Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Комплексный анализ воздействия доменных металлургических шлаков на окружающую среду на примере шлаковых отвалов Чусовского металлургического завода 9
1.1. Краткая характеристика металлургического производства и условия формирования твердых отходов 9
1.2. Доменные шлаки как потенциальный источник воздействия на окружающую среду 12
1.3. Анализ воздействия отвалов доменных металлургических шлаков на объекты окружающей среды 18
1.4. Обустройство мест размещения доменных металлургических шлаков.. 29
1.5. Методы утилизации металлургических шлаков
1.5.1. Производство щебня из доменного шлака 33
1.5.2. Производство гранулированного шлака 36
1.5.3. Производство шлаковой пемзы из доменного шлака
1.5.4. Производство минераловатных изделий из доменного шлака 41
1.5.5. Переработка доменных шлаков на сельскохозяйственные удобрения. 42
1.5.6. Использование доменных шлаков в качестве сорбентов 43
ГЛАВА 2. Объемы и методы исследования 48
2.1. Методики определения физико-химических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе 49
2.2. Методики определения физико-механических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе 52
2.3. Статистическая обработка 55
Глава 3. Исследование химического состава, физико-химических свойств доменных металлургических шлаков ЧМЗ. Определение потенциальной экологической опасности шлаков 58
3.1. Исследование химического состава, физико-химических и механических свойств доменных металлургических шлаков 58
3.2. Исследование эмиссий тяжелых металлов в модельные среды 62
ГЛАВА 4. Исследование физико-химических и механических свойств бетонов и железобетонных свай на шлаковом заполнителе. Определение потенциальной экологической опасности строительных материалов 70
4.1. Подбор состава бетона на шлаковом щебне 70
4.2. Исследование физико-химических и механических свойств бетонов и железобетонных свай на шлаковом заполнителе 72
4.3. Определение потенциальной экологической опасности бетонов на шлаковом щебне 80
4.4. Опытно-промышленные испытания забивных железобетонных свай ... 89
4.4.1. Динамические испытания забивных железобетонных свай 89
4.4.2. Исследования свай на шлаковом щебне при статических горизонтальных, вертикальных нагрузках и ударное разрушение 97
4.4.3. Определение мощности твердых прослоек грунта, пробиваемых сваями на шлаковом щебне 100
4.5. Разработка методики коэффициента фильтрации грунта внутри зоны уплотнения вокруг сваи в водонасыщенных глинистых грунтах 108
5. Эколого-экономическая оценка технологии изготовления забивных железобетонных свай со шлаковым щебнем в качестве инертного заполнителя 113
5.1 Технология изготовления забивных железобетонных свай со шлаковым щебнем в качестве инертного заполнителя 113
5.2. Экономическая оценка платы за размещение отходов 118
5.3 Снижение объема капитальных затрат на производство забивных железобетонных свай на шлаковом щебне 119
Заключение 122
Список литературы
- Анализ воздействия отвалов доменных металлургических шлаков на объекты окружающей среды
- Методики определения физико-механических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе
- Исследование эмиссий тяжелых металлов в модельные среды
- Опытно-промышленные испытания забивных железобетонных свай
Введение к работе
Актуальность темы
Ежегодно на предприятиях черной металлургии России образуется более 40 млн. тонн металлургических шлаков. Наибольшую долю из них составляют доменные шлаки, представляющие собой силикатные системы, содержащие наряду с основными компонентами силикатами кальция и магния, железа и его оксидов более 20 соединений тяжелых металлов.
До 90-х годов прошлого века образующиеся отходы складировались в отвалах открытым способом, часто вблизи водных объектов, степень использования шлаков составляла менее 20%. В отвалах, являющихся значительным источником антропогенного воздействия на окружающую среду, в особенности на объекты гидросферы, накоплено более 200 млн. тонн шлаков.
Доменные шлаки по своим свойствам подобны природным силикатным материалам (гравийный щебень, керамзит), широко используемым в строительной индустрии. На большинстве металлургических предприятий России в настоящее время доменные шлаки текущего выхода утилизируются с получением шлакового щебня, бетонов и железобетонов, минераловатных материалов и др. Начинают интенсивно использоваться и отвальные шлаки, в связи, с чем возникает проблема рекультивации выработанных объектов складирования.
