Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Анализ состояния дорожной сети и сырьевой базы Архангельской области 11
1.2. Оценка Архангельской алмазоносной провинции как минерально-сырьевой базы для производства грунтобетонов 14
1.3. Опыт использования грунтобетонов в дорожном строительстве. 17
1.4. Свойства грунтобетонов в зависимости от состава глинистых пород 26
1.4.1. Влияние микроструктуры на физико-механические свойства глинистых пород 26
1.4.2. Зависимость свойств грунтобетонов от состава и свойств глинистых пород 30
1.4.3. Особенности взаимодействия цемента с глинистыми минералами 38
1.5. Выводы 42
2. Методы исследований и применяемые материалы... 44
2.1. Методы исследований 44
2.1.1. Оценка физико-механических и физико-химических свойств вскрышных пород ААП и грунтобетонов на их основе 44
2.1.2. Анализ состава и структурных особенностей сырьевых и дорожно-строительных материалов 47
2.1.2.1. Рентгенофазовый анализ 47
2.1.2.2. Дифференциальный термический анализ 48
2.1.2.3. Растровый электронно-микроскопический анализ 49
2.2. Методика получения образцов грунтобетона 50
2.3. Характеристика применяемых материалов 51
2.3.1. Геологическое строение ААП 51
2.3.2. Свойства цемента 56
2.4. Выводы 57
3. Литолого-минералогическое обоснование использования вскрышных пород аап для получения грунтобетонов 58
3.1. Физико-механические и физико-химические свойства вскрышных пород ААП 58
3.2. Фазовый состав техногенного сырья 70
3.3. Структурные особенности глинистого сырья 76
3.4. Рациональные области использования отходов ААП 82
3.5. Выводы 85
4. Составы и свойства грунтобетонов в зависимости от вида вскрышных пород ААП 87
4.1. Расчетно-экспериментальная методика определения количества ; цемента для достижения оптимальных условий твердения грунтобетона 88
4.2. Особенности состава и свойств грунтобетонов на основе различных типов глинистого сырья 100
4.3. Микроструктурные характеристики грунтобетонов на основе глинистых грунтов ААП 111
4.3.1. Структурообразование в системе «глинистый грунт - известь» 111
4.3.2. Структурообразование грунтобетонов при стабилизации цементом 118
4.4. Эмпирическая модель оценки физико-механических характеристик грунтобетонов 128
4.4.1. Математическая модель оценки прочности грунтобетона.. 128
4.4.2. Экспресс методика определения требуемого количества цемента для получения заданного класса прочности грунтобетона 132
4.5. Выводы 137
5. Расчет конструкции дорожных одежд с использованием вскрышных пород ААП 140
5.1. Исходные данные для расчета 140
5.2. Расчетные нагрузки 141
5.3. Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу 143
5.4. Расчет дорожной одежды по сопротивлению сдвигу 145
5.5. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе 148
5.6. Обеспечение морозоустойчивости дорожных одежд и земляного полотна 150
5.7 Расчет необходимой толщины дренирующего слоя 152
6. Технология строительства автомобильных дорог с использованием разработанных составов грунтобетонов
6.1. Технология производства дорожно-строительных смесей 155
6.2. Технология устройства оснований дорожной одежды... 161
6.3. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения грунтосмесительной установки для получения грунтобетонов 170
6.4. Выводы 180
Общие выводы 182
Список использованной литературы 185
Приложения 198
- Оценка Архангельской алмазоносной провинции как минерально-сырьевой базы для производства грунтобетонов
- Оценка физико-механических и физико-химических свойств вскрышных пород ААП и грунтобетонов на их основе
- Физико-механические и физико-химические свойства вскрышных пород ААП
- Расчетно-экспериментальная методика определения количества ; цемента для достижения оптимальных условий твердения грунтобетона
Введение к работе
В настоящее время во многих регионах России наблюдается дефицит высококачественного сырья для строительства автомобильных дорог. В связи с этим расширение масштабов использования отходов горно-добывающих предприятий является магистральным направлением дорожно-строительного комплекса. Применение техногенного сырья обеспечивает значительный экономический эффект и способствует защите окружающей среды.
