Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор темы исследования 12
1.1. Краткий исторический обзор применения укреплённых вяжущими веществами грунтовых композиций в строительстве 12
1.2. Патентные исследования технических решений в области материалов на основе грунтов 14
1.3. Модификация цементно-содержащих материалов полимерными веществами 23
1.4. Выводы, цель и задачи исследования 29
Глава 2. Теоретические предпосылки исследований .32
2.1. Современное представление о структурообразовании в полимерцементных системах 32
2.2. Теоретические предпосылки выбора добавки 36
2.3. Основные задачи упрочняющего модифицирования дорожного цементогрунта 41
2.4. Теоретические предпосылки получения импортозамещающей полимерной добавки «УЦГСРос» 44
2.4.1 Механохимический способ получения импортозамещающей полимерной добавки «УЦГСРос» 46
2.4.2. Факторы, определяющие подбор состава модифицирующей добавки..49
2.5. Рабочие гипотезы 52
Глава 3. Анализ результатов экспериментального исследования влияния полимерных добавок на свойства дорожного цементогрунта 54
3.1. Общая методика исследований 54
3.2. Характеристики материалов, использованных в исследовании полимерцементогрунта 56
3.3. Получение математических зависимостей методом планирования эксперимента 57
3.3.1. Выбор параметра отклика 57
3.3.2. План факторного эксперимента 62
3.4. Анализ физико-механических свойств исследуемых смесей 64
3.4.1. Физико-механические свойства материала из пескоцементных смесей 65
3.4.2. Прочностные и деформативные показатели пескоцементных смесей модифицированных полимерными добавками 69
3.4.3. Физико-механические свойства материала из связных грунтов и цемента 79
3.4.4. Прочностные и деформативные показатели материалов из связных грунтов, модифицированных полимерными добавками 82
3.5. Выводы по главе 90
Глава 4. Граничные условия применимости полимеров в цементогрунтах 91
4.1. Математические модели зависимости свойств цементогрунтов от соотношения ингредиентов в смесях 91
4.2.Граничные условия применения цементогрунтовых смесей 95
4.2. Граничные условия применения полимеров в смесях с пескоцементными смесями 95
4.2.1. Граничные условия применения полимерной добавки «Латекс СКС-65 ГП» 95
4.2.2. Граничные условия применения полимерной добавки «Ренолит» 98
4.3 Граничные условия применимости полимеров в смесях с глинистыми грунтами 100
4.3.1. Граничные условия применения полимерной добавки «Латекс СКС-65 ГП» 102
4.3.2. Граничные условия применения полимерной добавки «Ренолит» .104
4.3.3. Сравнительный качественный анализ влияния полимерных добавок «Ренолит» и «Латекс СКС-65 ГП» на свойства полимерцементогрунтовых смесей 106
4.4. Определение граничных условий применения полимерцементогрунтовых смесей по критерию морозостойкости 108
4.5. Выводы по главе 113
Глава 5. Разработка основных принципов получения импортозамещающей полимерной добавки «УЦГСРос» 116
5.1. Методические особенности экспериментальных исследований 116
5.2. Результаты исследований 119
5.2.1. Исследование физико-механических характеристик дорожного цементогрунта модифицированного полимерными добавками 119
5.2.2. Оценка структурных параметров исследуемых материалов 128
5.2.3. Дифференциально-термический анализ 132
5.3. Выводы по главе 136
Глава 6. Опытно-производственная проверка результатов лабораторных исследований 137
6.1 Выбор места опытного строительства и конструкция дорожной одежды 137
6.2.Технология производства опытных работ 138
6.2.1. Приготовление полимерцементогрунтовой смеси 138
6.2.2. Укладка и уплотнение полимерцементогрунтовой смеси 141
6.3. Свойства вырубок полимерцементогрунта из опытной дорожной одежды 142
6.4. Оценка экономической эффективности дорожных одежд с основаниями из полимерцементогрунтовых смесей 146
6.4.1.Определение граничных условий применения полимерцементогрунтовых смесей по критериям экономической эффективности 148
6.4.2.Технико-экономическое обоснование состава полимерцементогрунтовых смесей 151
Основные выводы и результаты исследования 154
Библиографический список 157
Приложения 171
- Патентные исследования технических решений в области материалов на основе грунтов
- Современное представление о структурообразовании в полимерцементных системах
- Физико-механические свойства материала из пескоцементных смесей
- Математические модели зависимости свойств цементогрунтов от соотношения ингредиентов в смесях
Введение к работе
Одной из важных задач подпрограммы «Автомобильные дороги» Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг.)» является переход дорожного хозяйства России на инновационный путь развития в соответствии с «Основами развития Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденными Президентом РФ 30 марта 2002года.
