Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Состояние сырьевой базы дорожных грунтобетонов 10
1.2. Генетические особенности техногенного сырья 12
1.3. Анализ системы «глинистые грунты - неорганические вяжущие» 19
1.4. Методы устройства земляного полотна и оснований автомобильных дорог с использованием грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими 38
1.5. Выводы 51
2. Методы исследований 53
2.1. Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов 53
2.1.1. Рентгенофазовый анализ 53
2.1.2. Дифференциальный термический анализ 54
2.1.3. Растровый электронно-микроскопический анализ 54
2.1.4. ИК-спектроскопия 55
2.1.5. Определение количества активных центров 56
2.2 Определение физико-механических свойств техногенных
грунтов КМА 57
2.2.1. Определение гранулометрического состава техногенных грунтов 57
2.2.2. Метод акустополярископии 59
2.3. Изучение свойств вяжущих и грунтобетонов 62
2.4. Выводы 62
3. Характеристика техногенной сырьевой базы грунтобетонов региона КМА 64
3.1. Формирование техногенных отложений региона КМА 65
3.2. Физико-механические свойства техногенных сырьевых материалов 69
3.3. Состав и физико-химические особенности техногенного сырья.. 73
3.4. Состав и микростроение техногенного сырья по данным растровой электронной микроскопии 82
3.5. Микроструктура техногенного глинистого сырья как фактор техногенного литогенеза 91
3.6. Выводы 98
4. Свойства грунтобетонов в зависимости от вида техногенного сырья и содержаниявяжущих 101
4.1. Разработка составов для укрепления земляного полотна 102
4.2. Состав и свойства грунтобетонов на основе комплекса вяжущих 107
4.3. Разработка эмпирической модели оценки прочности грунтобетона 115
4.3.1. Динамическая модель набора прочности грунтобетона... 116
4.3.2. Статическая модель оценки прочности грунтобетона 124
4.4. Структурообразование грунтобетонов при длительном твердении 127
4.4.1. Изменение прочностных характеристик при длительном твердении 129
4.4.2. Структурообразование грунтобетонов на основе отходов дробильно-сортировочной фабрики 134
4.4.3. Структурообразование грунтобетонов на основе рыхлой вскрыши 139
4.5. Выводы 151
5. Расчет конструкции дорожных одежд с использованием техногенных грунтов региона КМА... 154
5.1. Зависимость свойств грунтобетона от способа уплотнения 154
5.2. Расчет конструкций дорожных одежд 157
5.2.1. Исходные данные для расчета 157
5.2.2. Расчетные нагрузки 158
5.2.3. Расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу 160
5.2.4. Расчет дорожной одежды по сопротивлению сдвигу 162
5.2.5. Расчет монолитных слоев на растяжение при изгибе 164
5.2.6. Обеспечение морозоустойчивости дорожных одежд и земляного полотна 166
5.3. Выводы 169
6. Апробацрія теоретических и экспериментальных исследований в промышленных условиях 170
6.1. Технология производства дорожно-строительных смесей 170
6.2. Технология устройства оснований дорожной одежды 173
6.3. Технико-экономическое обоснование эффективности применения техногенных грунтов для получения грунтобетона 179
6.3.1. Расчет экономии денежных средств при использовании техногенных грунтов для укрепления дорожных оснований 185
6.3.2. Оценка эффективности инвестиционного проекта на основе динамических методов 188
6.4. Выводы 193
Общие выводы 195
Список использованной литературы 199
Приложения 213
- Состояние сырьевой базы дорожных грунтобетонов
- Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов
- Формирование техногенных отложений региона КМА
- Состав и свойства грунтобетонов на основе комплекса вяжущих
Введение к работе
К началу третьего тысячелетия деятельность человека по масштабам стала соизмерима с геологическими процессами. Достаточно отметить, что ежегодно в мире перерабатывается около 4,5 млрд. т различных пород, используется из которых менее 10 %; рациональные области использования отходов, как правило, не определены. При этом приблизительно такое же количество сырья ежегодно добывается для нужд промышленности строительных материалов.
