Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния укрепления грунтов
1.1. Существующие методы укрепления грунтов. Достоинства и недостатки 11
1.2. Способы повышения качества грунтобетонов введением в смесь различных химических и минеральных добавок 15
1.3. Влияние технологических факторов на прочность и однородность комплексно укрепленных грунтов 18
1.4. Выводы по главе, цель и задачи 27
2. Теоретические предпосылки повышения однородности по прочности цементогрунтов
2.1. Теоретические предпосылки способов перемешивания 29
2.2. Влияние технологических и рецептурных факторов на процесс перемешивания 34
2.3. Формирование прочностных свойств материала 37
2.4. Теоретические предпосылки раздельно-последовательного способа перемешивания цемента с грунтом 39
2.5. Информационно-энтропийные условия однородности дорожного цементогрунта 45
2.6. Выводы по главе 51
3. Применяемые материалы и методика выполнения экспериментальных исследований
3.1. Свойства применяемых материалов 52
3.1.1 Грунты 55
3.1.2. Цемент 57
3.1.3. Вода 59
3.2. Методика получения модельных грунтов 59
3.3. Методика выбора планирования эксперимента 62
3.4. Теоретические исследования степени однородности грунтоцементной смеси методом математической статистки 67
3.4. Выводы по главе 73
4. Разработка раздельно-последовательного способа получения цементогрунта
4.1. Методические особенности выполнения исследования 74
4.2.Исследование способа раздельно-последовательного перемешивания на степень однородности укрепленных цементогрунтов 79
4.3. Энтропийный подход описания раздельно-последовательного способа перемешивания двухкомпонентной системы 84
4.4. Лабораторная проверка раздельно-последовательного способа перемешивания 89
4.5. Влияние исследуемых факторов на прочность и однородность цементогрунта 104
4.6. Обоснование исследуемых факторов и интервалов варьирования 107
4.7. Результаты многофакторного эксперимента 111
4.8.Результаты экспериментальных исследований получения цементогрунта раздельно-последовательным способом 114
4.9. Исследование микроструктуры цементогрунтов 117
4.10. Выводы по главе 124
5. Опытно-производственная проверка результатов исследования
5.1. Строительство опытного участка 126
5.2. Комплекс дорожного сервиса в р.п. Полтавка Омской области по ул. Победы 21 (АЗС) 126
5.3. Обоснование технико-экономической эффективности 131
5.4. Выводы по главе 135
Общие выводы 137
Список литературы 138
Приложения 157
- Способы повышения качества грунтобетонов введением в смесь различных химических и минеральных добавок
- Теоретические предпосылки раздельно-последовательного способа перемешивания цемента с грунтом
- Теоретические исследования степени однородности грунтоцементной смеси методом математической статистки
- Энтропийный подход описания раздельно-последовательного способа перемешивания двухкомпонентной системы
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях строительства, в том числе дорожного, наиболее важным является вопрос снижения стоимости применяемых материалов. Основным путём снижения их стоимости, является применение местных материалов, в том числе грунтов, обработанных вяжущими материалами (цементом) - цементогрунта. Однако подобные материалы имеют существенный недостаток, заключающийся в высокой неоднородности физико-механических свойств, достигающих 35 процентов и более (по коэффициенту вариации). При этом величина подобной неоднородности слабо зависит от вводимого минерального вяжущего материала в грунт, особенно в количествах, регламентируемых существующими нормативными документами. Одной из причин подобной закономерности является механическое перенесение технологий перемешивания, применяемых при получении бетонов и растворов на композиции, в которых минеральное вяжущее (цемент) и обрабатываемый им грунт, по своей природе, имеют друг к другу несовместимые свойства.
Исследование процессов структурообразования, применения технологии перемешивания являются одними из основных возможностей формирования цементогрунтовых композитов. Применение раздельно-последовательной технологии перемешивания открывает широкие возможности по получению цементогрунтовых смесей с улучшенными прочностными и эксплуатационными показателями.
В связи с этим, научное обоснование и разработка технологии перемешивания грунта с минеральными вяжущими веществами (цементом), позволяющей получать цементогрунт высокой однородности (прежде всего по прочности), представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит вовлечь в строительство широкую разновидность грунтов, получить на их основе материал высокого качества и значительно снизить стоимость строительства.
