Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Грунтобетоны в дорожном строительстве 9
1.2. Дорожно-строительные материалы с использованием глинистых пород 18
1.3. Состав и строение породообразующих минералов глинистых пород - как сырья для грунтобетонов 29
1.4. Влияние минерального состава и строения глинистых пород на свойства грунтобетона 37
1.5. Технология строительства оснований автомобильных дорог
с использованием укрепленных грунтов 42
1.6. Выводы 44
2. Методы исследований и свойства применяемых материалов 46
2.1. Методы исследований 46
2.1.1. Изучение состава сырья и материалов 46
2.1.2. Методика изучения сорбционных особенностей глин различных генетических типов 48
2.1.3. Получение образцов грунтобетона 49
2.2. Характеристика сырьевой базы грунтобетона региона КМА 52
2.3. Выводы 68
3. Особенности глинистых пород кма как сырья для производства грунтобетонов 70
3.1. Общая характеристика глинистых грунтов КМА 70
3.2. Качественные микроструктурные исследования глинистых пород КМА 81
3.3. Результаты изучения сорбционных особенностей глин-различных генетических типов 86
3.4. Выводы 91
4. Особенности структурообразования в системе "глинистые грунты КМА-вяжущие" 92
4.1. Особенности структурно-текстурных характеристик глинистых грунтов и их влияние на технологические показатели грунтобетона 93
4.2. Свойства известьсодержащих отходов заводов по производству сахара .. 97
4.3. Роль известьсодержащего компонента в процессах формирования микроструктуры искусственного композита 102
4.4. Характеристика состава и микроструктуры грунта, укрепленного комплексом неорганических вяжущих 108
4.5. Выводы 113
5. Грунтобетоны с применением сырья КМА 115
5.1. Разработка составов для укрепления земляного полотна 116
5.2. Оптимизация составов грунтобетона на основе глинистых грунтов региона КМА для строительства дорожных одежд 121
5.3. Технология производства сухих дорожных смесей с применением глинистых грунтов КМА 126
5.4. Выводы 132
6. Внедрение грунтобетонов на основе глинистого сырья КМА при строительстве автомобильных дорог 134
6.1. Укрепление грунта земляного полотна 134
6.2. Технологии устройства оснований автомобильных дорог с использованием глинистых пород КМА 144
6.2.1. Технология устройства оснований комплектом многопроходных машин 145
6.2.2. Технология устройства оснований однопроходными машинами -. 145
6.2.3. Технология устройства оснований при помощи грунтобетонной смеси, приготавливаемой в стационарных условиях 146
6.2.4. Уплотнение готовой смеси 150
6.3. Технология строительства при использовании грунтобетонов на основе глинистого сырья региона КМА 150
6.4. Оценка экономической эффективности использования грунтобетона на основе глинистого сырья региона КМА при устройстве оснований автомобильных дорог 155
6.5. Выводы 168
Общие выводы 170
Список использованной литературы 172
Приложения 186
- Состав и строение породообразующих минералов глинистых пород - как сырья для грунтобетонов
- Характеристика сырьевой базы грунтобетона региона КМА
- Роль известьсодержащего компонента в процессах формирования микроструктуры искусственного композита
- Технология производства сухих дорожных смесей с применением глинистых грунтов КМА
Введение к работе
В настоящее время во многих регионах Российской Федерации в связи с непропорционально быстрым ростом стоимости транспортных услуг, дефицитом щебня и переходом на строительство укрепленных оснований автомобильных дорог актуальным стало использование местных сырьевых ресурсов. При этом существенно снижается материалоемкость конструкций дорожных одежд, и повышаются технико-экономические и эксплуатационные параметры строительства автомобильных дорог.
Представляется, что для региона Курской магнитной, аномалии (КМА), территория которого на 70-80 % перекрыта глинистыми осадочными породами различного генезиса, состава и строения, экономически рентабельным является использование этих пород для строительства автомобильных дорог с применением укрепленных грунтов.
