Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Применение материалов на основе неармированного грунта в строительстве 10
1.2 Армированные и укреплённые грунты 16
1.3 Использование золошлаковых смесей для укрепления грунтов 31
1.4 Физические и физико-химические процессы, происходящие в укреплённых грунтах 41
1.5 Выводы и постановка задач исследований 50
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований 53
2.1 Характеристика материалов, принятых для исследования 53
2.1.1 Грунты 53
2.1.2 Твердые производственные отходы топливных систем 54
2.1.3 Отходы асбестоцементного производства (ОАЦП) 56
2.1.4 Речной песок 57
2.1.5 Минеральные вяжущие 57
2.1.6 Гидрофобизирующая добавка 58
2.2 Физико-химические методы исследования материалов 58
2.3 Методика изготовления и испытания образцов 60
2.4 Методы математического планирования экспериментов и обработки результатов исследования 61
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Разработка составов грунтобетона и изучение свойст укрепленных грунтов 65
3.1 Выбор составов для укрепления грунтов 65
3.2 Изучение влияния рецептурных факторов на свойства укрепляемого грунта 70
3.3 Изучение влияния технологических параметров на свойства укрепляемого грунта 78
3.4 Определение эксплуатационных свойств грунтобетона с комплексными минеральными добавками 86
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4. Изучение процесса структурообразования в укрепляемых грунтах 96
4.1 Разработка структурной модели грунтобетона с минеральными и органическими добавками направленного действия 96
4.2 Физико-химические исследования грунта, укрепленного минеральными и органическими добавками 102
Выводы по главе 4 122
ГЛАВА 5. Опытно-производственное внедрение и технико-экономическое обоснование применения грунто бетонов с отходами производства 124
5.1 Разработка технологической схемы производства грунтобетонов с золошлаковой смесью и отходами АЦП 124
5.2 Опытно-производственное внедрение результатов исследований 129
5.3 Технико-экономическое обоснование применения грунтобетонов с добавками направленного действия 134
Выводы по главе 5 141
Основные выводы по работе 143
Литература 145
- Применение материалов на основе неармированного грунта в строительстве
- Методы математического планирования экспериментов и обработки результатов исследования
- Изучение влияния рецептурных факторов на свойства укрепляемого грунта
- Разработка структурной модели грунтобетона с минеральными и органическими добавками направленного действия
Введение к работе
В связи с ростом цен на песок, щебень и другие инертные материалы для дорожного строительства и возведения различных сооружений в сельскохозяйственном производстве возникла потребность в изыскании экономичных и рациональных приемов использования грунта для возведения данных объектов. Дополнительным усугубляющим фактором, склоняющим к этим решениям является постоянно растущие цены на энергоносители и, как следствие, увеличивающиеся затраты на транспортирование материалов и сырья к месту строительства. Мировой и отечественный опыт позволяет предположить, что оптимальным выходом из создавшегося положения может стать применение грунтобетонов с направленно функциональными органическими и минеральными добавками, обеспечивающими получение надежных конструкций оснований дорог и сооружений.
В то же время вокруг городов и предприятий теплоэнергетики и производства изделий строительного назначения с использованием минерального сырья скопилось большое количество отходов самого различного вида и состава, засоряющего не только землю, но и воздушные и водные бассейны, что отрицательно сказывается на экологии территорий. Таким образом, объединяя две задачи, может быть получен комплексный эффект по снижению затрат при использовании отходов для укрепления грунтов и улучшения экологической обстановки вокруг населенных пунктов. Работа посвящена совершенствованию конструкций оснований дорог существующих зданий и сооружений различного сельскохозяйственного назначения путем улучшения структурных характеристик материалов из грунта при введении комплексных минеральных и органических добавок направленного вида. Такие материалы и конструкции обладают значительной технологичностью, прочностью, водо- и морозостойкостью и эксплуатационной надежностью при низком уровне средств и трудозатрат
Работа выполнялась по программе 04.87.0.001.003 Минсельхоза Российской Федерации, тема XIV «Разработать методы повышения долговечности и эффективности работы строительных конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений» и по программе 5.02 «Экология, охрана окружающей среды Сибири».
