Технологии

Применение укрепленных грунтов и других местных материалов в укрепленном виде в дорожных одеждах является одной из наиболее реальных возможностей снижения стоимости строительства и затрат ресурсов. Технико-экономические расчеты, проведенные с учетом фактических затрат, показывают, что применение слоев из укрепленных грунтов вместо равнопрочных из привозных каменных материалов приводит к снижению стоимости на 20…60%.

         Особенно эффективно использование укрепленных грунтов в районах строительства, лишенных месторождений каменных материалов, таких как центральные и южные области европейской части России, Западная Сибирь.

         При строительстве дорожных одежд в этих районах возникает необходимость в перевозках щебня на большие расстояния, что увеличивает первоначальную его стоимость в 3…6 раз и является главной причиной значительного удорожания строительства.

         Помимо отмеченной экономической эффективности дорожные одежды с конструктивными слоями из укрепленных грунтов обеспечивают более длительное сохранение ровности покрытия и способствуют улучшению водно-теплового режима земляного полотна.

         Как известно, природные образования – грунты в естественном состоянии обладают невысокой прочностью и водостойкостью. Для возможности использования в конструкциях дорожных одежд их следует сделать прочными и устойчивыми, не зависящими от перемены влажности, погодных условий и переменных нагрузок при движении транспорта. Первые удачные опыты обработки грунтов цементом в России с целью коренного изменения их первоначальных свойств были проведены около 100 лет назад.

         В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где использованы укрепленные грунты для строительства дорожных оснований и покрытий. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает 3 млрд. м2.

         Укрепленные грунты применяют для устройства слоев оснований и повышения прочности верхней части земляного полотна на дорогах с интенсивным движением; для строительства покрытий облегченного типа на местных дорогах; покрытий и оснований аэродромов, промышленных и лесовозных дорог, площадей, автомобильных стоянок.

         Дальнейшее развитие этой технологии идет по пути совершенствования существующих и разработки новых методов укрепления (в основном комплексных) с применением известных и нетрадиционных вяжущих и вторичных ресурсов, создания новых эффективных грунтосмесительных машин, разработки современных методов экспресс-контроля.

         В России в настоящее время насчитывается около 200 методов укрепления грунтов и местных материалов и количество их растет с каждым годом. Научный поиск в области укрепления грунтов начинали в 20-30-е годы прошлого столетия с использованием в качестве вяжущих битумов, извести, цемента, а немного позднее синтетических смол.

         Обобщая многолетний отечественный и зарубежный практический опыт применения укрепленных грунтов, можно сделать вывод о том, что грунты, укрепленные одним вяжущим, характеризуются большим набором отрицательных свойств, значительно снижающих срок службы конструктивного слоя.

         В случае укрепления грунтов органическими вяжущими материал получается чрезмерно деформативным, что предопределяет быстрое колееобразование и другие пластические деформации в слое при эксплуатации дороги.

         При укреплении грунта минеральным вяжущим получаемый материал, как правило, обладает высокой прочностью, жесткостью, и соответственно малым предельным относительным удлинением, что вызывает появление трещин температурно-усадочного характера в осенне-зимний период. К тому же для некоторых разновидностей грунтов (например, мелких песков), укрепленных цементом, очень сложно обеспечить требуемую морозостойкость.

         Основными недостатками грунтов, укрепленных синтетическими смолами, являются недостаточная водо- и морозостойкость, чрезмерная хрупкость.

         В процессе разработки различных методов укрепления грунтов они совершенствовались и при этом находились эффективные новые решения по существенному улучшению их структурно-механических свойств. Было установлено и подтверждено многолетними наблюдениями в производственных условиях, что при укреплении грунтов двумя различными вяжущими материалами, характеризующимися весьма различными, но неантагонистическими свойствами и структурой, они приобретают повышенную сдвиго-, морозо-, температуростойкость и при необходимости могут быть менее жесткими и более деформативными материалами.

         Методы, сочетающие при укреплении грунтов внесение добавок двух вяжущих или одного вяжущего и поверхностно-активного (ПАВ) или активного вещества гидрофобного типа, получили название комплексных методов. Разработка таких методов открыла более широкие возможности в отношении направленного регулирования процессов структурообразования, создания повышенной прочности и других свойств укрепленных грунтов в зависимости от области их применения в различных природных условиях. В процессе изучения преимуществ, заложенных в комплексных методах укрепления, было установлено, что при этом формируются ранее неизвестные типы сложных пространственных структур совмещенного типа.

         Основной особенностью сложных совмещенных структур является то, что при правильном технологическом процессе в микрообъемах укрепленного грунта формируются два типа пространственных бинарных структур, характеризующихся разными свойствами, взаимно дополняющими друг друга и компенсирующими недостатки каждой из моноструктур.

