Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ научных разработок по укреплению грунтов вяжущими материалами и отходами промышленности 8
1.1. Укрепление грунтов цементом 8
1.2. Укрепление грунтов известью 10
1.3. Укрепление грунтов битумами, дегтями и битумными эмульсиями 10
1.4. Укрепление грунтов золошлаковыми материалами 12
1.5. Укрепление грунтов с применением древесных смол и других лесохимических отходов 14
Выводы по главе 1 15
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование применения золы от сжигания сточных вод для дорожного строительства 17
2.1. Теоретическое обоснование физико-химических процессов активации золы от сжигания осадков сточных вод 17
2.2. Рентгенографический анализ образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами 20
2.3. Электронно-микроскопические исследования образцов золо грунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами 24
Выводы по главе 2 37
ГЛАВА 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований и анализ результатов 39
3.1. Характеристика используемых материалов 40
3.2. Методика проведения экспериментов по определению физико-механических свойств образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами 41
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 44
4.1. Полнофакторный эксперимент (ПФЭ 23) исследования золопес-чаной смеси (зола – масс. 30,40,50% и остальное песок), обработанной известью (4,6,8,10,12%) и битумом (6,8,10,12%) 44
4.2. Исследования свойств дорожно-строительного материала из зо-лоизвестняковых смесей, обработанных битумом с добавкой ЛХД 48
4.3. Исследование сдвигоустойчивости золоизвестняковых смесей, обработанных битумом 54
4.4. Исследования свойств дорожно-строительного материала из зо лопесчаных смесей, обработанных цементом с добавкой битума 57
4.5. Исследования свойств дорожно-строительного материала из зо-лопесчаных смесей, обработанных известью и битумом 63
4.6. Исследование реологических свойств смеси песка и золы, обработанной вяжущим материалами 65
4.7. Исследования морозостойкости дорожно-строительного матери з
ала на основе золопесчаных смесей, обработанных вяжущими 67
4.8. Исследования по определению вымываемости тяжелых метал лов и вредных веществ из зологрунтовой смеси, обработанной изве стью, цементом и жидким битумом 77
ГЛАВА 5. Рекомендации по технологии строительства дорожных конструкций со слоями из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами 79
Выводы по главе 5 81
ГЛАВА 6. Технико-экономические расчеты эффективности применения зо логрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами 82
Выводы по главе 6 85
Основные научные результаты диссертации 86
Список публикаций соискателя 88
Список использованных источников 90
- Укрепление грунтов битумами, дегтями и битумными эмульсиями
- Рентгенографический анализ образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами
- Методика проведения экспериментов по определению физико-механических свойств образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами
- Исследование сдвигоустойчивости золоизвестняковых смесей, обработанных битумом
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В стратегии развития лесопромышленного комплекса РФ на период до 2020 г определены основные направления – повышение эффективности лесопользования, глубокая переработка древесного сырья, интенсивное строительство дорог и обеспечение дорожно-строительными материалами регионов заготовки древесины.
Эксплуатационное состояние лесных дорог требует использования в конструктивных слоях дорожных одежд прочных и надежных дорожно-строительных материалов и новых технологий строительства, отвечающих современным требованиям.
Исследования, направленные на расширение номенклатуры дорожностроительных материалов, на улучшение эксплуатационных качеств лесных дорог при использовании золы от сжигания осадков промышленных и бытовых сточных вод в смесях с местными грунтами и вяжущими материалами в конструктивных слоях дорожных одежд являются актуальными.
Степень разработанности темы исследования. Исследования, представленные в настоящей диссертации, основаны на многолетних исследованиях отечественных и зарубежных авторов по проблеме укрепления грунтов и дорожностроительных материалов минеральными и органическими вяжущими, в том числе с применением зол уноса ТЭС. В дорожном строительстве зола от сжигания сточных вод ранее не применялась, исследования в этой области отечественными и зарубежными учеными не проводились.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности эксплуатации лесных дорог созданием прочного дорожно-строительного материала на основе золы от сжигания осадков сточных вод и вяжущих материалов в смесях с местными грунтами. Расширение сырьевой базы дорожно-строительных материалов.
