегося в увеличении показателей прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, снижении сроков набора заданной прочности грунтов, укрепленных комплексным вяжущим по ГОСТ 23558-94, а также расширение сырьевой базы материалов, используемых при укреплении грунтов для дорожного строительства.
Технический результат достигается за счет того, что укрепленный глинистый грунт содержит связный грунт, комплексное вяжущее и воду для обеспечения требуемой влажности, при этом в качестве основного компонента комплексного вяжущего используется сталеплавильный конвертерный шлак Новолипецкого металлургического комбината, активатора твердения - портландцемент или шлакопортландцемент марок по прочности не ниже М300 при следующем соотношении компонентов по твердой фазе, масс. %:
сталеплавильный конвертерный шлак
Новолипецкого металлургического комбината
10-69
портландцемент или шлакопортландцемент
марки по прочности не ниже М300
3-7
грунт
28-83
и дополнительно содержит химическую добавку «Чимстон» в количестве 0,175% от массы портландцемента или шлакопортландцемента.
Анализ известных технических решений показал, что конвертерные сталеплавильные шлаки, особенно фракции 0-10 мм, в больших объемах скопившиеся в отвалах на площадках складирования Новолипецкого металлургического комбината, в отличие от доменных мало применяются в дорожном хозяйстве вследствие специфических свойств и особенностей, отличающих их от традиционных дорожно-строительных материалов. К подобным свойствам относятся: структура, минералогический состав, пористость и характер взаимодействия с вяжущими веществами.
Металлургические шлаки по химико-минералогическому составу близки к цементному клинкеру, но вследствие высокой степени закристаллизованности обладают низкой гидравлической активностью.
Наличие в составе конвертерных шлаков двухкальциевого силиката, свободной извести и металлических включений вызывает процессы их самораспада, поэтому конвертерные шлаки целесообразно использовать после выдержки в течение продолжительного времени в отвалах для завершения силикатного, известкового и железистого самораспада и перехода в устойчивое структурное состояние.
Наибольшей гидравлической активностью обладает нестабильная стекловидная фаза, которая при хранении в отвалах со временем переходит в кристаллическую. Происходящее при этом снижение химической активности может компенсироваться увеличением поверхностной энергии в результате увеличения суммарной площади поверхности шлаковых частиц в процессе их самораспада.
Исходя из представленной информации использование конвертерных сталеплавильных шлаков при укреплении грунтов для дорожного строительства может существенно расширить сырьевую базу материалов при строительстве автомобильных дорог.
При этом использование отвальных конвертерных сталеплавильных шлаков при создании композиционных дорожно-строительных материалов возможно при введении в состав шлакосодержащих композиций комплексных вяжущих.
Использование химической добавки «Чимстон» позволяет увеличить прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, снизить сроки набора заданной прочности грунтов, укрепленных комплексным вяжущим по ГОСТ 23558-94.
Хемосорбционные процессы и молекулярно-поверхностные явления, связанные с адсорбцией добавки «Чимстон» на поверхности частиц глинистого грунта и конвертерных сталеплавильных шлаков, изменяют структуру пограничных слоев частиц и влияют на свойства укрепленного грунта.
Разработанный состав укрепленного грунта обладает высокой прочностью при сжатии (не менее 5,55 МПа), коэффициентом морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания (не менее 0,73) и небольшим водонасыщением (не более 4,0%) по сравнению с грунтом, укрепленным комплексным вяжущим по ГОСТ 23558-94.
Характеристика исходных материалов
В качестве глинистого грунта использовался тяжелый пылеватый суглинок с естественной влажностью от 4 до 6%, числом пластичности, равным 15, и содержанием песчаных частиц в количестве 35% по массе.
В качестве основного компонента комплексного вяжущего использовался сталеплавильный конвертерный шлак Новолипецкого металлургического комбината различных химических составов, которые представлены в табл. 1. Физико-механические характеристики шлака Новолипецкого металлургического комбината различных химических составов представлены в табл. 2.
