Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Известь и её использование при укреплении грунтов 13
1.2 Современные представления о характеристиках компонентов грунта и взаимодействиях между ними в условиях укрепления известью 18
1.2.1 Свойства компонентов грунта 18
1.2.2 Свойства извести 19
1.2.3 Современное представление о свойствах воды 20
1.2.4 Механизм взаимодействия компонентов грунта между собой 21
1.3 Механизмы взаимодействия укреплённого грунта 26
1.3.1 Механизм взаимодействия негашёной извести и грунта 26
1.3.2 Роль гидрофобизатора при укреплении грунта гидрофобной известью 29
1.4 Современные представления о механизме образования гидрофобизированной извести 32
1.5 Рабочая гипотеза и задачи исследования 34
Глава II. Объекты и методики проведения исследований 36
2.1 Свойства исходных материалов 36
2.1.1 Свойства смолы - отхода электродного производства 36
2.1.2 Свойства исходной извести и грунта 37
2.2 Схема причинно-следственных связей проведения экспериментов 39
2.3 Структурно-логическая схема исследований 41
2.4 Математическое планирование эксперимента 44
2.5 Методика исследований и приборы 47
Глава III. Влияние электродной смолы на свойства извести и грунта 52
3.1 Технология получения гидрофобизированной извести 52
3.2 Свойства полученной извести 53
3.3 Влияние извести на физико-механические свойства грунта 56
3.3.1 Влияние извести на технологические свойства грунта 56
3.3.2 Влияние извести на прочностные свойства грунта 59
3.3.3 Морозостойкость укреплённых грунтов 63
3.3.4 Изменения во времени физико-механических свойств укреплённого грунта 67
3.4 Влияние гидрофобизированной извести на деформационные свойства грунта 69
Глава IV. Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью 75
4.1 Процессы, происходящие при помоле извести в присутствии электродной смолы 75
4.2 Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью 76
4.3 Промышленное производство гидрофобизированной извести 82
4.4 Технология производства работ 83
4.5 Контроль качества 87
Глава V. Технико-экономические показатели 90
5.1 Расчёт эффектов от применения грунта, укреплённого полученным вяжущим в конструкциях нежёстких дорожных одежд 90
5.2 Технико-экономическое обоснование использования укреплённого грунта в конструкции дорожной одежды автомобильных дорог 97
Общие выводы по работе 100
Литература 103
Приложения 113
- Механизм взаимодействия компонентов грунта между собой
- Влияние извести на прочностные свойства грунта
- Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью
- Расчёт эффектов от применения грунта, укреплённого полученным вяжущим в конструкциях нежёстких дорожных одежд
Введение к работе
Актуальность темы.
За последние годы в дорожной отрасли Российской федерации наблюдаются тенденции устойчивого роста сети дорог, при этом общее состояние дорог в целом находится на недопустимом уровне. Установлено, что три четверти дорог страны требуют срочного ремонта, свыше 70 % автодорог не приспособлены к движению современных большегрузных автомобилей. Из-за дефектов дорожной одежды и, как следствие, малой скорости автоперевозок объем упущенной выгоды оценивается в 10 млрд. долларов США ежегодно. Выявлено, что разрушения дорожных покрытий связаны с процессами, происходящими в грунтовом основании автомобильной дороги, сооруженном из местных грунтов.
В дорожной отрасли в последние годы наметилась следующая тенденция: наиболее энергоемкое производство сокращается, а затраты энергии повышаются. В условиях Сибирского региона, в частности Новосибирской области (НСО), проблема энергосбережения стоит особенно остро. Одним из способов решения названных проблем является переход на использование новых, менее энергоёмких материалов, в том числе и укреплённых грунтов.