Особенно это актуально в связи с реализацией программы "Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство" предусматривающей строительство и благоустройство 3360 км автомобильных дорог.
Диссертационная работа выполнена в рамках единого заказ-наряда на проведение научно-исследовательских работ, финансируемого из средств федерального бюджета, утвержденного Министерством образования Российской Федерации на 1999-2002 гг.
Цель работы. Повышение эффективности грунтобетона с учетом генетических особенностей глинистых пород региона КМА, для строительства укрепленных оснований дорожных одежд.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
— исследование минерального' состава, строения и распространения глинистого сырья региона КМА, и вяжущих, пригодных для получения грунтобетонов;
— разработка составов грунтобетонов и технологии производства сухих до-
рожно-строительных смесей для укрепления земляного полотна и строитель
ства оснований автомобильных дорог III и IV категорий;
- подготовка нормативно-технической документации и внедрение резуль
татов работы.
Научная новизна работы:
Сформулированы принципы выбора сырья, формирования эффективных грунтобетонов и их рационального использования в дорожном строительстве в зависимости от генезиса, минерального состава и величины сорбционного поглощения глинистых пород КМА, позволяющие прогнозировать наиболее рациональную технологию производства грунтобетонов.
Установлен механизм структурообразования и набора прочности грунтобетонов на основе глинистых пород КМА, заключающийся в химическом взаимодействии полиминерального вещества глинистых пород с известьсо-держащими отходами и синтезе гелеобразных новообразований на гранях кристаллов глинистых минералов с несовершенными кристаллохимическими параметрами, что приводит к переходу конденсационной структуры смеси в конденсационно-кристаллизационную структуру композита.
Выявлен характер влияния минерального состава и генетических особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе цементогрунтобетонов. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией минералообразования, к которым относятся: смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоковидные глины умеренных глубин региона КМА.
Практическое значение работы:
Разработана классификация грунтов КМА; определены генетические типы грунтов, наиболее пригодных для укрепления неорганическими вяжущими.
Предложены оптимальные составы для укрепления земляного полотна" на основе глинистого сырья различных генетических типов.
Разработана технология производства грунтобетона и сухих дорожностроительных смесей для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог.
Внедрение результатов исследований:
Результаты работы внедрены при строительстве автомобильных дорог III— IV категорий в Белгородской области, в районе: сел Богословка и Скородное Губкинского района - 7 км, села Городище Старооскольского района - 4,7 км, села Таврово Белгородского района - 9 км.
Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие нормативные документы:
технические условия на "Вяжущее из известковых отходов сахарных заводов". ТУ 5744-008-02066339-00;
рекомендации по использованию глинистых грунтов КМА для укрепления оснований дорожных одежд;
технологический регламент на "Производство цементогрунтов с использованием глинистых пород КМА и вяжущего из известковых отходов сахарных заводов для укрепления оснований дорожных одежд".
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 29.10 и 29.06, что отражено в учебных программах дисциплин "Материаловедение", "Технология конструкционных материалов", "Строительные материалы и изделия", "Эксплуатация транспортных сооружений".
На защиту выносятся:
принципы выбора сырья, формирования эффективных грунтобетонов и их рационального использования в дорожном строительстве в зависимости от генезиса, минерального состава и величины сорбционного поглощения глинистых пород КМА;
механизм структурообразования и набора прочности грунтобетонов на основе глинистых пород КМА;
характер влияния минерального состава и генетических особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе цементогрунтобетонов;
технология строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием глинистых пород КМА;
результаты внедрений.
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 научных работ, в том числе учебно-методические указания.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 229 страницах машинописного текста, включающего 21 таблицу, 39 рисунков и фотографий, списка литературы из 158 наименований, 13 приложений.
Автор диссертации выражает благодарность докторам технических наук, профессорам БГТУ им. В.Г. Шухова Гридчину A.M. и Лесовику B.C. за участие в постановке проблемы и обсуждении результатов исследований.
