Введение к работе
Актуальность исследования. Автомобильный транспорт является важной составляющей технологии лесозаготовительного производства. Более 80 % объема вывозимых лесоматериалов приходится на долю перевозки древесины автопоездами. Слабое развитие сети лесовозных автомобильных дорог отрицательно влияет на развитие лесной индустрии. Для достижения устойчивого экономического развития народного хозяйства РФ, в том числе лесозаготовительной отрасли, необходим переход на инновационный путь развития. Согласно постановлению Правительства РФ от 30 июня 2007 г. № 419 дорожное строительство на лесных территориях включено в перечень приоритетных инвестиционных проектов на период до 2015 года. Внедрение ресурсосберегающих технологий в дорожное строительство – один из определяющих факторов экономического роста страны.
Природно-климатические и другие особенности лесной зоны (преобладание глинистых, кислых, переувлажненных грунтов, отдаленность районов освоения лесных территорий от дорог общего пользования с твердыми покрытиями и др.) требуют особого подхода при разработке ресурсосберегающих технологий для строительства лесовозных автомобильных дорог круглогодичного действия. Особенно актуальной является проблема использования в дорожном строительстве глинистых грунтов в качестве местных дорожно-строительных материалов. Для получения достаточно высоких физико-механических свойств материала из таких грунтов всегда требуется повышенный расход минерального вяжущего. Высокая стоимость вяжущего (портландцемента) сдерживает область применения глинистых грунтов. Поэтому постоянно ведется поиск эффективных стабилизаторов, позволяющих снизить расход портландцемента и обеспечивающих достаточно высокие физико-механические показатели укрепленного материала. Наибольший эффект от применения стабилизаторов глинистых грунтов следует ожидать при строительстве лесовозных автомобильных дорог в районах с дефицитом природных каменных материалов.
В целях реализации стратегии развития лесопромышленного комплекса для совершенствования ресурсосберегающих и экономичных технологий строительства лесовозных автомобильных дорог актуальной задачей является повышение качества цементогрунтовых слоев из укрепленных глинистых грунтов портландцементом со стабилизирующей добавкой.
Степень разработанности проблемы. Вопросами использования укрепленных грунтов на лесовозных автомобильных дорогах занимались такие ученые, как В. М. Безрук, П. А. Ребиндер, В. Ф. Бабков, Э. О. Салминен, Б. И. Кувалдин, В. Д. Казарновский, И. А. Золотарь, Б. А. Ильин, В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев, С. И. Булдаков, В. В. Свиридов, В. П. Подольский, А. И. Урюпин, Н. Г. Корчунов, И. И. Леонович, Н. С. Колбас, В. М. Крылов и др.
Многочисленные исследования и практика строительства автомобильных дорог показали, что наиболее перспективным является применение стабилизирующих добавок совместно с минеральными вяжущими. Однако использование стабилизаторов зарубежного производства требует, как правило, специальных исследований с учетом влияния климатических и гидрологических условий, что ведет к удорожанию строительства, а известные отечественные добавки не всегда позволяют достичь желаемого эффекта улучшения физико-механических свойств укрепленных грунтов. Кроме того, вопросы структурообразования и улучшения свойств цементогрунтов со стабилизирующими добавками не имеют достаточного теоретического обоснования и экспериментального подтверждения. Таким образом, требуются дальнейшие исследования этой проблемы.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение качества цементогрунтовых слоев конструкций лесовозных автомобильных дорог путем применения стабилизирующей добавки полиэлектролита совместно с портландцементом при укреплении глинистых грунтов лесной зоны.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:
1. Теоретически исследовать процессы структурообразования глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита.
2. Провести экспериментальные исследования и получить аналитические и графические зависимости физико-механических свойств укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита глинистых грунтов лесной зоны различного гранулометрического состава, исходной влажности и кислотности.
3. Разработать методику проектирования цементогрунтовой смеси с добавкой полиэлектролита для устройства конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог.