Этот переход обеспечивается широкомасштабным использованием новейших эффективных технологий и материалов с целью увеличения надежности и сроков службы дорожных сооружений, роста технического уровня и транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, снижения стоимости, повышения экологической безопасности на автомобильных дорогах.
Дорожный цементогрунт - композиционный материал, используемый для устройства оснований и покрытий дорожных одежд. Применение цементогрунтов в строительстве дорожных одежд в России достаточно хорошо освоено. Технология применяется более 50 лет, имеет научное, методическое и нормативно-техническое обеспечение (ГОСТ, СНиП, ВСН). В то же время известно, что конструктивные слои дорожной одежды из цементогрунта имеют существенный недостаток, заключающийся в образовании сетки трещин вследствие воздействия на них различного рода факторов. Такие трещины могут возникнуть не только из-за прилагаемых динамических и климатических нагрузок, но и из-за особенности структуры материала.
При укреплении грунтов цементом применяют различные добавки с целью создания оптимальных условий твердения цемента и улучшения технологических свойств цементогрунтовых смесей, повышения
деформативных свойств цементогрунта и как следствие повышения прочности и долговечности цементогрунтов, расширения количества видов грунтов, пригодных для укрепления, а также в целях экономии цемента.
Для улучшения деформативных свойств цементогрунтовых смесей в мире используют полимерные добавки (ренолит, латекс с лигносульфонатами, смолы, битумы, эмульсии и т.п.). Отметим, что зарубежные добавки использовать неэффективно ввиду их высокой стоимости, а применение существующих добавок отечественного производства не дает устойчивого выраженного эффекта. Поэтому возникает необходимость в разработке комплексной полимерной добавки отечественного производства, которая позволила бы улучшить физико-механические свойства цементогрунта, а именно повысить такие показатели, как сопротивление при изгибе, морозостойкость и как следствие деформативность материала, повысить трещиностойкость, снизить стоимость дорожного полимерцементогрунта.
Указанные проблемы обусловили выбор объекта и предмета исследования.
Объект исследования - дорожный цементогрунт, модифицированный различными полимерными добавками.
Предмет исследования - элементы рецептурно-технологической системы (составы, виды полимерных вяжущих, орудия и предметы труда, способы их объединения), оптимальное сочетание которых позволит улучшить деформативные качества полимерцементогрунтовых смесей.
Цель работы — повышение эффективности дорожного цементогрунта применением полимерной добавки, содержащей механоактивированную целлюлозу.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Получены многофакторные модели физико-механических свойств цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «Ренолит».
Установлены граничные условия применимости в цементогрунтах полимерной добавки «Ренолит».
Разработаны основные принципы получения импортозамещающей добавки типа «Ренолит».
4. Проведена опытно-производственная проверка разработанных
составов и выполнены расчёты технико-экономической эффективности
данных исследований.