Состав и строение породообразующих минералов глинистых пород - как сырья для грунтобетонов
Термином "глина" обозначают землистый тонкозернистый материал, обладающий пластичностью при смешивании с небольшим количеством воды. По данным Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60 % от общего объема осадочных пород земной коры. Химические анализы глин показывают, что они состоят из водных алюмосиликатов, обычно содержащих железо, магний, кальций, натрий и калий. Все они тонкозернистые и часто образуют коллоидные растворы; верхний предел размера глинистых частиц составляет 0,004 мм. Большинство глин образуется в процессах осадкообразования, диагенеза, выветривания или гидротермальной деятельности, и представляют собой продукт химического изменения первичных минералов: полевых шпатов, слюд и других силикатов [66, 67].
Характерные минералы большинства глин относятся к слоистым силикатам, принадлежащим к одной из следующих пяти групп [68]: 1) группе каолинита (или кандита), 2) группе монтмориллонита (или смектита), 3) группе глинистых слюд (или иллита), 4) группе вермикулита и 5) группе хлоритов (однако хлориты не считаются глинистыми минералами).
Главная особенность структуры минералов подкласса слоистых силикатов заключается в том, что в ней три из четырех атомов кислорода БіС -тетраздров одновременно принадлежат соседним тетраэдрам, и при этом образуются слои с псевдогексагональной решеткой, имеющие состав (Si4Oio)4_; А1 может замещать до половины атомов кремния, образуя листы состава (А18ізОю) и (AIS12O10) . Этим слоям приписываются такие названия, как "кремнекисло-родный слой", "кремнекислородный лист", "тетраэдрический слой" [69].
Во всех слоистых силикатах, за исключением апофиллита и некоторых других относительно редких минералов, этот тетраэдрический слой соединяется с другой листоподобной группировкой катионов (в основном алюминий, магний или железо), находящейся в октаэдрической координации с кислородом и гидроксильными анионами. Катион, расположенный в центре октаэдра, окружен шестью анионами, находящимися в каждой вершине октаэдра. Поскольку анионы принадлежат одновременно смежным октаэдрам, то образуется плоская решетка, часто называемая октаэдрическим слоем (нужно помнить, что слово "октаэдрическии" относится к расположению анионов, а не к их числу). Такой тип структур характерен для минералов А1(ОН)з (гиббсит) и Mg(OH)2 (брусит), а А1-ОН слои и Mg-OH-слои листовых силикатов часто называют гиббситовыми и бруситовыми слоями соответственно [70].
Гиббситовый слой имеет диоктаэдрическую структуру, т.е. в нем на каждые шесть анионов ОН" приходятся два катиона, в то время как бруситовый слой имеет триоктаэдрическую структуру, в которой на каждые шесть анионов ОЬГ приходятся три катиона.
Размеры тетраэдрических и октаэдрических слоев близки, и поэтому легко образуются смешанные тетраэдрические-октаэдрические слои. Последние могут состоять из двух разных слоев (двуслойная структура), а в ряде случаев октаэдрическии слой помещается между двумя тетраэдрическими слоями (трехслойная структура). В каждом тетраэдрическом слое свободный ион кислорода вершины каждого кремнекислородного тетраэдра располагается в центре треугольника, образованного другими тремя ионами кислорода. Таким образом, свободные ионы кислорода выстраиваются в гексагональные кольца с таким же расположением, как атомы кремния. Таким же способом располагаются гидроксильные ионы на поверхности октаэдрического слоя. Это дает возможность октаэдрическим и тетраэдрическим слоям соединяться посредством общих кислорода и гидроксил-ионов отдельных слоев. Если общей для октаэдрических и тетраэдрических слоев является только одна поверхность, то образуется двуслойный минерал (например, каолинит); если общими являются обе поверхности, то образуется трехслойный минерал (например, тальк, пирофиллит, мусковит, хлорит).