Задачи исследования:
теоретическое и экспериментальное обоснование возможности получения до-рожно-строительного материала из грунтов в смесях с золой от сжигания осадков сточных вод и вяжущими материалами;
экспериментальное выявление активных вяжущих свойств золы в смесях с грунтом и установление степени влияния ее на свойства материала;
экспериментальное исследование процессов структурообразования и свойств, полученного материала на основе золы и вяжущих;
исследование влияния битума на свойства золоизвестняковой смеси;
разработка составов зологрунтовых смесей, укрепленных вяжущими материалами;
исследование реологических свойств зологрунтовых смесей, обработанных известью и битумом, и их длительности хранения в готовом виде;
технико-экономическое обоснование применения золы от сжигания осадков сточных вод в дорожных конструкциях лесных дорог;
разработка рекомендаций по технологии строительства дорожных конструкций из зологрунтовых смесей и вяжущих материалов.
Научной новизной обладают:
теоретическое обоснование процесса получения дорожно-строительного материала, имеющего в составе новый компонент - золу от сжигания осадков сточных вод с добавками вяжущих, как процесса взаимодействия минеральных частиц грунта, компонентов золы и вяжущих;
экспериментальное обоснование взаимодействие активной части золы (SiO2, СаО и др.) с кальциевыми компонентами вяжущих в грунтовых смесях с образованием прочных кристаллических связей структуры материала.
Новизна разработанного способа получения материала подтверждена патентом на изобретение РФ №2471913 от 23 марта 2011г на «Способ устройства конструктивного слоя дорожной одежды на основе золы от сжигания осадков сточных вод».
- математико-статистические модели, описывающие физико-механические и
технологические свойства нового дорожно-строительного материала в зависимо
сти от влияющих факторов.
Теоретическая значимость работы:
теоретически и экспериментально обоснованы процессы структурообразова-ния в новом дорожно-строительном материале на основе смеси золы от сжигания сточных и промышленных вод, грунта, минеральных и органических вяжущих, обеспечивающих требуемые физико-механические свойства;
при создании дорожно-строительного материала экспериментально подтверждена теория формирования монолитной структуры взаимосвязью минеральных компонентов, в ом числе, в виде золы от сжигания осадков сточных вод и органо-битумного вяжущего.
Практическая значимость работы:
предложен новый дорожно-строительный материал на основе золы от сжигания осадков сточных вод, местных грунтов и вяжущих, отличающийся повышенной прочностью, водо-и морозостойкостью, для строительства лесных дорог как альтернатива природным каменным материалам;
даны рекомендации по составам смесей и технологии строительства конструктивных слоев дорожных одежд из зологрунтовых смесей и вяжущих материалов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
результаты исследований структурных связей компонентов зологрунта и вяжущих, полученные рентгенографическим анализом и оптической микроскопией;
результаты экспериментальных исследований укрепления вяжущими золог-рунтовых смесей с использованием извести, цемента и битума;
результаты исследования по определению вымываемости тяжелых металлов и вредных веществ из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими;
математико-статистические модели физико-механических свойств предлагаемого дорожно-строительного материала в зависимости от состава компонентов;
способ устройства конструктивного слоя дорожной одежды лесных дорог на основе золы от сжигания осадков сточных вод.
Степень достоверности исследования
Достоверность теоретических положений и выводов доказана экспериментально-лабораторными исследованиями, которые выполнены с использованием со-4
временных приборов, в том числе на рентгеновском дифрактометре ДРОН УМ – 1 на СuК2 – излучении, на основе современных физико-химических методов исследования, методом рентгенографического анализа, математического планирования эксперимента, а также достаточной сходимостью полученных теоретических и экспериментальных данных.
Апробация результатов исследования.
Основные положения работы доложены на Международной научно-технической конференции «Новые строительные материалы» (Минск, 2013) доклад на тему «Способ устройства конструктивных слоев дорожных одежд на основе золопесчаной смеси и вяжущих», а также на научно-технических конференциях в СПб ГЛТУ по итогам НИР 2011 – 2015 г.г.
Практическая апробация разработанного материала подтверждена испытаниями в строительной испытательной лаборатории ООО «Геопромэкопроект» (Протокол № 516 от 12.10.2015г.), в Центре Исследования и Контроля Воды (Протоколы №№ 2976 от 10.11.2003, 2171 о 08.12.2003,1054 от 04.06.2004)
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», п. 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов, строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».