В настоящее время на территории РФ накоплено около 80 млрд. т промышленных отходов, которые занимают почти 300 тыс. га полезных земель. Ежегодно более 2 тыс. га отводится для складирования отходов, в том числе и ценные сельскохозяйственные земли, что не может не сказаться на экологической обстановке регионов. Данная проблема актуальна и для Белгородской области, на территории которой располагается ряд месторождений Курской магнитной аномалии (КМА). Мощным «производителем» отходов являются Лебединский и Стойленский горно-обогатительные комбинаты (ГОКи), где за год образуются десятки миллионов кубических метров техногенного сырья. Наиболее крупнотоннажными отходами являются механоген-ные, эффективной областью использования которых может быть дорожная отрасль.
Переход на использование укрепленных слоев дорожной одежды на основе техногенного сырья позволит получать грунтобетон для строительства автомобильных дорог III—IV категорий в III—IV дорожно-климатических зонах, исключив дорогостоящий щебень, расширив сырьевую базу дорожных грунтобетонов и снизив экологический прессинг в районах складирования отходов.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимого по заданию Министерства образования РФ и финансируемого из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.
к Цель работы. Повышение эффективности дорожного строительства
за счет использования техногенного сырья КМА с учетом его генетических особенностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение минерального состава, строения и распространения техногенного сырья КМА, как сырья для получения грунтобетонов;
исследование кинетики структурообразования матрицы грунтобетонов, формирования новообразований, их фазового состава и морфологии в зависимости от состава и длительности твердения;
разработка составов и изучение свойств грунтобетонов для укрепления земляного полотна и строительства оснований автомобильных дорог III и IV технических категорий;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и промышленная апробация.
і Научная новизна работы. Установлено, что отвалы отходов Лебе-
динского ГОКа КМА - это техногенное глинистое и песчаное сырье механо-генного происхождения, представляющее собой сложноструктурированную полиминеральную полигенетическую систему с реликтовыми и новообразованными структурами, по совокупности свойств не имеющее аналогов среди природных образований. В его состав входят минералы различных генетических типов (как осадочных, так и метаморфогенных пород), что приводит к формированию нетрадиционных систем и оказывает влияние на физико-химические процессы структурообразования грунтобетонов.
Предложен механизм формирования микроструктуры техногенного сырья, заключающийся в самоорганизации микроструктуры, суть которой выражается в регенерации (самопроизвольном восстановлении) разрушенной механическими воздействиями исходной коагуляционной и кристаллизационной микроструктуры. Явление самоорганизации обусловлено повышенной химической активностью, высокой степенью дисперсности, кристаллохими-ческими особенностями строения и минеральным составом глинистых мине-
I ралов. Показано, что самоорганизация микроструктуры техногенного глини-
* стого сырья приводит к техногенному литогенезу, происходящему в толщах
отвалов при формировании техногенных отложений.
Установлен характер взаимосвязи между микроструктурой исходного техногенного сырья и процессами формирования микроструктуры в грунтобетоне, заключающийся в наследовании степени агрегирования как первой стадии формирования коагуляционной микроструктуры грунтобетона. Модель формирования микроструктуры грунтоизвесткового композита заключается в частичном обезвоживании грунта за счет взаимодействия свободной воды с частицами известьсодержащих отходов, адсорбировании вяжущего компонента глинистыми минералами, возникновении зародышей новообразований на поверхности глинистых частиц, формировании в пустотах глинистого каркаса сетки-скелета новообразованного вещества с пористой микроструктурой.
На основе изучения кинетики изменения микроструктуры матрицы
» грунтобетонов на глинистом и песчаном техногенном сырье в возрасте до
трех лет с помощью РЭМ-изображений, установлено формирование сетки из несформированного рентгеноаморфного вещества с явно выраженными оолитоподобными составными частями, соединенными между собой в виде цепочек, при длительных этапах твердения в грунтобетоне на основе песчаных техногенных грунтов. Доказано формирование в постгенетический период новообразованных кристаллов, имеющих четко выраженную форму и хорошую огранку, в материале на основе глинистого техногенного сырья.