Укреплением грунтов занимаются давно и в различных странах: Германия, США, Япония, Англия, Китай, Россия и страны бывшего СССР. Использование различных типов исходных компонентов и методов оценки полученных результатов создаёт затруднения, а в отдельных случаях делает невозможным сопоставление результатов, полученных разными исследователями. В связи с этим необходима разработка достаточно надёжного и обоснованного способа укрепления грунта известью, гидрофобизи-рованной отходами производства угольных электродов, применительно к
КЛИМаТИЧеСКИМ УСЛОВИЯМ НСО И Оценка РТУ! *іффрк-гиинпггг.и ^тіотггрппгцаа
1^5(9
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
і БИБЛИОТЕКА
I СПегср*]
» ОЭ МО
смола в сочетании с традиционной известью, по нашему предположению, способствуют образованию прочных и водостойких соединений.
Выполненная работа входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта в 2001-2002 г (Указание М 2775у от 17 ноября 2000 г.). Создание материалов для стабилизации и упрочнения местных грунтов для возможности их использования при сооружении земляного полотна и основания дорожной одежды отнесено к разряду приоритетных, согласно «Концепции Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025года», утверждённой в 2004 году.
Цель работы. Разработка составов из грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной эффективным поверхностно-активным веществом - отходом электродного производства.
Задачи- исследования. Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
-
Провести анализ составов и свойств материалов, применяемых для укрепления грунтов основания автомобильных дорог.
-
Разработать составы извести, гидрофобизированной электродной смолой и технологию их получения.
-
Оптимизировать составы грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой.
-
Определить свойства гидрофобизированного известкового вяжущего и укреплённого им грунта.
-
Оценить изменение прочностных и деформационных свойств, грунта укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой.
-
Оценить технико-экономическую эффективность работы.
Объекты исследования. Отход производства угольных электродов - электродная смола; известь, гидрофобизированная электродной смолой; суглинок, укреплённый гидрофобизированной известью.
Научная новизна.
-
Впервые показана возможность укрепления суглинков известью, гидрофобизированной смолистыми отходами электродного производства, содержащими углеводороды ароматического характера, а также гетероциклические (азот, серу и кислородсодержащие) соединения.
-
Установлено, что обработка извести поверхностно-активным веществом (ПАВ) - электродной смолой, способствует образованию на поверхности зёрен молотой негашёной извести перфорированной гидрофобной плёнки, регулирующей процессы воздушного и гидравлического твердения.
-
Получены данные об укреплении переувлажнённых суглинков гидрофобизированной известью с увеличением в 1,5-2 раза показателей прочности при сжатии и на растяжение в водонасыщенном состоянии, математические зависимости, позволяющие оценивать модуль деформации укреплённого грунта.
-
Определено, что гидрофобизирующая добавка электродной смолы в укреплённом грунте увеличивает временной интервал кристаллообразования, что способствует повышению прочностных и деформационных характеристик грунта.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны составы и технология гидрофобизации извести отхо-
дами производства угольных электродов (электродной смолы).
-
Разработаны составы грунтов основания дорог (заявка на патент РФ), укреплённых известью, гидрофобизированной электродной смолой, и технология их получения.
-
Предложен вариант утилизации отходов электродной промышленности (электродной смолы).
-
Разработан алгоритм по реализации оценки эффектов укрепления грунта с использованием метода конечных элементов. Защищаемые положения.
-
Технология и составы гидрофобизированной извести, полученной с использованием электродной смолы.
-
Экспериментальные данные по свойствам грунтов, укреплённых разработанным вяжущим, обладающим гидрофобно-пластифицирующими свойствами.
-
Методы оценки полученных эффектов с помощью программного комплекса на основе метода конечных элементов.
Достоверность основных результатов работы подтверждена использованием стандартных методов исследования, проведением экспериментальных измерений с контролируемой точностью, статистической обработкой результатов экспериментов, использованием современных компьютерных технологий, обеспечивающих заданный уровень надёжности результатов расчётов.
Апробация результатов работы осуществлена на совещаниях, научных и научно-практических конференциях территориального, регионального и федерального уровней: на Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» в г. Барнауле (2001г.); на экологическом семинаре «Со-
циально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона» в г. Новосибирске (2002 г.); на региональной научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития» в г. Новосибирске (2002 г.) и др.