Методика и методы исследования. Методы исследования состава и свойств материала из смеси золы и грунта, обработанных вяжущими включали: метод рентгенографического анализа образцов исследуемого материала, методы математического моделирования и математической статистики, лабораторные испытания опытных образцов основных положений полнофакторного эксперимента. Результаты экспериментов обрабатывали с использованием компьютерных программ: Eхсеl, Statgraphics и Statistica.
Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследований, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе результатов, формулировании выводов и рекомендаций.
Публикации в 5-ти статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; в 5-ти статьях других изданий, по результатам исследований получен 1 патент РФ.
Объем и структура диссертации. Работа включает в себя: введение, шесть глав, основные выводы и рекомендации, библиографический список и 12 приложений. Работа изложена на 179 с., список литературы содержит 156 наименований, в т.ч. 7 на иностранном языке.
Укрепление грунтов битумами, дегтями и битумными эмульсиями
С ростом промышленного производства появилась возможность использования различных отходов, таких как шлаки, золы уноса, золошлаки от сжигания различных твердых топливных материалов (углей разного состава, горючих сланцев, торфа) и т.п. в дорожном строительстве. В работах ученых разных стран накоплен большой положительный опыт использования твердых отходов, в т.ч. зол уноса, которые проявляют в структуре материала активность и обладают собственными вяжущими свойствами. Решению этих проблем в разные годы посвящали свои работы И.Л. Гурячков [31-33], А.В. Волженский[19], Н.В. Горелышев[29] и др.
Наиболее близкой по своим свойствам к исследуемой, в данной работе, золе от сжигания осадков сточных вод является «зола уноса».
Зола уноса – это пылевидный отход, получающийся при пылеугольном сжигании на тепловых электростанциях твердого топлива (каменного и бурого угля, го 13 рючих сланцев и торфа), выносимый дымовыми газами из топок котла и улавливаемый золоуловителями [14]. Зола представляет собой видоизмененные под действием высоких температур (до 1600 С0) органическую часть и вмещающую породу угля (минеральную) часть топлива. Эти изменения заключаются в том, что часть вмещающих пород из кристаллического состояния переходит в аморфное, а другая часть изменяет свой химический и минералогический состав и оплавляется под действием высоких температур. Золы уноса очень разнообразны по своим свойствам и химическому составу. Это зависит от многих факторов: вида сжигаемого топлива и степени его размельчения, вида улавливающих устройств, температуры сжигания топлива и т.д.
Так, в золах, получаемых при сжигании каменного угля, в основном присутствует аморфизированное высокими температурами глинистое вещество, обогащенное невыгоревшей органикой. Присутствуют стекло разного состава, оплавленные зерна кварца и полевого шпата и небольшое количество муллита. При сжигании бурых углей и горючих сланцев получаемые золы обогащены окисью кальция, силикатами и ферритами кальция. В них также присутствует аморфизи-рованное глинистое вещество и стекло.
Размеры частиц золы не превышают 0,25 мм, содержание зерен мельче 0,071 мм составляет от 45 до 90%. Форма частиц, как правило, сферическая и полая в результате выгорания углистого вещества, поэтому плотность золы составляет 0,7 – 0,9 г/см3 при истинной плотности 2 – 2,2г/см3. Пористость золы – 46–48% по объему, удельная поверхность – 3600 см2/г. В золе имеются и частицы неправильной формы, которые присутствуют обычно в составе ее крупной фракции.
Ценность золы для дорожного строительства прежде всего заключается в ее явной или скрытой способности проявлять вяжущие свойства. Золы уноса применяли как в качестве самостоятельного вяжущего, так и в качестве активного компонента смешанного вяжущего, главным образом для укрепления несвязных грунтов.
Известно, что при укреплении несвязных грунтов неоптимального гранулометрического состава рекомендуется введение добавок дисперсных веществ. Это позволяет улучшить поровую структуру, прочность, водо- и сдвигоустойчивость укрепленного грунта. С этой целью в песчаные и супесчаные грунты вводили добавку золы уноса, характеризующуюся большой удельной поверхностью.
В составе зологрунтов, полученных в процессе укрепления грунтов золами сухого отбора (в частности, горючих сланцев), отмечаются новообразования типа гидросиликатов и гидроалюминатов кальция подобно известегрунтам и цементо-грунтам.