Цель работы: разработать рецептуру и технологию укрепления грунтов комплексными добавками направленного действия для обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик оснований дорог и сооружений сельскохозяйственного назначения.
В соответствии с обозначенной целью необходимо было решить следующие задачи исследования:
изучить свойства грунтов, наиболее широко распространенных в Сибирском регионе, и определить рациональные методы их укрепления;
произвести анализ и определить качественный состав существующих отходов производства для рационального использования при введении в грунты и получении материалов с заданными эксплуатационными свойствами;
установить закономерности влияния вида и количества вводимых добавок, состава и способов их введения на прочностные показатели комплексно укрепленного грунта, его водо- и морозостойкость, долговечность и эксплуатационную надежность;
разработать оптимальные составы, режимы и технологию введения добавок, обеспечивающих гарантированные показатели прочности и долговечности оснований дорог и сооружений сельскохозяйственных объектов с учетом эксплуатационных воздействий;
дать прогнозную оценку качественных и количественных характеристик ґрунтобетони ых оснований для выработки научно обоснованных рецептур и технологических режимов производства работ по комплексному укреплению грунта;
- разработать технологический регламент производства работ и не-
обходимую нормативно-регламентирующую документацию по устройству оснований дорог и сооружений сельскохозяйственных сооружений из комплексно укрепленных грунтов; осуществить опытно-производственное внедрение результатов исследований и дать технико-экономическую оценку выполненной работы.
Научная новизна:
При укреплении грунтобетонов из суглинистых грунтов при минимальном расходе цемента (5-7% мае.) целесообразно в их состав вводить 18 — 22% мае. золошлаковой смеси (ЗШС). Это обеспечивает создание прочной структуры с минимальной усадкой после твердения (0,8-1,7)х10~3, в два-три раза меньше, чем у цементогрунта без добавки.
Для получения грунтобетона с прочностью на растяжение при изгибе более 1,5-2 МПа необходимо вводить в его состав 8-12% мае. отходов ас-бестоцементного производства (ОАЦП), обеспечивающих дисперсное армирование и формирование равнопрочной структуры всего массива грунтового основания.
Для предотвращения отрицательного действия воды и отрицательных температур на свойства грунтобетона целесообразно вводить в состав смеси 2,5-3,5% мае. таллового пека. При этом снижается водоцементное отношение грунтобетонной смеси, обеспечиваются ее требуемые реологические характеристики, повышается в 1,5—2 раза водостойкость и в 2 — 3 раза морозостойкость грунтобетона.
4. Для обеспечения требуемых свойств грунтобетонов с использованием
предлагаемых добавок рациональное значение плотности грунтобетонной сме-
си должно быть не менее 1800 кг/м . Это может быть обеспечено применением
ударного способа уплотнения или виброуплотнением.
Практическая значимость работы:
Предложен комплекс добавок в грунтобетон, обеспечивающий повышение прочности материала, снижение усадочных деформаций и повышение водо- и морозостойкости.
Разработана технологическая схема производства грунтобетонных оснований дорог и сооружений с комплексом добавок направленного действия, позволяющая получать материалы с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
Изучены и оптимизированы составы грунтобетонов с комплексом добавок направленного действия для конкретных суглинистых грунтов с учетом возможных воздействующих факторов.
Подготовлены и утверждены временные технические условия ВТУ-2365-380-006-08 «Грунтобетонные материалы с комплексом минеральных и органических добавок для оснований дорог и сооружений сельскохозяйственного назначения», а также «Рекомендации» по их реализации, которые переданы в дорожно-строительные организации.
5. Разработанные материалы и технологические процессы внедрены
при строительстве основания дороги в сельских районах Новосибирской об
ласти и показали высокую экономическую эффективность от их использова
ния.