Научная новизна работы состоит: в установлении теоретических и экспериментальных зависимостей изменения качественных показателей дорожного цементогрунта, модифицированного полимерными добавками (прочность при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, морозостойкость, модуль упругости, мера хрупкости и др.);
- в исследовании применимости полимерной добавки «Ренолит» в дорожном цементогрунте и определении граничных условий применимости;
в реализации золь-гель технологии для получении
импортозамещающей добавки на основе «Латекса СКС- 65 ГП» и механоактивированной целлюлозы, заключающейся в предварительной механоактивации целлюлозы;
- в установлении закономерности твердения цементогрунта при
различном соотношении в смеси цемента и добавки «Латекс СКС-65ГП» и
механоактивированной целлюлозы, показывающей рост физико-
механических свойств материала по полиномиальной зависимости;
в изучении характера структурообразования цементогрунта, модифицированного импортозамещающей добавкой, подтверждающего идентичность структуры дорожного цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «УЦГСРос» и структуры дорожного цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «Ренолит».
Практическая значимость работы состоит в решении важной народнохозяйственной проблемы, заключающейся в расширении возможностей
использования местных материалов, укрепленных минеральными вяжущими веществами в конструктивных слоях дорожных одежд, и снижении стоимости строительства автомобильных дорог в районах, не имеющих собственных сырьевых баз каменных материалов. С этой целью:
установлены граничные условия применимости полимеров в цементогрунтах;
разработаны составы полимерцементогрунтовых смесей для устройства оснований дорожных одежд;
разработан состав и т технология получения импортозамещающей добавки на основе «Латекса СКС -65ГП» и механоактивированной целлюлозы.
Патент, полученный в ходе исследования, и разработанные методические рекомендации могут быть реализованы в России и за её пределами.
На основе технологических разработок и технических решений могут
быть созданы новые строительные машины и механизмы для приготовления
высокоэффективных цементогрунтовых смесей, модифицированных
полимерными добавками отечественного производства, а также для устройства оснований из полимерцементогрунтовых смесей. На защиту выносятся:
Методика оценки влияния различных полимерных добавок на физико-механические свойства дорожного цементогрунта.
Методика прогнозирования качества дорожного цементогрунта модифицированного различными полимерными добавками, в зависимости от состава смесей, по разработанным математическим моделям.
Результаты экспериментального исследования по созданию импортозамещающей добавки типа «УЦГСРос», путем введения механоактивированной целлюлозы в «Латекс СКС-65-ГП» (отечественного производства).
4. Оценка экономической эффективности применения дорожного цементогрунта в основаниях дорожных одежд.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций
обеспечена применением современных методов расчетов, позволяющих получить достаточный уровень надежности результатов математического моделирования.
Реализация работы. Полученные результаты вошли в состав научно-исследовательских работ: 2001-2006г. «Исследование и технико-экономическое обоснование применения ренолит- цемент- грунтовой смеси для опытного строительства дорожной одежды участка Коротчаево -Пуровск (км 60-63) автомобильной дороги Сургут- Салехард» . ( договор № _47_ от _05.06_ 2001 г. с государственным учреждением «Дирекция по строительству автомобильной дороги Сургут- Салехард», г. Новый Уренгой.
«Исследования водорастворимых полимеров для улучшения потребительских характеристик конструкций дорожных одежд из полимерцементогрунтов». Основанием для проведения исследования является план НИОКР Государственной Службы Дорожного Хозяйства (ГСДХ- Росавтодора) на 2002 год, пункт 2.2.18, контракт ПО-12/391-1.
«Разработка рекомендаций по внедрению укрепляющих композиций в комбинации с местными грунтами при капитальном ремонте участка автомобильной дороги Певек-Апапельгино - Янранай км 18+400 - км 35+000 и при ремонте участка автомобильной дороги Певек -Валькумей км 0+000 -км 2+200 с целью улучшения прочностных характеристик грунта земляного полотна и дорожной одежды для экспериментального внедрения». (Договор № 1/ НИОКР от 28 мая 2004 г.)