Особенностью зологрунтов является медленное протекание в них реакций гидратации и взаимодействия, что обусловлено микроструктурой зол, а именно шарообразной формой их остеклованных частиц. О том, что источником образования гидросиликатов и гидроалюминатов кальция являются мелкодисперсные шарообразные зольные частицы, свидетельствуют микрофотографии структуры зо-логрунта. Причем, даже после года твердения зольные частицы гидратируются лишь с поверхности, сохраняя даже при сильной коррозии шарообразную форму. Ряд исследований был посвящен использованию зол уноса в качестве активного компонента смешанного вяжущего в сочетании с цементом или известью, а также с органическими вяжущими – битумом и смолами [18, 31, 46, 48, 49]. По результатам теоретических исследований были построены опытно-производственные участки дорог в различных климатических и грунтовых условиях, на которых в качестве конструктивных слоев дорожных одежд устроены слои из грунтов, укрепленных сухими золами уноса, применяемыми в сочетании с цементом, известью или битумом. В основном укрепляли несвязные грунты – разнозернистые, мелкозернистые одноразмерные пески, различные местные малопрочные каменные материалы.
Анализ результатов полевых испытаний конструкций дорожных одежд свидетельствует о высоких прочностных показателях и морозостойкости укрепленного грунта, а также было установлено, что с течением времени укрепленное основание с использованием золы уноса набирает прочность.
И.Л. Гурячков в своих исследованиях пришел к выводу, что при укреплении песчаного грунта золой уноса морозостойкость получаемого материала зависит от содержания в золе свободной извести (СаО). Т.о., было установлено, что при укреплении несцементированных грунтов наиболее эффективно применение зол уноса с содержанием свободной извести до 15%, а при укреплении суглинистых грунтов - от 15% и выше.
В настоящее время применяется технология переработки осадков сточных вод путем сжигания их в псевдоожиженном слое с получением золы. В связи со строительством новых заводов по сжиганию осадков сточных вод объем золы возрастает, что требует значительных территорий для ее хранения. При этом оказывается негативное влияние на окружающую среду. В исследованиях по проблеме утилизации принимали участие ряд научных коллективов, предложившие ряд технологий (капсулирование – метод термической обработки зологлинистой смеси, монолитное бетонирование с добавкой золы и другие методы).
Зола от сжигания осадков сточных вод по своему составу близка к золам уноса, что позволяет предположить возможность использования ее как компонента в укреплении грунтов. По данным химического анализа в золе присутствует небольшое количество (около 6%) CaО, поэтому представляется целесообразным использовать золу в укреплении несвязных грунтов.
Рентгенографический анализ образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами
В результате взаимодействия ионов кальция и силикатных ионов образуются гидросиликаты тоберморитовой группы (приблизительный состав 5СаО-6 Si02 5Н2О). При комнатных температурах тобермориты устойчивы в течение неопределенного времени. Кроме того нельзя исключать возможности взаимодействия воды с ультрадисперсным Si02, входящим в состав золы.
Следует отметить, что не было обнаружено изменения фазового состава в образцах. Это можно объяснить тем, что тобермориты либо являются слабокристал-лизованными, либо находятся в аморфном состоянии.
Отмеченную неравномерность набора прочности образцами можно, по-видимому, объяснить процессами перекристаллизации гидросиликатов кальция, или, что более вероятно, изменением химического состава золы.
На основании анализа рентгенограмм образцов из смеси золы и грунта можно делать выводы: - крупнозернистый заполнитель (песок) не реагирует с другими компонентами смеси (дифракционная картина не изменяется за все время твердения образцов); - процесс твердения в исследуемых системах зологрунта и вяжущих объясняется образованием цементирующей связки: - вследствие химического взаимодействия мелкозернистого Si02, входящего в состав золы (возможно присутствует его также в песке), с гидроокисью кальция Са(ОН)2, что приводит к образованию гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция тоберморитовой группы (схема Б); - вследствие химического взаимодействия тонкодисперсного ( аморфного) Si02, входящего в состав золы с водой (схема А). Необходимо отметить, что оба структурообразующих процесса протекают одновременно и вследствие чего происходит омоноличивание крупнозернистого заполнителя в виде камня, что приводит к образованию массы твердого тела.