Достоверность и обоснованность полученных результатов: Полученные научные положения и выводы подтверждаются результатами многолетних экспериментов, выполненных с применением современных физико-химических методов исследований, проведенных на аттестованном оборудовании и приборах, а также математической обработкой результатов выполненных исследований.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах в Новосибирске (2005-2010 г.г.), Одессе (2007-2008
г.г.), Казани (2009, 2010 г.г.), на ежегодных научно-технических конференциях Новосибирского государственного аграрного университета, Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета, Новосибирской государственной академии водного транспорта (Новосибирск, 2004-2010 г.г.), на Международных научно-технических конференциях в рамках выставок «Стройсиб-2008» и «Стройсиб-2010» на «Сибирской ярмарке» (Новосибирск, 2008, 2010 г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано свыше 11 научных работ, в том числе в реферируемых и рекомендованных ВАК России изданиях с внешним рецензированием - 2 статьи.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе и приложений; содержит 163 страницы основного (компьютерного) текста, включая 17 таблиц, 41 рисунков и 191 литературный источник, 7 приложений.
На защиту выносятся:
теоретически обоснованная и экспериментально доказанная концепция повышения прочности и эксплуатационной стойкости оснований дорог и сельскохозяйственных сооружений из грунтов, укрепленных комплексом минеральных и органических добавок направленного действия;
полученные данные о свойствах отходов производства и теплоэнергетики с целью использования их для укрепления материалов на основе суглинистых грунтов, а также рекомендации по их рациональному соотношению в грунтобетонах;
разработанный оптимальный комплекс минеральных и органических добавок, включающий золошлаковые отходы, портландцемент, отходы асбестоцементного производства и талловый пек, позволяющий обеспечить низкую усадку материала, высокую прочность на растяжение при изгибе и низкую водопотребность смеси;
результаты опытно-производственной проверки и «Рекомендации»
по эффективному использованию предлагаемой технологии получения грунто-бетонных материалов с заданными свойствами, что способствует повышению экономической эффективности оснований дорог и сооружений, снижению транспортных расходов при возведении этих объектов.
Применение материалов на основе неармированного грунта в строительстве
Материалы из грунта нашли широкое применение при производстве стеновых изделий (сырцовый кирпич, саман, блоки) и в качестве связки при устройстве стен из этих изделий; для гидроизоляции фундаментов, подвалов, полов; в качестве подготовки под полы; в виде добавок к растворам и бетонам, при защите горючих органических и теплоизоляционных материалов от тепловых и огневых потоков, при устройстве оснований дорог и различных сооружений, и т.д. Человечество десятилетиями применяло саман, возводя из него различные здания и сооружения: жилые дома, крепости, культовые объекты. Из этого материала построены знаменитые Египетские и Перуанские пирамиды (2500 - 3000 лет до н.э.), Тезифонская Арка, Великая Китайская стена (3 век до н.э.), крепость Афрасиаб в Самарканде ( 6 век до н.э. ) и др. В России, наряду с использованием самана, широкое применение нашли глинобитные здания. А одно из них - Приоратский Дворец вблизи Санкт-Петербурга, построенный в конце 18 века архитектором Н.А. Львовым, сохранился до настоящего времени. Землебитные постройки известны с времён древнего Рима, Египта и Персии. В 17-19 веках землебитные строения были распространены во Франции, Германии, Швейцарии, а так же у египтян и персов. При этом, наряду с жилыми домами, строились фабричные и заводские корпуса [4, 5, 43, 55, 89, 90, 103, 119].
В двадцатом веке к безобжиговым глиняным материалам неоднократно возвращались в разных странах. Так, в тридцатых годах в Германии возведён был целый посёлок из двухэтажных домов для горняков и жителей Мюхельна. Архитектором Л. Лалто в 1947 году запроектировано и построено студенческое общежитие для американского Массачусетского университета из сырцового кирпича. Имеется положительный опыт использования такого материала в шестидесятые годы во Франции при строительстве нескольких посёлков. Широкое распространение сырцовые и саманные стены нашли в Средне-Азиатских республиках СССР: Киргизия, Узбекистан, Казахстан и др. В этих регионах из грунтобетона возведены и до сих пор успешно эксплуатируются не только жильё, но и производственные здания и сооружения. Анализ литературных популярных и научных произведений показывает, что в настоящее время на земле в домах из грунта или необожжённых глин проживает более миллиарда человек, в том числе и в благополучных с экономической точки зрения странах Европы и Америки [18, 26, 41, 103, 118, 119].