Реализация результатов исследований осуществлена путём строительства и испытаний оснований из полимерцементогрунта на участке автомобильной доги «Амур», федеральной трассы «Чита-Хабаровск». Научные результаты исследований реализованы в виде методических рекомендации по
применению полимерцементогрунтовых смесей для строительства дорожных одежд (распоряжение Росавтодора № ОС-1069 от 16.12.03г), патента России на изобретение. Теоретические и прикладные разработки были положены в основу принятия конструктивно-технологических решений дипломного проектирования студентов факультета «Автомобильные дороги и мосты».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на конференциях и семинарах, организаторами которых были: Казанский государственный архитектурно-строительный университет КГ АСУ (2007-2008 гг.). Белгородский государственный технический университет им. Шухова БГТУ (2007); АНОО «Приволжский дом знаний» (2007); Томский государственный архитектурно-строительный университет (2008); Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия СибАДИ (2001-2009 гг.). Материалы диссертационной работы использовались в дипломном проектировании.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 статьях, опубликованных в журналах и сборниках трудов, в том числе 1 статья в журналах по списку ВАК.
Структура работы.
В первой главе проведен анализ состояния предметной области исследования. Определены цель и задачи исследования.
Во второй главе изложены теоретические предпосылки исследований, в частности рассмотрено современное представление о структурообразовании в полимерцементных системах. Определены теоретические предпосылки выбора полимерной добавки для повышения эффективности дорожного цементогрунта. Определены основные задачи упрочняющего модифицирования полимерцементогрунтовых смесей. Сформулированы основные выводы. Определены рабочие гипотезы.
В третьей главе приведена общая методика исследований по изучению влияния водорастворимых полимеров на физико-механические
характеристики дорожного цементогрунта. Дана характеристика исследуемых материалов. Составлен план факторного эксперимента.
Приведены результаты анализа экспериментального исследования влияния полимерных добавок на свойства дорожного цементогрунта.
Четвертая глава формулирует граничные условия применимости полимерных добавок в дорожном цементогрунте. Разработаны аналитические модели для всех типов смесей дорожного цементогрунта, модифицированного полимерными добавками.
В пятой главе разработаны основные принципы получения
импортозаменяющей полимерной добавки «УЦГСРос», в основе которой
лежит «Латекс СКС-65 ГП» и механоактивированная целлюлоза. Приведены
сравнительные характеристики дорожного цементогрунта,
модифицированного различными полимерными добавками по основным физико-механическим показателям. Выполнен анализ структур исследуемых материалов.
В шестой главе приведены результаты по опытному строительству участка автомобильной дороги «Амур» федеральной трассы «Чита-Хабаровск», 1370-1415км; 1669-1682 км. Приведена технология производства работ. Выполнено сравнение физико-механических характеристик полимерцементогрунта с требованиями ГОСТ 23558-94 ГОСТ 30491-97 и СНиП 2.05.02-85. Выполнены экономические расчеты по приготовлению импортозамещающей полимерной добавки «УЦГСРос». Выполнена оценка экономической эффективности применения дорожного цементогрунта, модифицированного полимерными добавками в конструктивных слоях дорожных одежд по критерию «модуль упругости материала/цена материала». Определен экономический эффект от применения дорожного цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой, в основании дорожной одежды автомобильной дороги 3 технической категории.
Патентные исследования технических решений в области материалов на основе грунтов
Грунт - один из наиболее древних строительных материалов в истории человечества. Помимо всего прочего этот материал отличается достаточной прочностью и долговечностью.
Так ещё Плиний Старший (23-79г. до н.э.) в своей «Естественной истории» описывал виденные им в странах Африки и Испании стены из грунта, причем эти постройки простояли несколько столетий и лучше сопротивлялись атмосферным воздействиям и огню, чем каменные и кирпичные.
Постройки из глинистых грунтов применялись не только в районах с сухим и жарким климатом (Африка, Азия, Америка), они были распространены и в странах с умеренным климатом.