Для зологрунтовых смесей и вяжущих характерна полидисперсная структура, в которой имеются тонко (микро)дисперсная составляющая, играющая роль цементирующей связки (цемент, известь) и грубо (макро)зернистая (песок, гравий, щебень), формирующая каркас, что по структуре аналогичны цементированным горным породам (песчаники, конгломераты и т.д.). Конгломерат - осадочная горная порода, состоящая из окатанных обломков (гальки) различного состава, величины и формы, сцементированных глиной, известью, кремнеземом и др.
Исследования процессов структурообразования материала выполнены на образцах из зологрунтовых смесей, обработанных цементом (известью) и битумом.
Электронно-микроскопические исследования, выполненные А.А. Фридман [134,135], показали, что жидкий битум в структуре укрепленного грунта находится в виде пленок на поверхности грунтовых частиц и прослоек среди продуктов твердения цемента, в виде перегородок в порах и объемных включений, частично или целиком заполняющих поры. На грунтовых частицах битумная пленка в подавляющем большинстве случаев располагается прерывистыми участками, покрывая от 10 до 70% их поверхности.
Исследования процесса структурообразования в смеси крупнозернистого песка и золы с использованием в качестве вяжущего извести и портландцемента выполнены с помощью растрового электронного микроскопа (Институт химии силикатов РАН).
На основе современных физико-химических методов исследования выявлено активное участие золы от сжигания осадков сточных вод в создании прочных связей с грунтовыми аллюмосиликатами и компонентами вяжущих в процессе струк-турообразования.
Строительные материалы, в том числе и зологрунтовые смеси с вяжущими характеризуется макрогетерогенностью состава. На долю грубозернистой составляющей приходится более 80 % объема, а цементирующей связки 20 %, чем последней меньше, тем ближе совпадение физических и химических эксплуатационных характеристик строительного материала к грубозернистой составляющей.
В вяжущих системах (цемент, гипс и т.д.) определенную роль в формировании адгезионных контактов играет, например, эпитаксиальное наслаивание ионов Са2+ на поверхности инертного материала, в результате которого этот контакт может приобретать характер химического взаимодействия.
В случае химического взаимодействия составляющих на поверхности крупных зерен могут возникать новообразования, которые приводят к значительному изменению технических характеристик (как в сторону улучшения, так и в сторону ухудшения), т.е. обеспечение физико-химического взаимодействия компонентов сырьевой смеси в ряде случаев может служить основой технологии.
В качестве грубозернистой составляющей многих материалов (бетонов, автоклавных материалов) очень часто используют одни и те же пески, гравий или щебень, а в качестве цементирующего вещества – известь, цемент. Однако, если в обычных бетонах и растворах гидросиликаты, гидроалюминаты, гидрофериты кальция образуются в результате взаимодействия основных фаз цемента с водой, то в других случаях в результате взаимодействия компонентов шихты конкретного состава обеспечивается образование других гидросиликатов, в том числе и таких, которые не фиксируются в цементном камне нормального твердения.
В принципе все виды взаимодействия между микро- и макродисперсными составляющими материалов с конгломератным строением можно разделить на 3 группы: - постоянно действующие в течение длительного времени; - временные (появляющиеся и исчезающие); - обусловленные условиями эксплуатации.
Постоянные взаимодействия возникают и развиваются в течение всего времени эксплуатации материала (следовательно, они являются изменчивым динамическим фактором, влияющим на свойства искусственного строительного материала). В первую очередь обращено внимание на возможность химического взаимодействия между компонентами представленных образцов, т.е. реагирует ли заполнитель ( песок) с другими компонентами смеси или нет.
При комплексном укреплении грунтов свойства получаемого материала будут зависеть не только от состояния поверхностного слоя частиц, но и от того, какое из вяжущих и в какой форме преобладает в межзерновом пространстве.
Продукты гидролиза и гидратации цемента занимают поверхность грунтовых частиц, свободную от битума, образуя кристаллические пленки, размер и плотность которых изменяются во времени. На поверхности грунтовых частиц образуется слой, состоящий из чередующихся участков пленок эмульгированного битума и кристаллических пленок из продуктов гидратации цемента.
