Стабилизированные глинистые грунты КМА для дорожного строительства

Создание равнопрочного альтернативного конструктивного элемента дорожной одежды или снижение материалоемкости с учетом увеличения прочностных характеристик без потери несущей способности и других эксплуатационных свойств является одной из целей повышения эффективности строительства автомобильных дорог. Одним из практических путей достижения данного положения является широкомасштабное применение при устройстве слоя основания стабилизированных глинистых грунтов.

Во многих регионах Российской Федерации наблюдается дефицит, а также высокая стоимость традиционных каменных материалов, что вызывает увеличение общей стоимости объекта строительства. В связи с этим перспективным направлением является разработка составов грунтобетона на основе местных глинистых пород с учетом их генетических особенностей для повышения водостойкости, морозостойкости и прочностных характеристик композита в целом.

Рабочей гипотезой данных исследований является создание материала рациональной структуры путем стабилизации за счет консолидирующего и гид-рофобизирующего действия низкомолекулярных органических комплексов на алюмосиликатную слоистую составляющую в системе «глинистый грунт — стабилизатор органического происхождения» с учетом минерального состава глинистых пород различных генетических типов.

Вовлечение местных сырьевых материалов при строительстве конструктивных элементов дорожных одежд в настоящее время обусловлено увеличивающимися объемами строительства в связи с реализацией национальной программы «Модернизация и развитие автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года».

Применение стабилизированных глинистых грунтов позволит получать композиционный материал для устройства основания дорожной одежды на автомобильных дорогах IV технической категории в III—IV дорожно-климатических зонах, исключив дорогостоящий щебень, расширив сырьевую базу дорожных грунтобетонов и снизив объемы работ по устройству земляного полотна.

Диссертационная работа выполнена в рамках: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20 092 010 гг.)» мероприятия 1.3 «Регулирование агрегативной устойчивости и peoлогических свойств концентрированных минеральных суспензий гиперпластификаторами" — тематического плана госбюджетных НИР мероприятия 1.3.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009;2013 гг.» по тематике «Утилизация отходов горнодобывающих предприятий в дорожном строительстве», а также хоздоговорных работ по тематике «Применение природного и техногенного сырья в дорожном строительстве на 2009;2011 гг.».

Цель работы. Разработка эффективных грунтобетонов на основе глинистых пород с использованием стабилизатора для дорожного строительства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение основных свойств, минерального состава и микроструктурных особенностей глинистых пород региона КМА как стабилизируемого материала;

— изучение механизма действия стабилизатора «Дорзин» в зависимости от минерального состава и генетических особенностей глинистых пород;

— определение рационального состава композита, содержащего глинистую породу, цемент и стабилизатор «Дорзин» для устройства оснований автомобильных дорог IV технической категории;

— промышленная апробация результатов работы, подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. Разработаны принципы повышения эффективности грунтобетонов в качестве конструктивных слоев дорожных одежд на основе глинистого сырья с учетом видового состава породообразующих минералов путем предварительной стабилизации алюмосиликатного вещества низкомолекулярными органическими комплексами и последующего консолидирования цементом. Структурообразование глинистой составляющей полиминеральных осадочных пород при взаимодействии со стабилизатором обусловлено блокированием активных гидрофильных центров ультрадисперсных индивидов слоистых алюмосиликатов, что приводит к снижению катионной емкости и повышению гидрофобности. Использование стабилизатора (ионного закрепителя) способствует уменьшению расхода цемента при получении грунтобетона для дорожного строительства при сохранении технико-эксплуатационных характеристик.

Выявлен характер влияния кристаллохимических особенностей глинистых минералов на формирование стабилизированного органо-глинистого композита, заключающийся во взаимодействии через водородные связи: иллитовая и каолинитовая компоненты грунтов стабилизируются по микрокомпозиционному механизму, смектитовая — по интеркаляционному, перефирийному и микрокомпозиционному механизмам. Эффективность воздействия органических комплексов на породообразующие минералы находится в прямой зависимости от структурно-химической природы слоистых алюмосиликатов и снижается в ряду: рентгеноаморфные фазы смектит смешанослойные образования иллит хлорит каолинит. При этом катионная емкость является интегральной характеристикой, применение которой позволяет при экспресс-оценке выявить степень эффективности структурообразования стабилизированного грунта. Предложенная схема является прогнозной основой использования ионных закрепителей для создания высокоэффективных стабилизированных грунтобетонов для дорожного строительства.