Результаты исследований опубликованы в 5 статьях и использованы в дипломном проекте «Реконструкция автомобильной дороги на участке Северное-Биаза». По материалам исследований составлена заявка на патент РФ (имеется положительное решение о выдаче патента от 03.06.03), предусмотрено практическое внедрение в 2004г. на автомобильной дороге А-166 Чита-Забайкальск км 374+375 - км 401+402.
Методы исследований. В Сибирском государственном университете путей сообщения (СГУПС) в лаборатории кафедры «Строительные материалы» осуществлено изготовление, хранение гидрофобизированной извести и образцов из укреплённого грунта, проведены исследования физико-механических показателей. При консультационной поддержке кафедры «Строительная механика» разработан алгоритм по реализации оценки эффектов укрепления грунта с использованием метода конечных элементов.
В лаборатории ОАО «Новосибирского сельского строительного комбината» (НССК) определена удельная поверхность вяжущего. В сибирском научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИТиМС) произволен микроагрегатный анализ исходного грунта и проведены микроскопические исследования структуры вяжущего. В объединённом институте геологии, геофизики и минералогии (СО РАН ОИГГМ) осуществлён рентгеноструктурный микроанализ исходного грунта, вяжущего и укреплённого грунта. В институте химии твёрдого тела и механохимии (СО РАН ИХТТМ) при помощи ренттенофа-зового анализа исследован укреплённый грунт.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 23 рисунка, приложения занимают 23 страницы. В списке литературы 116 источников, в том числе 10 наименований на иностранных языках.
Автор выражает благодарность коллективам кафедр СГУПСа «Строительные материалы», «Строительная механика», «ИППЖАД», лаборатории «НССК», лабораториям СНИИГТиМСа, лаборатории СО РАН ОИГТМ и лаборатории СО РАН ИХТТМ.
Механизм взаимодействия компонентов грунта между собой
Работами П.А.Ребиндера [82, 83] и его сотрудников показано, что на основе выводов и представлений физико-химической механики дисперсных тел можно не только изучать структуру, но и управлять процессами структурообразования и формирования различных свойств дисперсных тел, начиная с момента возникновения структуры и в ходе её развития и упрочнения.
В соответствии с учением Лебедева А.Ф. вода в грунтах при положительной температуре может быть представлена в виде: а) водяного пара; б) гигроскопической воды; в) плёночной или собственно связанной, воды (вода диффузных оболочек); г) гравитационной или свободной воды [57]. Между плёночной и гравитационной водой существует ещё и рыхло-слабосвязанная вода. В порах грунта вода содержится в виде пара. Парообразная влага перемещается из мест с большей упругостью пара в места с меньшей упругостью. Химически связанная вода входит в кристаллические решётки минеральных частиц, но влияния на физико-механические свойства грунта она не оказывает [4]. Благодаря исключительно малым размерам, измеряемым долями микрона, глинистые минералы в виде мельчайших дисперсных частиц имеют огромную удельную поверхность, создающую запас свободной энергии. Благодаря возникновению на поверхности частицы двойного электрического слоя каждая минеральная частица обволакивается водной плёночкой (плёночная вода), в результате притяжения отрицательно заряженными глинистыми частицами молекул воды. За пределами двойного электрического слоя на частицу накладывается уже иная водная оболочка (диффузная), характеризуемая некоторой степенью свободы. В зоне, где электрокинетический потенциал падает до нуля, вода обладает обычными для неё свойствами[4, 57].