Смешанные октаэдрические-тетраэдрические слои всегда накладываются по оси с кристалла; в плоскости аЪ кристаллы имеют псевдогексагональный облик (большинство листовых силикатов моноклинные или триклинные), что отражает гексагональную природу слоев. Все слоистые силикаты имеют совершенную базальную спайность между слоями.
Таким образом, обобщим вышесказанное. Минералы группы каолинита имеют составы, соответствующие формуле Al4Si40io(OH)g, и построены из Si io-cnoeB, чередующихся со слоями гиббситового типа- А1-ОН. Структуры минералов группы монтмориллонита сходны со структурой пирофиллита, но они содержат обменные катионы и непостоянные количества молекул воды между слоями, что приводит к разбуханию этих минералов при погружении в воду. Обычная глинистая слюда - иллит по существу является тонкозернистым мусковитом, смешанным или переслаивающимся с монтмориллонитом, а вермикулит — это аналог монтмориллонита с тальковой структурой. Хлорит в глинах обычно смешан с другими глинистыми минералами, и часто его трудно определить.
Наиболее типичными и распространенными представителями глинистых минералов являются каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.
Каолинит и монтмориллонит относятся к диоктаэдрическим минералам и их структура построена соответственно из слоев состава AUtSi OioKOHJe и AI2(OH)2[Si40io]-nH20 [66].
Кристаллическая решетка каолинита состоит из пакетов алюмогидрок-сильных октаэдров (гибситовые слои) и кремнекислородных тетраэдров (као-линитовые слои), связанных между собой главной валентностью (рис.. 1.1, 1.2. а). Рассматривая кристалл снизу вверх, можно отметить следующие слои: слой атомов кислорода, за которыми идет слой атомов кремния, затем слой кислородных атомов с участием гидроксильных групп, дальше слой атомов алюми ния, выше которого идет слой, состоящий только из гидроксильных групп. Соприкосновение разнородных слоев двух смежных пакетов обуславливает прочную спайность пакетов друг с другом и жесткость кристаллической решетки каолинита.
Состав каолинита близок к формуле, атомные замещения незначительны или отсутствуют. Из четырех политипов каолинит наиболее распространен, остальные представлены диккитом, накритом и метагаллуазитом. Диккит и накрит встречаются редко, метагаллуазит распространен умеренно. Политипы отличаются способом наложения основной структурной единицы (каолинито-вого слоя), состоящего из тетраэдрического слоя, соединенного со слоем гиб-бситового типа. Правильная последовательность из одного, двух и шести као-линитовых слоев обнаружена в каолините, дикките и накрите соответственно. Метагаллуазит образуется из галлуазита, Al4Si40io(OH)8Oio-8H20, состоящего из закономерно чередующихся каолинитовых слоев и межслоевой воды. По существу метагаллуазит представляет собой галлуазит, из которого удалена большая часть межслоевой воды; характерно несимметричное наложение.
Характеристика сырьевой базы грунтобетона региона КМА
Дифференциальный термический анализ. Дериватограммы глинистых пород и образцов грунтобетона были получены на дериватографе Q-1500. Программный нагрев печей осуществлялся электронным термонагревателем от 20 до 1000С со скоростью 20С/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 (ДТ) 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 - 113 мг. Точность взвешивания составляла ±0,05 мг.
Дифрактометрический анализ. Фазовый состав исходных глинистых пород и степень кристалличности новообразований определялся на дифракто-метре ДРОН-ЗМ, модернизированном ООО "Стройтехна НИИЖБ", который позволяет проводить съемку и обработку данных при помощи ЭВМ, с использованием пакета программ PDWIN (порошковые методы рентгенографического анализа), предназначенного для автоматизации процесса обработки порошковых рентгенограмм и решения различных кристаллографических и физических задач для поликристаллических материалов. Съемка проводилась в непрерывном режиме с применением Си Ка излучении, с использованием Ni-фильтра, со скоростью 8 /мин. Ускоряющее напряжение на рентгеновской трубке составляло 20 кВ, ток 20 мА. Интервал углов 29 составил 4-64. Шаг сканирования Н 0,04 . Точность определения угла 0 составляла ± 0,04 . Идентификация дифрактограмм проводилась по каталогу JCPDS, с использованием электронной картотеки PDF-2 разработанной компанией ICDD (U.S.A.).