Практическое значение работы. Разработана классификация техногенного сырья по степени его преобразования в процессе техногенеза; определены рациональные области использования механогенных отходов Лебединского ГОКа КМА с учетом степени техногенных преобразований.
Составлены рекомендации по использованию в качестве сырьевых компонентов техногенного сырья Лебединского ГОКа - рыхлой вскрыши и отходов дробильно-сортировочной фабрики - при производстве грунтобетонов для дорожного строительства.
* Разработаны составы грунтоизвестковой смеси на основе глинистого
техногенного сырья КМА (рыхлой вскрыши) для использования при укреп
лении земляного полотна дорожных одежд.
Предложена технология производства грунтобетонов I класса прочности на основе как глинистого, так и песчаного техногенного сырья, модифицированного известьсодержащими отходами сахарного производства, с использованием цемента, пригодных для строительства оснований автомобильных дорог III—IV категории.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при строительстве автомобильных дорог III и IV технических категорий в Белгородской области, в районе сел Репяховка и Графовка Красно-яружского района - 5 км, подъездные пути к птицефабрикам в поселке Красная Яруга - 2 км, села Илек Кошары и Святославка Ракитянского района - 4,3 км.
* Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строитель
стве и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие норма
тивные документы:
ТУ 5744-008-02066339-00 "Вяжущее из известковых отходов сахарных заводов";
рекомендации по использованию рыхлой вскрыши Лебединского ГОКа для устройства земляного полотна и укрепления оснований дорожных одежд;
рекомендации по использованию отходов дробильно-сортировочной фабрики Лебединского ГОКа для производства грунтобетона;
технологический регламент на "Производство грунтобетонов с использованием техногенного сырья Лебединского ГОКа КМА и вяжущего из известковых отходов сахарных заводов для укрепления оснований дорожных одежд".
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспе
риментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения ис-
t пользуются в учебном процессе при подготовке инженеров по специально-
стям 270205, 270106 и 340100, что отражено в учебных программах
дисциплин «Строительные материалы и изделия», «Инженерная геология», «Минерально-сырьевая база отрасли», «Дорожно-строительные материалы и изделия», «Технология конструкционных материалов». На защиту выносятся:
результаты исследования особенностей минерального состава, гранулометрии и микростроения техногенного сырья Лебединского ГОКа;
механизм формирования микроструктуры техногенного сырья, как фактор техногенного литогенеза, происходящего в толщах отвалов при формировании техногенных отложений;
модель формирования микроструктуры грунтоизвесткового композита,
кинетика изменения микроструктуры матрицы грунтобетонов на основе глинистого и песчаного техногенного сырья в постгенетический период;
оптимальные составы грунтоизвесткового композита и грунтобетона I класса прочности с использованием техногенного сырья Лебединского ГОКа для устройства земляного полотна и оснований автомобильных дорог III—IV категории;
результаты внедрения.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в десяти научных публикациях, в том числе в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 250 страницах машинописного текста, включающего 34 таблицы, 73 рисунка и фотографии, списка литературы из 158 наименований, 9 приложений.
Автор диссертации выражает благодарность докторам технических наук, профессорам БГТУ им. В.Г. Шухова A.M. Гридчину и B.C. Лесовику за участие в постановке проблемы и обсуждении результатов исследований. Доктору геолого-минералогических наук, профессору кафедры инженерной экологии и геологии МГУ им. Ломоносова В.Н. Соколову и к.г.-м.н., старшему научному сотруднику Н.А. Ларионовой за помощь в изучении и обработке результатов РЭМ.
Состояние сырьевой базы дорожных грунтобетонов
Одним из критериев уровня развития стран является состояние дорожной сети. Огромные просторы России, многообразие климатических, геоморфологических и тектонических условий существенно усложняют создание автомобильных дорог высокого класса, и здесь следует отметить, что темпы снижения производства практически во всех отраслях промышленности меньше всего затронули, пожалуй, дорожное строительство [1,2].
