CC BY
105
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 691.41
А.В. Андреева
мл. науч. сотрудник, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск
О.Н. Буренина
ведущий науч. сотрудник, канд. техн. наук, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск
Н.Н. Давыдова
научный сотрудник, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск
С.С. Даваасенгэ
мл. научный сотрудник, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск
М.Е. Саввинова
научный сотрудник, канд. техн. наук, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ «ANT» ГРУНТОВ
Аннотация. В статье рассмотрено исследование влияния стабилизатора «ANT» на физико-механические свойства грунтов. Стабилизатор «ANT», за счет содержания в нем микроэлементов и поверхностно-активных веществ, обеспечивает окислительно-восстановительные реакции воды в грунте на поверхности глинистых и коллоидных частиц, а также ионный обмен с поглощающим комплексом, обуславливая их коагуляцию. Поверхностно-активные вещества «ANT», «омолаживая» органическое вяжущее поверхности частиц, улучшают их сцепление между собой при уплотнении.
Ключевые слова: стабилизатор, обработанный грунт, прочность при сжатии, водопоглощение, морозостойкость.
A.V. Andreyeva, Institute of problems of oil and gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk
O.N. Burenina, Institute of problems of oil and gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk
N.N. Davydova, Institute of problems of oil and gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk
S.S. Davaasenge, Institute of problems of oil and gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk
M.E. Savvinova, Institute of problems of oil and gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk
RESEARCH OF PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES GROUNDS STABILIZED «ANT»
Abstract. The article deals with the study of influence of «ANT» stabilizer on the physical and mechanical properties of soils. Stabilizer «ANT», due to a content in it of microcells and surface-active substances, provides oxidation-reduction reactions of water in a ground on a surface clay particles, as well as an ionic exchange with an absorbing complex, causing their coagulation. Surface-active substances «ANT», «rejuvenating», organic knitting surfaces of particles, improve their coupling among themselves at sealing.
Keywords: stabilizer, processed ground, strength at compression, water absorption, frost resistance.
В последнее время наблюдается повышенный практический интерес к методам физико-химической стабилизации грунтов с помощью стабилизатора «ANT», применение которого по-
зволяет получать укрепленные грунты и органоминеральные смеси с высокими показателями физико-механических свойств. Действие стабилизатора «ANT» направлено на проведение в материале окислительно-восстановительных реакций, которые приводят к ряду изменений в структуре укрепляемого материала, таких как увеличение плотности, прочности, модуля упругости и др. [1; 2]. Учитывая, что многие регионы Республики Саха (Якутия) испытывают дефицит каменных материалов для устройства оснований, а их доставка связана с дополнительными транспортными затратами, актуальность использования в конструкциях дорожных одежд местных грунтов становится очевидной.
Таблица 1 - Максимальная плотность грунта
Влажность, мас.% Плотность, кг/м3 Плотность сухого грунта, кг/м3
Супесь
4 2145 1903
6 2256 2086
8 2137 1988
10 развалился развалился
Суглинок
8 1800 1624
9 1822 1662
10 1849 1681
11 1886 1699
12 1923 1717
13 1954 1729
14 1920 1715
15 развалился развалился
Отсев дробления каменных пород
2 2000 1800
4 2190 2075
6 2100 1980
8 развалился развалился
Песчано-гравийная смесь
2 2741 2756
4 2856 2800
6 2796 2770
В качестве добавок использовали глинистое сырье месторождения Ой-Бесс Республики Саха (Якутия), которое обладает удовлетворительной формовочной способностью, средней пластичностью, а также характеризуется малой чувствительностью к сушке, малой воздушной и общей усадками. В качестве минерального вяжущего для производства материалов был выбран портландцемент 400-20 Мохсоголлохского месторождения Республики Саха (Якутия), производства ОАО ПО «Якутцемент», который обладает 26,5 МПа (кгс-кв. см), активностью при пропаривании (средняя за месяц), 2 группой эффективности при пропаривании, 27% густотой цементного теста, без признаков ложного схватывания, менее 370 Бк/кг удельной эффективной активностью естественных радионуклидов. В качестве стабилизатора грунтов использовали стабилизатор «ANT», который является поверхностно-активным веществом, производящем в грунте окислительно-восстановительные реакции, жидкость коричневого цвета с характерным запахом [3]. В качестве наполнителей использовали отсев дробления, представляющий собой неоднородную смесь из остатков после дробления известняковых пород; песчано-гравийная
смесь представляет собой смесь с содержанием гравия и песка; супесь с 10 км Старопокров-ского тракта близ г. Якутска, в которой преобладает песчаная масса.