Данный вопрос актуален и для Архангельской области, где расположена Архангельская алмазоносная провинция (ААП). Одним из мощных производителей отходов является Ломоносовский горно-обогатительный комбинат, ежегодный объем перерабатываемой руды которого в ближайшем будущем должен достичь 5,6 млн.т. в год. Однако, регион до сих пор относится к слабо освоенным территориям и характеризуется сложными природно-климатическими, горно-геологическими и горно-техническими условиями, что предопределило слабое развитие дорожной сети.
Экономико-географическое положение региона и низкая концентрация предприятий по производству строительных материалов вызывают необходимость разработки технологий получения материалов для дорожного строительства с минимальным расходом вяжущих и на основе местного природного или техногенного сырья.
Переход на использование в конструктивных слоях дорожных одежд материалов на основе техногенного сырья ААП позволит расширить сырьевую базу дорожно-строительных материалов, повысить экономическую эффективность дорожного хозяйства и снизить экологический прессинг в районах разработки месторождений алмазов.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимого по заданию Министерства образования РФ и финансируемого из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.
6 Цель и задачи работы.
Разработка эффективных грунтобетонов на основе вскрышных пород ААП для строительства автомобильных дорог.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение состава, свойств и микроструктурных особенностей вскрышных пород как сырья для производства грунтобетонов;
разработка методики расчета составов и технологии грунтобетонов на основе вскрышных пород ААП для строительства конструктивных слоев дорожных одежд во II дорожно-климатической зоне;
подготовка технической документации для реализации теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
Разработаны теоретические принципы проектирования грунтобетонов исходя из принципа Парето, взаимного влияния основных характеристик грунтов и анализа системы «состав - свойства грунтов», с учетом интегральной характеристики глинистых пород, являющейся производной минерало-гического состава - емкости поглощения грунтом ионов Са . Предложена расчетно-экспериментальная методика определения минимального количества цемента, необходимого для достижения оптимальных условий формирования монолитного каркаса грунтобетона. Оптимальные условия твердения цементного камня в грунтобетоне могут быть достигнуты при решении двух основных задач: полного насыщения глинистой составляющей грунта катионами кальция; создания благоприятных условий формирования кристаллогидратов силикатов и алюминатов кальция посредством выделения портландита в поровый раствор грунтобетона до определенной концентрации и, следовательно, повышения рН среды.
Предложен механизм формирования структуры грунтобетонов на основе системы «глинистые породы незавершенной стадии минералообразования -цемент», заключающийся в стадийности взаимодействия породообразующих фаз глинистого грунта с Са(ОН)2 как с веществом, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов и обеспечивающим протекание реакций пуц-цоланового типа. Исходя из кристаллохимических особенностей глинистые минералы можно проранжировать по снижению реакционной способности к
7 Са(ОН)2 в следующей последовательности: рентгеноаморфное вещество -> Са-монтмориллонит —» смешанослойные образования -» Na-монтмориллонит -> хлорит -> гидрослюда -> иллит -> каолинит. Это позволяет прогнозировать эффективность применения цемента и интенсивность протекания физико-химических процессов в зависимости от минералогического состава глинистых пород. Кварцевые частицы и каркасные силикаты в системе данного вида выступают в качестве наполнителя.
Выявлен характер влияния полиминеральности и полигенетичности состава техногенных глинистых и песчаных грунтов на структурообразование матрицы при синтезе грунтобетонов. Предложено выделять следующие виды контактов, отличающихся по своим прочностным характеристикам: кристаллы новообразований (продукты гидратации цемента) —> контакты между отдельными новообразованными кристаллами -> продукты взаимодействия глинистой составляющей грунта с известьсодержащим компонентом -> зоны контакта между агрегатами новообразований -» контактные зоны кластоген-ных фаз и новообразованной матрицы -» контактные зоны окатанных корродированных зерен с новообразованной матрицей —> реликтовые агрегаты грунта -> новообразования начальной стадии формирования - рентгено-аморфные фазы —> контакты между агрегатами рентгеноаморфных фаз -» коагуляционные контакты в реликтовых агрегатах глинистой составляющей грунта -> контакты между реликтовыми кластогенными фазами в агрегатах, обусловленные электростатическим зарядом поверхности. Таким образом, наибольшей прочностью обладают контакты между новообразованными кристаллами, наименьшей - контакты между реликтовыми кластогенными фазами.
Практическое значение работы.
Разработаны рекомендации по использованию в качестве сырьевых компонентов вскрышных пород ААП (песчано-глинистых отложений четвертичного возраста и песчаников урзугской свиты) при производстве грунтобетонов для дорожного строительства.
