СОСТАВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА НИЖНЕГО СЛОЯ ОСНОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
COMPOSITION FOR ARRANGEMENT OF LOWER LAYER OF ROAD SURFACE BASE

Изобретение относится к строительству и ремонту автомобильных дорог и может быть использовано для устройства нижних слоев основания одежд и верхних слоев земляного полотна в дорожном и сельскохозяйственном строительстве, а также для площадок зернотоков или хранения сельскохозяйственной техники.
Нижний слой основания, воспринимающий эксплуатационные нагрузки от автотранспорта и другой техники, а также подвергающийся постоянному воздействию климатических факторов, должен обеспечивать высокие показатели прочности, водостойкости, морозостойкости. Анализ интенсивного разрушения дорожного полотна свидетельствует о взаимосвязи долговечности грунтобетона с низкими показателями прочности оснований дорожных одежд на растяжение при изгибе и высокими значениями усадки укрепленных грунтов, что в начальный период после возведения дороги приводит к образованию трещин и снижению эксплуатационных характеристик. Широкое распространение в дорожном строительстве получили комплексные методы укрепления грунтов с использованием гидрофобизаторов, минеральных и органических вяжущих и различных активных добавок целевого назначения, обеспечивающих водостойкость и морозостойкость грунтобетонных оснований. Такой подход экономически целесообразен и позволяет получить материал с заданными эксплуатационными свойствами (см. Безрук В.М. «Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве», М., Транспорт, 1971. - 246 с.).
Известен состав смеси для устройства нижних слоев основания дорожных одежд по патенту РФ №2305149, включающий грунт - 77,89-83,91, цемент - 4-6, воду - 12-16 и катионно-активное вещество ДОН-52КП - 0,09-0,11. Однако данный состав имеет явные недостатки: повышенную усадку (более 1,5-2,0 мм/м) и низкую прочность на растяжение при изгибе (менее 0,6 МПа), вследствие чего долговечность дорог с такими основаниями весьма ограничена.
Известны составы из укрепленных грунтов для устройства нижних слоев основания дорожных одежд, состоящие из (%): грунта 70-75, цемента 8-12, золошлаковой смеси 15-18 и гидрофобизирующих добавок 0,5-2,0. Они обладают достаточно высокой прочностью при сжатии 4,5 МПа и меньшими показателями усадки 0,8-1,3 мм/м. Однако введение золошлаковой добавки в грунт при улучшении общей структуры и повышении прочности грунтобетона не способствует повышению прочности на растяжение при изгибе, являющейся важной эксплуатационной характеристикой нижнего слоя основания.
Указанные недостатки могут быть устранены за счет внесения в нижний слой основания комплексных добавок направленного назначения. В качестве структурирующих компонентов, снижающих коэффициент линейного температурного расширения бетонного основания, рационально введение в укрепляемый грунт золошлаковых смесей. Для увеличения прочности на растяжение при изгибе необходимо совместно с минеральным вяжущим введение в укрепляемый грунт отходов асбестоцементного производства, обеспечивающих дисперсное армирование, а для придания гидрофобных свойств - вместе с водой затворения - введение омыленного таллового пека.
Состав для устройства нижнего слоя основания дорожных одежд содержит данные компоненты в количестве, %:
глинистый грунт
52,0-60,0
цемент
3,0-5,0
золошлаковая смесь
12.0-18,0
отходы АЦП
5,0-7,0
омыленный талловый пек
0,5-1,5 от массы цемента
вода затворения
14,0-22,0
Использование данного состава способствует существенному повышению эксплуатационных показателей и увеличивает срок службы нижнего слоя основания дорожных одежд.
Характеристика добавок, составляющих нижний слой основания дорожных одежд:
1. Глинистый грунт
Для укрепления нижнего слоя основания заявлены глинистые грунты, распространенные по всей территории Западной Сибири, являющиеся суглинками низкой прочности, тяжелыми, пылеватыми, твердыми, слабопучинистыми. Гранулометрический состав суглинков представлен в таблице 1.