В Европе сооружения из грунта занимают немаловажное место в некоторых производственных секторах экономики, особенно во Франции, Великобритании, Швеции, Дании, Испании и Италии [57]. Это связано с хорошими теплотехническими качествами домов, их низкой энергоемкостью на отопление и дешевизной. Все эти примеры убедительно показывают, что при соблюдении требований, предъявляемых к строительству, из глинистых грунтов можно возводить долговечные здания, не уступающие по своим качествам зданиям из кирпича.
За последние три десятилетия во многих странах мира получили распространение сооружения из армированного грунта и в первую очередь из насыпного армированного грунта [57]. В 1964 г. во Франции инженером А. Видалем была предложена конструкция подпорной стенки из насыпного грунта, послойно армированного гибкими полосами из прочного материала (металла), которые крепятся одним концом к наружной металлической или железобетонной облицовке подпорной стены. Эти сооружения отличает от традиционных подпорных стен из железобетона экономичность и простота возведения.
В 50-е годы было начато широкое внедрение в практику строительства фундаментов из грунтов, стабилизированных цементом, в Западной Сибири, Средней Азии, в Украине. Впервые устройство фундамента из цементогрунтовой смеси было осуществлено в 1952 г. в районе г. Омск и Чарджоу. Теоретические основы и технология устройства монолитных фундаментов из цементогрунта были разработаны в НИИОСП им. Н.П. Герсеванова [134]. Эти работы успешно продолжаются и в наши дни.
Благодаря этим работам убедительно доказано, что при устройстве фундаментов малоэтажных зданий цементогрунт позволяет исключить применение металла, привозных материалов (щебня, песка) и снизить расход цемента на 10-15% по сравнению с железобетонными и бетонными фундаментами. Кроме того, 1 м цементогрунтового фундамента в 2-2,5 раза дешевле фундамента из бутовой кладки и бетона [84,92,113,134].
Особенно широко применяли стабилизированные цементом грунты в качестве стенового материала в 1955-1956 гг. при освоении целинных и залежных земель в Казахстане, Западной Сибири и в других районах страны.
Наиболее широкое к настоящему времени применение грунтов в качестве местного материала получило при строительстве оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов [18-30]. Первый опыт применения супесчаного грунта с добавкой цемента в качестве местного материала был впервые осуществлен в России еще в 1912 г. при устройстве парковых дорожек.
Основы получения и применения в дорожном строительстве материалов на основе дисперсных грунтов (МОДГ), заложенные в начале 30-х гг. в г. Москве М.М. Филатовым [139-140], а в г. Ленинграде В.В. Охотиным [93], за последующий более чем семидесятилетний период получили значительное углубление и развитие. \
Исследованиями А.К. Бируля и его учеников, а также в работах Л.Н. Ястребовой [34, 149, 150] была отмечена активная роль воды в модификации грунтов при формировании структуры МОГ. В.М. Безруком [17-32], Асколоновым и А.Н. Токиным [18, 30, 34] были развиты теоретические основы модификации грунтов цементом при получении МОГ. Значительный вклад в исследование характеристик материалов на основе грунтов и конструирование дорожных одежд с их использованием внесли Н.Н. Иванов, И.А. Золотарь, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаев [136], А.В. Смирнов [119]. Для различных регионов бывшего СССР большой вклад в развитие методов получения материалов на основе грунтов внесли А.С. Еленович, В.М. Кнатько, С.А. Голованенко, Н.С. Колбас, B.C. Прокопец [43,72,103-106]. Для Сибирского региона развитие научных знаний и практических навыков в данной области продолжилось в трудах Г.П. Левчановского, А.В. Линцера [77,78], В.М. Могилевича, В.П. Никитина, В.А. Пермякова, В.Н. Шестакова, Р.П. Щербаковой, О.В. Тюменцевой, Ю.Б Антонова, Б.В. Белоусова [33, 77,78, 83, 96, 137, 147].
Приведённые данные литературных источников позволяют сделать вывод о том, что степень теоретической проработки методов получения и, применения в строительстве композиционных материалов на основе грунтов очень высокая. В то же время те же источники указывают на существование ряда проблем, препятствующих более широкому применению подобных материалов в дорожном и гражданском строительстве.