4. Установить оптимальные технологические режимы и разработать техническую документацию по организации строительных работ лесовозных автомобильных дорог из глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются цементогрунтовые слои конструкций лесовозных автомобильных дорог. Предмет исследования – физико-механические и эксплуатационные свойства конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог из глинистых грунтов, укрепленных портландцементом со стабилизирующей добавкой полиэлектролита.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологическая база исследования – системный подход, метод анализа и расчета технико-экономической эффективности. В сочетании с теоретическим знанием для решения поставленных задач, использованы такие методы эмпиричес-кого исследования, как активный эксперимент и измерения. Обоснованность и достоверность исследований обеспечивается сопоставлением результатов лабораторных и производственных экспериментов, выполненных с применением современных приборов и оборудования при использовании математического аппарата планирования эксперимента.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Концепция механизма структурообразования глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ, и теоретическое обоснование оптимальных условий, способствующих возникновению кристаллизационных контактов срастания между кристаллами гидратных новообразований.
2. Аналитические и графические зависимости физико-механических свойств укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ глинистых грунтов лесной зоны различного гранулометрического состава, исходной влажности и кислотности.
3. Методика проектирования цементогрунтовой смеси с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ для устройства конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог.
4. Технологические режимы и регламент на выполнение работ по строительству лесовозных автомобильных дорог из глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ.
Научная новизна результатов исследования:
1. Создана концепция механизма структурообразования глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ, отличающаяся учетом термодинамических условий возникновения зародышей-контактов.
2. Получены аналитические и графические зависимости физико-механичес-ких свойств глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ, отличающиеся учетом различного гранулометрического состава, исходной влажности и кислотности грунтов лесной зоны.
3. Разработана методика проектирования цементогрунтовой смеси для устройства конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, отличающаяся использованием расчетной номограммы для определения оптимальных дозировок полиэлектролита полиДМДААХ в зависимости от содержания глинистых частиц в грунте.
4. Установлены оптимальные технологические режимы процессов укрепления глинистых грунтов лесной зоны портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ, отличающиеся учетом влияния исходной влажности, длительности технологического разрыва, очередности введения вяжущих материалов и степени уплотнения на прочностные характеристики цементогрунтов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость заключается в создании концепции механизма структурообразования глинистых грунтов, укрепленных портландцементом с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ, обосновывающей эффект повышения качества слоев укрепленных грунтов для условий лесной зоны; а также в получении аналитических и графических зависимостей, позволяющих устанавливать воздействие компонентов цементогрунтовой смеси с добавкой полиэлектролита полиДМДААХ с целью обеспечения заданных физико-механических свойств цементогрунтов различного гранулометрического состава, исходной влажности и кислотности.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики проектирования цементогрунтовой смеси для устройства конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, позволяющей по расчетной номограмме определять необходимое количество полиэлектролита полиДМДААХ в зависимости от содержания глинистых частиц в грунте; а также в установлении оптимальных технологических режимов и разработке регламента на выполнение работ по строительству оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог из глинистых грунтов, укрепленных портландцементом со стабилизирующей добавкой.
Предложенное техническое решение повышения качества цементогрунтовых слоев конструкций лесовозных автомобильных дорог защищено двумя патентами РФ: на изобретение № 2400593 «Грунтовая смесь», на полезную модель № 84858 «Дорожная одежда».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют п. 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» паспорта специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на заседаниях кафедры «Транспорта и дорожного строительства» (УГЛТУ, 2008 –2011 гг.); международных научно-практических (Екатеринбург, УГСХА– 2008 г., УГЛТУ – 2011 г.); всероссийских (Екатеринбург, УГЛТУ – 2010, 2011 гг.); региональных и городских научно-технических конференциях (Екатеринбург, УрГУПС – 2010 г.).
Предложенная новая технология повышения качества цементогрунтовых слоев конструкций лесовозных автомобильных дорог прошла производственные испытания в Уральском учебно-опытном лесхозе УГЛТУ, ГУСО «Верх-Исетское лесничество», ГУСО «Алапаевское лесничество», ООО «Строительная компания «Дельта» (г. Екатеринбург) и ООО «Ремдорстрой» (г. Советский, Тюменская область). Основные научные разработки внедрены в производство в ГУСО «Сотринское лесничество»; теоретические основы данной технологии используются в учебном процессе ГОУ ВПО УГЛТУ при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 работы – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 3 публикации без соавторов, 2 патента РФ: на изобретение № 2400593 «Грунтовая смесь»; на полезную модель № 84858 «Дорожная одежда».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Общий объем работы изложен на 204 страницах машинописного текста и содержит 75 рисунков, 35 таблиц, 14 приложений на 43 страницах, библиографический список включает 159 наименований.
