На большей части территории России отсутствуют традиционные дорожно-строительные материалы: щебень, крупнозернистый песок и др. Поэтому для устройства дорожных одежд целесообразно применять местные материалы, в том числе глинистые грунты, преобладающие во многих регионах России. Такие грунты в сухом состоянии обладают высокой связностью и прочностью и ничтожно малыми в водонасыщенном. Для того чтобы их можно было использовать в дорожном строительстве, надо изменить качественно их состав и произвести укрепление, только тогда они будут служить в основаниях автомобильных дорог долговечно и устойчиво, вне зависимости от изменения погодных условий и переменных нагрузок при движении транспорта.
При укреплении грунтов разных видов используют различные вяжущие и комбинации из них:
— устройство оснований из грунтов (крупно-обломочных, песчаных, глинистых) и отходов промышленности, укрепленных неорганическими вяжущими материалами (цемент, золы уноса, известь гашеную и негашеную, фосфогипс и др.). Неорганическое вяжущее обычно используют в комплексе с добавками других как органических, так и неорганических вяжущих;
— устройство оснований из грунтов, укрепленных органическими вяжущими. В качестве органического вяжущего применяют жидкие дорожные нефтяные битумы, сланцевые битумы, битумные эмульсии и др.;
— комплексное укрепление грунтов. При комплексном укреплении используют основное вяжущее и добавки.
Наибольшую прочность, плотность, водостойкость получают дорожные строители при укреплении грунтов оптимального состава. Они требуют меньшего расхода вяжущего. Состав оптимального грунта содержит: глинистых частиц – 7 … 14 %; пылеватых частиц – 15 … 35 %; песчаных частиц не менее 55 %.
Укрепление грунтов улучшает их прочностные свойства. Они по прочности и долговечности приближаются к гравию и щебню, а иногда и превосходят их за счет создания устойчивого сцепления. Их применяют также в целях экономии дефицитного щебня во II и III дорожно-климатических зонах РФ. Цементогрунты не восприимчивы к увлажнению. Недостатками цементогрунтов является повышенное трещинообразование. Для уменьшения трещинообразования цементогрунтов, применяют разного вида добавки.
Укрепление глинистых грунтов производят, как правило, смешением на дороге. Глинистый грунт должен иметь число пластичности Ip не более 22 [1, 3].
По заказу дорожно-строительной организации ООО «Союз мастеров» г. Брянска летом 2015 года нами на кафедре «Автомобильные дороги» были выполнены исследования прочности глинистых грунтов с улучшением их состава шлаком, а затем улучшенный грунт (глинисто-шлаковая смесь), укреплялся портландцементом, причем прочность на сжатие необходимо было получить не менее 8 МПа.
Зерновой состав глинистого грунта нами был установлен заранее, также по строительной классификации был определен вид глины. По результатам испытаний был сделан вывод, что грунт, требующий улучшения и укрепления – глина пылеватая (полужирная) с числом пластичности Iр ≈ 25.
Подбор составов смесей включал следующие этапы:
— отбор проб материалов и установление соответствия их свойств требованиям соответствующих ГОСТов, СНиПов и ТУ; определение оптимального содержания воды в смеси и расчет максимальной плотности образцов;
— определение необходимого количества вяжущего и добавок путем приготовления трех-шести пробных составов смесей и лабораторных образцов из них; определение физико-механических показателей образцов;
— сопоставление полученных показателей физико-механических свойств образцов с требованиями ГОСТ 30491-2012 [2] и выбор оптимальной смеси, удовлетворяющей этим требованиям.
Образцы были изготовлены на прессе ПСУ-50 в жестких цилиндрических формах с двухсторонними вкладышами (внутренний диаметр 50 мм), при этом статическая нагрузка выдержана (30,0±0,5) МПа и время её действия (3±0,1) мин. Такое изготовление образцов было принято согласно ГОСТ 23558-94, ГОСТ 30491-2012 и СТО 26233397 МОСАВТОДОР.1.1.1.01-2013 [1-3].