Учитывая положительные качества материалов и изделий из необожжённой глины, простоту технологии, доступность сырья, удовлетворительные теплофизические и эксплуатационные параметры при минимальной себестоимости, можно считать перспективными эти материалы не только для сельского, но и городского строительства. А при творческом подходе и использовании новых эффективных приёмов, высокопроизводительного оборудования и оснастки, новых оригинальных конструктивных решений выгодность применения глиняных изделий с социальной, экономической, технологической и архитектурной точек зрения не вызывает сомнения.
Для устройства стен из самана или сырцового кирпича глину заготавливают в осенний период и укладывают в валки высотой до одного метра на открытом месте. Увлажнение во время осенних дождей и перемёрзшая в зимние холода, глина вспучивается и хорошо разрыхляется. Приготовление самана начинают с перемешивания глины с песком до получения однородной массы, после чего в неё вводят предварительно смоченную водой сечку и перемешивание продолжается. Полученная таким путём формовочная масса используется для изготовления блоков, оптимальный разрез которых принят 35,7х 17,3x1 Зсм. Формы для производства саманных блоков делают немного на конус с уширением по низу на 2—3 см, что обеспечивает лёгкий съём отформо 12 ванных блоков. Перед укладкой саманной массы форму смачивают водой и стенки обсыпают песком или мякиной. Заполнение формы осуществляют с обязательным уплотнением особенно в углах, а излишки массы убирают мокрой дощечкой. После снятия формы, блок сушится в течении 7—15 суток. Состав самана зависит от жирности глины и может быть выбран в пределах от 1:1 до 1:4 (глинаїпесок) [1, 4, 5, 103, 129]. Технология изготовления самана насчитывает тысячелетний опыт и практически не изменилась за последние несколько столетий — примитивная опалубка из пяти досок и максимальное использование ручного труда. Самым узкими и трудоёмкими операциями являются подготовка (перемешивание) глиняной массы и формование изделий. В этом направлении, начиная с 60-х годов нашего столетия, были предприняты широкомасштабные исследования и технологические решения. Так, был разработан в Латинской Америке высоко производительный пресс «Синве-Рам», создающий давление более 10 МПа и выпускающий 500-600 штук саманных блоков в смену. В Англии Д. Уэббом изобретён пресс с производительностью 300 саманных блоков в смену при аналогичном давлении прессования [1, 4, 5, 103]. ;; Отечественные учёные, изобретатели и конструкторы так же на протяжении последних пятидесяти лет успешно решают вопросы увеличения производительности и повышения качества самана. Так, получены саманные блоки с пределом допустимой прочности до 20 МПа. Качественно изготовленный саманный блок должен быть сухим, не иметь трещин и сколов, не ломаться при падении с высоты двух метров и не разваливаться в течение не менее суток при нахождении в воде. Стены из самана выкладываются на густом глиняном тесте или на аналогичной саманной массе. Толщина швов не должна быть более 1— 1,5 см. Опыт эксплуатации саманных домов показал их хорошие качества: помещения сухие, тёплые, и обеспечивают требуемые параметры микроклимата. Во избежание замачивания и ухудшения качества саманных стен их необходимо предохранять от атмосферных осадков путём увеличения свеса крыш (кар 13 низа) не менее 0,6 м от поверхности кладки. При возведении зданий их самана следует учитывать их повышенную деформативность и усадку [1, 4, 5, 41, 43, 55]. Разновидностью самана является сырцовый кирпич, представляющий собой необожженный глиняный материал. Он может применяться при кладке стен одноэтажных домов или как заполнитель каменной кладки в средней части при облицовке обычным обожжённым глиняным кирпичом. Порядок изготовления и устройства стен из сырцового кирпича аналогичен вышеописанным процессам, но значительно проще. Таким образом, с учётом положительных свойств, при определённой технологической модернизации (внедрение бетоно-смесительного и прессового оборудования, эффективных транспортирующих и грунтодобывающих машин и механизмов и пр.) сырцовый кирпич и саман могут быть конкурентоспособными, успешно применёнными для возведения малоэтажных жилых домов, общественных и производственных зданий и сооружений различного назначения [4, 5, 18, 26, 41, 43, 55].