С целью определения характера процессов структурообразования съемка образца выполнена повторно с интервалом в один месяц и при увеличении до 500, 100и 50 m. На растровых снимках обнаруживаются связи и новобразования, в которых участвуют и зольные компоненты (Рисунки 2.5 – 2.16).
Методика проведения экспериментов по определению физико-механических свойств образцов из зологрунтовых смесей, обработанных вяжущими материалами
Анализ графиков на рисунке 4.14 показывает на значительное снижение величины показателя предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) образцов из золопес-чаной смеси золы (50%) и песка (50%), по абсолютному значению с 10 МПа до 8МПа (цемент масс. 6%) в 1,5 раза (дозировка цемента масс. 2-6%) при увеличении дозировки битума с масс. 4% до 12%.
Апроксимация экспериментальных данных образцов предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) до теоретических кривых в зависимости от содержания в смеси битума представлена уравнениями регрессии Rcж = f (% битума ) полиномиального типа второй степени (Рисунок 4.14). Коэффициенты детерминации составляют 0,9424 – 0,9984. Рисунок 4.15 - Зависимость предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) образцов из золопесчаной смеси, обработанной цементом (масс. 2 -6%) и битумом (масс. 4 -12%) от содержания в ней битума после испытания их на водопоглоще-ние. Обозначения: 1 – 2% цемента, 2 – 4% цемента, 3 – 6% цемента.
Анализ графиков на рисунке 4.15 показывает значительное снижение величины показателя предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) образцов из золопесчаной смеси золы (50%) и песка (50%), по абсолютному значению с 10 МПа до 8 МПа (цемент масс. 6%) в пределах 1,1 – 1,5 раза (дозировка цемента масс. 2-6%) при увеличении дозировки битума с масс. 4% до 12%.
Апроксимация экспериментальных данных предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) образцов до теоретических кривых в зависимости от содержания в смеси битума представлена уравнениями регрессии Rсж = f (% битума ) полиномиального типа второй степени представлена на рисунке 4.15.
Коэффициенты детерминации составляют 0,9445 – 0,992. Рисунок 4.16 - Водопоглощение (Wвп, %) образцов из смеси золы (50%) и песка (50%), обработанных цементом (масс.2, 4 и 6%) и битумом (масс. 4, 6, 8, 10, 12%) в зависимости от дозировок битума. Обозначения: 1 – 2% цемента, 2 – 4% цемента, 3 – 6% цемента.
Анализ графиков на рисунке 4.16 показывает на значительное cнижение величины показателя водопоглощения (Wвп, %) образцов из золопесчаной смеси золы (50%) и песка (50%), по абсолютному значению в среднем в 6 раз (дозировка цемента масс. 2-6%) при увеличении дозировки битума с масс. 4% до 12%.
Апроксимация экспериментальных данных водопоглощения образцов до теоретической кривой в зависимости от содержания в смеси битума представлена уравненями регрессии Wвп = f (% битума ) полиномиального типа (Рисунок 4.16).
Коэффициенты детерминации составляют 0,9792 – 0,9893. Рисунок 4.17 - Водопоглощение (Wвп, %) образцов из золопесчаной смеси (зола-масс. 50% и остальное песок), обработанной цементом (масс. 2,4,6%) и битумом (масс. 4,6,8,10,12%) от содержания в смеси цемента.Обозначения: 1 – 4% битума, 2 – 6% битума, 3 – 8% битума, 4 – 10% битума, 5 – 12% битума.
Анализ графиков на рисунке 4.17 показывает на снижение величины водопо-глощения (Wвп, %) по абсолютному значению до 1% -5,5% при дозировке цемента 6% и при всех дозировках битума (масс. 4,6,8,10,12%).
Апроксимация экспериментальных данных водопоглощения образцов до теоретической кривой уравнением регрессии Wвп = f (% содерж. цемента) имеет линейный тип и представлены на рисунке4.17. Коэффициенты детерминации составляют 0,9838 – 0,9998.
Дорожно-строительный материал на основе золопесчаной смеси (зола-масс. 50% и остальное песок), обработанной цементом (масс. 2,4,6%) и битумом (масс. 4,6,8,10,12%) по показателю водопоглощения относится к I классу прочности с модулем упругости до 1000МПа.