Явления связывания воды рассматривают как разновидность феномена гидратации частиц, протекающей в две стадии. Вначале под влиянием поверхностных сил разрываются первичные водородные связи между молекулами воды, а затем они вступают в водородную связь с кислородными и гидроксильными группами на поверхности частиц. Под влиянием силового поля, создаваемого активными центрами, т.е. участками на поверхности частиц, к которым притягиваются диполи воды, снижается кинетическая энергия её молекул, и это затрудняет их отрыв от минеральной частицы. Поскольку активные центры отделены друг от друга энергетическими барьерами, то для перемещения молекул воды в силовом поле поверхности частиц необходимо внешнее тепловое или механическое воздействие. Молекулы воды проникают также внутрь их кристаллических решёток, если они относятся к раздвижному типу. В этом случае связанная вода будет образовываться также внутри самих кристаллических решёток в межпакетном пространстве. Адсорбционный слой воды может быть как мономолекулярным, так и полимолекулярным, который ограничивается толщиной диффузного слоя дипольных молекул (противоионов) воды. Толщина плёнки воды, состоящей из адсорбционного и диффузного слоев (сольватная оболочка), зависит от минералогического состава (химического потенциала), размера и формы частиц, химического состава адсорбированных ионов и от внешних условий (атмосферного давления и температуры). При образовании слоя адсорбированной воды на поверхности частицы расходуется большая часть энергии, а остаток формирует диффузный слой. Молекулы этого слоя удерживаются значительно слабее и передвигаются от более толстых водных оболочек к более тонким до тех пор, пока молекулы не будут испытывать одинаковое притяжение к поверхности всех частиц.
Диффузная вода характеризуется тем, что скорость её передвижения меньше, чем скорости поднятия воды в капиллярах и падения гравитационной воды. С увеличением температуры скорость передвижения молекул диффузной воды возрастает, соли, имеющиеся в диффузной воде, могут перемещаться независимо от направления движения молекул диффузной воды. Анализ структурных моделей показывает, что свойства адсорбционной воды лучше всего описываются моделью, состоящей из плотноупакованных в пачках молекул воды линейной формы, в которой между возбуждёнными и невозбуждёнными молекулами возможны аномально большие силы взаимодействия. Модель из многоцентровых связей ближе к структуре молекул диффузного слоя воды. Вследствие неравномерного распределения зарядов на поверхности частиц, наличия дефектов и адсорбированного газа, энергетически не эквивалентные активные центры удерживают молекулы воды с различной силой, что приводит к неравномерному расположению воды на частице. Механизм образования двойного электрического слоя на поверхности раздела твёрдое тело - жидкость обуславливается в основном существованием некомпенсированных систем на границе между двумя фазами, а именно: адсорбции на поверхности ионов из раствора при одновременном переходе противоионов в раствор и наоборот. Ионы имеют вполне определённые конечные размеры, и центры их не могут подойти к поверхности ближе, чем на расстояние ионного радиуса. Внутренняя часть двойного слоя состоит из двух рядов близко расположенных один к другому ионов. Первый из них прочно связан с поверхностью твёрдого тела и определяет его заряд (потенциалопределяющие ионы). Второй ряд противоположно заряженных ионов плотно прилегает к первому, испытывая действия электростатических сил притяжения и избирательной адсорбции со стороны поверхности твёрдой фазы. Недостающее количество зарядов для компенсации потенциалопределяющих ионов располагается по внешней диффузной части всего двойного слоя, которая связана в большей степени с жидкой фазой. Движение жидкости происходит не по твёрдой поверхности, а за пределами неподвижного адсорбционного слоя. Это участие ионов в движении ионов сопровождается уменьшением потенциала в зоне диффузного слоя. Жидкую обкладку двойного слоя могут составлять ионы различного типа. Диполи воды могут внедряться между твёрдой фазой и ионами жидкой обкладки двойного слоя; под влиянием электростатических и адсорбционных сил притяжения возможно ориентационное упорядочение структуры воды в виде пакетов из ассоциации её возбуждённых молекул линейной формы.