На данном очень сложном этапе развития промышленности России дорожная отрасль должна ориентироваться на современные, маломатериалоем-кие и неэнергоемкие технологии [3-9].
В течение всего года дорожная одежда должна быть прочной, противо » стоять динамическим нагрузкам, передающимся на нее при движении авто мобиля, а также ровной и не скользкой. Дороги подвержены активному воздействию многочисленных природных факторов. Эти особенности их работы должны быть учтены всеми службами, отвечающими за эксплуатацию дорог в течение длительного времени [10,11].
В настоящие время сложилась устойчивая тенденция перехода от нежестких конструкций дорожных одежд к жестким, имеющим несколько слоев, обладающих сравнительно большим сопротивлением изгибу и модулем упругости практически не зависящим от колебаний температуры и влажности. Жесткие одежды работают по принципу плит на упругом основании. Распределение давления от внешней нагрузки на площадь грунта значительно большую, чем нежесткие нижние слои, нужно устраивать из местных каменных материалов [12].
Необходимость в строительстве дорог с минимальными затратами мате риально-технических ресурсов ставит задачу максимального использования грунтов, улучшенных различными добавками, неорганическими и органиче I скими вяжущими материалами. Для решения этой задачи ряд научных школ под руководством профессоров Н.Н. Иванова, В.В. Охотина, П.А. Замятин 11 h ского и М.М. Филатова занимались, начиная с 1930 г. разработкой методов улучшения физико-механических свойств грунтов в дорожных целях. На Украине исследования свойств грунтов и методов их улучшения проводились под руководством профессоров А.К. Бируля, М.И. Волкова и СМ. Мурав-лянского. Большое значение имели работы проф. М.М. Филатова [13-17], в которых сделано научное обобщение ранее выполненных исследований и на основе учения о поглотительной способности почв и адсорбционных явлений разработана теория улучшения грунтов органическими вяжущими материалами. Существенное значение в деле применения грунта как дорожностроительного материала имели работы профессора А.К. Бируля [18, 19] по конструкциям дорожных покрытий и оснований из грунта, улучшенного вяжущими.
Существующий в настоящее время в РФ мощный производственный по тенциал позволяет широко использовать местные природные ресурсы в соче » тании с отходами промышленного производства для масштабного дорожного строительства, не нарушая экологического баланса [20-22].
Под укреплением грунтов понимается комплекс мероприятий, направленных на создание, по существу, новых строительных материалов с новыми физико-механическими свойствами, по сравнению со свойствами исходных грунтов. Укрепленный грунт представляет собой систему, в которой ее составные части - грунтовые зерна и связующие вещества - сохраняют свою химическую индивидуальность, а процессы физико-химического взаимодействия протекают главным образом на границах раздела фаз [23].
Как известно, в грунтоведении под природными (естественными) грун тами понимают любые горные породы в поверхностных слоях земной коры, используемые в качестве материалов в строительстве инженерных сооруже ний. В дорожно-строительной практике под грунтами также понимают все горные породы, подразделяя их на скальные и нескальные. В соответствии со строительной классификацией все нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные, песчаные и глинистые [24]. і Исходя из состояния сырьевой базы, требований, предъявляемых к каче ству дорог, а также экономических соображений, в настоящее время и в обо 12 1 зримом будущем наибольшее применение в дорожно-строительной практике будут иметь композиционные материалы на основе грунтов, в которых дефицитные и относительно дорогие вяжущие и добавки к ним используются в минимальных объемах, а основную часть составляют те или иные отходы и побочные продукты промышленных предприятий, обладающие даже слабо выраженными вяжущими свойствами [25-29]. Классификация техногенных грунтов представлена в прил. 1.
Укрепление техногенных грунтов различными вяжущими материалами является новым, технически целесообразным и экономически выгодным методом постройки дорожных и аэродромных оснований и покрытий облегченного типа. В понятие укрепления грунтов необходимо вкладывать весь комплекс мероприятий технологического и строительного порядка, придающих обработанным грунтам достаточную сопротивляемость нагрузкам, независимо от степени увлажнения грунта.
Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов
РФА использовали для качественной оценки фазового состава сырьевых материалов, компонентов вяжущего и грунтобетонов. Анализ проводился методом порошков. Съемка рентгенограмм велась на дифрактометре ДРОН-3.0, принцип которого основан на ионизационном методе регистрации интенсивности отраженного излучения. Для получения монохроматического рентгеновского излучения использовали медный антикатод СиКа с никелевым фильтром. Дифрактограммы получали при U=30 кВ, 1=20 мА и ширине вы ходной щели 1 мм. Съемки вели в интервале углов 6-64. Расшифровку ди-фрактограмм и идентификацию минералов и гидратных фаз цементного камня проводили по данным, имеющимся в литературе [126-128].
Дифференциальный термический анализ Дифференциально-термический анализ образцов техногенных грунтов и грунтобетонов на их основе проводили на дериватографе фирмы MOM. Кривые ДТА получали с образцов одинаковой массы - 600 мг, в одном и том же платиновом тигле при одинаковом режиме работы аппарата: ДТА - 1/5, ДТГ - 1/5, ТГ - 100 мг, скорость подъема температуры - 10 град/мин с регистрацией изменений тепловых эффектов при помощи ЭВМ. Для увеличения чувствительности были проведены высокочувствительные съемки ДТА с регистрацией эффектов фотогальванометрическим методом при следующих параметрах записи: ДТА - 1/2; ДТГ - 1/2; ТГ - 50 мг; т=300 мг [129-131].
Растровый электронно-микроскопический анализ
Микроструктурные исследования образцов проводились с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий растровый электронный микроскоп (РЭМ) «Хитачи-8-800», совмещенный с персональным компьютером [132,133].
Одним из важнейших моментов при исследовании микроструктуры с помощью РЭМ является подготовка образцов. В связи с тем, что камера РЭМ находится в глубоком вакууме, образцы перед изучением их микроструктуры должны быть полностью обезвожены. Затем замороженные образцы переносят в вакуумную камеру сублимационной установки, где они высушиваются -при нужных отрицательных температурах за счет сублимации замерзшей влаги в вакууме.
Для получения качественного изображения в РЭМ применялась методика термического напыления образцов в вакууме пленкой золота толщиной 10-20 нм
При проведении качественного анализа микроструктуры образцов искусственных композитов были выполнены следующие основные требования: 1) при подготовке образцов для анализа реальная микроструктура не была искажена, т.е. получена ненарушенная поверхность, в максимальной степени отражающая реальную микроструктуру образца;
2) выбранный режим работы РЭМ, обеспечивал получение изображений, с одной стороны, в максимальной степени отражающих истинную микроструктуру образца, а с другой - отвечающих формальным требованиям анализа, то есть получению бинарного (черно-белого) изображения;
3) перед распространением результатов, полученных по одному «точечному» определению на весь образец, была установлена однородность микроструктуры.
Развитие современных методов изучения микроструктуры открывает новые перспективы в познании природы формирования свойств строитель ных материалов. С помощью анализа РЭМ-изображений стало возможным по образцам малого размера быстро и надежно оценивать показатели микро г структуры и устанавливать тип микроструктуры искусственного композита.
Это позволяет решить задачу создания адекватной модели, позволяющей на основании данных анализа РЭМ-изображений поверхности образца оценить эксплуатационные свойства материалов и дать прогноз их изменения под влиянием различных природных и техногенных воздействий в период эксплуатации.
Для изучения фазового состава образцов, наряду с другими (РФА, ДТА), использовался метод инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопия). Образцы для исследования готовились методом пасты в вазелиновом масле из навески массой приблизительно 1мг.
Запись спектров поглощения осуществлялась на ИК-спектрофотометре IR-435 фирмы Шимадзу (Япония) в интервале волновых чисел 50-4000 см-1. Все соединения характеризуются полосами поглощения в области частот, ко торые обусловлены валентными колебаниями связей. Для исключения влия У ния погрешности толщины нанесенной пленки на спектрограммы выбира лась эталонная полоса, относительно которой велась расшифровка и производилась количественная оценка спектра.