Таблица 1
Наименование суглинков
Содержание фракций в процентах по объему
Глинистые
Пылеватые
Песчаные
Суглинок пылеватый
13,2-19,3
61,2-67,9
8,9-18,1
Суглинок тяжелый
18,4-24,5
59,8-64,7
1,8-11,4
Анализ гранулометрического состава показывает, что данные грунты относятся к грубодисперсному сырью и состоят преимущественно из пылеватых частиц. Основными минералами суглинков являются гидрослюды, преимущественно мусковит с межплоскостным расстоянием d=0,983-0,998 нм. Кроме того, следует отметить наличие большого количества кварца (d=0,423 и 0,330 нм) и полевого шпата (d=0,404; 0,384; 0,366; 0,319 нм). Отмечено наличие карбоната кальция (d=0,3028; 0,2273 нм). В некоторых пробах достаточно хорошо фиксируется монтмориллонит (d=0,640; 0,442; 0,318; 0,247 нм) с примесями кальцита (d=0,304 нм). По пластичности глинистые материалы относятся к умеренно пластичным с числом пластичности от 7,5 до 12,5.
2. Цемент (минеральное вяжущее)
В качестве минерального вяжущего в состав вводится портландцемент марки ПЦ400 Д20 Искитимского цементного завода (ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент»
3. Золошлаковая смесь
Золошлаковые смеси образованы от сжигания углей марок Д (длинно-пламенный) и Г (газовый) Томь-Усинских угольных бассейнов на ТЭЦ и котельных г.Новосибирска и Новосибирской области. Топливные золы и шлаки в отвалах неоднородны по своему химическому, минералогическому и гранулометрическому составу. Испытания золошлаковых смесей проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 25592-91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» и показали следующие результаты:
содержание шлака по массе
11,3-19,7% (20%)
содержание зерен золы и шлака, проходящих
через сито №0,315
65,8-823% (50-100%)
содержание зерен размером более 5 мм
13,1-17,9% (до 15%)
максимальный размер зерен шлака
19-24 мм (до 20 мм)
влажность
14,3-19,5%
плотность насыпная
795-850 кг/м
потеря массы при прокаливании
8,7-15,1% (до 10%)
0
С
Ввиду низкого содержания оксида кальция применяемые золошлаковые смеси и шлак относятся к неактивным инертным заполнителям согласно существующей классификации. По вычисленным показателям: модулю основности (M=0,14), силикатному модулю (М=2,23) и коэффициенту качества (К=0,51) золошлаковые смеси относятся к кислым скрыто активным золошлаковым материалам согласно действующей классификации. Характерной особенностью кислых золошлаков является их неоднородность по размерам частиц, конфигурации, цвету и структуре, преимущественно преобладают шарообразные частицы.
4. Отходы асбестоцементного производства АЦП
2
2
Для дисперсного армирования нижнего слоя основания используются сопутствующие производству асбестоцементных изделий отходы асбестоцементного производства, представляющие собой крупнотоннажный шлам из гидратированного цемента на волокнах асбеста диаметром 0,02-0,08 мм и длиной 2-6 мм. Суточный объем вывоза отходов составляет более 40-50 т, а годовой объем превышает 15 тысяч т. Шлам находится в рыхлом состоянии и содержит агрегированные или дисперсные частицы асбестоцемента с наличием до 50-60% гидратированного портландцемента марки 400 производства ООО «Искитимцемент». Содержащийся в шламе хризотил-асбест представлен волокнами длиной от 1 до 6 мм и диаметром 0,02-0,8 мкм. По химическому составу хризотил-асбест представляет собой гидросиликат магния и может быть выражен формулой 3MgO·2SiO·HO.