Для исследования были изготовлены цилиндрические образцы высотой и диаметром 50 мм. Продолжительность сушки - 28 суток.
С целью определения пригодности грунтов для укрепления добавками «ANT» были определены максимальная плотность и оптимальная влажность (табл. 1), соответственно ГОСТ [4] и [5].
Установлено, что максимальная плотность супеси достигается при влажности 8 мас. %, суглинка - 12 мас. %, отсева дробления каменных пород и ПГС - 4 мас. %.
Главной особенностью укрепления грунтов является то, что при правильном выборе веществ и оптимальном сочетании их дозировок в широком диапазоне позволяют изменять в положительную сторону физико-механическую активность грунта, увеличивают адгезию вяжущих веществ, ускоряют процессы формирования более прочной и монолитной структуры укрепленного грунта.
Для проведения исследований были изготовлены цилиндрические образцы диаметром и высотой 50 мм при усилии прессования 20 МПа, выдержка под нагрузкой составляла 3 минуты, продолжительность сушки - 28 суток.
Исходя из данных таблицы 1, были изготовлены образцы следующих составов: формовочная влажность - 4 мас. % для образцов из ПГС и отсева дробления каменных пород, 8 мас. % - для супеси и 12 мас. % - для суглинка, портландцемент - 3, 4, 5 мас. %, стабилизатор «ANT» - 0,007 мас. %. Прочность при сжатии образцов была определена по истечении проектного возраста - 28 суток (табл. 2).
Таблица 2 - Прочность при сжатии образцов (МПа), стабилизированных «ANT» (0,007 мас. %)
Прочность при сжатии (МПа) при влажности (мас. %) СТО 60929601. 007-2014
4 8 12
Содержание портландцемента, мас. %
3 4 5 3 4 5 3 4 5
Контрольные образцы 0,91 1,04 1,95 1,35 1,56 1,69 1,17 1,56 1,72 2,0
№ 1 Супесь - - - 1,69 1,95 2,99 - - -
№ 2 Суглинок - - - - - - 4,42 4,29 5,59
№ 3 ПГС 1,43 1,82 2,34 - - - - - -
№ 4 Отсев 4,81 3,77 3,51 - - - - - -
Анализ результатов прочности при сжатии образцов показал, что у всех образцов с содержанием портландцемента 5 мас. % выше регламентированной прочности при сжатии в среднем на 1,8 раз. В целях экономической эффективности минерального сырья для дальнейших исследований водопоглощения и морозостойкости были выбраны образцы № 2 и 4, изготовленные при содержании портландцемента 3 мас. %.
Результат исследования динамики прочности при сжатии образцов, изготовленных из суглинков и отсева дробления, показал, что прочность при сжатии на 28 сутки повышается в среднем от 3,5 до 4,2 раз по сравнению с прочностью при сжатии образцов в возрасте 3 суток.
Исследование динамики прочности при сжатии (рис. 1) проводили на образцах, изготовленных из суглинков и отсева дробления каменных пород с содержанием портландцемента 3 мас. % (табл. 2).
Исследование водопоглощения образцов проводили согласно СТО 60929601.007-2014 «Грунты, укрепленные стабилизатором «ANT» для автодорожного строительства» (рис. 2).