Предложены составы грунтобетонов на основе глинистого сырья ААП для использования при устройстве конструктивных слоев дорожных одежд.
Разработаны номограммы по определению требуемого количества цемента для получения заданного класса прочности грунтобетонов на основе исследуемых пород исходя из условий прочности и морозостойкости.
Предложена технология производства грунтобетонов I, II, III класса прочности на основе как песчано-глинистых отложений четвертичного возраста, так и песчаников урзугской свиты с использованием цемента, пригодных для строительства покрытий и оснований автомобильных дорог во II до-рожно-климатической зоне.
Внедрение результатов исследований.
Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:
рекомендации по использованию песчано-глинистых отложений четвертичного возраста Архангельской алмазоносной провинции для строительства укрепленных оснований, покрытий со слоем износа и обочин автомобильных дорог;
рекомендации по использованию песчаников урзугской свиты Архангельской алмазоносной провинции для строительства укрепленных оснований, покрытий со слоем износа и обочин автомобильных дорог;
технологический регламент на «Производство грунтобетонов с использованием вскрышных пород ААП и цемента для строительства укрепленных оснований, покрытий со слоем износа и обочин автомобильных дорог».
На защиту выносятся:
теоретические принципы проектирования грунтобетонов;
характер влияния полиминеральности и полигенетичности состава техногенных и природных глинистых и песчаных грунтов на структурообразо-вание матрицы при синтезе грунтобетонов;
механизм формирования структуры грунтобетонов на основе системы «глинистые породы незавершенной стадии минералообразования - цемент»;
номограммы по определению требуемого количества цемента для получения заданного класса прочности грунтобетонов на основе исследуемых пород исходя из условий прочности и морозостойкости;
9 - технология производства грунтобетонов на основе вскрышных пород ААП для строительства автомобильных дорог.
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 14 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 229 страницах машинописного текста, включающего 37 таблиц, 67 рисунков и фотографий, списка литературы из 148 наименований, 7 приложений.
Оценка Архангельской алмазоносной провинции как минерально-сырьевой базы для производства грунтобетонов
Только 29,86% автомобильных дорог имеют асфальтобетонное покрытие, 53,71%) - гравийные, а 16,43% - грунтовые. Четыре районных центра (Мезень, Лешуконское, Карпогоры и Яренск) не имеют круглогодичного автомобильного сообщения с Архангельском [3]. Плотность автомобильных дорог в Архангельской области составляет 19,1 км на 1000 км территории, что более чем в два раза ниже чем в целом по Российской Федерации. Максимальные объемы дорожных работ за период с 1998 по 2006 года были проведены в 2000 году (табл. 1.2.)
Согласно официальным статистическим данным управления "Архан-гельскавтодор", в 2005 году почти девяносто два процента дорог Архангельской области не соответствовали транспортно-эксплуатационному состоянию и лишь 8,1% признаны соответствующими стандартам, а к концу первого полугодия 2006 года в удовлетворительном состоянии находились лишь 6%. С учетом того, что за последние пять лет значительно возросла интенсивность движения, увеличилось количество автотранспорта, областные дороги перестали отвечать современным требованиям безопасности движения [4]. Главная причина такого бедственного положения - катастрофическая тенденция к ежегодному уменьшению финансирования ремонта территориальных дорог. Так, например, если в 2001 году на эти цели было выделено 294,4 миллионов рублей, в 2003 - 173,9, то по плану 2005 года в областном бюджете предусмотрено всего 37,8 миллионов рублей. На эти деньги можно капитально отремонтировать не более двух с половиной километров дорог. Приведенные выше цифры напрямую обуславливают и изменение состояния автодорог Архангельской области: если в 2001 году неудовлетворительными были признаны 85,08%, то в 2005 году этот показатель возрос до 93,56% [5].
Проблема отсутствия развитой дорожной сети усугубляется географическими и климатическими условиями. Близость морей и океанов заметно сказывается на климате области, который является переходным между морским и континентальным. Влияние Северного Ледовитого океана и Баренцева моря объясняет подъемы температуры зимой, в то время как весной и летом холодный арктический воздух производит обратный эффект. Зима обычно длинная (до 250 дней) и холодная, с низкой температурой в среднем до -26 С0 и сильными ветрами. Средняя температура летом около 15 С0.