Выводы по п. 4.4: - оптимальной по физико-механическим свойствам является смесь в составе (зола – масс. 50%) и остальное песок, обработанная цементом (масс.- 6%) и битумом (масс. - 8%) с показателями Rсж = 8,56 - 9,52МПа и Wвп = 2,3% , что относит данный материал к I классу прочности по требованиям нормативных документов. - испытания образцов из золопесчаной смеси, обработанной цементом и битумом показали недостаточность величины дозировки цемента (масс. 2 – 6%) при больших дозировках битума (масс. 8 - 12%), что приводит к снижению предела прочности при сжатии материала; - испытания образцов из золопесчаной смеси, обработанной цементом и битумом показали, что при дозировке цемента (масс. 2 – 6%) и дозировках битума (масс. 8 - 12%), происходит значительное снижение показателя водопоглощения по абсолютному значению до 1 -5%; - при значительных дозировках битума (масс. 8 - 12%) х структурообразование материала происходит под значительным влиянии коагуляционных процессов с преобладанием над кристаллизационными, что обеспечивает высокую водостойкость.
Исследования свойств дорожно-строительного материала из золопес-чаных смесей, обработанных известью и битумом
В исследованиях рассматривались зологрунтовые смеси, укрепленные свежегашеной известью в сочетании с битумом.
Определение дорожно-строительных свойств (Rсж, Wвп, Квод и др.) образцов из смеси с содержанием золы (масс.50%) и остальное природный песок, обработанных известью (масс. 8,10,12%) и битума (масс.8,10,12%) представлено на рисунке 4.18.
Рисунок 4.18 - Физико-механические свойства образцов: водопоглощения (Wвп), предела прочности при сжатии (Rсж), объемной плотности (пл), коэффициента водостойкости (Квод) из золопесчаных смесей с содержанием золы (масс. 10 - 90%) и остальное песок, обработанных известью (масс.6%) и битумом (масс. 8%) в зависимости от содержания золы. Обозначения: 1 – прочность при сжатии воздушно-сухих образцов, Rсух, МПа; 2 – плотность образцов, ,г/см3; 3 - прочность при сжатии водонасыщенных образцов, Rвод, МПа; 4 – коэффициент водостойкости, Квод, ед.; 5 – водопоглощение, Wвод, %. Наибольшие значения показателей свойств достигнуты в смеси с содержанием золы (масс. 50%) - пределы прочности при сжатии образцов (Rсж.вод=6,42МПа и Rсж.сух=6,89МПа), водопоглощение (Wвп =1,91%), коэффициент водостойкости образцов (Квод = 0,93).
В результате испытания образцов определена оптимальная зона по содержанию золы в смесях (масс. 30 -70%) по показателям свойств: предел прочности при сжатии до и после водопоглощения (Rсух и Rвод), коэффициент водостойкости (Квод), объемная плотность материала (Yоб) и водопоглощение (Wвод, %).
Анализ графиков на рисунке 4.19 показывает, что водопоглощение (Wвп, %) образцов из смеси золы (масс.50%) и песка (масс. 50%) значительно снижается при возрастании дозировки битума (масс. 12%). Все смеси по абсолютному значению водопоглощения (Wвп, %) имеют менее 1,5%, что соответствует I-му классу прочности укрепленного грунта по требованиям нормативных документов к до-рожно-строительным материалам.
Исследование сдвигоустойчивости золоизвестняковых смесей, обработанных битумом
Анализ графиков на рисунке 4.30 показывает, что увеличение содержания золы в смеси с масс. 30% до 50% приводит к повышению показателей коэффициента морозостойкости образцов (Кмрз, ед) после испытания их на морозостойкость в пределах 0,87 – 0,99 от абсолютных значений. Дозировка цемента и ее рост в смеси с 4% до 9% обеспечивает повышение показателей коэффициента морозостойкости образцов (Кмрз, ед) с 0,93 до 0,99 после испытания их на морозостойкость. При этом необходимо учесть, что достигнутые показатели прочности после испытания на морозостойкость относят исследуемый материал к I классу прочности в соответствии с требованиями СНиП, СН и ГОСТ.
Зависимость физико-механических свойств образцов из золопесчаной смеси от содержания цемента и битума после испытания на морозостойкость выражено уравнениями регрессии полиномиальной зависимости, представленными на рисунке 4.30. Коэффициенты детерминации составляют 0,99 - 1,0.
