Введение к работе
Актуальность. В связи с реализацией национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года, актуальной является задача поиска эффективных решений по расширению сырьевой базы дорожного строительства за счет вовлечения местных как природных, так и техногенных сырьевых ресурсов при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд взамен традиционных дорогостоящих материалов.
Практически неиссякаемыми источниками сырья для дорожного строительства могут стать отходы горнодобывающего комплекса, в том числе образующиеся при добыче и обогащении угля. В настоящее время они не находят практического применения и являются многотоннажными техногенными образованиями. В результате оказывается невостребованным большое количество природного минерального сырья. Наряду с этим происходит загрязнение прилегающих территорий и отчуждение полезных земель.
Данный вопрос особенно актуален для Челябинской области, где расположено самое крупное в Европе, разрабатываемое открытым способом, Коркинское угольное месторождение (КУМ), объем выработанного пространства которого превышает 800 млн м3.
Разработка технологий, позволяющих повысить эффективность производства дорожных грунтобетонов за счет рационального применения сырья угольных разрезов, будет способствовать сокращению объемов использования традиционных материалов, таких как, песок, щебень и цемент, а также снижению негативного влияния техногенных месторождений на экологическую обстановку в регионе.
Диссертационная работа выполнена в рамках: тематического плана госбюджетных НИР 1.3.04 Федерального агентства по образованию, проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ и финансируемого из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.; мероприятия 1.3.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по проблеме «Утилизация отходов горнодобывающих предприятий в дорожном строительстве».
Цель и задачи работы. Разработка эффективных грунтобетонов на основе отходов КУМ для дорожного строительства с использованием композиционного грунто-известкового вяжущего.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
— изучение состава, свойств и микроструктурных особенностей отхо
дов КУМ, выявление рациональных областей их использования в дорож
ном строительстве;
- разработка композиционного вяжущего на основе алюмосиликатно-
го сырья КУМ для укрепления песчаных грунтов;
- подбор составов грунтобетонов на основе техногенных грунтов
КУМ с применением композиционного вяжущего;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических
и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследований.
Научная новизна работы. Разработаны принципы повышения эффективности грунтобетонов на основе песчаных грунтов, заключающиеся в управлении процессами структурообразования за счет использования композиционного грунто-известкового вяжущего (КГИВ). Повышение активности КГИВ предлагается путем механоактивации полидисперсного и полиминерального алюмосиликатного сырья в присутствии извести, что позволяет максимально увеличить количество точек химического и физико-химического взаимодействия основного компонента (грунта) и активатора твердения (извести) и, тем самым, обеспечить увеличение формирования кристаллизационных контактов в структуре грунтобетона.
Выявлен характер зависимости сорбционной емкости отходов КУМ в среде, насыщенной ионами Са2+, от их минералогического состава. Наблюдается прямая зависимость между количеством слоистых алюмосиликатов и величиной емкости поглощения. Произведено ранжирование отходов КУМ по увеличению степени их активности по отношению к СаО в системе «алюмосиликатное сырье - известь» в следующей последовательности: отходы углеобогащения в виде частиц аргиллита и угля —> отходы углеобогащения (песчаник, алевролит, аргиллит, уголь) —+ аргиллиты —* породы угленосной толщи (песчаник, алевролит, аргиллит, уголь) —> отходы углеобогащения в виде обломков алевролита, аргиллита, угля размером до 100 мм —> опока —* глина опоковидная. Установлено наличие рентге-ноаморфного вещества (RAS), представленного как аморфным кремнеземом, так и широким спектром алюмосиликатного вещества, а также углеродистым материалом.
Предложена расчетно-экспериментальная методика определения минимального количества извести, необходимого для достижения рациональных условий структурообразования грунто-известкового композита, заключающаяся в анализе системы «алюмосиликатный грунт - известь -вода», с учетом производной характеристики минералогического состава -емкости поглощения алюмосиликатной кристаллической и коллоидной фракциями грунта ионов Са2+. Рациональные условия структурообразования композита могут быть достигнуты при полном насыщении активной составляющей грунта катионами Са2+, а следовательно, синтезе максимального количества кристаллогидратов силикатов и алюминатов кальция, что, в свою очередь, приведет к формированию более прочной, водо- и морозостойкой структуры укрепляемого материала.
Практическое значение работы. Разработаны рекомендации по использованию в качестве сырьевых компонентов отходов КУМ при производстве дорожно-строительных материалов.
На основе глины опоковидной КУМ разработано композиционное вяжущее для укрепления песчаных грунтов в дорожном строительстве.
Предложены составы грунтобетонов с применением КГИВ для устройства конструктивных слоев дорожных одежд.
Построена номограмма по определению требуемого количества КГИВ для получения заданного класса прочности грунтобетонов на основе исследуемых отходов исходя из условий прочности и морозостойкости.
Предложена технология производства грунтобетонов I, II, III класса прочности на основе отходов углеобогащения КУМ и КГИВ, пригодных для строительства покрытий и оснований автомобильных дорог в III до-рожно-климатической зоне.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена при строительстве 6 км автомобильной дороги IV категории в поселке Полевой Челябинской области.
Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:
стандарт организации СТО 02066339-003-2009 «Композиционное грунто-известковое вяжущее на основе глины опоковидной Коркинского угольного месторождения»;
рекомендации по использованию попутно-добываемых пород Коркинского угольного разреза для производства композиционного вяжущего;
рекомендации по использованию отходов углеобогащения Коркинского разреза для строительства укрепленных оснований, покрытий со слоем износа и обочин автомобильных дорог;
технологический регламент на производство композиционного вяжущего для дорожных грунтобетонов.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы» и 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международной научно-технической конференции «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Харьков, 2008); Общем собрании РААСН «Здоровье населения -стратегия развития среды жизнедеятельности» (Белгород, 2008); Международной научно-технической конференции «Проблемы современного
строительства» (Пенза, 2009); Юбилейной международной научно-практической конференции «Строительство-2009» (Ростов-на-Дону, 2009); Международном семинаре «О состоянии и развитии новых материалов для дорожного строительства» (Белгород, 2009); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (Белгород, 2009).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 12 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На состав и технологию получения грунтобетонов подана заявка на патент № 2010108582, приоритет от 09.03.2010.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, включающего 54 таблицы, 85 рисунков и фотографий, списка литературы из 148 наименований, 11 приложений.