Архангельская область является крупнейшим лесопромышленным и ле-соэкспортным центром России. Леса занимают территорию около 230 тысяч км2, эксплуатационный запас которых оценивается в 1 млрд. 580 млн. м3. Около 65 % продукции идет на экспорт [6]. Большая часть продукции экспортируется с использованием автотранспорта. На территории области расположена уникальная по запасам и залеганию Архангельская алмазоносная провинция, проблема разработки которой непосредственно связана с необходимостью развития дорожной сети.
Для строительства автомобильных дорог в регионе обычно применяются следующие материалы: битум; битумная эмульсия; щебень гранитный; щебень гравийный; грунт; песок строительный; песчано-гравийная смесь; железобетонные сборные изделия для круглых труб; железобетонные сборные изделия для мостов и путепроводов; металлические гофрированные трубы; асфальтобетон (традиционных марок, пористый, щебнемастичный, литые смеси); геосинтетика. 70% используемых материалов для строительства являются местными (областными). К привозным относятся в основном битум, отсев высокой прочности, щебень высокой прочности, гофрированные трубы, геосинтетические материалы.
При строительстве автомобильных дорог в основном применяются традиционные технологии, также в последние годы получили широкое распространение технологии холодного ресайклинга, технология устройства покрытия из щебнемастичных и литых асфальтобетонных смесей, применение геосинтетических материалов, гофрированных труб, апробируется технология применения асфальтобетона на основе вяжущего БИТРЭК.
Основания дорожных одежд обычно устраивают из щебня, щебне-гравийных или песчано-гравийных смесей. Щебень для строительства поставляется из следующих карьеров, расположенных на территории Архангельской области: карьер Покровский, карьер Белогорский, карьер Няндомский, карьер Левашка. Также поставка щебня осуществляется из карьеров Карелнероуд и Пиктеранта, находящихся вне территории Архангельской области. Из отходов производства в дорожном строительстве применяются золы уноса.
Единственное предприятие по производству цемента на территории Архангельской области - «Савинский цементный завод». Мощность завода составляет 1,4 миллиона тонн цемента в год. Он был построен с целью снабжения цементом Северо-западного региона страны. Завод является современным предприятием, отвечающим всем требованиям по технико-экономическим показателям мокрого способа производства, работающим на угольном топливе. Савинский цемент поступает потребителям Северного экономического района, часть его отгружается в Центральный регион [7].
Состояние дорожной сети Архангельской области является неудовлетворительным. На данном сложном этапе развития этого региона России дорожная отрасль должна ориентироваться на современные маломатериалоем-кие и неэнергоемкие технологии. Анализ сырьевой базы Архангельской области показывает, что существуют определенные трудности в обеспеченности материалами для строительства конструктивных слоев дорожных одежд. Несмотря на наличие 4-х месторождений скальных пород, в силу их небольших запасов, сырья низкого качества, а также в связи с большой площадью Архангельской области не представляется возможным удовлетворить потребности дорожных организаций в щебне. Необходимая в этих условиях перевозка щебня из других регионов приводит к увеличению его отпускной цены, следствием чего является удорожание строительства. Поэтому, с целью снижения стоимости дорожного строительства и затрат ресурсов, является перспективным применение в конструктивных слоях дорожных одежд местного глинистого сырья укрепленного цементом, производство которого осуществляется на территории Архангельской области, в качестве альтернативы традиционным материалам. Использование вскрышных пород ААП в качестве основного местного материала для строительства дорожных оснований даст возможность экономить на перевозках и применении дорогостоящих каменных и песчаных материалов, что позволит снизить затраты.
Оценка физико-механических и физико-химических свойств вскрышных пород ААП и грунтобетонов на их основе
Дифференциально-термический анализ основан на фиксации и изучении фазовых превращений, которые происходят в веществах при их нагревании до температуры 1200-1500С. Эти изменения сопровождаются выделением или поглощением тепла, то есть происходят эндо- или экзотермические реакции. Первые связаны с отдачей гигроскопической (до 150-200С) и конституционной (450-600С) воды, разложением карбонатов и выделением С02 (500-920С). Экзотермические превращения происходят благодаря сгоранию органики, окислению двухвалентного железа и других элементов, синтезу силикатов и так далее.