Наличие ионов двухвалентного кальция, трёхвалентного железа и алюминия не только способно весьма сильно понизить величину электрокинетического потенциала, но и вызвать уже при незначительной концентрации ионов перемену его знака. Объясняется это тем, что отдельные ионы обладают по отношению к поверхности твёрдой фазы не только электрическим, но и адсорбционным потенциалом. Двойной электрический слой образуется в тонких капиллярах, на поверхности коллоидных и высокодисперсных частиц за счёт адсорбции на твёрдой поверхности ионов из окружающего раствора. Поэтому частица, взаимодействующая с раствором, представляет собой сложное новообразование, в котором высокодисперсная твёрдая фаза (ядро) связана с окружающей средой (раствором) через стабилизирующий двойной электрический слой ионов, а в отдельных случаях - через сольватную оболочку из молекул растворителя. Такой комплекс называется мицеллой, она способна к самостоятельному существованию в виде обособленного целого и определяет все основные свойства коллоидной и дисперсионной системы [2, 4].
Способность частицы удерживать плёнку воды большей или меньшей толщины обуславливается наличием обменных катионов (К/, Na, Са ,Mg", АГ", Fe "). Одновалентный ион натрия обладает способностью удерживать относительно большое количество воды, придавая грунту высокие значения предела текучести и числа пластичности. Двухвалентные катионы кальция и магния связаны с частицей более прочно, но удерживают меньшее количество воды. Данное утверждение подтверждается исследованиями Маркова Л.А., добавка в грунт извести резко изменяет консистенцию грунта, мягкопластичная и даже текучая консистенция переходит в твёрдопластичную [6]. Ещё меньшую плёнку воды удерживают трёхвалентные ионы алюминия и железа, связанные с поверхностью частиц наиболее прочно [57].
В соответствии с учением о роли коллоидных оболочек в связности глинистых грунтов, разработанным Денисовым Н.Я. в содружестве с акад. Ребинде-ром П.А. [39], природа связности глинистых пород обуславливается проявлением межмолекулярных сил. Связность глинистых пород трактуется как прямое следствие склеивающей способности коллоидных оболочек на поверхности частиц. Интенсивность проявления связности оказывается в зависимости от степени концентрации коллоидного вещества в водно-коллоидных оболочках. В течение необозримо долгого времени формирования в процессе диагенеза (уплотнения) и эпигенеза (цементации) водно-коллоидные оболочки на частицах проходят процесс окаменения с постепенным переходом внутренних водно-коллоидных связей в жёсткие. При этом межмолекулярные силы волновой природы уступают место проявлению ионных сил с электрической природой. В дальнейшем развитии ионные связи способны переходить в химические и металлические связи. В этом случае силы связности переходят в силы структурного сцепления, возникающие при предельно возможном сближении частиц [39, 57].
Влияние извести на прочностные свойства грунта
Осреднённые значения прочностных показателей из генеральной выборки при заданной доверительной вероятности р = 0,95 представлены в таблице 12. Анализ значений прочностных характеристик при сопоставлении грунта укреплённого негашёной известью и гидрофобизированной известью произведён с помощью критерия Фишера [39]:
где F(p - фактический критерий Фишера;
анж - дисперсия в выборке, грунта укреплённого негашёной известью;
тгж - дисперсия в выборке, грунта укреплённого гидрофобизированной известью.
Поскольку Рф Fmaui (2,64 4,74), то гипотеза Н0 отбрасывается и делается вывод о неслучайности различия прочностей, значения которых принадлежат к различным генеральным выборкам, то есть добавка электродной смолы привела к статически значимому изменению прочностных свойств.
По экспериментальным данным таблицы 12 при использовании ортогонального композиционного планирования получены двухфакторные модели второго порядка, имеющие вид [13]:
Гипотеза об однородности дисперсий проверялась по G-критерию Кохрена [13].
Для проверки адекватности модели формулировалась нуль-гипотеза о равенстве приведённой дисперсии неадекватности дисперсии ошибки эксперимента. Проверка осуществлялась при помощи критерия Фишера [13]. В таблице 12 приведены результаты построения моделей для всех четырёх исследуемых выходов, а в приложении Г изолинии поверхностей отклика.
Влияние факторов анализируется на основе квазиоднофакторных моделей (рисунок 12 и 13), максимальные и минимальные значения определялись путём дифференцирования выходов последовательно по каждому фактору[58].