Методы математического планирования экспериментов и обработки результатов исследования
При изучении грунтобетонов и их составляющих (грунта, золошлако-вых смесей, отходов асбестоцементного производства, цемента и др.) изучались как моносоставы, так и бинарные композиции, а также составы с полным набором всех компонентов совместно с минеральным вяжущим. Испытания укрепленных грунтов осуществлялись по действующим методикам; при этом предпочтение по оптимизации составов и технологических режимов отдавалось после многокомпонентного анализа, сочетающего химические, физические и физико-химические методы [31, 44, 61, 80, 128, 162, 164]. Основными критериями использования различных методов были сравнительные анализы, показывающие реакции образования малорастворимых в воде или легкорастворимых в органических растворах соединений продуктов, окислительно-восстановительное взаимодействие, комплексообразование, нейтрализация, процессы электронных переходов в атомах, радиоактивность.
Кислотно-основные свойства материалов оценивали по показателю рН водных вытяжек и значению электрохимического потенциала. Удельную поверхность грунтов, зол, отходов АЦП и других компонентов определяли на приборе ПСХ-2. Для определения реологических характеристик использовался консистометр Хепплера.
Оценку степени активности минеральных вяжущих осуществлялась рентгенофазовым методом, позволяющим определить содержание различных минералов и соединений. Идентификация различных фаз в образцах исходных материалов и укрепленного грунта, определение изменения структуры укрепленного грунта проводилось рентгенофазовым методом на дифрактометре ДРОН-ЗМ в лаборатории СО РАН ИХТТМ.
Присутствие в исследуемых материалах той ли иной фазы, обнаружение реакций взаимодействия и температурных переходов выполнялось дифференциальным термическим анализом (ДТА). Сущность ДТА заключается в изучении превращений, происходящих при различных физических и химических процессах, по сопровождающим их тепловым эффектам, для чего исследуемые материалы подвергались постепенному нагреванию с непрерывной регистрацией температуры. В наших исследованиях использовался дериватограф ОД-102 системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдеи.
Эксплуатационные характеристики материала, связанные с воздействием воды и водных растворов и характеризующие диффузионные параметры, а через них и степень влияния влаги на морозостойкость полученных композитов, определяли методами капиллярной пропитки образцов по методике, предложенной В.М. Казанским и И.Ю. Петренко, теоретической основой которого является параболическое уравнение массопереноса в изотермических условиях. Анализ распределения компонентов в контактных зонах укрепленного грунта определяли методом оптической микроскопии в отраженном свете при увеличении до 1000 . Подготовку образцов исходных материалов и укрепленного грунта, а также сами исследования проводили с помощью светового микроскопа в лаборатории СО РАН ОИГГМ.