В качестве активатора твердения комплексного вяжущего использовали портландцемент или шлакопортландцемент марок по прочности М300, М400 и М500 по ГОСТ 10178 (классов по прочности В22,5; В32,5 и В42,5 по ГОСТ 31108-2003), физико-механические характеристики которых представлены в табл. 3-5.
Химическая добавка «Чимстон» представляет собой поверхностно-активное вещество. Добавка серии «Чимстон» выпускается в виде концентрата и представляет собой вязкую жидкость, обладающую свойствами поверхностно-активных веществ. Кроме того, в состав продукции входят полимерные компоненты. Продукция по классификации ГОСТ 24211 может быть условно отнесена к пластификаторам. Более подробные характеристики приведены в ТУ 2493-001-97980347-2016.
Пример
Грунт, укрепленный шлаком №1, комплексным вяжущим и химической добавкой «Чимстон», готовили следующим образом. Глинистый грунт предварительно высушивали в сушильном шкафу при температуре 100±5°С до постоянной массы и отвешивали в емкость в количестве, необходимом для определения физико-механических показателей грунта. Затем разрыхляли грунт до однородного состояния с максимальным размером кусков до 10 мм и добавляли требуемое количество шлака Новолипецкого металлургического комбината, а также портландцемента или шлакопортладцемента марок по прочности М300, М400 или М500 в соответствии с составами, представленными в табл. 6-8.
Параллельно готовили раствор на основе воды и химической добавки «Чимстон». Количество химической добавки «Чимстон» составляло 0,175 масс. % от массы грунта. Количество воды при укреплении грунта обеспечивало требуемую влажность, оптимальную для уплотнения укрепленного грунта согласно ГОСТ 22733-2016. Для составов I, Ia, IV, IVa, VII, VIIa, а также контрольных (контроль 1, контроль 2, контроль 3, контроль 4, контроль 5, контроль 6) количество воды в смеси составило 16 масс. % от массы твердой фазы всех компонентов; для составов IIa, II, V, Va, VIII, VIIIa - 14 масс. %; для составов IIIa, III, VI, VIa, IX, IXa - 12 масс. %. Полученную суспензию на основе воды и химической добавки «Чимстон» вводили в предварительно подготовленный грунт и тщательно перемешивали до получения однородной массы.
Аналогичным образом были приготовлены образцы грунта, укрепленного шлаком №2, комплексным вяжущим и химической добавкой «Чимстон».
Образцы грунта, укрепленного сталеплавильным конвертерным шлаком Новолипецкого металлургического комбината различного химического состава, портландцементом или шлакопортландцементом марок по прочности М300, М400 или М500 и химической добавкой «Чимстон», изготавливали в соответствии с ГОСТ 12801-98 и выдерживали во влажной среде в течение 28 сут, для которых по истечении 28 сут определяли следующие показатели:
- предел прочности на сжатие по ГОСТ 10180-2012;
- водонасыщение по ГОСТ 12801-98;
- коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания по СТО 79954613 001-2014.
Результаты эксперимента представлены в табл. 9 и 10.
Из представленных данных видно, что грунт, укрепленный сталеплавильным конвертерным шлаком Новолипецкого металлургического комбината различного химического состава, портландцементом или шлакопортландцементом марки М300 и химической добавкой «Чимстон», показывает высокие физико-механические показатели по сравнению с грунтом, укрепленным комплексным вяжущим по ГОСТ 23558-94 (контроль 1 и контроль 2). Так, составы, содержащие шлак, добавку «Чимстон» и активатор твердения на основе портландцемента или шлакопортландцемента марки М300 в разном процентном соотношении, показали прочность на сжатие в возрасте 28 сут от 4,97 до 5,65 МПа, коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - от 0,58 до 0,83 и водонасыщение - от 3,3 до 5,1%. При этом значения указанных показателей для образцов укрепленного грунта согласно контрольным составам (без использования химической добавки «Чимстон» с использованием шлака №1) составили:
- предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток - 3,91 и 3,00 МПа (контроль 1 и контроль 2 соответственно);
- водонасыщение - 5,5 и 5,6% (контроль 1 и контроль 2 соответственно);
- коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - 0,55 и 0,51 (контроль 1 и контроль 2 соответственно).