Электронно-микроскопический анализ. Новообразования, синтезированные на основе глинистого компонента различных генетических типов и полученные по различной технологической схеме отличаются морфологией, что, по нашему мнению, влияет на создаваемый каркас, формирование структуры грунтобетона, а, следовательно, на прочностные свойства искусственного конгломерата.
Работами В.Н. Соколова (МГУ) [88, 89] показано, что развитие методов количественного анализа микростроения глин с помощью комплекса РЭМ-микроЭВМ дало мощный толчок к изучению зависимости прочности образца от микроморфологических параметров его структуры.
Для выявления особенностей строения поверхности частиц новообразованных фаз и последующего сравнительного анализа с известными структурами с целью прогнозирования преимуществ использования того или иного сырья, нами была изучена микроморфология поверхности синтезированных образцов по микрофотоснимкам.
Ввиду того, что большинство новообразованных фаз, участвующих в формировании структуры грунтобетона, являются рентгеноаморфными, ни какие другие методы (ИК-спектроскопия, дифференциально-термический анализ), применяемые на сегодняшний день для изучения фазового-состава новообразований, не позволяют сформировать четкую картину для познания процессов, протекающих на микроуровне в процессе твердения.
Исходя из известных данных по кристаллографии наиболее вероятно присутствующих минералов в данной системе, химического анализа синтезированных образцов, дифференциально-термического, рентгенофазового анализа визуальная оценка фотоснимков позволила выявить закономерности синтеза материалов на основе глинистых грунтов различных генетических типов.
Микроструктурные исследования и количественный анализ микроструктуры образцов проводился с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий растровый электронный микроскоп (РЭМ) «Хитачи-8-800», совмещенный с персональным компьютером. Для анализа использовался специально разработанный пакет программ автоматической обработки РЭМ-изображений «СТИМАН», позволяющий получать практически все морфологические показатели микроструктуры (размер и форму структурных элементов, их ориентацию в пространстве), а также оценивать величину пористости и удельной поверхности. Определение основных классификационных показателей микроструктуры: степени крупности структурных элементов (пор и частиц) и их ориентации в пространстве проводятся с помощью Фурье-анализа полутоновых РЭМ-изображений. В результате этого анализа могут быть получены интегральные параметры микроструктуры: дисперсность (D) и анизотропия (А). Фурье-анализ заключается в построении Фурье-спектров полутоновых изображений, причем, чем ближе форма спектра к кругу, тем изометричнее структурные элементы (частицы или поры и изо-тропнее структура), и чем форма спектра ближе к эллипсу, тем больше степень ориентации структурных элементов.
Одним из важнейших моментов при исследовании микроструктуры с помощью РЭМ является подготовка образцов. В связи с тем, что камера образцов РЭМ находится в глубоком вакууме, образцы грунтов перед изучением их микроструктуры должны быть полностью обезвожены. При работе с молодыми глинистыми осадками и пластичными глинами (к которым относится исследуемый образец), дающими сильную усадку при высушивании, необходимо применять специальные методы сушки. Среди них наиболее эффективен метод вакуумной морозной (сублимационной) сушки. Суть метода заключается в «мгновенном» замораживании влажных образцов при температуре жидкого азота (-196С). При этом вся поровая влага, не успев раскристаллизовать-ся, переходит в твердое псевдоаморфное состояние. Такой переход не сопровождается объемным расширением образующейся фазы и не вызывает каких-либо разрушений микростроения образца. Затем замороженные образцы переносят в вакуумную камеру сублимационной установки, где 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. Для этого предварительно наносилась тонкая (1-2 нм) электропроводная углеродная пленка, а затем проводилось напыление пленки золота толщиной 10-20 нм.