Предложена феноменологическая модель механизма структурообразования композита в системе «глинистое полиминеральное вещество — ионный закрепитель — цемент — вода» с учетом взаимодействия низкомолекулярных органических комплексов со слоистыми алюмосиликатами. Формирование органо-глинистого композита включает в себя процессы аккумуляции органических комплексов частицами глинистых минералов и гидратацию цемента. Аккумуляция органо-комплексов смектитами приводит к уменьшению гидрофильности грунтов и снижению емкости катионного поглощения, что положительно влияет на гидратацию цемента в присутствии глинистого минерала. Образовавшиеся глинистые микрокомпозиты совместно с каркасными минералами выступают в качестве заполнителя и микронаполнителя при формировании грунтобетона. Скрытокристаллические (рентгеноаморфные) алюмосиликатные фазы являются активным пуццолановым компонентом, связывающим свободный портландит на больших сроках твердения. Совокупность описанных процессов приводит к трансформации конденсационной структуры смеси в кон-денсационно-кристаллизационную структуру дорожного композита.

Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по применению стабилизатора «Дорзин» при производстве грунтобетонов на основе глинистых пород КМА различных генетических типов для дорожного строительства.

Предложены составы грунтобетонов с применением стабилизатора «Дор-зин» для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, позволяющие получать строительный материал различных марок по прочности (М40-М60) и морозостойкости (П0-Р25). Доказано снижение содержания цемента в грунтобетонной смеси на 30−40% по сравнению с бездобавочными составами без изменения прочностных показателей конечного композита при использовании стабилизатора «Дорзин» и параллельное повышение показателей водои морозостойкости.

Разработаны номограммы по определению требуемого количества цемента для получения грунтобетонов заданной марки на основе стабилизированных исследуемых пород исходя из условий прочности и морозостойкости.

Предложена технология устройства слоя основания дорожной одежды на автомобильной дороге IV технической категории из грунтобетона с использованием высокопроизводительной грунтосмесительной машины.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на участке нового строительства протяженностью 1,55 км при реконструкции автомобильной дороги «КорочаГубкин — Горшечное» в Корочанском и Губкинском районах Белгородской области.

Для внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:

— стандарт организации СТО 2 066 339−002−2011 «Стабилизированные глинистые грунты КМА для дорожного строительства»;

— рекомендации по применению стабилизатора «Дорзин» при устройстве слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМА;

— технологический регламент на устройство слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМА.

Результаты исследований по разработке состава грунтобетона приняты ГУ «Управление автомобильных дорог общего пользования и транспорта Белгородской области» для реализации долгосрочной областной целевой программы «Совершенствование и развитие дорожной сети в Белгородской области на 2011;2013 годы» в разрезе подпрограмм: «Строительство автодорог с твёрдым покрытием по населённым пунктам» и «Строительство подъездов к микрорайонам индивидуального жилищного строительства и животноводческим комплексам».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270 800.62 «Строительство» профилям «Автомобильные дороги и аэродромы» и «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270 100.68 «Строительство» магистерским программам «Архитектурно-строительное материаловедение» и «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и инженеров по специальностям 270 205 «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270 106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на региональных, всероссийских и международных научно-практических и научно-технических конференциях: «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007, 2010, 2011), «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008), «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Харьков, 2008), «Новые энергои ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2008), «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009), «Ломоносов» (Москва, 2009), «Строительство-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г.Губкин, 2009, 2010) и «Молодая мысль: наука, технологии, инновации» (Братск, 2009, 2010 гг.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в девяти научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На состав грунтобетона получен патент 1Ш 2 392 244 С1, приоритет от 02 апреля 2009 г. На технологию получения грунтобетонов получено положительное решение о выдаче патента от 19 октября 2011 г. по заявке № 2 010 108 582, приоритет от 9 марта 2010 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 202.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны принципы повышения эффективности грунтобетонов в качестве конструктивных слоев дорожных одежд на основе глинистого сырья с учетом видового состава породообразующих минералов путем предварительной стабилизации алюмосиликатного вещества низкомолекулярными органическими комплексами и последующего консолидирования цементом. Структурообразование глинистой составляющей полиминеральных осадочных пород при взаимодействии со стабилизатором обусловлено блокированием активных гидрофильных центров ультрадисперсных индивидов слоистых алюмосиликатов, что приводит к снижению их катионной емкости и повышению гидрофобности. Использование стабилизатора (ионного закрепителя) способствует уменьшению расхода цемента при получении грунтобетона для дорожного строительства с сохранением технико-эксплуатационных характеристик материала.

