СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ ПО ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТОГРУНТОВ
METHOD OF UNIFORMITY INCREASING BY DURABILITY OF SOIL CEMENT

Изобретение относится преимущественно к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для повышения однородности по прочности цементогрунтов.
Существенным повышением качества, эффективности и долговечности строительства и долговечности конструктивных слоев дорожной одежды, укрепленной вяжущим материалом, является повышение их однородности. В то же время известно, что цементогрунты из всех дорожно-строительных материалов имеют самую высокую вариацию физико-механических свойств.
В результате ранее выполненных под руководством профессора В.С.Прокопца экспериментальных исследований было установлено, что основными рецептурно-технологическими факторами однородности цементогрунтов по прочности являются: содержание цемента в смеси; влажность грунта при перемешивании с вяжущим; выдерживание готовой смеси на воздухе перед уплотнением.
Установлено, что основным условием получения высококачественных цементогрунтов являются технологические условия [1], при которых достигается высокая равномерность распределения в грунтовом заполнителе генерального вяжущего - цемента. Из этих исследований следует, что однородность распределения зависит в основном от количественного содержания вяжущего.
Дальнейшие исследования показали, что зависимость прочности материала и его однородности по прочности от процентного содержания цемента в смеси имеет не совсем четкую причинно-следственную связь, выраженную разнохарактерными участками [1]. Выделяются три разнохарактерных участка, соответствующих 1-6%, 7-13% и 13-17% цемента [2].
На фиг.1 приводится графическая зависимость прочности R и коэффициента вариации этой прочности (однородности) Cv цементогрунта от процентного содержания вяжущего в смеси цементогрунта.
V
Из графика видно, что на кривых R-Ц и C-Ц выделяются несколько характерных участков, соответствующих 1-6%, 7-13% и 13-17% цемента.
На интервале 1-6% цемента в грунтовой массе еще нет предпосылок для формирования сплошного скелета из вяжущего. Связи здесь в основном конденсационные с точечными контактами, местами переходящие в кристаллические. При таких дозировках вяжущего происходит лишь укрепление небольшого пространства, прилегающего к грунтовым агрегатам, вследствие чего этот участок характеризуется незначительным приростом прочности R цементогрунта. С другой стороны, небольшие дозировки цемента способствуют значительному улучшению качества материала путем снижения структурной природной неоднородности исходного грунта.
Участок, соответствующий 6-13% цемента, отличается более интенсивным приростом прочности R материала за счет увеличения объема укрепленного цементом пространства вокруг грунтовых агрегатов. Этот участок характеризует формирование чисто кристаллизационной структуры материала. Независимо от разновидности грунта образовавшиеся кристаллизационные связи имеют значительные дефекты, приводящие к разбросу прочностных показателей материала (цементогрунта).
V
Дальнейшее увеличение содержания цемента в смеси (участок 13-17% графика) приводит к дальнейшему росту прочности R, но уже с заметной затухающей тенденцией. Этот участок характеризуется увеличением числа и прочности самих связей кристаллической решетки. Растет их стабильность во времени. Подтверждением этому является минимум величины коэффициента вариации С, приходящегося на 15-процентную дозировку цемента.
Для такой структурно-неоднородной системы, какой является цементогрунт, оптимальная дозировка вяжущего должна назначаться не только из условий удовлетворения критерию прочности R, но также и удовлетворения критерию, характеризующему степень однородности данного материала по прочности и стоимости цементогрунта. Таким образом, оптимальная дозировка вяжущего находится в пределах 6-14%.
Известен «Способ укрепления грунта» по описанию изобретения к а.с. СССР №1362780 класс МПК 4 Е02D 3/12, опубликовано в Бюл. №48 30.12.1987 г.[3].
Данный способ заключается в предварительном смешении 3/5 частей укрепляемого грунта с 40-50% воды от общей массы и с 20-40% цемента от общей массы, выдерживании в течение 20-60 минут. Затем эту смесь перемешивают со смесью оставшихся компонентов. Прочность при сжатии укрепленного грунта в водонасыщенном состоянии равна 3,2-5,4 МПа, коэффициент вариации равен 8-16%.
Недостатком данного способа укрепления грунта является то, что неоднородность смеси достаточно значительная, поэтому и коэффициент вариации имеет большой интервал разброса.
Целью предлагаемого изобретения является разработка и создание способа повышения однородности по прочности цементогрунтов.
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом. По известному аналогу способ укрепления грунта заключается в перемешивании, по меньшей мере, 92% грунта и 8% цемента по массе и выполняется в следующей последовательности: в предварительном перемешивании, например, 3/5 частей укрепляемого грунта с водой в количестве 40-50% от общего количества воды и с цементом в количестве 20-50% от общего количества цемента; в выдерживании смеси в течение 20-60 мин; перемешивании ее со смесью оставшихся компонентов.
Но в отличие от известного способа в предлагаемом способе перемешивание компонентов производят раздельно по частям в следующей последовательности: укрепляемую массу вначале делят на две части в соотношении «золотого сечения» 0,67 и 0,33; затем каждую из этих частей раздельно перемешивают с 50% принятой массы цемента, а полученные две смеси путем перемешивания объединяют в общую массу; после этого полученную смесь перемешивают с заданным количеством воды, после чего готовую смесь выдерживают на воздухе в течение 20-60 мин перед укладкой и уплотнением ее в основание дорожной одежды. Подробнее о соотношении «золотого сечения» раскрыто в источнике информации [4].