Роль известьсодержащего компонента в процессах формирования микроструктуры искусственного композита
Результаты исследований, проведенных с помощью растровой электронной микроскопии, позволили показать общую картину формирования техногенной микроструктуры грунто-известкового агрегата [143].
Глинистые грунты КМА представляют собой полиминеральное вещество, микроструктура которого характеризуется скоплениями ультрамикроагрегатов и микроагрегатов глинистых минералов и кварца. При дезинтеграции в процессе приготовления дорожно-строительного материала происходит разрушение микроагрегатов по наиболее ослабленным контактным зонам. Нарушение микроструктуры ультрамикроагрегатов не происходит или происходит в минимальной степени. Общий вид измельченного грунта представлен на рис. 4.4. Первичные минеральные зерна в глинистых породах представлены обломками кварца, слюды, полевого шпата, кальцита и некоторых других минералов, среди которых визуально наиболее хорошо диагностируются кварцевые зерна. Преобладают изометричные частицы различной степени окатанности и корро-дированности. Характерной особенностью кварцевых зерен грунта является наличие на них «рубашек» из тонкодисперсного материала (рис. 4.5), представленного частицами глинистых минералов. Наличие «рубашек» оказывает существенное влияние на контактные взаимодействия этих зерен и их поведение в грунтобетоне. Глинистая составляющая грунтов отличается высокой дисперсностью, наличием аморфизованных зон, присутствуют глобулы типа опала, чешуйчатые минералы, зоны повышенной пористости.
Как известно, стабилизация глинистых грунтов известью, позволяет существенно улучшить строительные свойства пород, с повышенным содержанием разбухающих глинистых минералов, уменьшая число пластичности и увеличивая прочностные параметры грунтоагрегата. Введение известьсодержащего компонента при формировании грунтобетона на стадии подготовки сырьевой смеси перед укреплением цементом, приводит к формированию новой промежуточной микроструктуры материала, изменению его катионной емкости. Это происходит за счет того, что известковый компонент проникает в межпакетное пространство глинистых минералов с расширяющейся кристаллической решеткой и образует химические и водородные связи с обменными катионами и активными центрами на поверхности структуры.
Степень поглощения извести грунтами зависит от ряда факторов: вида исходных материалов (генезиса, структуры, минерального состава горной породы), степени их дисперсности, режима и времени обработки, тщательности гомогенизации известково-грунтовои смеси, степени уплотнения, количества воды в свежесформованном изделии. Степень поглощения извести является общим критерием для оценки принятого технологического режима укрепления грунтов и влияния на этот процесс различных технологических факторов.
Изучение кинетики связывания СаО, на примере распространенных на территории КМА опоковиднои и монтмориллонит-гидрослюдисто-кварцевой (эолово-элювиально-делювиальной) глин, приведено в главе 3.2. Результаты исследований показали, что взаимодействие глины с гидрокси-дом кальция при низких температурах имеет сорбционный характер. Ионы кальция сорбируются на поверхности глинистых минералов, а также занимают ненасыщенные связи, находящиеся между пакетами на границах алюмо- и кремнекислородных слоев. Структура грунта и его минеральный состав при этом не изменяется, о чем свидетельствуют данные рентгенофазового и дифференциально-термического анализов грунта после модификации известковым компонентом (приложение 5), а происходит лишь коагуляция глинистых частиц.
Наличие до 70 % глинистых минералов и аморфного кремнезема типа опала в опоковидной глине, объясняет тот факт, что величина ее сорбционного поглощения в 2,5 раза выше, чем в монтмориллонит-гидрослюдисто-кварцевой глине (результаты сорбционного поглощения грунтов приведены в главе 3.2).
Однако, помимо замещения межслоевых катионов ионами кальция и насыщения кальцием межслоевых позиций, что приводит к уменьшению кати-онной емкости глинистых минералов, нами обнаружены рентгеноаморфные глобулярные новообразования. Они представляют собой сетку из новообразованного вещества с явно выраженными оолитоподобными составными частями, соединенными между собой в виде цепочек (рис. 4.6). Это свидетельствует о том, что в относительно короткие сроки (длительность выдержки экспериментальных образцов составила 28 суток) происходят не только физико-механические процессы стабилизации, но и химическое взаимодействие с формированием зародышевых фаз.