Цель работы. Разработка способа управления формированием структуры цементогрунтовых композитов повышенной прочности и эксплуатационной надежности и создание на его основе технологии раздельно-последовательного перемешивания компонентов смеси.
Постановка и концепция научной проблемы. Рабочая гипотеза. Получение и применение цементогрунтовых композитов строительного и дорожного назначения, работающих в различных климатических условиях, сопряжено с проблемой достижения и сохранения требуемого уровня, прочностных и эксплуатационных свойств, которая может быть решена через управления процессами структурообразования с целью повышения прочности и однородности.
Задачи исследований:
1. Систематизация направлений и механизмов управления структурой и свойствами цементогрунтовых композитов, оценка их вклада в формировании прочности.
2. Разработка топологической модели структуры цементогрунтовой композиции на различных стадиях гомогенизации смеси исходных компонентов.
3. Изучение закономерностей влияния раздельно-последовательного способа перемешивания компонентов на свойства цементогрунта.
4.Исследование влияния структуры на физико-механические и строительно-технологические показатели получаемого цементогрунта.
5. Разработка составов, способов и технологических решений для получения цементогрунтов с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.
6. Апробация разработанной технологии раздельно-последовательного перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси и оценка технико-экономической эффективности её применения.
Объект исследования. Строительные материалы и изделия на основе цементогрунтов, их получение, свойства и применение.
Предмет исследования. Исходные компоненты для получения цементогрунта. Структура и структурообразование цементогрунтовых композитов. Модели цементогрунтовой системы на различных стадиях структурообразования. Прочность и однородность структуры. Структурно-технологические аспекты получения и применения цементогрунтов повышенной прочности и долговечности.
Научная новизна.
1. Систематизированы и обобщены направления и механизмы управления структурой и свойствами цементогрунтовых композитов, обеспечивающих формирование повышенных прочностных и эксплуатационных свойств.
2. Предложена топологическая модель цементогрунтовых систем, позволяющая прогнозировать их способность к структурообразованию на различных стадиях твердения, а также устанавливающая связи между технологическими параметрами и исходным соотношением компонентов смеси.
3. Предложен способ раздельно-последовательного перемешивания
компонентов смеси с целью создания цементогрунтовых композитов
повышенной прочности, долговечности и эксплуатационной надежности.
4. Теоретические обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности изменения физико-механических и строительно-технологических свойств цементогрунта в зависимости от типа грунта и количественного соотношения исходных компонентов.
Техническая новизна полученных автором результатов подтверждена патентом на изобретение № 2371545 Способ повышения однородности по прочности цементогрунтов
Практическая ценность:
1.Предложен способ получения цементогрунта высокой однородности по прочности (с низким коэффициентом вариации) заключающийся в гомогенизации цементогрунтовой композиции, путём первоначального деления грунта на две части в соотношении (0,67 и 0,33) и раздельном перемешиванием каждой части с 50% принятой массы цемента, с последующим перемешиванием и объединением компонентов в одну общую смесь.
2.Проведенными исследованиями по влиянию основных технологических и рецептурных факторов на состав и свойства цементогрунтовых композитов установлено, что предложенный способ позволяет получать, независимо от разновидности исходных грунтов, цементогрунт повышенной однородности и эксплуатационной надежности (с пониженным в 1,6 – 2,2 значением коэффициента вариации прочностных показателей) по сравнению с традиционной технологией их получения.
3.Разработанная раздельно-последовательная технология позволяет осуществлять существенную экономию цемента (на 10-15%) в составе цементогрунтовых смесей по сравнению с традиционными аналогами.
4. Экономическая эффективность применения разработанных составов цементогрунтов повышенной прочности и эксплуатационной надежности при строительстве объекта в Омской области, составила порядка 552000 рублей на 1 км дорожного основания.
Внедрение результатов работы.
1. На основе разработанной технологии было произведено строительство опытного участка в р.п. Полтавка Омской области (АЗС).
2.Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и производственного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров, бакалавров и магистров по направлению «Строительство» на кафедрах «Строительные материалы и специальные технологии» (СибАДИ) и «Природообустройства и мелиорации» (ОмГАУ).