Перед этим осуществляется подстановка в модель уже найденных оптимальных значений предыдущих факторов. Решение задачи качественно оценивается при визуальном анализе семейств квазиоднофакторных моделей.
Анализ данных, представленных в таблице 14, на рисунках 12, 13, Г. 1 и Г.2 позволяет с достаточной степенью надёжности сделать ряд выводов:
- рецептурные факторы Xi и хг не действуют изолировано и оказывают сильное влияние на прочностные свойства укреплённого грунта в исследуемых интервалах;
- фактор xi обладает лучшими прочностными показателями в интервале с массовыми долями от 1 до 7 %. Смещение характеристики отношения пределов прочности образцов с добавкой ПАВ к прочности эталонных образцов к 1 % объясняется тем, что малое количество вяжущего не оказывает статически значимого эффекта, что подтверждается рядом исследователей [9, 69, 96, 971;
- эффект фактора хг начинает сказываться уже при дозировке вяжущего с 1 %-ной массовой долей. Наиболее подходящие прочностные показатели получаются при использовании извести гидрофобизированной электродной смолой с массовой долей 3 %;
- область оптимума не достигнута.
Для дальнейшей оптимизации с целью получения более информативных прочностных характеристик было принято решение исследовать образцы в возрасте 28 суток с количеством вяжущего в интервале от 4 до 7%. и содержанием ПАВ в вяжущем 3%. Осреднённые значения прочностных показателей из генеральной выборки в зависимости от количества вяжущего в кодированных переменных представлены на рисунке 14.
Анализ полученных данных на рисунке 14, подтверждённых таблицей 15, показывает, что все функции, кроме кривой прочности при сжатии неводонасы-щенных образцов, обладают экстремумами. Следовательно, с достаточной степенью надёжности можно сделать вывод о том, что область оптимума достигнута. Сравнительный анализ прочностных показателей позволяет сделать вывод, что в возрасте 28 суток грунт, укреплённый гидрофобизированной известью, обладает показателями выше, чем грунт, укреплённый негашёной известью.
Для проведения дальнейших исследований принимается состав из тяжёлого суглинка, укреплённого известью массовой долей 6 %, гидрофобизированной смолой массовой долей 3 %.
Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью
Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью и после укрепления, в общем виде представлены в таблице 19. Укрепляемый грунт (суглинок тяжёлый, пылеватый), как указывалось ранее, представлен группами монтмориллонита и полевых шпатов в виде мицелл [57].
В коллоидном состоянии находится также кремниевая кислота и коллоиды гидратов окиси алюминия [4, 57]. Считаем, что остальные вещества, находящиеся в грунте, выполняют роль заполнителя.
Рентгеноспектральный анализ суглинка до и после укрепления свидетельствует о том, что изменение физико-механических свойств явилось следствием процессов, вызванных гидрофобизированной известью (рисунок Б.1-Б.10). Обнаруженная фаза кальцита СаСОз (рисунок 21 и 22), подтверждает явление карбона-тизации гидрата извести при взаимодействии с углекислым газом.
Отмеченная кристаллизация цеолита (рисунок 21 и 22) свидетельствует о цеолитоподобных процессах.
Этот процесс можно объяснить тем, что молекулы или мицеллы безводного вещества биотита K(Mg,Fe)3[Al БізОю ](OH,F)2 и альбита Na20 -ЗАЬОз -6Si02 (рисунок 21 и 22), вступив во взаимодействие с раствором щелочи, изменили свой состав. Возникшие гидравлические новообразования силами взаимного притяжения конденсировались в мицеллы, и по мере углубления процесса гидратации происходил рост объёма новообразований, что вызвало отжатие воды и уплотнения гелевидной фазы, итогом явились кристаллические сростки цеолита, отмеченные на рентгенограммах, конечный продукт которых - нерастворимые гидроалюмосиликаты типа анальцима Na20- AI2O3 -4Si02 -пНгО [23].