Формирование техногенных отложений региона КМА
Как известно, дорожное строительство является одним из крупнейших потребителей минеральных ресурсов. На сегодняшний день не менее 50 % расходов при строительстве автомобильных дорог составляет стоимость строительных материалов. Уменьшение потребности в дорогостоящих материалах, решение вопросов ресурсосбережения - одна из наиболее актуальных проблем, решение которой возложено на ученых, занимающихся повышением эффективности дорожного строительства. Перспективным направлением решения данной проблемы является широкомасштабное использование в конструкциях земляного полотна и дорожных одежд грунтобетонов грунтов, укрепленных различными вяжущими.
Грунт - это собирательное название, под которым понимают любые горные породы, почвы, техногенные отложения, залегающие преимущественно в поверхностных слоях земной коры и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека. Под техногенными грунтами понимают естественные грунты и почвы, измененные и перемещенные в результате производственной деятельности человека, а также антропогенные образования. Однако при определении рациональных областей использования, они попадают в разряд техногенного сырья.
В то же время техногенное сырье - это сложная полиминеральная полидисперсная система, состоящая из твердой, жидкой и газообразной фаз. Соотношения в содержании различных фаз и их качественные отличия определяют в конечном счете все многообразие строительных свойств техногенных отложений. Следовательно, именно воздействием на фазовый состав техногенных грунтов, изменяя характеристики отдельных фаз и характер их взаимодействия, можно достигнуть искусственного изменения строительных качеств техногенного сырья в требуемом направлении. Анализ существующих проблем и поставленных задач позволил выявить ряд предпосылок применения техногенного сырья для дорожного строительства (рис. 3.1).
Технико-экономические задачи экономии природных материалов могут быть решены за счет широкого использования техногенного сырья как в качестве непосредственно строительных материалов, так и как компонента для их получения.
В настоящее время на территории РФ накоплено около 80 млрд. т. промышленных отходов, которые занимают почти 300 тыс. га полезных земель. Ежегодно более 2 тыс. га отводится для складирования отходов, в том числе и ценные сельскохозяйственные земли, что не может не сказаться на экологической обстановке регионов. А степень переработки не превышает 7-12 % от их выпуска. Данная проблема актуальна и для Белгородской области, на территории которой находится ряд месторождений Курской магнитной аномалии (КМА). Мощным «производителем» отходов является Лебединский горно-обогатительный комбинат, где за год образуется более 10 млн. м техногенного сырья. Одними из таких техногенных сырьевых ресурсов дорож-но-строительных предприятий региона КМА являются отходы горнодобывающих и горно-обогатительных фабрик.
Проблема техногенных образований порождает проблему крупномасштабного экологического дисбаланса. Техногенные месторождения занимают обширные территории, что приводит к сокращению сельскохозяйственных угодий, уничтожению плодородных земель с высоким содержанием гумуса, т.е. создаются техногенные ландшафты. К началу третьего тысячелетия деятельность человека по масштабам стала соизмерима с геологическими процессами. Достаточно отметить, что ежегодно в мире перерабатывается около 4,5 млрд. т различных полезных ископаемых, используется из которых менее 10 %, а остальные объемы переходят в разряд отходов, рациональные области использования которых, как правило, не определены. При этом приблизительно такое же количество сырья ежегодно добывается для нужд промышленности строительных материалов.
Состав и свойства грунтобетонов на основе комплекса вяжущих
Как известно, стабилизация глинистого сырья известью позволяет существенно улучшить строительные свойства пород с повышенным содержанием разбухающих глинистых минералов, уменьшая число пластичности и увеличивая прочностные параметры грунтоагрегата. Введение известьсодержаще-го компонента на стадии подготовки сырьевой смеси перед укреплением цементом приводит к формированию новой промежуточной микроструктуры материала, изменению его катионной емкости. При укреплении глинистого техногенного сырья введение извести снижает емкость поглощения глинистых минералов, изменяя их коллоидно-химические свойства, и, как следствие, интенсифицирует гидратацию клинкерных минералов.