Анализ научно-технической информации показал, что вопросы влияния шлаковых отвалов металлургических предприятий, строительных материалов, выполненных на основе шлаков, на объекты гидросферы остаются недостаточно изученными. Отсутствие системного подхода к исследуемой проблеме, данных сравнительного анализа эмиссий загрязняющих веществ из природных материалов (щебня), из шлаков, продуктов их утилизации и изделий из них в водные объекты не позволяют оценить их реальную экологическую опасность.
Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований по оценке воздействий доменных шлаков и продуктов их переработки, в частности, бетонов различных марок и изделий из них - железобетонных свай, на объекты гидросферы является актуальной задачей, требующей решения.
Предмет исследования: воздействие доменных металлургических шлаков и бетонов с заполнителем из шлакового щебня на объекты гидросферы; физико-химические и механические свойства бетонов и эксплуатационные характеристики железобетонных свай на шлаковом щебне.
Цель работы: снижение негативного воздействия отвалов доменных шлаков и изделий из них на объекты гидросферы путем разработки экологически безопасной технологии изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковом щебне.
Задачи:
Провести комплексную теоретическую и экспериментальную оценку воздействий отвалов доменных шлаков на объекты гидросферы и разработать мероприятия, направленные на их минимизацию.
Определить химический состав, физико-химические свойства доменных металлургических шлаков и шлакового щебня, полученного при обогащении шлаков, установить их потенциальную экологическую опасность на примере шлаков одного из крупных металлургических предприятий Пермского края - ЧМЗ. /_n
Исследовать физико-химические и механические свойства образцов бетона на шлаковом щебне; закономерности эмиссий ионов тяжелых металлов из образцов шлакового щебня и бетонов на шлаковом щебне в водные среды и оценить их потенциальную экологическую опасность для объектов гидросферы.
Разработать экологически безопасную технологию изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе и провести опытно-промышленные испытания образцов.
Научная новизна: 1. Определены закономерности эмиссии ионов тяжелых металлов (титана, ванадия, железа и марганца) из природного, шлакового щебня и образцов бетонов на шлаковом щебне в модельные водные среды. Установлено, что зависимость эмиссий ионов тяжелых металлов (ТМ) в воду от времени имеет экстремальный характер. Снижение эмиссий тяжелых металлов через 3-5 суток после начала обработки обусловлено повышением рН среды и образованием труднорастворимых гидроксидов и сульфидов тяжелых металлов. Определены кинетические уравнения и константы скорости эмиссии тяжелых металлов в модельный раствор при рН=4,8.
Установлено, что эмиссии токсичных тяжелых металлов из бетонов на шлаковом щебне соответствуют образцам бетонов на природном щебне.
Разработаны физическая модель формирования уплотненного слоя грунта при забивке свай в водонасыщенные глинистые фунты с выделением четырех зон уплотнения, предотвращающих проникновение грунтовой влаги к свае и эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду, и методика расчета коэффициента фильтрации в зонах уплотнения в зависимости от пористости грунта.
Практическая значимость работы:
Разработаны мероприятия, направленные на снижение эмиссий загрязняющих веществ в водные объекты при временном складировании доменных металлургических шлаков.
Разработана рецептура получения образцов бетонов, соответствующих классам бетона по прочности В 15, В 22,5, В 25, с полной заменой природного щебня шлаковым щебнем ЧМЗ. Установлено, что бетон на шлаковом щебне обладает повышенной морозостойкостью (F 200), что позволяет использовать его для изготовления забивных железобетонных свай, применяемых в климатических условиях Западного Урала и Сибири.
Представлены технические условия на изготовления забивных железобетонных свай на шлаковом щебне.
Разработана методика определения коэффициента фильтрации грунта внутри зоны уплотнения, вокруг свай и свайных фундаментов, и рекомендации по экологически безопасной технологии использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе.
Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Механика грунтов, оснований и фундаментов» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды», «Промышленное и гражданское строительство», «Автомобильные дороги и аэродромы».
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований; использованием общепринятых методик химического и физико-химического анализа образцов металлургического шлака и бетонов на его основе.