Физико-механические показатели укрепленного суглинистого грунта с использованием шлака №2, а также портландцемента или шлакопортландцемента марки М300 (без использования химической добавки «Чимстон») составили:
- предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток - 3,90 и 3,00 МПа (контроль 1 и контроль 2 соответственно);
- водонасыщение - 5,5 и 5,9% (контроль 1 и контроль 2 соответственно);
- коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - 0,51 и 0,47 (контроль 1 и контроль 2 соответственно).
Использование в составе укрепленного грунта цемента более высоких марок (М400 и М500) способствует получению образцов с более высокими физико-механическими показателями по сравнению с теми, в которых использовался цемент марки М300. Тем не менее, все образцы грунта, укрепленные комплексным вяжущим в сочетании с добавкой «Чимстон», показывают более высокие результаты по сравнению с образцами грунта без использования данной добавки. Так, составы, содержащие шлак №1, добавку «Чимстон» и активатор твердения на основе портландцемента или шлакопортландцемента марки М400 в разном процентном соотношении, показали прочность на сжатие в возрасте 28 сут от 5,55 до 6,11 МПа, коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - от 0,73 до 0,88 и водонасыщение - от 3,2 до 4,5%. Составы, содержащие шлак №1, добавку «Чимстон» и активатор твердения на основе портландцемента или шлакопортландцемента марки М500 в разном процентном соотношении, показали прочность на сжатие в возрасте 28 сут от 5,95 до 6,52 МПа, коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - от 0,90 до 0,95 и водонасыщение - от 1,8 до 3,0%. Аналогичная тенденция наблюдается и при использовании шлака №2 (табл. 10).
Данные исследования дали возможность снизить марку по прочности портландцемента и шлакопротланцемента, которые используются в качестве активатора твердения при укреплении грунтов комплексными вяжущими по ГОСТ 23558-94. Это позволяет снизить стоимость грунтов, укрепленных комплексным вяжущим. В соответствии с прототипом (ГОСТ 23558-94), при использовании в качестве активатора твердения портландцемента или шлакопортландцемента их марка по прочности должна быть не ниже 400.
Введение добавки «Чимстон» в исходный грунт способствует формированию плотной и однородной структуры. Это выражается в уменьшении количества и размеров макропор (радиус пор менее 10 мкм), а также в их более равномерном распределении в массе стабилизированного грунта. Количество макропор в системе «грунт + добавка «Чимстон» в 2-4 раза меньше, чем в бездобавочных системах.
Все это приводит к тому, что укрепленный грунт приобретает высокую уплотняемость, что придает ему дополнительную прочность, морозостойкость с одновременным снижением водонасыщения образцов укрепленного грунта.
Конвертерный шлак Новолипецкого металлургического комбината различного химического состава подвержен процессу самораспада, что приводит к увеличению его дисперсности, а следовательно, площади его поверхности. В связи с этим возрастает число возможных фазовых контактов между зернами шлака и активаторами твердения, возникают условия получения устойчивых структур. Кроме того, после самораспада уменьшается число дефектов в структуре частиц, увеличивается их прочность, а следовательно, грунтов, укрепленных таким шлаком.
Важно отметить, что использование отходов черной металлургии позволит существенно расширить сырьевую базу материалов, используемых при укреплении грунтов для дорожного строительства.
Использование добавки «Чимстон» в комплексе с активатором твердения (неорганическим вяжущим) и сталеплавильного конвертерного шлака Новолипецкого металлургического комбината приводит к увеличению количества гелеобразных волокнистых и тонкоигольчатых гидросиликатов кальция среди гидратных продуктов неорганического вяжущего, в результате чего дисперсность структуры укрепленного грунта повышается и она становится более однородной, плотной, прочной, устойчивой к попеременному замораживанию-оттаиванию и воздействию воды.