С целью выявления эффективности замены части цемента в грунтоце-ментных смесях золой были произведены испытания золошлакогрунтов. В качестве вяжущего брали смесь, состоящую из Х% суглинистого грунта, У% портландцемента или извести, Z% золошлаковой смеси естественной дисперсности (без дополнительного помола). В глинистом грунте определялось число пластичности, согласно требованиям ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик» [51]. Наименование грунта производилось в соответствии с требованиями ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» [48]. Непосредственно перед изготовлением образцов определялась максимальная плотность при оптимальной влажности в грунтах, укрепленных вяжущим, в соответствии с ГОСТ 23558-94. «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия» [47]. Изготовление, хранение и испытания образцов на сжатие, изгиб, определение деформационных характеристик, плотности, набухания и водонасыщения, испытания на мо 61 розостойкость производились в соответствии с нормативными требованиями ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» При сравнении прочностных характеристик необходимо отдавать предпочтение прочности на растяжение при изгибе, поскольку данная схема испытания более точно отражает работу конструкции дорожной одежды. Сроки испытания для определения кинетики исследуемых характеристик устанавливали в следующих пределах: 7, 28, 90, 180,365,545 и 730 суток. В качестве образцов использовались балочки-призмы размером 0,16x0,04x0,04 м и кубики размерами 0,10x0,10x0,10 м. Для испытаний кубиков и балочек на сжатие использовался пресс ИП-500 и П-10, на изгиб - машина FM500. Скорость движения плиты пресса определялась непосредственно перед проведением испытания. При испытании на морозостойкость использовалась морозильная камера модели STINOL 116 Q.001. Водонасыщение образцов осуществлялось в эксикаторе.
Изучение влияния рецептурных факторов на свойства укрепляемого грунта
Усадка материалов на цементной основе общеизвестный факт. В то же время использование заполнителей способствует уменьшению усадочных деформаций, так как создает эффект «разряжения» цементного камня. Наибольший эффект в цементобетонных композиционных материалах проявляется в присутствии тяжелых заполнителей. При малых количествах заполнителя этот процесс выравнивается. В фиброцементных композициях с содержанием армирующих волокон в достаточно большом количестве наблюдается хаотичное армирование, что способствует снижению усадочных деформаций во всех направлениях [27, 29, 88, 121, 130, 136]. Проведенные исследования подтвердили данное предположение и для грунтобетонов, и показали, что на величину усадки влияет количество и геометрические размеры минерального золошлакового заполнителя и волокнистого компонента, содержание вяжущего и пластифицирующей добавки.
Деформация основания дорожной одежды из грунтобетона способствует нарушению его целостности и сплошности ввиду трещинообразования, в результате чего снижается прочность укрепленного грунта и наблюдается процесс интенсивного разрушения. Деформации ґрунтобетонного основания происходят в результате воздействия внешних факторов от транспортных средств и неравномерных деформаций земляного полотна при изменениях температуры, особенно при замораживании и оттаивании. Кроме того, на материал основания воздействуют физико-химические процессы, протекающие в грунтах, укрепляемых цементом с минеральными добавками. Причины, вызывающие деформации грунтобетона, весьма сложны, и каждая из них должна учитываться как отдельно, так и рассматриваться в совокупности со всеми воздействующими факторами.
Наиболее часто встречающейся деформацией любых композиционных материалов, в том числе и на основе грунта, является их усадка. Результаты исследований усадочных деформаций в грунтобетонах вызываются рядом физико-химических процессов, происходящих в гелевой структурной составляющей цементного камня. Принятое понятие «усадка бетона», т. е. уменьшение объема при твердении, даже при условии постоянства температуры и влажности, подразделяется на усадку контракционного и влажностного типов. Процесс твердения грунтобетона значительно более сложный, чем обычных бетонов, в которых крупный минеральный заполнитель является инертным веществом, не оказывающим какого-либо значительного влияния на процесс твердения бетона [24, 27, 36, 59, 88, 110, 125, 126, 159, 140, 144].