Основные положения, выносимые на защиту:
Комплексным анализом экологического состояния отвалов доменных шлаков ЧМЗ установлено их негативное воздействие на грунтовые и поверхностные воды, а также на донные отложения рек в зоне влияния объектов складирования, связанное с эмиссиями ионов тяжелых металлов, что обусловливает необходимость ликвидации отвалов и рекультивации нарушенных территорий.
Исследованиями физико-механических свойств, коррозионной устойчивости и морозостойкости образцов бетонов на шлаковом щебне установлено, что по основным эксплуатационным характеристикам полученные образцы не уступают стандартным образцам бетона.
Эмиссии ионов тяжелых металлов из бетонов на шлаковом щебне в модельные водные среды (рН=7, рН=4,8), соответствуют эмиссиям из стандартных образцов бетонов на природном щебне.
Разработанные технологические решения по изготовлению и эксплуатации забивных железобетонных свай позволяют предотвращать эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду.
Апробация работы: основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на всероссийской научно-технической конференции
«Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность» (г. Пермь, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Омск, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из них одна статья в журнале, входящем в Перечень ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, список литературы включает 126 источников, в том числе 4 иностранных. Объем диссертации составляет 135 стр. машинописного текста, включающих 41 таблиц и 27 рисунков.
Анализ воздействия отвалов доменных металлургических шлаков на объекты окружающей среды
Ежегодно на предприятиях черной- металлургии России образуется более 40 млн. тонн металлургических шлаков, наибольшую долю из которых составляют доменные шлаки, представляющие собой силикатные системы, содержащие наряду с основными компонентами - силикатами кальция и магния, железа и его оксидов более 20 соединений тяжелых металлов. Под шлаком в широком смысле понимается минеральная масса, подвергшаяся высокотемпературной обработке в тепловом агрегате и являющаяся побочным продуктом основного технологического процесса.
До 90-х годов прошлого века образующиеся отходы складировались в отвалах открытым способом, часто на берегах рек и водоемов, степень использования шлаков составляла менее 20%. В настоящее время в отвалах, являющихся потенциальным источником антропогенного воздействия на объекты окружающей среды (воздух, подземные и поверхностные водоемы, почвы), накоплено более 200 млн. тонн шлаков.
На территории Пермского края находится одно из крупных металлургических предприятий России — Чусовской металлургический завод (ЧМЗ), на котором реализуется полный металлургический цикл - полного цикла "чугун-сталь-прокат", специализирующее на выпуске проката для автомобильной промышленности, рессор для машин, пятиокиси ванадия и феррованадия
Продукция, выпускаемая предприятием: Чугун. За прошедшие годы технология доменной плавки значительно усовершенствована, освоен выпуск нескольких марок чугуна различного состава.
Агломерат. На аглофабрике завода освоено производство нескольких марок железо-ванадиевого агломерата с утилизацией в аглошихте отходов ванадиевого передела.
Феррованадий. Легирующий сплав железа и ванадия, получаемый в электропечах силикоалюмотермическим способом восстановления технической пятиокиси. ванадия, предназначен для легирования стали, сплавов и чугунов. Производится широкий ассорртимент марок феррованадия с разным содержанием ванадия и примесей, а также сплавы с введением азота и кремния.
Феррованадий азотированный. Предназначен для легирования быстрорежущих, низколегированных, нержавеющих, морозостойких сталей ванадием и азотом. Поставляется в виде кусков массой 5-15 кг в стальных барабанах. Пятиокисъ ванадия. Предназначена для получения титановых сплавов, ванадиевого катализатора и других химических реактивов. Рессоры автомобильные. Рессорное производство включает в себя изготовление заготовок рессорных листов, термическую обработку, поверохностное упрочнение листов, сборку рессор. Прокат. Завод производит более ста пятидесяти профилей различного проката, основную долю которого составляют строительный и рессорный прокат. В состав завода входят: доменный цех, сталеплавильный дуплекс-цех, два прокатных цеха, ферросплавильный цех, авторессорный цех и дуплексный цех и цех переработки шлаков [1].
Доменный цех является одним из основных цехов металлургического предприятия по объему выпуска продукции, с выплавки чугуна в котором начинается металлургическое производство [1]. Цех характеризуется непрерывностью производства и занимает ведущее положение в системе завода с замкнутым циклом, так как помимо чугуна вырабатывает доменный газ, используемый другими цехами как топливо. Образующийся доменный металлургический шлак занимает больший удельный вес среди всего объема образующихся отходов и содержит много металлических включений. В среднем при обогащении шлака путем магнитной сепарации возвращается в производство 70% металла в виде металлоконцентрата [11].