В качестве близкого аналога предлагаемому способу повышения однородности по прочности цементогрунтов можно принять способ укрепления грунта по а.с. СССР №1362780.
Предлагаемый способ повышения однородности по прочности цементогрунтов осуществляют следующим образом.
Для этого проводили исследования на связном грунте, как самой неблагоприятной разновидности с точки зрения смешиваемости грунта. На основе этого грунта готовили образцы цементогрунта по двум вариантам (способам).
По первому варианту готовили образцы из смеси цементогрунта, полученного по способу согласно а.с. СССР №1362780 (назовем его стандартный способ).
По второму варианту готовили образцы из смеси цементогрунта, полученного по предлагаемому способу раздельно-последовательного перемешивания грунта с цементом.
Для объективности и корректности эксперимента в предлагаемом способе использовали люминофор вместо цемента в количестве равном массе цемента. Люминофор был измельчен по дисперсности до удельной поверхности, соответствующей удельной поверхности цемента.
По предлагаемому способу укрепляемую массу грунта вначале разделили на две части в соотношении «золотого сечения» 0,67 и 0,33, затем каждую из этих частей раздельно перемешивали с 50% принятой массы люминофора, а полученные две смеси объединили в общую массу путем перемешивания; после этого полученную смесь перемешали с заданным количеством воды, после чего эту смесь выдерживали на воздухе в течение 20-60 мин. Из этой смеси также изготовили образцы для испытаний.
Основными показателями однородности цементогрунта при статистической обработке выборочных срезов как по стандартному, так и по предлагаемому способу является коэффициент вариации, который равен
где σ - среднеквадратичное отклонение, которое рассчитывалось по программе MS Excel стандартным отклонением;
µ - математическое ожидание (среднее значение) по источнику [5].
Для установления ожидаемого эффекта предлагаемого способа кроме связного грунта экспериментальные исследования проводили еще на четырех разновидностях грунтов. Было сделано пять срезов на образцах, изготовленных как по стандартному, так и предлагаемому способам. Все площади срезов разбивались на 20 равных квадратов. Таким образом, получено 100 квадратов по двум способам. Из этих 100 вариантов выбирались случайным образом (используя генератор случайных чисел RANDOM) 20 квадратов из различных срезов. Такая случайная выборка представляется репрезентабельной и позволяет перенести выводы статистической обработки выборки на генеральную совокупность.
В каждом квадрате данного среза, представленного на фиг.2 и 4, наглядно просчитывалось количество частиц люминофора и количество частиц грунта. Дальнейшая статистическая обработка этих данных показывает следующее.
На фиг.2 представлен срез образца, сформированного по стандартному способу. На фиг.3 показана гистограмма этого среза, полученная с помощью надстройки в MS Excel «Анализ данных» → «Гистограмма».
На фиг.4 представлен срез, полученный по предлагаемому способу. На фиг.5 показана гистограмма данного среза, полученная с помощью надстройки в MS Excel «Анализ данных» → «Гистограмма».
В таблице 1 представлена описательная статистика как стандартного, так и предлагаемого экспериментального способа также с помощью программы → «Описательная статистика».
Описательная статистика стандартного и предлагаемого способа.
Таблица 1
Стандарт
Эксперимент
Люминофор
Среднее
47,3
45,85
Стандартная ошибка
3,519943
1,19489
Медиана
45
46
Мода
65
46
Стандартное отклонение
15,74166
5,343712
Дисперсия выборки
247,8
28,55526
Эксцесс
-1,13046
-0,33432
Асимметричность
0,340074
-0,05012
Интервал
52
20
Минимум
23
36
Максимум
75
56
Сумма
946
917
Счет
20
20
Коэффициент вариации =
0,332805
0,116548
Из таблицы 1 видно, что коэффициент вариации по традиционной обработке составляет 33%, а по предлагаемой технологии - около 12%.
На фиг.6 представлены графики как стандартного, так и предлагаемого способа (эксперимент), из которого видно преимущество предложенного метода, так как равномерность распределения в объеме укрепляемого грунта цементоимитирующим веществом (люминофором) в 3 раза выше (по коэффициентам вариации).
Таким образом, можно сделать следующий вывод: предлагаемый способ раздельно-последовательного перемешивания грунта с цементом позволяет получить цементогрунт по однородности сравнимый с однородностью цементобетона, а приготавливаемая таким способом цементогрунтовая смесь обладает высокой степенью однородности (низким коэффициентом вариации).
Источники информации
1. Прокопец B.C., Тарасова М.В. Однородность и долговечность конструкционных слоев дорожной одежды из грунтов, укрепленных вяжущими материалами.//.Сборник докладов. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», ч.4, с 289-291.
2. Прокопец B.C., Тарасова М.В. Влияние содержания цемента в смеси на прочность и однородность цементогрунта // Вестник СибАДИ, вып.5, 2007 г., с 100-104.
3. «Способ укрепления грунта» по описанию изобретения к а.с. СССР №1362780, класс МПК 4 Е02D 3/12, опубликовано в Бюл. №48, 30.12.1987 г.
4. «Золотое сечение» (золотая пропорция), Советский энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1987 г., с 467.
5. Захарченко Н.И. Бизнес-статистика и прогнозирование в MS Excel. Самоучитель: - М., Издательский дом «Вильямс», 2004 г., 208 с.