         Помимо указанных выше причин в задачу разрабатываемых и применяемых на практике комплексных методов входит решение следующих наиболее важных вопросов для дорожного строительства:

         расширение видов грунтов, пригодных для эффективного их укрепления вяжущими материалами (кислые, гумусированные, засоленные грунты);

         продление строительного сезона за счет возможности обработки переувлажненных грунтов и выполнения работ при отрицательных температурах;

         повышение деформативности и уменьшение истираемости укрепленных грунтов с повышенной хрупкостью;

         расширение применения укрепленных грунтов при устройстве дорожных оснований и покрытий на дорогах различных категорий.

         Разработка комплексных методов укрепления грунтов в России началась более 50 лет назад. К настоящему времени их количество приближается к 200, но лишь немногие из них получили признание и активно используются при строительстве дорожных одежд. К комплексным методам укрепления грунтов, достаточно часто используемым в дорожном строительстве, можно отнести: сочетание различных минеральных вяжущих (чаще всего цемента) с легкорастворимыми солями, ПАВ и активными добавками в виде золы или золошлаковой смеси; сочетание жидких битумов или битумных эмульсий с известью или золой; сочетание смол (чаще всего карбамидных) с битумной эмульсией или техническими лигносульфонатами.

         Особенно широко в практике дорожного строительства распространен комплексный метод укрепления грунтов цементом в сочетании с органическими добавками. Этот метод, разработанный В.М. Безруком и его учениками, способствует получению оптимальных показателей укрепленного грунта, обеспечивающих длительный срок службы конструктивного слоя в дорожной конструкции даже в условиях 1 и 2 дорожно-климатических зон.

         В качестве органических добавок используют битумные эмульсии и пасты, жидкие битумы и гудроны, сырую высокосмолистую нефть, а в последние годы – вспененный битум и универсины.

         При обработке грунта цементом совместно с органической добавкой сочетаются два процесса, взаимно дополняющие друг друга в части формирования смешанного типа структур: кристаллизационной жесткой и коагуляционной эластичной. В результате этого цементогрунт приобретает недостающие ему свойства водонепроницаемости, повышенной деформативности и морозостойкости.

         Наиболее ощутимый положительный эффект достигается при комплексном укреплении грунтов цементом и битумной эмульсией (пастой). Капельки эмульгированного битума удерживают значительное количество воды, которую они постепенно отдают цементным зернам, создавая тем самым благоприятные условия для его твердения в отличие от жидкого битума. Битум, содержащийся в эмульсии, после формирования смеси гидрофобизирует стенки пор и капилляров укрепленных материалов, способствует образованию большого количества мелких и замкнутых пор, затрудняя тем самым доступ воды к ним и повышая их морозостойкость. Многолетние исследования подобных материалов показывают, что введение органических вяжущих в цементогрунтовые смеси повышает морозостойкость материалов в 2 – 3 раза. Одновременно за счет увеличения в 3 – 4 раза предельного относительного удлинения таких материалов значительно повышается их трещиностойкость при сравнении с цементогрунтами. Последнее обстоятельство способствовало значительному увеличению объемов строительства дорожных оснований из грунтов, укрепленных минеральными и органическими вяжущими, на дорогах I-II категорий с асфальтобетонными покрытиями.

         Существенным недостатком указанного метода является сложная технология производства работ. Необходимость поочередного введения в смесь органического, минерального вяжущего и воды усложняет и удлиняет технологический процесс, что существенно снижает темпы строительства покрытия и вынуждает ограничиваться сменной захваткой в 80-100 м. Поэтому автором была предпринята попытка упростить технологию путем использования многокомпонентных композиций в виде паст на цементе.

         Паста на цементе – это дисперсная система, состоящая из дисперсионной среды (воды) и диспергированного в ней органического вяжущего. Эмульгатором в системе является портландцемент. Таким образом, все три необходимых компонента (органическое вяжущее, цемент и вода) для укрепления грунта имеются в одной системе - пасте. Технология приготовления такой пасты очень проста и ничем не отличается от производства паст на других тонкодисперсных материалах. Состав пасты, в том числе содержание цемента и органического вяжущего, можно менять в очень широких пределах, что обеспечивает в смеси нужное количество того и другого вяжущего. Необходимость содержания примерно равного количества органического и минерального вяжущего в смеси требует такого же их соотношения и в пасте. Такое благоприятное сочетание вяжущих в пасте способствует получению очень высокой дисперсности частиц органического вяжущего, что приводит в свою очередь к увеличению стабильности и уменьшению расхода пасты при укреплении минеральных материалов. Высокая стабильность пасты на цементе позволяет перевозить ее на значительные расстояния без риска расслоения в транспортных средствах, не оборудованных средствами перемешивания.