Фазовые превращения, происходящие при нагревании веществ, фиксируются с помощью термопары и зеркальных гальванометров на фотобумаге, обернутой вокруг вращающегося с определенной скоростью барабана. Применяемая в настоящее время аппаратура - дериватограф, обычно записывает три кривые - температурную, дифференциальную и кривую потери массы. Каждое вещество характеризуется своей кривой. С помощью атласа кривых определяется минеральный состав исследуемых горных пород и строительных материалов.
Дериватограммы образцов были получены на дериватографе Q-1500-D. Программный нагрев печей осуществлялся электронным термонагревателем от 20 до 1000С со скоростью 10С/мин. Температура (Т) измерялась платиновой термопарой с точностью ±5С. Регистрация сигнала осуществлялась на бумаге четырехканальным самописцем со скоростью развертки 2,5 мм/мин. Разность температур (AT) между изучаемым веществом и эталоном, пропорциональная тепловому эффекту, записывалась в виде кривой ДТА (чувствительность 500 мкВ). Одновременно с ДТА кривой шла запись кривой потери веса (ТГ) и ее производной (ДТГ) (чувствительность 500 мкВ). Вес проб -400 мг. Точность взвешивания составляла ±0,05 мг.
Микроструктурные исследования образцов проводились с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий растровый электронный микроскоп (РЭМ) «Хитачи-8-800», совмещенный с персональным компьютером [131, 132].
Одним из важнейших моментов при исследовании микроструктуры с помощью РЭМ является подготовка образцов. В связи с тем, что камера РЭМ находится в глубоком вакууме, образцы перед изучением их микроструктуры должны быть полностью обезвожены. Затем замороженные образцы переносят в вакуумную камеру сублимационной установки, где они высушиваются при нужных отрицательных температурах за счет сублимации замерзшей влаги в вакууме. Для получения качественного изображения в РЭМ применялась методика термического напыления образцов в вакууме пленкой золота толщиной 10-20 нм. При проведении качественного анализа микроструктуры образцов искусственных композитов были выполнены следующие основные требования: 1) при подготовке образцов для анализа реальная микроструктура не была искажена, т.е. получена ненарушенная поверхность, в максимальной степени отражающая реальную микроструктуру образца; 2) выбранный режим работы РЭМ обеспечивал получение изображений, с одной стороны, в максимальной степени отражающих истинную микроструктуру образца, а с другой - отвечающих формальным требованиям анализа, то есть получению бинарного (черно-белого) изображения; 3) перед распространением результатов, полученных по одному «точечному» определению на весь образец, была установлена однородность микроструктуры. С помощью анализа РЭМ-изображений стало возможным по образцам малого размера быстро и надежно оценивать показатели микроструктуры и устанавливать тип микроструктуры искусственного композита. Это позволяет решить задачу создания адекватной модели, позволяющей, на основании данных анализа РЭМ-изображений поверхности образца, оценить эксплуатационные свойства материалов и дать прогноз их изменения под влиянием различных природных и техногенных воздействий в период эксплуатации. Приготовление смесей, изготовление и хранение образцов грунтобетона производились по стандартной методике в соответствии с СН 25-74 [53]. Грунты высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали и просеивали через сито с отверстиями 5 мм. В воздушно-сухой грунт вносили вяжущее, смесь перемешивали и доувлажняли (с учетом содержащейся в грунте влаги) до оптимальной влажности. Смесь тщательно перемешивали в течение 4-6 минут. Оптимальную дозировку основных вяжущих определяли путем подбора, для чего готовили 5 пробных смесей, отличающихся по содержанию вяжущего на 4 %. Из этих смесей изготовляли образцы-цилиндры уплотнением в стальных полых цилиндрических формах с двумя вкладышами по 4 образца каждого вида. Внутреннюю поверхность формы и вкладыш перед укладыванием смеси смазывали машинным маслом. В форму вставляли нижний вкладыш так, чтобы он из формы выступал на 1,5-2 см для обеспечений двустороннего уплотнения смеси. Смесь равномерно распределяли в форме штыкованием шпателем, вставляли верхний вкладыш и, прижимая им смесь, устанавливали форму со смесью на нижнюю плиту пресса для уплотнения. Верхнюю плиту пресса доводили до соприкосновения с верхним вкладышем и включали электродвигатель пресса. Уплотнение образцов производили под нагрузкой 15 МПа. Время выдерживания смеси под нагрузкой 3,0±0,1 мин, после чего образец извлекали из формы и измеряли штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм. Если высота образца не соответствовала требуемой, то требуемую массу смеси для формования образца g, г, рассчитывали по формуле:
Физико-механические и физико-химические свойства вскрышных пород ААП
Автомобильная промышленность принадлежит к числу самых быстро-развивающихся отраслей. При этом в условиях рыночной экономики при строительстве и ремонте автомобильных дорог прослеживается тенденция к применению конструкций и технологий, требующих для их реализации меньших затрат энергии и ресурсов по сравнению с традиционными.