Под зародышеобразованием понимают локализованное возникновение небольшого объема (радиуса от единиц до десятков ангстрем) новой фазы в маточной среде [144]. В рассматриваемой системе, ввиду ее крайней неоднородности и открытости, вероятнее всего, в большей степени развито гетерогенное (на поверхности раздела фаз), и в меньшей гомогенное (спонтанное, самопроизвольное) зародышеобразование.
В результате, наблюдается зарождение новообразований, формирование зародышей типичной кристаллизационной структуры в системе «глинистый грунт - известьсодержащий компонент». Рентгеноаморфные зародыши новообразований в виде разветвленного жесткого каркаса пронизывают весь объем, соединяя между собой крупные агрегаты грунта (рис. 4.7). Новообразования, возникающие в микропустотах грунта, их формирование, рост, способствуют омоноличиванию и росту прочности искусственного конгломерата.
Таким образом, в результате внедрения щелочного компонента происходит взаимодействие, включающее сорбцию, ионный обмен и химические реакции. Это обусловлено тем, что глина состоит из активных частиц, легко вступающих в реакцию. При этом происходит адсорбция на глинистых частицах, приводящая к росту пленки. В результате нейтрализации зарядов на поверхности происходит осаждение известкового компонента адсорбционной поверхностью глинистых частиц. В дальнейшем отдельные частицы новообразований связываются в пространственные сетки геля. Обработка известьсодержащим вяжущим позволяет изменить физико-механические свойства глинистых грунтов и дает возможность использовать их в качестве компонента грунтобетона, при сооружении автомобильных дорог.
На стабилизацию немаловажное влияние оказывает такой фактор, как вре- . мя: с течением времени в глинах, при некотором данном количестве известковой составляющей развиваются равновесные условия, которые могут обеспечить их значительное упрочнение. На приведенном графике (рис. 4.8) показано как изменяются прочностные характеристики грунто-известкового композита в зависимости от времени стабилизации грунта и числа пластичности (ЧП) сырья. С учетом того, что для материалов на основе известкового вяжущего марочную прочность определяется согласно СН 25—74 [91] в возрасте 90 суток, можно прогнозировать рост прочности в эксплуатационный период.
По кинетике изменения прочности можно сделать выводы о характере, происходящих в ходе стабилизации, изменений. Анализ микроструктуры и микротекстуры образцов, различного возраста, свидетельствует о том, что при естественных условиях происходит формирование новообразований, разрыхление глинистых агрегатов, уменьшение пористости за счет образования сетки скелета.
Технология производства сухих дорожных смесей с применением глинистых грунтов КМА
Свойства грунтобетонных оснований, в первую очередь их прочность и долговечность, существенно зависят не только от применяемых материалов, но и от технологии их переработки и гомогенизации. С этой точки зрения наибольшей эффективностью обладает технология получения . грунто-цементо-известковой смеси в установках стационарного типа, т.е. производство сухих дорожных смесей.
При производстве грунтоцементных смесей из глинистых пород в грунто- смесительной установке удается достичь тщательного перемешивания компонентов, что позволяет производить устройство грунтобетонных слоев высокого качества.
Для подачи грунта в смесительную установку наиболее эффективно применять фронтальные пневмоколесные погрузчики с разгрузкой материала непосредственно в бункер дозировочного агрегата или бункер-питатель ленточного транспортера. Для надвижки сырья в заглубленную приемочную часть ленточного транспортера использовались бульдозеры. Для дозирования грунта применялись пульсационные, вибрационные, ленточные и пластинчатые дозаторы-питатели. Для мелкозернистых грунтов наиболее приемлемыми оказались ленточные и вибрационные модели. На некоторых моделях применены весовые автоматические дозаторы для всех компонентов сме месительный агрегат непрерывного действия должен иметь накопительный бункер небольшого объема, при такой конструкции грунтосмесителя требуется очень четкая организация движения транспортных средств. Модели последних лет имеют накопительные бункеры емкостью, равной 0,25—1,00 часовой производительности установки, что обеспечивает бесперебойную их работу.