Современное представление о структурообразовании в полимерцементных системах
Однако основным недостатком полимерных модификаторов отечественного производства является их относительно невысокий эффект при дозировках менее 5%, что делает применение полимерцементогрунта в дорожном строительстве экономически нецелесообразным.
Предварительные исследования и патентный поиск показали, что проблема может быть решена путём введения в цементогрунтовые смеси полимерного продукта, в частности Renolith (далее — «Ренолит»), основой которого являются латекс и целлюлоза. Смеси с полимером «Ренолит» применяются в зарубежном строительстве более 20 лет. Отечественных аналогов ему в настоящее время нет. В России «Ренолит» имеет пока ограниченный объём практического применения.
Поэтому производственный опыт в мировой практике и научный опыт, накопленный в нашей стране, позволят сформулировать обоснованные практические рекомендации по дальнейшему более широкому применению композиций на основе грунтов, в частности полимерцементогрунтов, при строительстве автомобильных дорог различных технических категорий, в том числе в Сибирском регионе. Кроме того, данные исследования позволят выяснить, какие свойства смесей обеспечивают данные добавки и какие следует предпринять действия для разработки собственного полимера как добавки к цементогрунтам.
Анализ научно-технической и патентной литературы позволяет сделать вывод о том, что степень теоретической проработки методов получения и применения в строительстве композиционных материалов на основе грунтов очень высокая. В то же время те же источники указывают на существование ряда проблем, препятствующих более широкому применению подобных материалов в дорожном и гражданском строительстве. 2. В отечественной практике дорожного строительства цементогрунтовые смеси широко применялись, но из-за их отрицательных свойств, особенно при прочности выше 4,0 МПа, низкой деформативности, обуславливающей интенсивное усадочное трещинообразование, объем строительства значительно сократился. 3. Применяемые в настоящее время комплексные добавки ПАВ не позволяют получить материал на основе цементогрунтовых композиций, обладающий высокой усадочной трещиностойкостью и устойчивостью прочностных характеристик во времени под действием климатических факторов и нагрузок. 4. Основным недостатком полимерных модификаторов отечественного производства является их относительно невысокий эффект при дозировках менее 5% по весу, что делает применение полимерцементогрунта в дорожном строительстве экономически нецелесообразным. 5. Предварительные исследования и патентный поиск показали, что указанная проблема может быть решена путём введения в цементогрунтовые смеси полимерных продуктов, в частности полимерной добавки «Ренолит», основой которого является латекс и целлюлоза. 6. Модификация цементогрунта полимерными веществами позволит повысить его физико-механические характеристики, достичь увеличения деформации материала в упругой стадии, при которой не будет происходить образования трещин от воздействия на дорожную одежду динамичных подвижных нагрузок, приводящих к возникновению растягивающих напряжений в конструктивных слоях. 7. Результаты настоящих исследований позволят сформулировать обоснованные практические рекомендации по более широкому применению композиций на основе грунтов, в частности полимерцементогрунтов, при строительстве автомобильных дорог различных технических категорий в регионах Российской Федерации. Кроме того, данные исследования позволят прогнозировать свойства модифицированных смесей, разработать принципы создания импортозамещающего отечественного полимера в качестве добавки к дорожному цементогрунту. Указанные предпосылки позволяют сформулировать цель настоящего исследования и задачи для её достижения. Цель работы - повышение эффективности дорожного цементогрунта применением полимерной добавки, содержащей механоактивированную целлюлозу. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Получить многофакторные модели физико-механических свойств цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «Ренолит». 2. Установить граничные условия применимости в цементогрунтах полимерной добавки «Ренолит». 3. Разработать основные принципы получения импортозамещающей добавки типа «Ренолит». 4. Провести опытно-производственную проверку разработанных составов и выполнить расчёты технико-экономической эффективности данных исследований.