         В качестве органической составляющей пасты с наилучшей стороны зарекомендовали себя вязкие битумы и отработанное моторное масло марки ММО. Композиция на ММО отмечена авторским свидетельством.

         Сравнительные испытания показали, что образцы из грунтов, укрепленных пастой на цементе, имеют лучшие показатели. Их прочность на 10-25% выше при сравнении с грунтами, укрепленными цементом и тем же органическим вяжущим, внесенными порознь. Для смесей, обработанных пастой на цементе, характерна и более высокая морозостойкость.

         Отличные результаты получены также при обработке грунтов трехкомпонентной композицией, содержащей ММО. Масло ММО недорого, имеется в каждом дорожном хозяйстве и позволяет получать пасту в простейших мешалках без подогрева ингредиентов. Из 12 исследованных составов композиции лучшим оказался состав, имеющий 0,5% ММО от массы укрепляемого грунта при соотношении цемент : вода : масло                  = 1,0 : 1,05 : 0,05. Применение указанной композиции повышает прочность при сжатии укрепленного грунта в водонасыщенном состоянии на 43%, а прочность при изгибе на 58% при сравнении с грунтом, укрепленным только одним цементом.

         Значительное улучшение физико-механических характеристик грунта, укрепленного предлагаемым составом, объясняется не только структурными особенностями трехкомпонентного вяжущего и особенностями его взаимодействия с грунтом, но и увеличением плотности смеси, поскольку масло ММО выполняет здесь также роль пластификатора.

         Увеличение количества ММО, вносимого в пасту, ухудшает прочностные свойства материала. При введении более 3% ММО от массы грунта происходит смачивание маслом зерен цементного клинкера, что затрудняет или исключает полностью их гидратацию.

         Специально проведенные исследования для определения безопасного технологического разрыва между изготовлением пасты на цементе и уплотнением смеси, укрепляемой этой пастой, показали, что хранить пасту на цементе и проводить необходимые технологические операции допустимо в течение 6-8 часов с момента ее приготовления.

         При проведении работ методом смешения на дороге желательно использование мобильных однопроходных фрез-ресайклеров (рис. 1), оснащенных системой дозирования и распределения жидких продуктов.

         Для транспортирования и распределения трехкомпонентной композиции применяют машины, оборудованные средствами побуждения: транспортировщики битумных шламов ПС-404, передвижные смесители   СБ-89 Б и СБ-92-1, сельскохозяйственные машины для внесения жидких удобрений. Указанные транспортные средства при необходимости оборудуют системами распределения композиций по ширине.

         В некоторых зарубежных странах уже освоен серийный выпуск машин, работающих в сцепе с мобильной холодной фрезой, приготавливающих и подающих многокомпонентные композиции в рабочую камеру на ходу.

         После перемешивания грунта с композицией смесь разравнивают, уплотняют, обеспечивают уход в течение 5-10 суток, после чего устраивают покрытие.

         Реконструкция дорог с низшим типом дорожной одежды чаще всего предполагает перевод ее в облегченный или переходный путем обработки грунта покрытия каким-либо вяжущим. Значительную часть территории России слагают глинистые грунты. Именно из них отсыпают земляное полотно и устраивают покрытие на дорогах 5…4 категорий. Поэтому наряду с составами для укрепления грунтов при перестройке дорожной одежды могут найти широкое применение и стабилизаторы глинистых грунтов.

         Подобные стабилизаторы уже много лет успешно применяют в США, Германии, ЮАР для строительства покрытий и оснований автомобильных дорог низких категорий, подъездов, стояночных площадок. Чаще всего в научно-технической литературе упоминается о стабилизаторах типа RRP,    

ISS-2500, Roadbond , Permosaim.

         Все эти стабилизаторы являются многокомпонентными системами, чаще всего на основе серной кислоты, и помимо нее содержат пластификаторы, гидрофобизаторы, сульфокислоты. Положительное воздействие стабилизаторов на глинистый грунт связано с частичным разложением воды на ионы Н+ и ОН–, возникновением новообразований, обладающих вяжущими свойствами, ионным обменом, пластифицирующим и гидрофобизирующим воздействием.

         За счет разложения воды и активного ионного обмена уменьшается толщина пленок воды на поверхности грунтовых агрегатов, разрушается электростатический потенциальный барьер в грунтовой системе. Органические ионы, содержащиеся в стабилизаторе, проникают внутрь кристаллической решетки глинистых минералов и вытесняют оттуда ионы Н+

и ОН–, катионы металлов, способствуя более прочной связи между пакетами кристалла. Органические катионы, обладающие способностью к ионному обмену, зачастую вступают в прочную ионную связь с минеральной поверхностью, вытесняя молекулы воды и нейтрализуя заряды. В результате перечисленных процессов происходит агрегирование грунта, снижается его оптимальная влажность, повышается плотность, прочность и водостойкость.