Доменное производство оказывает наибольшее влияние на объекты окружающей среды. Применение комплекса природоохранных мероприятий по очистке сточных вод, пылегазовых выбросов и частичной утилизации твердых отходов позволяет снизить антропогенную нагрузку [2]. Но, при этом актуальными остаются вопросы обращения с накопленными PI складированными металлургическими шлаками.
В состав рассматриваемого нами предприятия входит цех переработки шлаков, который специализируется на переработке шлаков доменного и сталеплавильного переделов [1]. Следует особо отметить, что в шлаке предприятия присутствует титан, что обусловлено использованием в качестве сырья титаномагнетитовых руд Качканарского месторождения.
Цех переработки шлаков включает в себя два участка: участок переработки шлаков (УПШ) - шлаки перерабатываются в щебень и песок по ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства» ГОСТ 5578-94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов, производится металлоконцентрат с содержанием железа в соответствии с ТУ 0798-006-00186341-2002 «Металлоконцентрат (металлоотходы доменные)»; » участок передвижной дробильно-сортировочной установки (ПДСУ-200) - производство щебня, щебеночной смеси согласно ТУ 5718-010 00186341-2002 «Щебень и щебеночно-песчаная смесь для дорожного строительства из мартеновских и доменных шлаков». Последовательность технологических операций приведена на (рис. 1.1.).
Методики определения физико-механических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе
Расстояние от уреза речной воды до отвала не превышает 30 м, а на участках общей протяженностью около 850 м граница отвала совпадает с береговой линией. На этих участках складированные отходы размываются речной водой. Создание шлакового отвала привело к изменению гидрогеологических и гидрологических условий на этом участке [20]. Отсыпка отвала на террасу р.Чусовой нарушила режим естественного поверхностного стока, что привело к частичной фильтрации стока через отвалы, а также к заболачиванию части прилегающей территории.
При открытом способе складирования отвал металлургических шлаков является источником загрязнения окружающей среды вследствие эмиссий загрязняющих веществ в воздух, объекты гидросферы и почву, а через них -на состояние флоры, фауны и здоровье людей [30].
Влияние отвала доменных металлургических шлаков на атмосферу и почву зависит от гранулометрического состава складированных отходов и процессов выветривания и измельчения при длительном хранении. По степени связности шлаковый грунт приближается к связно-сыпуче разрушенным породам. Пылевидные шлаковые частицы разносятся ветром на прилегающие территории и оказывают негативное воздействие на здоровье людей. Смытая дождями и талыми водами шлаковая пыль загрязняет почву, растворимые компоненты проникают в грунтовые воды, а затем в родники и колодцы [30].
Оседание пыли из пылегазовых выбросов шлаковых отвалов зависит от размеров пылинок и метеорологичесісих условий. Техногенные загрязнения накапливаются в большей степени в верхнем слое почвы и в дернине (до 10 см), и оказывают существенное влияние на жизнедеятельность луговых растений. Анализ биоразнообразия лугов четко показывает его обеднение с нарастанием техногенного загрязнения. Сорные и рудеральные виды способны накапливать в тканях значительное количество тяжелых металлов. Поэтому в условиях техногенного загрязнения они получают преимущество перед луговыми видами.
Атмосферные осадки инфильтруются через химически активные грунты отвала, насыщаются водорастворимыми компонентами этих грунтов и загрязняют грунтовые воды. Основными объектами воздействия отвалов металлургических шлаков и шлакового щебня являются объекты гидросферы. Для оценки воздействия отвала доменных шлаков было проведено опробование воды и донных отложений pp. Чусовой и Усьвы, подземных. вод, вещества отвалов [20, 21].