Достоверность научных выводов и результатов работы обеспечена применением апробированных высокоточных методов исследования структуры и свойств строительных материалов, а также поверенного оборудования при проведении экспериментальных исследований, с использованием необходимого количества образцов, обеспечивающего стандартную доверительную вероятность 0,95 и соответствием полученных результатов общим положением механики и строительного материаловедения.
На защиту выносятся:
-теоретические положения о раздельно-последовательном способе перемешивания и структурообразования цементного камня;
- показатели свойств цеменогрунтовых композиций, полученных раздельно-последовательным способом перемешивания;
- аналитическая модель, учитывающая количественное влияние вяжущего на однородность по прочности получаемого цементогрунта;
-технология раздельно-последовательного способа перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: II международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (г.Брянск 2003 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (г. Белгород 2007 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г.Белгород 2007г.); 5 международной научно-технической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (г. Пенза 2008 г.); 64-й научно-технической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (г. Омск 2010 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России» (г. Орёл 2011г.)
Публикации. По материалам и результатам исследований опубликовано 11 статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций, получен патент на изобретение, издано 2 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 166 наименований, приложений и содержит 172 страниц машинописного текста, 22 таблицы и 47 рисунков.
Способы повышения качества грунтобетонов введением в смесь различных химических и минеральных добавок
Более полувековой опыт исследования показал, что увеличить прочность цементрогрунта и уменьшить расход цемента можно за счет введения легкорастворимых солей [9,11]. Неплохие результаты получены при введении в цементогрунтовую смесь раствора аммиака [13].Для уменьшения влажности в грунтах вместе с солями вводят известь или активную золу [14,15,17,18,26]. Все эти исследования не рассматривают однородность цементогрунта, но показывают незначительное увеличение прочности.
Считается что, величина прочности и однородности, при укреплении связных грунтов во многом зависит от качества их дисперсности. Так, В.П.Никитин [80] показал, что увеличение насыщенности смеси микроагрегатами (размером менее 0,25 мм) от 0 до 100 % приводит к увеличению прочности цементогрунта в 2,5-4 раза.
Однако, как показали исследования [15,76] размельчение тяжелосуглинистых и глинистых грунтов значительно облегчается при их влажности 0,3-0,4 от границы текучести.
Положительное влияние влаги на размельчение связных грунтов нельзя рассматривать без тщательного перемешивания грунта с цементом. Примером являются работы А.П. Кузнецова [53], B.C. Цветкова [146, 147] и других авторов[1,50], которые отмечают, что увеличение влажности грунтов (супесей и глин) до оптимальной, перед непосредственным перемешиванием с цементом, приводит к снижению прочности материала на 50-60%.
По мнению В.М. Безрука [16,17] и А.П.Кузнецова [53] отклонение влажности цементогрунтовой смеси на 2% в ту или иную сторону от оптимальной, приводит к падению прочности на 50 и более процентов. В.М.Безрук [16,17] считает, что важным фактором, влияющим на физико-механические свойства цементогрунта, является процесс уплотнения смеси.
В.П. Матвеев в своих работах показывает, что возникновение вариации прочностных показателей цементогрунтов, обусловлено неоднородностью исходных свойств укрепляемых грунтов [74], а снижение неоднородности можно добиться введением соответствующего количества в смесь минерального вяжущего [75]. Однако более широко распространен метод повышения качества цементогрунтов с помощью добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) [18,71,72,81,106,121].
При обработке грунта цементом совместно с органической добавкой сочетаются два процесса, которые дополняют друг друга в формировании смешанного типа структур; кристаллизационной жесткой и коагуляционной эластичной. В результате этого цементогрунт приобретает свойства водонепроницаемости, несмачиваемости, повышенной деформативности и морозостойкости с повышенным коэффициентом вариации.
Хороший положительный эффект достигается при комплексном укреплении грунтов цементом и битумной эмульсией, так как эмульсию можно смешивать с минеральными материалами любой влажности [84,87,155]. Исследования, проводимые на протяжении многих лет, показывают, что введение органических вяжущих в цементогрунтовые смеси повышает морозостойкость материалов в 2-4 раза [138, 156].