Одной из наиболее эффективных возможностей снижения стоимости строительства и затрат ресурсов является использование в конструктивных слоях дорожных одежд укрепленных грунтов и других местных материалов.
Для успешного решения вопросов укрепления глинистых пород к ним необходимо подходить с позиций изучения породы как определенного природного образования, свойствами которого можно сознательно управлять исходя из современных представлений о составе, структуре и текстуре горных пород различного петрографического состава и генезиса.
Поэтому первым этапом в обосновании эффективности применения грунтов в дорожном строительстве является изучение их составов и свойств с целью последующего выбора вяжущего и применяемой технологии приготовления смеси и устройства конструктивного слоя дорожной одежды.
Для изучения возможности разработки составов грунтобетонов на основе попутно-добываемых пород месторождений Архангельской алмазоносной провинции (ААП), по предварительной оценке минералого-петрографического состава, специфике залегания и распространения (см. гл. 2, п. 2.1.) были отобраны 2 вида вскрышных пород (техногенных грунтов).
Проба № 1 (песчано-глинистые отложения четвертичного возраста) представляет собой полиминеральную композицию серого цвета, обладающую большим количеством прочных макроагрегатов с конденсационной структурой. В общей массе грунта прослеживается преобладание тонкой фракции, характеризующейся большим содержанием глинистых, пылеватых, а также тонких песчаных частиц. Галечные, а также крупные и мелкие песчаные частицы присутствуют в небольшом количестве, имеют окатанную изометрическую, в меньшей степени лещадную форму (галечники) от темно-серого, буровато-красного до светло-серого, желтоватого и практически белого цветов.
Проба № 2 (песчаники урзугской свиты) имеет желтый цвет различных оттенков с неравномерными вкраплениями гидроокислов железа. Характеризуется большим содержанием псаммитовой фракции, в которой, в основном, присутствует кварц. Состоит из макро- и микроагегатов менее прочных по сравнению с пробой №1, что связано, в первую очередь, с гораздо меньшим содержанием глинистой составляющей, цементирующей грунт.
Исследование гранулометрического состава обоих проб (табл. З.1., 3.2., 3.3, рис. З.1., 3.2., 3.3., 3.4.), песчаная фракция которых определена ситовым анализом, а тонкая фракция - седиментационным методом, позволяет сделать вывод, что обе пробы представляют собой полидисперсные системы, характеризующиеся высокой степенью неоднородности распределения частиц по размерам. В пробе № 1 преобладают пелитовые и алевритовые частицы, проба № 2 представлена, в большей степени, псаммитовой фракцией.
Анализ характера развития кривых распределения частиц по размерам исследуемых грунтов, по результатам исследований на микросайзере (рис. 3.5.), показал, что более мелкодисперсной является проба № 1, где более 70% частиц распределено в интервале от 1 до 100 мкм. Кривая распределения частиц у суглинка плавная с тремя небольшими пиками.
Распределение частиц у пробы № 2, напротив, имеет более скачкообразный характер с одним явным пиком в области мелких песчаных частиц и несколькими второстепенными в районе пылеватых. Данное различие в распределении частиц по фракциям в двух видах техногенных грунтов связано с различием минералогического состава исследуемых проб. Так, в пробе № 1, по сравнению с пробой № 2, увеличено содержание глинистой составляющей, для которой характерно как наличие отдельных частиц глинистых минералов, так и агрегатов, которые, в свою очередь, могут иметь различную дисперсность, без преобладания каких-либо конкретных фракций (рис. 3.5.).
Ярко выраженные пики на диаграмме распределения по размерам частиц пробы №2 обусловлены преобладанием кварцевых зерен. Причем пики в области от 10 до 30 мкм свидетельствуют о наличии тонкодисперсного кварца. Фракция 1-10 мкм представлена, в основном, мелкими пылеватыми частицами и агрегатами глинистой составляющей.