Состав грунтобетона назначают исходя из химико-минералогического и гранулометрического составов, кислотности, наличия гумуса, степени ув лажнения и других свойств укрепляемого грунта. В каждом конкретном случае окончательный состав устанавливают по результатам лабораторных испытаний.
Для апробации теоретических исследований, определения оптимальных составов и эффективных областей использования РВ и ОДСФ Лебединского ГОКа были синтезированы образцы грунтобетона с различным содержанием вяжущих. Формование образов проводилось в цилиндрических пресс-формах размером 2,5 см х 2,5 см. Давление прессования составило 150 кг/см , что соответствует давлению катка массой 10 т. При подборе состава грунтобетона в техногенное сырье вводилось от 3 до 15 % ИСО и 3-10 % цемента. Результаты опытов отражены в табл. 4.6 и на рис. 4.4.
На рис. 4.5 показан коэффициент морозостойкости в зависимости от содержания вяжущего после 25 циклов замораживания-оттаивания. Из графика видно, что наибольшим коэффициентом морозостойкости обладают образцы с 10 % ИСО и 10 % цемента на основе отходов рыхлой вскрыши, 5 % ИСО и 10 % цемента - на основе отходов дробильно-сортировочной фабрики.
Проведенный анализ прочностных характеристик грунтобетона позволил выявить оптимальное содержание вяжущих, которое для РВ и ОДСФ равно 5 % ИСО и 10 % цемента.
Процесс гидратации минералов цемента, как известно, идет при определенном рН среды, и за счет поглощения СаО глинистыми минералами до введения цемента процесс гидратации не нарушается. Результаты определения рН среды РВ и ОДСФ соответствуют 6 и 3. Несмотря на то, что синтез грунтоизвесткового композита на основе отходов дробильно-сортировочной фабрики не целесообразен, как отмечалось в главе 4.1 из-за малого содержание глинистой составляющей, введение известьсодержащих отходов повышает рН среды грунтоизвести до 10 и 8 для РВ и ОДСФ соответственно. При введении цемента данный факт создает благоприятные условия для твердения гидравлического вяжущего. В начальные сроки твердения, рН среды увеличивается до 13, это связано с выделением Са(ОН)2 при гидратации клинкерных минералов. На 7 сутки проведения испытаний рН среды снижается до 9 - РВ и 10 - ОДСФ. Это объясняется поглощением катионов кальция и связыванием их в нерастворимые фазы в искусственном композите. Характер изменения рН среды представлен на рис. 4.6 и в табл. 4.8.
Исследования фазового состава грунтобетона производились на образцах оптимального состава. Результаты дифференциально-термического анализа грунтобетонной смеси приведены на рис. 4.7.
При добавке в техногенное сырье известьсодержащих отходов происходит насыщение раствора, заполняющего поры грунта катионами кальция. При этом в порах грунта создается щелочная среда. Процесс гидратации цемента и дальнейшего твердения цементного каркаса начинает протекать в условиях, наиболее благоприятных для твердения гидравлического вяжущего.
В процессе развития кристаллизационной структуры снижается пластичность смеси, формируется кристаллический каркас, равномерно распределяющийся по всему объему укрепляемого материала. Кристаллизационные контакты в местах непосредственного срастания кристалликов новообразований формируют минеральный агрегат, в котором отдельные фазы характеризуются искаженной кристаллической решеткой, ввиду нарушения идеальных условий роста за счет уплотнения микроструктуры матрицы композита. В результате чего создается матрица из беспорядочно ориентированных кристаллических новообразований.
Таким образом, состав и свойства рыхлой вскрыши отходов дробильно-сортировочной фабрики с учетом требований, предъявляемых к дорожностроительным материалам для оснований автомобильных дорог, позволяют получать грунтобетон I класса прочности (6,8 МПа), с коэффициентом морозостойкости и водостойкости 0,91 и 0,64 соответственно. Данные составы рекомендуется использовать в III—IV ДКЗ для строительства оснований автомобильных дорог III—IV категории.