■ №2 КО №2 Суглинок
14
28
Сутки
Рисунок 1 - Динамика прочности при сжатии образцов, стабилизированных «ANT», содержащие портландцемент 3 мас. %
^ 18
2 5 7 10 14 16 17 18 19
Сутки
Рисунок 2 - Водопоглощение образцов, стабилизированных «ANT» (0,007 мас. %), содержащие портландцемент 3 мас. %
Согласно ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства» [1], значения прочности при сжатии водонасыщенных образцов, согласно регламенту СТО 60929601.007-2014, не должно быть ниже 1 МПа (табл. 3).
Анализ представленных результатов (рис. 1 и табл. 3) показал, что заявленным требованиям по водопоглощению и прочности при сжатии образцы, изготовленные из суглинков и отсева дробления каменных пород, отвечают, при этом прочность при сжатии составляет от 1,3 до 3,77 МПа.
Исследование морозостойкости образцов стабилизированных «ANT» проводили согласно СТО 60929601.007-2014 «Грунты, укрепленные стабилизатором «ANT» для автодорожного строи-
тельства». Рекомендуемое количество циклов замораживания-оттаивания составляет - 5, температура замораживания - минус 20°С, степень водонасыщения для укрепленных грунтов - полное. Образцы после замораживания оттаивали в ванне с водой при температуре 18 ± 2°С. Основные образцы, через 2 ч после извлечения из ванны, испытывали на прочность при сжатии.
Таблица 3 - Значения прочности при сжатии водонасыщенных образцов,
стабилизированных «ANT»
Образцы Прочность при сжатии образцов при содержании портландцемента 3 мас.% Значение СТО 60929601.007-2014
№ 2 Контрольные образцы - 1,0
№ 2 Суглинок 1,3
№ 4 Контрольные образцы 0,99
№ 4 Отсев 3,77
Коэффициент морозостойкости для стабилизированных «ANT» грунтов, применяемых в основаниях дорожных одежд, должен составлять не менее 0,75.
Анализ результатов исследования показал, что предел прочности при сжатии после замораживания-оттаивания образцов, представленных выше рецептур, по отношению к пределу прочности при сжатии водонасыщенных образцов возрастает до 30%, а коэффициент морозостойкости составляет в среднем 0,76.
Таким образом, установлено, что разработанные материалы обладают высокими показателями свойств и могут быть использованы для возведения конструктивных слоев дорожных одежд.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования решают ряд важных задач по применению стабилизированных «ANT» грунтов в основаниях дорожных одежд автомобильных дорог и позволяют сделать следующие выводы.
1. Определены физико-механические свойства грунтов, укрепленных стабилизаторами. Установлено, что улучшение физико-механических свойств материала из укрепленных грунтов зависит от плотности, количества вводимых добавок и формовочной влажности.
2. Выбраны пригодные для использования в технологиях стабилизации «ANT» материалы - суглинки с удовлетворительной формовочной способностью и средней пластичностью и отсев дробления каменных пород, и оптимальные рецептуры дорожно-строительных материалов на их основе, обеспечивающие высокий комплекс физико-механических свойств: оптимальная влажность - 12 мас. % для суглинков и 4 мас. % для отсева каменных пород, содержание «ANT» - 0,007 мас. %, содержание цемента - 3 мас. %.
Список литературы:
1. Кириенко В.А. Применение укрепленных и переувлажненных грунтов в городском дорожном строительстве на северо-западе РФ: пособие / В.Л. Кириенко; С.-Петерб. гос. архитек-тур.-строит. ун-т. - СПб., 2008.
2. Безрук В.М. Основные принципы укрепления грунтов. - М.: Транспорт, 1987.
3. Фурсов С.Г. Основные направления в области исследований укрепленных грунтов // Научные исследования и разработки. - М., 2006. - (Тр. / Союздорнии).
4. ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства». - М.: Изд-во стандартов, 1997. - 22 с.
5. ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 23 с.