В минеральном составе пород отвала по результатам рентгеноструктурного; анализа представлены следующие ассоциации: гематит . (13%)-магнетит . (13%)-кварцевая (47%); кальцит (11%)- портландитовая (85%);, гематит (10%)-вюстит (20%)-магнетитовая (60%); периклаз (33%)-гематитоваяг(39%)-,геленит (10%)-кварц (13%)-периклазовая (57%)..В составе;пород отвала в значительных количествах» присутствуют . окислы- гидроокислы, и карбонаты Са и Mg: Это связано с особенностями технологического процесса - использованием известковых флюсов поступлением ионов; кальция и магния из шихты и огнеупоров, образование их возможно в результате вторичных процессов в отвале. Средиэтошгруппы определены следующие минералы: портландит - Са(ОН)2 (гашеная-известь); Представляет порошок белого цвета. Высокое содержание этого минерала наблюдается в пробе 17 — периклаз - MgO. Его содержание составляет 56.7%. В процессе выветривания переходит брусит - Mg(OH)2. Карбонаты представлены кальцитом и арагонитом (CaGQj), доломитом (Ga Mg(C03)2), магнезитом (MgC03) и его железистой разновидностью -. брейнеритом (Mg, Ре)СОз- Карбонаты отмечены; во- всех пробах. Типичные шлаковые минералы представлены геленитом (2СаО Аг2Оз 8Ю2), тридимитом . и кристобалитом- (высокотемпературные полиморфные модификации кварца - БіОг), муллитом (2Al203 Si02).
Содержания микроэлементов (табл. 1.4) по данным спектрального анализа в грунтах отвала (г/кг) Си до 5.7, Zii до1.83, Сг до 1.7, Мп до 2,5. Следует отметить, что хром и-марганец благодаря их амфотерным свойствам имеют повышенную миграционную способность в условиях щелочной среды, характерной для отвалов [20, 21]. Таблица 1.4 - Содержание микроэлементов в породах отвала доменных шлаков, г/кг Zn Ті Сг Ni Мп РЬ Си 1,83 0,11 1,7 0,17 2,5 0,005 5,7 0,26 од 0,14 0,036 0,046 0,0012 0,24 0,46 0,37 0,65 0,1 0,33 0,0037 0,37 Водная вытяжка из пород отвалов (табл. 1.5) характеризуется сильно щелочной реакцией (рН = 9,1 - 12,6), высоким содержанием (мг/кг) водорастворимых солей до 11,5; сульфатов (72,1-350,6) и хлоридов (17,8-560,2), среди катионов кальция (30,1-5861,7), натрия и калия (112,5-2771,6) [20, 21].
При общем низком содержании ионов N03", N02", NH4" в отдельных пробах их концентрации достигают значений соответственно 37,8; 23,0; 13,2-25,0. Содержание общего железа до 1,1.
Грунтовые воды в зоне влияния отвала доменных металлургических шлаков распространены в аллювиальных песках и песчано-гравийных отложениях. Грунтовые воды имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, рН=6,8-8,9; при минерализации 299-865 мг/л. По сравнению с фоновой пробой здесь наблюдается увеличение содержания (мг/л): SCV , СГ, NCV, Mg , Na , NH4", железа общего (табл. 1.6), микроэлементов (Zn, Ті, Cr, Ni, Mn, Pb, Cu).
Складирование доменных металлургических шлаков негативно влияет на микроэлементный состав подземных вод. Превышение над фоновыми показателями составляет по цинку до 8,4 раз, титану - до 2,6, хрому - до 39, никелю - 5,4, марганцу 5,9, свинцу - 7,2 и меди 9,7 раз (табл. 1.7) [20, 21].
Исследование эмиссий тяжелых металлов в модельные среды
Определение марганца выполняли окислением ионов двухвалентного марганца в азотнокислой среде персульфатом аммония до семивалентных перманганат-ионов, окрашенных в фиолетовый цвет в присутствии ионов серебра. Оптическую плотность раствора перманганата измеряли на фотоэлектроколориметре.
Определение суммы оксида и гидроксыда кальция (свободной извести или свободного оксида кальция) выполняли этанол-глицератным методом, основанным на экстрагировании оксида и гидроксида кальция из свежерастертого порошка анализируемой пробы этанол-глицериновым раствором с последующим титрованием образовавшегося глицерата кальция спиртовым раствором безводной бензойной кислоты в присутствии индикатора фенолфталеина. Содержание магния определяли методом трилонометрического титрования. Серосодержащие примеси в образцах определяли следующим образом: общее содержание серы весовым методом, затем - содержание сульфатной серы гравиметрическим методом и по их разности вычисляли содержание сульфидной серы.