Обнаруженные продукты CSH-фазы как гелеобразный двухкальциевый гидросиликат 2СаО -SiC 2 -2 0, гидросиликат Флинта CaO-SiCb-bbO и 13-водный четырёхкальциевый гидроалюминат 4СаОАІ20з-13 НгО, подтверждают процесс взаимодействие кремнегеля и алюмогеля с водным раствором щелочноземельных металлов по схеме, представленной в таблице 19 [26, 91].
Наличие гидрофобизирующей добавки из электродной смолы увеличивает время на процессы кристаллообразования. Таким образом, избегая борьбы за пространство кристаллических сростков различных новообразований и за счёт ранее сформировавшихся кристаллических сростков создаётся своеобразный вектор направления в пространстве для роста следующих кристаллов.
Результаты испытаний деформаций шлакощелочного водонасыщенного камня на морозостойкость Мухматгалеевой СП. [23] и Шестоперова СВ. [102] позволяют предположить, что в полученном материале будут отсутствовать скачкообразные расширения в результате того, что находящаяся в порах укреплённого грунта щелочь, производная от извести, придаёт грунту способность к постепенному вымораживанию льда, а электродная смола будет служить амортизатором критических напряжений (демпфером напряжений) при образовании льда.
Ускоренное увеличение прочности при водонасыщении объясняется тем, что отсос избытка воды протекает вполне успешно и ослабление контакта между катионом и анионом - т. е. потери прочности - не наблюдается. Поэтому проникающая в поры вода увеличивает модуль деформации и предел прочности на растяжение при изгибе. Изменение коэффициента водостойкости при изгибе (быстрый рост и падение) связано с наличием большого количества продуктов гидратации (в возрасте до 180 суток) и при затворении водой, происходит интенсификация процесса кристалообразования , соответственно в более поздние сроки процесс замедляется.
Расчёт эффектов от применения грунта, укреплённого полученным вяжущим в конструкциях нежёстких дорожных одежд
Отечественный подход к конструированию нежёстких дорожных одежд можно назвать эмпирико-механическим, поскольку основные расчетные зависимости были получены на основе статистической обработки результатов многократных испытаний на дорогах [5]. В то время, как, например, в США принят механистический подход, согласно которому материалы и толщины конструктивных слоев выбирают таким образом, чтобы относительная деформация растяжения в подошве пакета монолитных слоев и относительная деформация вертикального сжатия в верхней части грунта земляного полотна не превышала максимально допустимых значений для точно определённого числа приложений нагрузки [107].
При проектировании оснований дорожных одежд учитывается только возможность деструктивных изменений, происходящих в материале под действием внешних факторов, и не учитывается возможности протекания структурообразующих процессов. Поэтому в настоящее время при расчёте оснований дорожных одежд расчётные характеристики материалов принимаются постоянными на весь срок службы. Отсутствие механизмов учёта возможности материалов увеличивать прочность в процессе эксплуатации приводит к недоиспользованию, в частности, укреплённых грунтов [8]. К расчёту принята типовая конструкция дорожной одежды (вариант 1) участка «Вьюны-Кандаурово» автомобильной дороги «Новосибирск-Томск» (рисунок ЕЛ). Для сравнения назначены два варианта (2 и 3 вариант) нежёсткой дорожной одежды (рисунок Е.2). Для учёта упрочнения во времени нового полученного нами материала принимаем к расчёту второй вариант с модулем упругости укреплённого грунта 200 МПа, третий вариант 800 МПа. Модуль упругости назначен согласно рекомендациям ОДН 218.046-01 [67]. Исходные данные для расчёта нежёсткой дорожной одежды программным комплексом COSMOS/M и ОДН 218.046-01 приведены в таблице 21 [20, 67, 90].
Следует отметить, что расчётные характеристики грунта земляного по лотна назначались с учётом работ, выполненных коллективом кафедры «Автомобильные дороги» ТГАСУ под руководством проф. Ефименко В.Н. [67].
Расчёт конструкции дорожной одежды на прочность осуществляется согласно ОДН 218.046-01 по трём критериям:
- критерию упругого прогиба;
- критерию соответствия сдвигоустойчивости материала конструктивных слоев и грунта;
- критерию соответствия сопротивления материалов монолитных конструктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям от подвижной многократной нагрузки.