Анализ графиков на рисунке 4.31 показывает, что водопоглощение образцов из золопечаной смеси возрастает в 1,7 – 3,8 раза, но по абсолютному значению не превышает допустимого предела при всех дозировках вяжущего и для всех исследуемых смесей и составляет в пределах 0,4 – 2,4%. Образцы приготовленные из золопесчаной смеси с цементом 9% имеют более водостойкую структуру, что, естественно, определяет и их морозостойкость.
Зависимость водопоглощения (Wвод, %) образцов из золопесчаной смеси (зола масс. 30,40,50% и остальное песок), обработанных цементом (масс. 4,6,9%) и битумом (масс. 6%) от содержания извести и битума после испытания в воде выражено уравнениями регрессии полиномиального типа, представленные на рисунке 4.31. Коэффициенты детерминации составляют 0,99 - 1,0.
Исследование морозостойкости образцов из золопесчаной смеси (зола –масс. 50% и остальное песок), обработанной известью (масс. -6,8,10%) и битумом (масс. - 6%). Обозначения: 1 – прочность при сжатии водонасыщенных образцов, Rвод, МПа; 2 – прочность при сжатии образцов после циклов замораживания - оттаивания, RМРЗ, МПа; 3 – водопоглощение образцов после циклов замораживания - оттаивания, WМРЗ, %.
Анализ графиков на рисунке4.32 показывает, что предел прочности при сжатии образцов из золопесчаной смеси, обработанной известью (масс. 6-10%) и битумом (масс. 6%), до и после стандартного испытания на морозостойкость возрастает с ростом дозировки извести и имеет абсолютное значение Rмрз=10,34МПа и Rвод=11,57МПа.Повышение в процентахтсоставляет от 12.5% до 18%, что относит материал к I классу прочности. Водопоглощение (Wмрз , %) образцов значительно снижается при увеличении дозировки извести до 12% и составляет 11%.
Зависимость физико-механических свойств (Rсж, Wвод) образцов из золопесча-ной смеси (зола масс. 50% и остальное песок), обработанных известью (масс. 6,8,10%) и битумом (масс. 6%) от содержания извести и битума после испытаний на морозостойкость выражено уравнениями регрессии полиномиального типа, представленными на рисунке 4.32. Коэффициенты детерминации составляют 0,99 - 1,0.
Исследования по определению вымываемости тяжелых металлов и вредных веществ из зологрунтовой смеси, обработанной известью, цементом и жидким битумом. Определение состава и свойств вредных примесей выполнены на пробах водных вытяжек зологрунтовых смесей, укрепленных вяжущими (цементом и изве 78 стью), выполнены в «Центре исследования и контроля воды», регистрационный номер 2976 от 10.11.03.
В результате расчета получены следующие значения ПДК по 5-ти пробам: С пробы 1 = 0,352; С пробы 2 = 0,323; С пробы 3 = 0,271; С пробы 4 = 0,28, что менее допустимого равного единицы, С пробы 5 =7,23, это показывает, что в неукрепленной золе в 7 раз превышен суммарный ПДК вымываемости вредных веществ.
Как видно из таблицы 4.3 и расчета суммарного воздействия зологрунтовых материалов с вяжущими, концентрации тяжелых металлов и вредных веществ не превышают ПДК, и исследуемый дорожно-строительный материал соответствует требованиям экологической безопасности. - дорожно-строительный материал на основе золопесчаной смеси (зола масс. 30,40,50% и остальное песок), обработанных цементом (масс. 4,6,9%), известью (масс. 6,8,10,12%) и битумом (масс.4,6,810,12%) может быть отнесен к экологически-безопасным в дорожном деле. ГЛАВА 5. Рекомендации по технологии строительства дорожных одежд со слоями из зологрунтовых смесей и вяжущих
В пятом разделе представлены подробные рекомендации по технологии приготовления зологрунтовых смесей с минеральными и органическими вяжущими с указанием технологических операций по устройству дорожных одежд.
Технология строительства дорожных конструкций включает разработанные составы смесей на основе золы от сжигания осадков сточных вод и грунта с использованием основных вяжущих материалов. Результаты сравнительного анализа по составу и физико-механических свойств приведены в таблицах 5.1 и 5.2.