Более равномерное распределение частиц у пробы №1 может оказать положительное влияние на формирование микроструктуры грунтобетона, вследствие более плотной упаковки частиц, и, следовательно, получение более плотного и прочного материала.
Повышенная гигроскопическая влажность пробы №1, по сравнению с пробой №2 (табл. 3.4.), обусловлена большим содержанием глинистых частиц, удерживающих на своей поверхности молекулы воды.
Расчетно-экспериментальная методика определения количества ; цемента для достижения оптимальных условий твердения грунтобетона
Установлено, что при использовании грунтов с одинаковым гранулометрическим составом и числом пластичности, т.е. принадлежащих по дорожной классификации к одному и тому же типу, образцы глинистого сырья имеют различные эксплутационные характеристики и оказывают различное влияние на процессы, протекающие при их использовании в качестве сырья для получения дорожно-строительных материалов. Таким образом, эти показатели сырья при разработке составов грунтобетонов будут являться необходимыми, но не достаточными, и важное значение в процессе формирования структуры будет иметь минералогический состав сырьевых материалов.
Возможность применения отходов Архангельской алмазоносной провинции в различных областях строительства, используя выше описанные разработки, позволяет наметить пути их масштабной утилизации, что приведет к освобождению занятых земель, снижению экологического прессинга, позволит значительно расширить сырьевую базу промышленности строительных материалов, увеличить дорожно-транспортную сеть, а также, повысить экономическую эффективность в регионе.
Главной проблемой укрепления грунтов является разработка научно обоснованных методов прогноза и управления состоянием и свойствами пород в результате их искусственного преобразования.
Анализ свойств вскрышных пород ААП - песчано-глинистых отложений четвертичного возраста и песчаников урзугской свиты - позволил определить предпосылки для их эффективного использования. Наиболее крупнотоннажным потребителем грунтов является дорожное строительство. В то же время возможность применения материалов в различных конструктивных слоях дорожных одежд определяется соответствующими нормативными требованиями, а также дорожно-климатической зоной. В своем естественном виде данные породы не удовлетворяют традиционным требованиям на сырье и являются мало пригодными для производства строительных материалов. Расширение путей использования исследуемых пород возможно только при коренном изменении их физических, химических, физико-химических и физико-механических свойств с приданием им соответствующих эксплуатационных показателей.
Изучение состава и свойств глинистого сырья ААП свидетельствует о необходимости их стабилизации посредством внесенения в них добавок вяжущих веществ с целью уменьшения активности глинистой составляющей вскрышных пород и создания кристаллизационной структуры в материале, что, в свою очередь, позволит повысить прочностные характеристики грунтов, их водо- и морозостойкость.
В настоящее время разработано и широко применяется на практике большое количество разнообразных и эффективных методов укрепления грунтов. Проанализировав существующие методы укрепления, сырьевой потенциал региона и свойства вскрышных пород ААП, предлагается применение метода укрепления неорганическим вяжущим, в качестве которого выступает портландцемент марки ЦЕМI 32,5Н.
Основная проблема получения грунтобетонов с заранее заданными характеристиками заключается в отсутствии методики расчета состава. Обычно для разработки грунтобетона проводят комплекс экспериментальных исследований с целью выявления оптимальных составов, т.е. составов, при которых строительный композит имел бы показатели, удовлетворяющие исходным требованиям при минимальных затратах. Данный подход к проблеме является эффективным, однако требует больших затрат времени и человеческих ресурсов.
Прогнозирование свойств строительного материала основываясь на свойствах его компонентов, является задачей, решение которой позволит сократить человеческие и временные затраты до минимума и добиться максимального эффекта в кратчайшие сроки. Т.е. задачей является разработка математической модели, адекватно описывающей зависимость физико-механических характеристик конечного продукта от свойств исходных материалов (грунта и вяжущего).
При этом требуется провести экспериментальные исследования влияния на конечные свойства строительного материала изменений различных свойств его компонентов, результаты которых позволят прийти к пониманию процессов, происходящих при формировании его структуры, что в будущем даст возможность быстро и эффективно разрабатывать материалы с требуемыми характеристиками.
Глинистые грунты - материалы сложной структуры, являющиеся полидисперсными полиминеральными многокомпонентными и полигенетическими (что характерно для техногенных грунтов) системами. Поэтому знание их состава и свойств является решающим при разработке новых укрепленных материалов - грунтобетонов для дорожного строительства, а также выборе вяжущих.