Одним из первых Ю.В.Карасем [49] был применен метод, когда в цементогрунтовую смесь был добавлен полиэтилгидросилоксан в количестве 0,3-0,7% по массе грунта. В результате было уменьшено водонасыщение грунта в 3-5 раз, а за счет пластифицирующего эффекта увеличить прочность цементогрунта в 1,3-1,7 раз. Величина модуля упругости и модуля деформации при этом повышаются незначительно, что указывает на сохранение деформативности гидрофобизированного цементогрунта.
Исследованиями А.С. Дудкина и В.М. Безрука [15] было установлено, что для снижения влажности на 20-40% и замедления процессов гидрации цементогрунтовой смеси необходимо вводить ПАВ.
О.В.Тюменцевой [136] путем введения в грунты с естественной влажностью, отходов нефтехимических производств, при перемешивании с цементом повышалась прочность и морозостойкость цементогрунтов на 30-40% по сравнению со смесями без добавок.
В работах B.C. Прокопца [93,94,95, 96], с целью получения прочного водо- и морозостойкого цементогрунта предлагается вводить ПАВ, содержащие в себе глицерины и полиглицерины. Отмечено, что введение глицеринового гудрона в цементогрунт повышает его морозостойкость, однородность и прочность в 4,3-6,3 раза.
В настоящее время при строительстве автомобильных дорог стали использовать технические лигносульфонаты (ЛСТ), которые являются побочным продуктом, полученным при переработке древесины сульфатным способом. Исследования, проведенные в «Росдорнии» направлены на повышение водостойкости грунтов, обработанных ЛСТ с введением в них модификаторов, многие из которых являются вторичными ресурсами [45,46,92,115].
На основании анализа видно, что лучшие показатели укрепленных грунтов получены при использовании минеральных вяжущих (в частности цемента) материалов в сочетании с органическими. Цементогрунты укрепленные такими методами характеризуются высокой морозостойкостью, приемлемой деформативностью и достаточно высокими прочностными характеристиками. Однако недостатком этого метода является сложная технология производства цементогрунта [12,23,34]. По этому в данной работе рассматривается цементогрунтовая технология. Приведенные данные показывают, что рецептурные факторы не гарантируют повышения однородности по прочности, а усложнение рецептуры в свою очередь ведет к удорожанию стоимости строительства.
Теоретические предпосылки раздельно-последовательного способа перемешивания цемента с грунтом
Физическая сущность возникновения неоднородности структур у материалов, в частности у грунтобетонов, заключается в следующем. Процесс формирования прочностных свойств материала обусловлен химическим превращением, происходящим при столкновении (контакте, соударении) молекул только тех частиц вяжущего и грунта, которые обладают кинетической энергией (энергией относительного движения вдоль линии центров сталкивающихся молекул или энергией колебательного движения атомов в молекуле), не меньшей некоторого предельного значения - энергии активации Еа - минимального значения избыточной внутренней энергии, необходимой для разрыва (или ослабления) и образования связей в молекулах. Большая величина энергии активации представляет большой энергетический барьер, препятствующий самопроизвольному течению реакции [62,145].
Скорость и само течение реакции определяются соотношением скоростей процессов активации, дезактивации и химического превращения. Наиболее часто активация молекул происходит при их столкновении.
Обычно процесс активации и установления статистического равновесия протекает значительно быстрее процесса химического превращения, т. е. скорость реакции определяется процессом химического превращения - медленного процесса реакции. При этом условии справедливо уравнение Аррениуса, описывающее зависимость константы скорости реакции от величины энергии активации и температуры [62,145] где Еа - энергия активации; Т - абсолютная температура; R -универсальная газовая постоянная; В - предэкспоненциальный коэффициент, характеризующий общее число столкновений частиц в единицу времени; exp(-E./RT) - доля активных столкновений (столкновений реакционно-способных молекул) [128].
В результате процессов активации и дезактивации между инертными и активными молекулами (между молекулами со средней и повышенной энергией) устанавливается статистическое равновесие. При этом образование активных, способных к реакции молекул, энергия которых Е Еа , может происходить за счёт процессов ионизации, диссоциации, при воздействии электромагнитных ультразвуковых колебаний, электрическом разряде, механических ударов и других факторов; в таких реакциях концентрация активных частиц и скорость активации больше скорости, соответствующей статистическому равновесию между инертными и активированными молекулами [128].