Общее содержание хлоридов определяли осаждением в азотнокислой среде избытком нитрата серебра. Избыток нитрата серебра оттитровывали роданидом калия в присутствии индикатора - железоаммонийных квасцов. В момент окончания осаждения хлорида серебра (достижения эквивалентной точки) роданид аммония образует роданид железа, окрашивающий раствор в красный цвет.
Планируемое использование шлакового щебня в качестве заполнителя для бетонов определило необходимость установления степени коррозии стальной арматуры [78] при соприкосновении со шлаковым щебнем. Для этого образцы арматуры (металлический прокат, круг 0 20 мм из стали 3, предварительно взвешенный) уложили в герметичные ёмкости и засыпали шлаковым и природным щебнем, залили водой. Осмотр образцов арматуры проводили через 12 месяцев.
По результатам определения химического состава шлакового щебня оценили устойчивость структуры к распаду. Устойчивую структуру имеют шлаки, в которых содержание оксида кальция (%) равно или меньше величины, вычисленной по формуле [3]: СаО = 0,92SiO2 + А1203 + 0,2MgO (2.1) Для характеристики свойств шлака определили модуль основности [3]: т $Ю2 + уъ Al203 + Fe203 (2 2) Наличие в химическом составе доменного металлургического шлака тяжелых металлов, обладающих токсическими свойствами, определило необходимость проведения экологической оценки шлакового щебня, бетонов на их основе и бетонов на основе природного щебня путем изучения закономерности миграции ионов тяжелых металлов в модельные среды.
При исследовании эмиссий тяжелых металлов из образцов шлаков и строительных материалов использована методика, принятая при санитарно-гигиенической оценке стройматериалов с добавлением промотходов [58].
В качестве модельных сред использовали дистиллированную воду и аммонийно-ацетатный буферный раствор (рН=4,8). Выбор аммонийно-ацетатного буферного раствора обусловлен возможностью ионов железа, титана, марганца и ванадия образовывать аммонийные и ацетатные комплексные ионы [58], что способствует их максимальной экстракции из растворов. Выбор в качестве модельной среды дистиллированной воды обусловлен тем, что величина рН водной вытяжки грунтов, преобладающих на территории Пермского края (четвертичные водонасыщенные глинистые грунты), близка к нейтральной.
Эксперимент проводили в статических условиях при соотношении образец: модельный раствор -1:2. Исследуемые образцы масса 1,40-1,60 кг помещали в емкости с дистиллированной водой и аммонийно-ацетатным буферным раствором. Отбор проб растворов для анализа осуществляли через 1, 3, 5, 7, 10, 20, 30 суток и исследовали на содержание в них железа, марганца, титана и ванадия.
Содержания ионов железа в водной вытяжке определяли фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой, ионов титана, марганца, ванадия методом атомно-абсорбционной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.
В ходе работы определялись физико-механические свойства (табл. 2.3) шлакового щебня и бетона на его основе по стандартным методам [38, 40, 55]. Определение зернового состава отдельных фракций щебня проводили просеиванием сквозь сита с круглыми отверстиями на круглых обечайках с диаметром не менее 300 мм. Стандартный набор сит для щебня включает сита с круглыми отверстиями диаметрами 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 22,5; 25; 30; 40; 50; 60; 70 (80) мм. Сита собирали последовательно в колонку, начиная снизу сита с отверстиями наименьшего размера, при этом толщина слоя щебня на каждом из сит не должна превышать наибольшего размера зерен щебня.
Дробгшость щебня определяли по степени разрушения зерен при сжатии (раздавливании) в цилиндре на гидравлических прессах по ГОСТ 28840. Предельная нагрузка пресса Ртах должна быть такой, чтобы ожидаемое значение максимального усилия в процессе испытания укладывалось на шкале пресса от 0,3 до 0,8 Ртах. Сопротивление удару на копре ПМ определяли по степени разрушения зерен, оцениваемой изменением зернового состава пробы. Морозостойкость определяли по потере массы пробы при попеременном замораживании и оттаивании.