Накопительный бункер такого объема представляет собой отдельный агрегат в грунтосмесительном комплекте, к его конструкциям также предъявляются требования мобильности.
Важной конструктивной особенностью грунтосмесительных установок является система управления агрегатами и механизмами технологического комплекта. При непрерывном способе смешения необходимо строго соблюдать очередность пуска и остановок агрегатов технологической линии, обеспечить блокировку всех приводов, чтобы при нарушении режима работы какого либо агрегата останавливалась вся технологическая линия или корректировался режим ее работы. Установки производительностью до 150-250 т/ч должны иметь дистанционное управление, большей производительности - дистанционное и автоматизированное.
Для обеспечения требуемой мобильности грунтосмесительной установки она должна комплектоваться оборудованием для расходных запасов вяжущих также высокомобильного типа. Объем расходного запаса вяжущего у грунто-смесительной установки зависит от условий его доставки и производительности установки.
Для хранения цемента наиболее удобными оказались емкости, оборудованные системой для пневматической загрузки и подачи цемента в смесительную установку. Такие емкости на подкатных пневмоколесных тележках легко перебазируются автотягачами.
На рисунке 5.4 приведена технологическая схема установки по производству грунтобетонной смеси. Она делится на несколько отделений: подбункер-ное, бункерное, дозаторное, смесительное и отделение по приему готовой продукции.
В подбункерном отделении со склада подаются материалы и распределяются по соответствующим бункерам. Грунт подается в бункер наклонным ленточным конвейером, расположенным в галерее. Подача извести и цемента осуществляется пневмотранспортером. Отработанный воздух через матерчатый фильтр выбрасывается в атмосферу.
В бункерном отделении расположены бункера, которые разделены перегородками. В отдельном бункере для цемента предусмотрено устройство для аэрации.
В дозировочном отделении установлены дозаторы массы с автоматизированным управлением. Дозаторы сухих компонентов смеси загружаются из соответствующих отсеков бункера. В водяной дозатор вода поступает из установленного под ним бака, наполненного водой из водопроводной магистрали.
Приготовление грунтоцементной смеси применялись смесители принудительного действия с вертикально расположенными валами. Такие смесители можно применять для смесей практически любой подвижности и жесткости. Они могут быть как роторными, так и турбулентными. Загруженные в смеситель материалы смешиваются лопастями, вращающимися вокруг центральной оси. Готовая смесь выгружается через отверстие расположенное в днище корпуса.
К преимуществам смесителей принудительного действия относятся меньшая по сравнению с гравитационными продолжительность перемешивания и, следственно, более высокая производительность, а также предотвращение комкования смеси. Оптимальное время перемешивания смеси ровно 30-60 сек., а полный цикл 75-120 сек.
Отделение по приему готовой продукции было оборудовано воронками выдачи готовой смеси на транспорт.
Грунтоцементобетонную смесь необходимо готовить по двухстадийной технологии из-за раздельного введения известковосодержащего компонента и цемента. На первой стадии происходит дозирование и смешение грунта и известковосодержащего вяжущего из отходов.
Эта смесь подается в накопительный бункер, где находится не менее трех часов в случае, если добавку вводят для связывания избыточной влаги грунта; не менее 18-24 часов при использовании добавки извести в качестве химического компонента вступающего в реакцию с активной частью грунта. На второй стадии идет окончательное приготовление грунтобетонной смеси из прореагировавших грунта и извести и цемента с водой. Влажность грунта в период смешения его с известьсодержащими добавками, применяемыми в качестве химического компонента, должна быть близкой к оптимальной [13].