Таким образом, константа скорости химической реакции представляет собой число столкновений молекул в единице объема за единицу времени, завершающихся химическими превращениями.
С другой стороны константа скорости реакции зависит также от вероятности надлежащей , "ориентации молекул при столкновениях, выражаемой обычно черезЩэнтропию активации AS. Если энергия активации определяет долю молекул, имеющих достаточную для реакции энергию, то энтропия активации определяет долю столкновений, при которых молекулы ориентированы надлежащим образом (благоприятно для протекания реакции). Вероятность надлежащей ориентации аналогично вероятности обладания необходимой энергией определяется величиной exp(AS/R). Таким1 образом, константа скорости реакции определяется более точно следующей зависимостью [128] Где К - коэффициент скорости протекания реакции; Еа -энергия активации протекания реакции; R - газовая постоянная; Т - температура; AS-энтропия активации химической реакции;
Из уравнения (2.11) следует, что скорость реакции или процесса не только зависит от величины энергетического барьера Еа, но и связана с энтропией активации. Следовательно, скорость реакции зависит от энергии активации, температуры и энтропии активации AS, которая для химических реакций определяет долю столкновений молекул, ориентированных определённым образом. Второй экспоненциальный множитель в уравнении выражает вероятность благоприятной ориентации молекул в момент их соударения. Уравнение отражает сочетающееся влияние энергетического (энтальпийного) и геометрического (энтропийного) фактора на скорость реакции [128].
Анализ уравнения (2.11) показывает, что возможны процессы, для которых энергия активация незначительна, но скорость реакции мала, потому что велико абсолютное значение AS. Возможен и противоположный случай: Еа очень велико (более 420 кДж /моль), но реакция протекает сравнительно быстро, так как крайне мала энтропия активации [128].
Получить высококачественные цементогрунты с малодефектной структурой можно благодаря эффективному использованию потенциальных возможностей на основе углубленных представлений о физико-химических и механических процессах формирования структуры цементогрунта. Общая основа оптимизации структуры и свойств конгломератных материалов цементогрунта состоит в устранении дефектов и неоднородностей независимо от их вида и природы, поскольку именно они являются непосредственной причиной разрушения и физико-химической неустойчивости, неоднородности материала. Для получения однородной структуры надо правильно определить и найти оптимальное соотношение компонентов, добиться предельной однородности их распределения в объеме и исключить возможное образование дефектов и неоднородностей. Степень однородности принято оценивать коэффициентом вариации рассматриваемого параметра ( Cv) [ 20,156 ].
Теоретические исследования степени однородности грунтоцементной смеси методом математической статистки
Максимальное значение энтропии зависит от числа различных элементов системы. Хаотические движения динамических систем возникают только в{ диссипативных системах и развиваются в рамках определенных структур в фазовом пространстве. Замечательным свойством хаотических движений, является то, что они обладают фрактальной структурой. По определению Б.Мандельброта [65,66], фрактал - структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны себе. Фракталы рассматриваются как множество точек [48,122,151], вложенное в пространство. Иначе говоря, фракталы обладают масштабной инвариативностью или скейлингом, т.е. каждый элемент несет информацию о целом.
В настоящее время существует ряд методов [141] оценки фрактальной размерности, в том числе и структуры различных материалов. К числу последних следует отнести методику мультифрактальной параметризации, позволяющей наряду с определением фрактальной размерности D, рассчитать ряд других важных параметров, характеризующих структурное состояние материала, в частности, структурную однородность.
С методологической и исторической точке зрения понятия "хаос" и "порядок" являются наиболее древними обобщающими первообразами, матрицами мироописания, известными еще со времен мифов и космогонии, и находя впоследствии применение в самых разных науках. Специфика и объемы этих понятий не были строго определены ни в одной из использующих их наук (к примеру, в современной физике используются более десяти характеристик хаоса: молекулярный хаос. термодинамический хаос, диффузный хаос, диссипативный хаос, детерминированный хаос, турбулентный хаос и др). До сих пор не ясны границы применимости этих понятий и специфика их "преломления" при переходе из одних познавательных сфер в другие. В настоящие время это, скорее, даже не понятие, а некие понятийные пространства, где сопрягаются и пересекаются интуитивные представления, культурно-смысловые контексты, конкретно-научные интерпретации и их философское осмысление. Так, в естественнонаучном плане (в первую очередь, в -термодинамике) соотношение хаоса и порядка определялось и измерялось ростом энтропии.