Опытно-промышленные испытания забивных железобетонных свай
Забивку проводила бригада строителей ОАО «ПЗСП». Оборудование, копёр СП-49, молот С-330, с общей массой молота 4,5 т, с массой ударной части 2,5 т, паспортной энергией удара 6000 кг/м, паспортное количество ударов в минуту 50. Первоначально сваи 7 м были забиты на глубину 6,90 м. Количество ударов на каждый метр погружения приведено на (рис. 4.14). Общее число ударов при погружении 103, средний отказ от одного удара составил 6,7 сантиметров. Через 20 суток «отдыха» сваи были добиты 5 ударами, средний отказ от удара составил 2,36 см. Спустя, ещё 20 суток сваи снова добили 3 ударами, средний отказ составил 0,12 м.
Первоначальная забивка 5 м свай проводилась на глубину 4,9 м. Общее количество ударов составило 63. Средний отказ от одного удара составил 7,8 см. Количество ударов на каждый метр погружения в грунт представлено на (рис. 4.15). После 20 суточного отдыха сваи были добиты 5 ударами. Средний отказ при этом составил 3,3 см. Через ещё 20 суток сваи снова добили 3 ударами, средний отказ составил 0,15 см. Комбайнеров, насыпной грунт суглинок твердый песок пылеватый Рис. 4.14. Схема опытно-промышленных испытаний 7-ми метровых свай на шлаковом щебне Комбайнеров, насыпной ЕЭ суглинок песок грунт твердый пылеватый
Исследования свай на шлаковом щебне при статических горизонтальных, вертикальных нагрузках и ударное разрушение
Испытания свай при горизонтальных нагрузках, проведенные с помощью гидравлического домкрата (табл. 4.22) показали, что величины горизонтальных перемещений при одинаковых нагрузках и длине свай имеют разброс до 50%. Чёткой зависимости между длинной свай и величиной перемещений не установлено. Это можно объяснить неоднородностью грунтов, которая характерна для верхних горизонтов в разных точках опытной площадки. Такой разброс, затрудняет определение предельной несущей способности, поэтому она определялась из условия предельно допускаемых горизонтальных перемещений (10 мм), рекомендованных государственным стандартом. Таблица 4.22 - Результаты статических испытаний свай на шлаковом щебне
Испытания свай показали, что при равных ступенях нагрузки величина горизонтального перемещения для свай на шлаковом щебне на 8 - 11% больше, чем для свай на природном щебне. Сравнение результатов испытаний обоих видов свай показало, что при одинаковых грунтовых условиях сопротивляемость свай горизонтальным нагрузкам зависит от глубины их заделки в грунт. У обоих видов свай, несущая способность с увеличением глубины погружения от 4 до 8 м уменьшается на 7% - 23%. Это вызвано тем, что с увеличением глубины погружения возрастает гибкость свай, которая приводит к возрастанию изгибающего момента за счёт понижения точки нулевых перемещений.
К тому же, на несущую способность свай влияет уровень приложения горизонтальной нагрузки. Чем ближе к поверхности грунта приложена нагрузка, тем выше несущая способность. Анализ показывает, что уровень приложения нагрузки в пределах от ОД до 0,35 м от поверхности грунта практически не влияет на несущую способность сваи.
Результаты испытаний свай позволили установить, что грунтовые условия оказывают существенное влияние , на работу свай при их горизонтальном нагружении. Выявлено, что при равных ступенях нагрузки на сваи с площадки по ул. Макаренко 6 величина горизонтальных нагрузок в среднем на 20% меньше, чем по ул. Ким 44. Это различие в величине горизонтальных нагрузок вызвано неодинаковостью грунтовых условий площадок, а именно, повышенными деформационно-прочностными свойствами грунтов площадки по ул. Ким 44.
В процессе испытаний свай на вертикальную и горизонтальную нагрузку и на ударное действие сваи на шлаковом щебне выдерживают нагрузки на 3-5% ниже, чем сваи на природном щебне.
Отсюда следует, что с повышением деформационно-прочностных свойств грунтов, в которые погружены сваи, сопротивляемость последних действию горизонтальной статической нагрузки возрастает. Испытания свай на вертикальную нагрузку проводились на площадке по улице Макаренко. Испытывались сваи длинной 8 м. Сваи погружались на глубину 6, 7 м. Сваи на шлаковом щебне испытывали параллельно со сваями на природном щебне, той же длинны при тех же условиях. В процессе испытаний, отличий в поведении свай на шлаковом щебне от свай на природном щебне не обнаружено.