         Применение подобных композиций для обработки распространенных в России связных грунтов из-за простоты технологии и экономичности очень заманчиво. Из-за чрезвычайно малой концентрации стабилизатора в рабочем растворе (от 1 : 500 до 1 : 2000) стоимость строительных работ низка, а одной бочки концентрата в 200 л достаточно для строительства 1 км конструктивного слоя.

         Автором за последние 30 лет выполнен большой объем лабораторных исследований и опытно-производственных работ с применением многих  зарубежных стабилизаторов. Анализ результатов многолетних исследований позволяет сделать следующие выводы:

         связные грунты, обработанные стабилизаторами, увеличивают прочность в сухом состоянии на 20…50%, а модуль упругости на 10…30%;

         за счет эффекта гидрофобизации повышается прочность обработанных образцов при капиллярном водонасыщении, а капиллярное водонасыщение снижается в 1,3…2,5 раза;

         обработанные стабилизаторами глинистые грунты не выдерживают полного водонасыщения и разрушаются в воде через 10…60 минут;

         практически во всех случаях внесение стабилизатора в грунт снижает его оптимальную влажность на 1…3% и увеличивает плотность на 0,02…0,06 г/см3;

         свойства обработанного стабилизатором грунта в значительной степени зависят от содержания в нем глинистых частиц, их минералогического и химического состава.

         Многолетний практический опыт применения стабилизаторов в разных регионах России показал, что ввиду недостаточной водостойкости и прочности в водонасыщенном состоянии обработанные связные грунты имеют ограниченное применение, а необходимое в этих случаях усложнение дорожной конструкции требует значительных затрат. На участках дорог в местах высокого уровня грунтовых вод со вторым и третьим типом местности по условиям увлажнения требуется устройство гидроизоляционных прослоек и водонепроницаемых покрытий или защитных слоев. В связи с этим возникает необходимость в увеличении водостойкости связных грунтов, обработанных стабилизатором.

         Проведенные работы показали также, что хороший эффект достигается в случае обработки стабилизаторами лишь суглинистых и глинистых грунтов определенного минералогического состава. При этом снижение содержания глинистых частиц в грунте до 30% и менее значительно снижает физико-механические свойства обработанного грунта. Это ограничивает возможности применения метода.

         В связи с этим автором был разработан комплексный метод обработки глинистых грунтов стабилизатором в сочетании с карбамидной смолой, обеспечивающий значительное повышение водостойкости и прочности обработанного грунта, а также увеличение числа разновидностей грунтов, подлежащих обработке.

         В основу исследований положено предположение о возможности использования стабилизатора, имеющего рН = 2…3 за счет содержания в нем серной и сульфоновых кислот, в качестве отвердителя карбамидной смолы. Одновременно пластифицирующие добавки, входящие в состав стабилизатора, обеспечивают повышенную плотность смеси и, соответственно, более высокие физико-механические показатели при сравнении с традиционной технологией, когда в качестве отвердителя используют хлористый аммоний или соляную кислоту.

         После проведенных исследований с использованием большого числа разновидностей грунтов и марок карбамидных смол было выявлено:

         стабилизатор Roadbond в количестве 1,5…2% от веса карбамидной смолы обеспечивает ее отверждение за 12…24 часа;

         отверждение смол в те же сроки обеспечивается при расходе традиционного отвердителя (хлористого аммония) в количестве 10…20% от веса смолы;

         лучшие физико-механические показатели укрепленного грунта получены при комплексном использовании раствора Roadbond (0,1% от веса смолы) и хлористого аммония (1% от веса смолы) в сочетании с карбамидной смолой;

         при укреплении супесей и суглинков карбамидной смолой в количестве 7…10% от веса грунта достигается прочность в водонасыщенном состоянии 3…6 МПа, а коэффициент водостойкости 0,3…0,5; при обработке мелких пылеватых песков для достижения тех же прочностных показателей содержание смолы уменьшается до 4…6%, при этом коэффициент водостойкости достигает 0,5…0,7.;

         сочетание раствора Roadbond со смолой и отвердителем приводит к более высокому технико-экономическому эффекту при сравнении со способом обработки грунтов смолой, отвержденной хлористым аммонием.

         Проведенные опытные работы и последующие обследования построенных участков свидетельствуют о перспективности двух разработанных методов укрепления грунтов и необходимости дальнейшего совершенствования технологии работ и составов используемых вяжущих.