5. Омыленный талловый пек (гидрофобизирующая добавка)
В качестве гидрофобизатора и модификатора цементогрунтовых смесей используется талловый пек, являющийся нелетучей частью таллового масла в процессе ректификации. Это - промежуточный продукт глубокой химической переработки древесины при сульфатно-целлюлозном производстве. Для придания водорастворимых свойств пек обрабатывают раствором щелочи (омыление). Омыленный талловый пек (ОТП) производится в соответствии с ТУ 13-0281078-146-90 и по основному назначению выпускается двух марок: Б - для проклейки картона, древесноволокнистых плит, технических сортов бумаги; К - для производства сельскохозяйственных крелинов. По внешнему виду пек представляет собой хорошо растворимую в воде твердую массу коричневого или темно-коричневого цвета с температурой размягчения 70…85°С. По химическому составу омыленный талловый пек содержит: жирных кислот - 31-34%; смоляных кислот - 18-26%; окисленных веществ - 13-17% и нейтральных веществ - до 25-31%.
Во фракции смоляных кислот больше всего содержится абиетиновой и дегидробиетиновой кислот, т.е. по набору кислот пек близок по составу к талловому лигнину и канифоли. Жирные кислоты пека представлены, в основном, насыщенными кислотами, преобладают - олеиновая и линолевая кислоты, что соответствует их содержанию в исходном талловом масле.
6. Вода затворения - техническая
Пример. Для экспериментальной проверки предлагаемого состава для устройства нижнего слоя дорожной одежды изготавливались различные варианты укрепленного грунта с комбинацией всех компонентов как в рамках предлагаемых составов, так и за пределами обозначенных значений.
Приготовление цементогрунтовой смеси с добавлением минеральных и органических добавок комплексного назначения производили следующим образом. В навеску грунта 50,0-62,0 г последовательно с обязательным перемешиванием добавляли золошлаковую смесь, отходы асбестоцемента и цемент. После получения однородной массы вводили расчетное количество воды с предварительно разведенным в ней омыленным таловым пеком и продолжали перемешивание в течение 2-3 минут. Из полученной грунтоцементной смеси формовались балочки размерами 4×4×16 см, которые после хранения во влажной среде в течение 28 суток испытывались для определения предела прочности на растяжение при изгибе и предела прочности на сжатие, а также другие показатели. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства грунтов, укрепленных цементом и комплексными добавками
Содержание добавок, %
Предел прочности при сжатии, МПа
Предел прочности при изгибе, МПа
Усадка, мм/м
Грунт
ЗШС
ОАЦП
*Талловый пек
Цемент
1. 62
20
3
-
2,0
1,71
0,42
1,1
2. 60
18
5
0,5
3,0
3,82
0,98
0,8
3. 56
15
7
1,0
4,0
5,47
1,03
0,5
4. 52
12
9
1,5
5,0
5,59
0,97
0,6
5. 50
10
11
2,0
6,0
4,16
0,92
0,5
Аналог
ДОН-52КП-
74,88-86,92
-
-
3-7
3,5-5,0
0,4
1,8-2,1
0,08-0,12%
*Расход таллового пека рассчитывался от содержания цемента
3
Введение таллового пека значительно снижает потребность воды грунтобетонной смеси. Анализ испытания образцов показывает, что рациональными значениями плотности уплотненной грунтобетонной смеси являются значения более 1800 кг/м. В этом случае даже при минимальном расходе цемента обеспечиваются заданные параметры прочности дорожного основания.
Не менее важным технологическим воздействием на грунтобетонную смесь является процесс уплотнения, от которого зависит как плотность и прочность грунтобетона, так и водостойкость и морозоустойчивость в дорожном основании. В качестве рекомендации для уплотнения может быть предложен ударный способ или виброуплотнение.
Использование смеси из ЗШС и ОАЦП приводит к упрочнению структуры, что отмечено при изучении предлагаемых составов методом дифференциального термического анализа в виде смещения пиков экзо- и эндотермических эффектов в сторону более высоких температур по сравнению с бинарными составами (рис.1).
Исследование экспресс-методом капиллярной пропитки показало, что использование таллового пека позволяет не только существенно снизить капиллярный подсос грунтобетонного материала, но и значительно повысить срок его службы (рис.3).
Применение заявляемого состава нижнего основания дорожных одежд позволит существенно повысить срок службы дорожного покрытия за счет повышения морозоустойчивости, снижения трещинообразования, а также уменьшения усадочных деформаций (рис.2).