2. Выявлен характер влияния кристаллохимических особенностей глинистых минералов на формирование стабилизированного органо-глинистого композита, заключающийся во взаимодействии через водородные связи: иллитовая и каолинитовая компоненты грунтов стабилизируются по микрокомпозиционному механизму, смектитовая — по интеркаляционному, перефирийному и микрокомпозиционному механизмам. Эффективность воздействия органических комплексов на породообразующие минералы находится в прямой зависимости от структурно-химической природы слоистых алюмосиликатов и снижается в ряду: рентгеноаморфные фазы смектит -> смешанослойные образования -> иллит -> хлорит каолинит. При этом катионная емкость является интегральной характеристикой, применение которой позволяет при экспресс-оценке выявить степень эффективности структурообразования стабилизированного грунта. Предложенная схема является прогнозной основой использования ионных закрепителей для создания высокоэффективных стабилизированных грунтобетонов для дорожного строительства.

3. Предложена феноменологическая модель механизма структурообразования композита в системе «глинистое полиминеральное вещество — ионный закрепитель — цемент — вода» с учетом взаимодействия низкомолекулярных органических комплексов со слоистыми алюмосиликатами. Формирование органо-глинистого композита включает в себя процессы аккумуляции органических комплексов частицами глинистых минералов и гидратацию цемента. Аккумуляция органо-комплексов смектитами приводит к уменьшению гидрофильности грунтов и снижению емкости катионного поглощения, что положительно влияет на гидратацию цемента в присутствие глинистого минерала. Образовавшиеся глинистые микрокомпозиты совместно с каркасными минералами, выступают в качестве заполнителя и микронаполнителя при формировании грунтобетона. Скрытокристаллические (рентгеноаморфные) алюмосиликатные фазы являются активным пуццолановым компонентом, связывающим свободный портландит на больших сроках твердения. Совокупность описанных процессов приводит к трансформации конденсационной структуры смеси в конденсационно-кристаллизационную структуру дорожного композита.

4. Предложены составы грунтобетонов с применением стабилизатора «Дорзин» для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, позволяющие получать строительный материал различных марок по прочности (М40-М60) и морозостойкости (Б 10—Р25). Требуемое соотношение марок, варьируемое в зависимости от содержания цемента, позволяет использовать композит для различных климатических условий региона строительства и типов дорожной одежды.

5. Доказано снижение содержания цемента в грунтобетонной смеси на 30−40% по сравнению с бездобавочными составами без изменения прочностных показателей конечного композита при использовании стабилизатора «Дорзин» и параллельное повышение показателей водои морозостойкости.

6. Разработаны номограммы по определению требуемого количества цемента для получения грунтобетонов заданной марки на основе исследуемых стабилизированных грунтов исходя из условий прочности и морозостойкости.

7. Предложена технология устройства слоя основания дорожной одежды на автомобильной дороге IV технической категории из грунтобетона с учетом использования высокопроизводительных грунтосмесительных машин.

8. Для внедрения результатов диссертационной работы при устройстве слоя основания автомобильной дороги разработан пакет нормативных документов: рекомендации по применению стабилизатора «Дорзин» при устройстве слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМАстандарт организации СТО 2 066 339−002−2011 «Стабилизированные глинистые грунты КМА для дорожного строительства" — технологический регламент на устройство слоя основания дорожной одежды из стабилизированного глинистого грунта КМА.

9. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на участке нового строительства протяженностью 1,55 км при реконструкции автомобильной дороги «Короча — Губкин — Горшечное» в Корочанском и Губкинском районах Белгородской области, а также принято к реализации ГУ «Управление автомобильных дорог общего пользования и транспорта Белгородской области» в рамках долгосрочной областной целевой программы «Совершенствование и развитие дорожной сети в Белгородской области на 2011;2013 годы».

10. Экономическая эффективность применения разработанного материала обусловлена использованием местных сырьевых материалов, минимизацией или полной заменой традиционных каменных материалов дорожных одежд и песка в связи с их дефицитом и высокой стоимостью, а также снижением объема работ при устройстве земляного полотна автомобильной дороги и возможности использования глин с высоким числом пластичности.