Улучшение глинистого грунта шлаком (Липецкий шлак) проводили путем добавки в грунт 30%, 38,25% и 50% шлака сверх массы глинистого грунта
Подбор состава проб осуществляли из цементо-шлако-глинистой смеси, изменяя ее состав. При этом изменение расхода портландцемента марки 500 назначили в пределах от 4% сверх массы шлако-глинистой смеси до 10%. Портландцемент соответствовал ГОСТ10178-85 [4].
Вода использовалась для доведения укрепленного грунта до оптимальной влажности (ГОСТ 23732-2011) [7].
Твердение образцов после их изготовления вплоть до испытаний происходило в камере влажного хранения (эксикаторе). Первые сутки образцы были опущены в воду на 1/3 своей высоты, затем во вторые сутки полностью погружены в воду для полного их водонасыщения.
Возраст образцов к началу испытаний составлял 4, 5, 6 и 7 суток. Марочную прочность образцы должны были набрать в возрасте 28 суток при основном минеральном вяжущем 1-го вида (портландцементе) [1, п.6.1].
Предел прочности при сжатии образцов определяли на гидравлическом прессе после их твердения в течение 4, 5, 6 и 7 суток и переводили к 28 суткам по формуле (1):
Rn = R28 (lgn / lg28), (1)
где R28 – предел прочности на сжатие образцов в возрасте 28 суток, МПа;
Rn — предел прочности на сжатие образцов возраста n суток (n = 4, 5, 6, 7), МПа.
Предел прочности на сжатие определяли как среднее значение трех и более образцов, изготовленных из смеси одного состава.
Полученные значения предела прочности при сжатии (R4, R5, R6, R7 и переводное вычисленное значение R28) фиксировали в журнале испытаний. Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты испытаний образцов
| Количество цемента М500, % | Предел прочности на сжатие образцов без добавок, МПа | Предел прочности на сжатие образцов с 30% шлака, МПа | Предел прочности на сжатие образцов с 38,25% шлака, МПа | Предел прочности на сжатие образцов с 50% шлака, МПа |
| 4 | 1,65 | 7,47 | 7,07 | 5,53 |
| 5 | 2,54 | |||
| 6 | 3,90 | 8,11 | 7,82 | 6,66 |
| 7 | 5,16 | |||
| 8 | 5,5 | 14,29 | 12,19 | 8,98 |
| 9 | 5,52 | |||
| 10 | 5,70 | 9,52 | 9,91 | 8,38 |
Графики изменения прочности укрепленного грунта в зависимости от количества шлака и цемента приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 . Графики изменения прочности укрепленного грунта в зависимости от количества шлака и цемента
Также была рассчитана потребность в материалах для устройства слоя основания толщиной hсл=0,35м в плотном теле на 1 м2 площади.
Полученный нами рецепт укрепленного грунта в процентном выражении:
— грунт (глина полужирная, число пластичности — 25) — 100%;
— шлак – 30% сверх массы глинистого грунта;
— цемент (марки М500) – 6% сверх массы смеси грунта и шлака;
— вода — 10% сверх массы смеси грунта и шлака.
Расход материалов в физическом выражении на 1м2 укрепленного грунта для слоя толщиной 0,35 м:
— грунт (глина полужирная, число пластичности — 25) — 495,52 кг;
— цемент (марки М500) – 38,65 кг;
— шлак – 148,66 кг;
— вода – 64,42 кг.
Расход материалов на получение 1м3 укрепленного глинистого грунта по массе:
— грунт (глина полужирная, число пластичности — 25) — 1415,78 кг;
— цемент (марки М500) – 110,43кг;
— шлак – 424,74 кг;
— вода -184,05 кг.
Средняя плотность укрепленного и уплотненного грунта, полученная лабораторным путем, составляет 2,13 т/м3.
Также были разработаны следующие рекомендации по производству работ при строительстве слоя основания толщиной 35 см из смеси грунта и шлака, укрепленной цементом.