Результаты расчётов по ОДН 218.046-01 приведены в таблице 22.
Анализ таблицы 21 показывает, что замена в технологическом слое укреплённого песка грунтом, укреплённым гидрофобизированной известью, полностью адекватна. По мере протекания структурообразующих процессов общий модуль упругости увеличится на 12 %, активные напряжения сдвига в грунте уменьшаются на 8 %, в песке - на 93 %;растягивающие напряжения уменьшаются на 28 %. Для механистического подхода оценки эффективности использования укреплённого грунта использовался программный комплекс COSMOS/M, в основу которого положен метод конечных элементов. Отличительной характеристикой расчёта с помощью COSMOS/M от нормативного является рассмотрение всего поперечного профиля земляного полотна и дорожной одежды с учётом нагрузки от соседних колёс и получение напряжений, деформаций и др. характеристик в любом узле конструкции. Тогда как в ОДН [67] напряжения конструктивных слоев и в подстилающем грунте от воздействия транспортной нагрузки вычисляют по формулам теории упругости для слоистой среды, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой через гибкий круглый штамп, с учетом условий на контакте слоев.
Расчёт с помощью COSMOS/M осуществлялся для изотропного тела в плоско-деформированном состоянии с учётом собственного веса конструкции. Результаты расчётов представлены в виде диаграмм и таблиц. Анализ напряженно-деформированного состояния конструкции дорожной одежды, представленный на рисунках Е.З, Е.4, Е.5, позволяет сделать вывод, что распределение напряжений по толщине слоев идентично во всех вариантах, поэтому для сравнения количественных характеристик, таких как нормальные и касательные напряжения, а также вертикальные перемещения, будем использовать узлы конечных элементов, имеющие наибольшие величины данных характеристик.
Анализ таблицы 23 показывает, что использование укреплённого грунта вызывает снижение главных напряжений, уменьшение касательных напряжений в дополнительном слое, а также уменьшение вертикальных перемещений. Следует отметить, что по мере увеличения модуля упругости укреплённого суглинка в цементобетонном слое наибольшие растягивающие напряжения сменяются сжимающими.
Анализ расчёта на сдвигоустойчивость (таблица 24) показывает, что произведённая замена по мере увеличения модуля упругости создает условия для снижения касательных напряжений в песчаном слое и земляном полотне.
Напряжения в асфальтобетонных слоях больше нормативных напряжений, установленных ОДН 218.046-01, поскольку при расчёте методом конечных элементов не учитывались усталостные напряжения.
Анализ расчёта конструкции, рассчитанной по критерию соответствия сопротивления материалов монолитных конструктивных слоев возникающим в них растягивающим напряжениям (таблица 25), показывает, что имеет место снижение значений по всем параметрам. Однако в технологическом слое имеет место увеличение нормальных напряжений на 46 %, что в 4 раза меньше экспериментальных значений предельных нормальных напряжений для суглинка, укреплённого гидрофобизированной известью (таблица 18).
Замена в технологическом слое песка, укреплённого цементом, грунтом, укреплённым гидрофобизированной известью, позволила снизить в целом напряженно-деформированное состояние по всем критериям оценки. Наибольшие напряжения получены в цементобетонном слое. Устройство слоя из укреплённого грунта вызвало падение нормальных напряжений до 23 %, касательных напряжений - до 16 %, вертикальных перемещений - до 25 % менее первого. Отмеченное увеличение касательных напряжений до 35 % с увеличением модуля упругости обладает тенденцией к снижению. Следует отметить, что вертикальные перемещения уменьшаются во всех случаях. Результаты косвенно подтверждаются расчётом по ОДН 218.046-01. Следовательно, учитывая способность укреплённого грунта к самоупрочнению, есть основание предположить, что использование прослойки из укреплённого грунта вызовет увеличение долговечности конструкции в 1,5-2 раза [79, 103].