Анализируя работы многих авторов [51,65,66,141] мы выявили в ней определенную тенденцию - тенденцию смены теоретических моделей образов порядка. Первая модель равновесного классического порядка (где доминирующими атрибутами упорядочения выступают устойчивость, стационарные состояния, гомеостаз, предсказуемость) представлена в классической социологии, классической кибернетике и системном подходе. Вторая модель неравновесного (неклассического) порядка, где доминирующими атрибутами упорядочения являются неустойчивость, изменчивость, непредсказуемость, связана с появлением более поздних концепций энтропийно-информационного подхода, кибернетики второго порядка, теории социальной энтропии, новейших системных теорий.
Анализируя работы [22,30] можно сказать, что всё в нашем мире подчиняется закону, по которому энтропия не может самостоятельно уменьшаться (а увеличиваться - может). Т.е. закономерность - это появление хаоса. А для уменьшения энтропии (т.е. наведения порядка), всегда надо затрачивать энергию.
Сходство энтропии Больцмана (S) и Больцмана-Шеннона (Н) в том, что стремление к однородности состояний систем увеличивает обе энтропии. В энтропии Больцмана нет верхнего предела, а в энтропии Шеннона Нтах = 1. В соответствии со вторым законом термодинамики закрытые системы, стремятся, и с течением времени неизбежно приходят к естественному устойчивому равновесному внутреннему состоянию, что соответствует состоянию с максимальной энтропией. Энтропия максимальна при равновероятном распределении параметров движения молекул (направлении, скорости и пространственном положении). Значение энтропии уменьшается, если движение молекул упорядочить. По мере увеличения упорядоченности движения энтропия стремится к нулю. Закрытая система стремится к однородности своих элементов и к равномерности распределения энергии связей между ними. Говоря об однородности среды, можно сказать, что в каждой единице объема содержится одинаковое количество разных элементов. Структура системы хаоса и порядка, по своей величине равны друг другу, а их общей мерой является энтропия [22,30,51,65,66,141].
Согласно работам Вяткина Б.В. [30] «чтобы мы ни делали с системой без изменения общего количества элементов, на сколько бы частей не разбивали ее по значениям какого-либо признака и в каком бы соотношении по числу элементов не находились между собой части, сумма хаоса и порядка в структуре системы всегда будет оставаться неизменной».
Исходя из данного представления и согласно работам А.И.Колкова и Ю.И.Макарова [46, 67], для характеристики гармоничности системы введем функции, выраженные соотношением хаоса и порядка: Числитель данной функции Н выражает меру неупорядоченности системы. В знаменателе отражена мера упорядоченности, структурности системы.
Для дальнейших расчетов вводится функция гармоничности, которая должна иметь промежуточное значение. Для того чтобы найти это значение, необходимо иметь дополнительную функцию, которая бы определенным, «гармоническим образом», поделила функцию гармоничности и определила бы идеал гармоничности, то единственное, предельное значение, ту универсальную меру организованности, к которой стремилась бы любая система в своем непрерывном движении к совершенству.
Энтропийный подход описания раздельно-последовательного способа перемешивания двухкомпонентной системы
Значимость именно этих факторов (Х7, Х6 и Х2) указывает на то, что степень вариации прочностных свойств укрепленных грунтов цементом, зависит главным образом от качества получаемой смеси, обусловленной содержанием цемента в перемешиваемых частях грунта, количеством цемента и соотношением частей грунта при перемешивании в объеме укрепляемого фунта [144].