При укреплении глинистых смешением на дороге смесь одновременно готовится и укладывается в конструктивный слой ресайклером-стабилизатором «Wirtgen» (WR-500).
Толщина срезаемого глинистого грунта ресайклером при коэффициенте уплотнения грунта от максимальной плотности равном 0,95 в естественном состоянии должна быть равна 28 см, для получения укрепленного слоя толщиной 35 см.
При укреплении глинистых грунтов неорганическими вяжущими (метод смещения на дороге) движение транспортных средств по слою грунта, предназначенного для укрепления, не допускается.
Влажность смеси грунтов со шлаком и портландцементом перед уплотнением должна соответствовать оптимальной [3], но в зависимости от погодных условий во время производства работ допускается не более чем на:
— 2…3% меньше оптимальной при сухой погоде без осадков и температуре воздуха выше +20°С;
— 1…2% меньше оптимальной при температуре воздуха ниже +10°С и при наличии осадков.
Тип катка (массу) в зависимости от толщины укрепленного слоя устанавливают на основе паспортных данных катка или определяют пробным уплотнением.
Уплотнение укрепленного грунта до максимальной плотности, должно быть закончено не позднее чем через 3ч после введении в смесь воды.
Для ухода за свежеуложенным грунтом, укрепленным неорганическими вяжущими материалами, следует распределять по поверхности слоя 50% -ные быстрораспадающие или среднераспадающие битумные эмульсии, осветленные известью, в количестве 0,5…0,8 л/м2.
Допускается открывать движение построечного транспорта и укладывать вышележащие слои на следующий день после устройства слоя из связных грунтов, укрепленных цементом [3].
Выводы
- Для получения глинистого грунта, улучшенного шлаком, с допустимым числом пластичности необходимо добавить сверх массы глинистого грунта 30% шлака.
- Требуемую прочность в 28-и суточном возрасте, равную 8,0 МПа, укрепленный глинистый грунт может достичь при обработке его цементом в количестве 6,0% сверх массы смеси грунта и шлака.
Список литературы:
- ГОСТ 23558-94. Межгосударственный стандарт. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – 8 с.
- ГОСТ 30491-2012. Международный стандарт. Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – 30 с.
- СТО 26233397 МОСАВТОДОР.1.1.1.01-2013. Стандарт организации. Правила по строительству оснований и покрытий дорожных одежд местных (сельских) автомобильных дорог Московской области с использованием укрепленных грунтов.- М.: МОСАВТОДОР, 2013. -75 с.
- ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия (с Изменениями N 1, 2). — Государственный комитет СССР по делам строительства, 1987. — 6 с.
- ГОСТ Р 52128-2003. Эмульсии битумные дорожные. Технические условия. – М.: Госстой России, 2003. – 26 с.
- ГОСТ 9179-77. Известь строительная. Технические условия. — М.: Госстрой СССР, 1977. – 6 с.
- ГОСТ 23732-2011. Межгосударственный стандарт. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2011. – 21 с.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ, УЛУЧШЕННЫХ ДОБАВКОЙ ШЛАКА И УКРЕПЛЕННЫХ ЦЕМЕНТОМ, ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ» description=»Цель. Исследование прочности улучшенных шлаком и укрепленных цементом глинистых грунтов для использования в дорожном строительстве. Метод. Качественное изменение прочностных показателей глинистого грунта путем подбора состава. Результат. Проведены испытания глинистого грунта добавкой разного количества шлака и цемента. Получены графики изменения прочности укрепленного грунта разного состава. Выводы. Проведенные лабораторные испытания образцов из глинистого грунта, улучшенного 30% шлака и обработанного 6% цемента (сверх массы смеси грунта и шлака), показали требуемую прочность равную 8,0 МПа в 28-и суточном возрасте.» author=»Левкович Татьяна Ивановна, Мевлидинов Зелгедин Алаудинович, Мевлидинов Максим Зелгединович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-18″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)» ebook=»yes» ]