Усадка укрепленных грунтов может быть подразделена на следующие типы: контракцию цементного камня; контракцию цементогрунтовых частиц; влажностную усадку цементного камня и цементогрунтовых частиц; влажно-стную усадку грунтовых агрегатов. Минеральные частицы грунтов имеют дос-таточно развитую удельную поверхность (10—45 м7г и более) и вступают в активное физико-химическое и химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента. При этом образуются структурные связи цементного камня с минеральными составляющими грунта. Грунты при смешивании с минеральным вяжущим образуют гидросиликаты и гидроалюминаты кальция за счет содержания в грунте оксидов кремния и алюминия (до 80 — 90%). Появление во влажных цементогрунтовых смесях новообразований подтверждается, тем, что на гидратацию цемента расходуется 6-10% воды от его массы. В то же время при гидратации цемента в суглинке потребление воды составляет 22 - 31% , т.е. примерно в 3 раза больше. Указанное количество воды относится к категории химически связанной и не испаряется при температуре 105С. Количество новообразований в грунте зависит от удельной поверхности грунта и наличия добавок грунтобетон. В связи с этим процесс усадки цементогрунта отличается от усадки обычных бетонов и определяется в первую очередь дисперсностью исходного грунта [29, 88, 133, 136, 146, 147, 161]. Усадка грунтобетонных образцов может быть определена по следую где - - усадка образца в стандартных условиях; - коэффициент, учитывающий влияние на усадку внешних и внутренних факторов: влажность среды; количество цемента; отклонение влажности грунтобетон ной смеси от оптимальной. Образцы-балочки размерами 0,16x0,04x0,04 м изготавливались на гидравлическом прессе. После снятия форм в торцы образцов вдавливали стальные шарики диаметром 0,006 м. Деформацию усадки измеряли на приборе Ги-процемента индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм. На рисунке 3.16 представлены кривые зависимости усадки грунтобетона от вида вводимых минеральных добавок. Є. ті/м 1.00 Как следует из приведенных графиков, усадка грунтобетона достаточно четко зависит от содержания минеральных добавок и возможной степени уплотнения (кривая 4, рисунок 3.16), что достигается при пластификации грунто-бетонной смеси таловым пеком. Так, введение золошлаковой смеси в состав грунтобетонной смеси уменьшает деформации усадки на 25 — 40 %. Эффективно введение отходов АЦП, также способствующих уменьшению усадочных деформаций на 30 - 35 %. Проведенные исследования позволили установить, что для каждого состава грунтобетона имеются оптимальные значения расхода цементного вяжущего, обеспечивающие минимальную усадку материала. Так, отмечено, что переломы кривых усадки для суглинистых грунтов от количества цемента наблюдаются при 6 - 8%. Кроме того, выявлено влияние влажност-ного режима при твердении укрепленного грунта на процесс трещинообразо-вания. Отмечено, что выдерживание грунтобетона в процессе формирования в условиях 100%-ной влажности полностью исключает деформацию усадки в результате воздействия влажности среды. В то же время при влажности среды ниже 100% деформации усадки вызывают развитие внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин. Данный процесс усугубляется неравномерностью распределения цементного вяжущего по поверхности частиц грунта и минеральных добавок. Известно, что предельно допустимая деформация растяжения укрепленного цементом грунта составляет 7,2x10"5, поэтому в результате усадки в Сибирских условиях неизбежно произойдет интенсивное трещинообразование. Если же ввести микроармирующие элементы в виде отходов асбестоцементно-го производства усадка составит: Таким образом, интенсивность трещинообразования может быть снижена в 5 — 6 раз, хотя вероятность появления усадочных трещин и в последнем случае полностью не исключается.