Анализируя работу [144] видно, что кинетика твердения цементогрунтовых смесей не зависит от гранулометрического состава грунта, а зависит от условий, в которых протекает гидратация минерального вяжущего. При, этом формирование структуры укрепленных грунтов, как и структуры твердеющего вяжущего, идет через образование на начальной стадии кратковременной коагуляционной рыхлой структуры, представляющую собой пространственную сетку, образующуюся путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц десперсной твердой фазы через тонкие прослойки десперсионной жидкой среды. В процессе твердения укрепленного грнута в нем формируется каркас пространственной кристаллизационной структуры из гидратных фаз вяжущего и продуктов их химического взаимодействия с грунтовыми минералами, которые с течением времени упрочняется. Нарастание прочности укрепленного грунта во времени обеспечивается в основном обрастанием первоначального каркаса гидросиликатными новообразованиями тоберморитоподобного типа, а также гидроксидом кальция. В структуре укрепленного грунта наряду с микроучастками, на которых образуется жестский скелет, имеются участки, где жесткого срастания частиц не произошло. На этих участках возможен механизм образования структуры за счет механического сцепления близко расположенных друг к другу обросших кристаллами новообразований грунтовых частиц [101]. Следовательно, укрепленный грунт представляет собой конгломерат, состоящий из кристаллических и коллоидных (микрокристаллических) гидратных новообразований, не прореагировавших остатков зерен цемента, грунтовых частиц, а также тонкораспределенных в массе материала воды и воздуха. Таким образом, из проведенного эксперимента видно, что основными факторами являются Х7, Х6, Х2, которые оказывают влияние в начальной стадии на перемешивание грунта [101]. Данная задача технологического направления наиболее эффективно решается эвристическими приемами, методика которых приведена в работе [3,4]. 1) Введение в грунт цемента в количестве (7 -14%), достаточном для получения материала первого класса прочности, но не позволяет в то же время снизить коэффициент вариации прочностных показателей до 0,25 и менее. Это резко сказывается на надежности конструктивных слоев дорожных одежд из такого материала. Увеличение однородности достигается более высоким расходом цемента, что экономически не выгодно. 2) Необходимо разработать способ получения материалов из цементогрунта первого класса прочности, с коэффициентом вариации менее 0,20, но без увеличенного расхода цемента. 3) Высокая неоднородность по прочности цементогрунта первого класса (общепринятый расход цемента в интервале 7 - 14%) связана с тем, что в этом случае образуется структура материала зоны 2, которая имеет коэффициент однородности неоптимального сочетания кристаллической и гелевидной фаз. Тогда как коэффициент зоны 1 и 3 имеет оптимальное их сочетание по критерию однородности. 4) Разработка технологии получения цементогрунта, не содержащего структурной зоны 2, позволило бы резко увеличить однородность по прочности, следовательно, и эксплуатацинную надежность конструктивных слоев из таких материалов. Это будет способствовать более широкому применению цементогрунта в дорожном строительстве, и следоватеьно, дает значительный экономический эффект. Из полученных данных установлено, что главным элементом укрепления грунтов является вяжущее (портландцемент). Которое позволяет - создать прочную, надежную и долговечную структуру материала. Функция вяжущего реализуется в результате перемешивания его с грунтом и водой и последующим уплотнением. Стандартные дозировки цемента, в зависимости от вида укрепляемого грунта, находятся в интервале 7 - 14% от массы грунта.
Принятый способ укрепления грунта, включает последовательное перемешивание с цементом, водой и уплотнением полученной смеси. Полученный по известной технологии материал, обладает, как правило, невысокими механическими показателями, вследствии очень высокой неоднородности, достигающей 33,0% - 40,0%.
Исследования проводили на суглинистом грунте и супеси. Химический анализ, которых, рассматривался ранее (таблицы 3.1,3.2.) В качестве вяжущего использовался портландцемент марки 400, содержащий 20% шлака и имеющий нормальную густоту цементного места порядка 27 + 1%.
По стандартной методике формовались образцы-цилиндры, которые в возрасте 28 суток подвергались испытанию на прочность при сжатии, при раскалывании, на морозостойкость. Дозировка цемента в смесях изменялась от 2 до 18% от массы грунта, а дозировка воды принята постоянной, соответствующая оптимальной влажности смесей. В каждой точке испытывалось по 15 образцов. Результаты испытаний приведены на рисунках 4.2 - 4.4 [101]