Кроме деформации усадки в грунтобетонном основании могут возникать деформации и трещины от воздействия эксплуатационных нагрузок [28, 88, 146, 147]. Хотя фактическая прочность конгломератных материалов значительно ниже теоретической, рассчитанной исходя из сил межмолекулярного взаимодействия, в силу неравномерности структуры возникают внутренние напряжения, в том числе и за счет неравномерности сил поверхностного натяжения жидкой фазы цементного теста. Объяснение этого расхождения впервые было высказано А. Гриффитом, который предположил наличие в твердом теле зародышевых трещин и показал, что напряжения в их вершинах совпадают с теоретической прочностью материала, а средние напряжения, приложенные к материалу в момент разрушения, являются мерой его технической прочности. На основании этих представлений была предложена статистическая теория хрупкой прочности, согласно которой показано, что конгломератные материалы разрушаются в результате процесса, развивающегося непрерывно во времени, а время до полного разрушения в значительной степени зависит от продолжительности действия нагрузки и температуры среды. Для определения длительной прочности материалов, имеющих хрупкий разрыв, С.Н. Журков предложил уравнение:
Разработка структурной модели грунтобетона с минеральными и органическими добавками направленного действия
Кроме того, выполненные исследования позволяют сделать правильный вывод о качестве материалов на основе активных дисперсных минеральных добавок и принятую концепцию структурной модели материала с пространственным структурообразующим заполнителем, т.е. теоретические и практические данные нашли полную сходимость и соответствие.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что при твердении бетонов из грунта с цементным вяжущим и минеральными добавками направленного действия из золошлаковой смеси и микроар-мирующего компонента из отходов асбестоцементного производства, имеет место целый ряд различных композиционных формаций от чистого цементного камня до цементно-золошлако-грунтового и асбесто-цементно-грунтового новообразований. При этом наблюдаются различные положительные физико-химические процессы и эффекты, способствующие формированию упорядоченной и более прочной структуры вокруг минеральных частиц золошлаковых смесей и отходов асбестоцемента. Это, в свою очередь, предопределяет получение более прочного и долговечного конгломератного материала в виде грунтобетона на цементной связке с минеральными добавками. Формирование материала с пространственным структурообразующим и микроармирующим фрагментами при определенном технологическом подходе можно считать вполне рациональным вариантом не только улучшения структуры укрепляемого грунта, но и получение нового материала с повышенными эксплуатационными свойствами. 1. Теоретически установлена взаимосвязь структуры и свойств укрепляемого грунта с вводимыми минеральными добавками, что позволяет обоснованно осуществить выбор рецептуры грунтобетона в соответствии с эксплуатационными требованиями при минимизации материальных и энергетических затрат. 2. Теоретически и экспериментально установлена целесообразность введения в их состав укрепляемой грунтобетон ной массы кроме минерального вяжущего дисперсных отходов в виде золощлаковых смесей и отходов асбестоцемента. Их введение в состав грунтобетонных смесей способствует сокращению расхода цемента при обеспечении упрочнения структуры, повышения механической прочности и водостойкости продуктов гидратационного твердения, что обусловлено действием адсорбционного энергетического поля вводимых добавок. 3. Введение в укрепляемую ґрунтобетонную массу отходов асбесто-цементного производства приводит к выравниванию процесса насыщения грунта известью за счет высокого содержания её в составе ОАЦП и нормализации соотношения клинкерных минералов в системе, что отразилось на дифрак-тограмме с d = 4,91; 3,10; 2,63; 1,93; 1,79-10" м появлением гидросиликатов кальция и упрочнением всей структуры. 4. Применение отходов асбестоцементного производства обеспечивает не только микроармирование структуры укрепленного грунта и повышение прочности цементного камня в зоне его контакта и всей многокомпонентной смеси, состоящей из цемента, золошлаковой смеси и отходов АЦП. Так, отмечено повышение температур происходящих эффектов: первого экзотермического эффекта с 325 С до 380 С и второго экзотермического эффекта с 615 до 660С. 5. Методами световой микроскопии и капиллярной пропитки установлено, что при формировании ґрунтоцементного камня с золошлаковыми частицами и отходами асбестоцемента за счет более плотной упаковки компонентов смеси и их физико-химического взаимодействия в грунтобетонной смеси значительно снижена общая структурная пористость. Происходит сокращение объема капиллярных пор, характерных для цементнозольного камня с 47-61 % до 23 - 28 %, а также заметное уменьшение среднего размера пор. 6. Изучение микроструктуры образцов грунтобетона с минеральными добавками волокнистое строение отходов асбестоцемента, обусловливает дисперсное микроармирование массива. Микроструктура укрепленных грунтов комплексными добавками направленного действия отличается упорядоченностью и равномерностью по сравнению с материалами, имеющими один вид добавки.