Физико-механические свойства материала из пескоцементных смесей
По критерию сопротивления растяжению при изгибе Ru3z аналогично смесям с полимером «Латекс СКС-65 ГП», наблюдается относительное увеличение показателей прочности при низком содержании цемента. Вероятно, объяснение такое, что смеси песчаных грунтов с 6% цемента также не способны создать сплошной скелет из цементного камня, поэтому добавка полимера «Ренолит» также играет роль дополнительного вяжущего (склеивающего) материала.
Максимальные величины сопротивления растяжению при изгибе Яизг наблюдаются при 8- 14 % содержания цемента. При этом добавка «Ренолита» до 6% увеличивает Яизг незначительно, в пределах 5- 10%. Следовательно, по данному критерию границы применимости полимера «Ренолит» — цементнопесчаных смесей можно назначить в пределах 2-6 % «Ренолита», 8 - 14% цемента при всем интервале крупности песка. По показателю морозостойкости и водостойкости увеличение цемента с 8 до 20 % уменьшает влияние полимера «Ренолит». При этом для грунтов с большим модулем крупности влияние полимера «Ренолит» проявляется меньше, судя по показателям сопротивление сжатию и морозостойкости. По критерию «модуль упругости» более крупные пески обеспечивают более эластичные, деформативные смеси. По перечисленным критериям также оптимально содержание цемента 8 -14%, полимерной добавки «Ренолит» 3- 6% при всех модулях крупности песка. Сухой режим созревания, как и с полимером «Латекс СКС-65 ГП», обеспечивает также более высокие показатели прочности. При этом видно, что увеличение содержания полимера «Ренолит» в смеси значительно увеличивает как относительную, так и абсолютную водостойкость смесей. Абсолютная водостойкость смесей (отношение сопротивления сжатию смеси к сопротивлению сжатия цементогрунта) значительно зависит от модуля крупности грунта и содержания цемента. Так, при увеличении содержания цемента с 6 до 20% относительная водостойкость смеси может увеличиться в 1,45 раза, а абсолютная - в 1,56 раза при мелких песках. Но с увеличением крупности песков влияние цемента снижается. С увеличением содержания полимера «Ренолит» абсолютная водостойкость повышается, следовательно, по этому критерию максимальное количество полимера «Ренолит» может быть 9% от веса цемента. Наблюдается тенденция: с увеличением содержания цемента, влияние полимерной добавки «Ренолит» снижается. Таким образом, полимерная добавка «Ренолит» позволяет применять грунты с модулем крупности до 3,2. Грунты с более крупным гранулометрическим составом не исследовались, однако, судя по темпам изменения показателей прочности при увеличении модуля крупности, применение гравелистых и щебеночных грунтов без оптимизации их гранулометрического состава в полимерцементогрунтовых смесях также проблематично. Таким образом, судя по тенденциям изменения прочностных показателей «Ренолит — цементногрунтовых смесей, граничными условиями их применения будут следующие: «Ренолита» от 3 до 8% от веса цемента, возможно применение грунтов с модулем крупности до 3,2, цемента от 8 до 17 % от веса грунта. Данный анализ проводился с целью определения граничных условий возможности применения полимерцементогрунтовых смесей с полимерными добавками «Латекс СКС-65 ГП» и «Ренолит», а таюке с целью определения характеристик, которыми должен обладать полимер, если предполагается организовать его производство собственными силами и средствами. Результаты сравнительного анализа физико-механических свойств смесей приведены в табл. 4.9. Критериями применимости смесей были следующие показатели: достаточно высокие абсолютные величины показателей прочности смесей, относительное увеличение или уменьшение численных значений показателей прочности в момент испытания образцов и устойчивости этих показателей во времени. Кроме того, учитывалось изменение сочетания показателей физико-механических свойств. Это объясняется тем, что при вводе добавок в смеси некоторые показатели ухудшались, но другие увеличивались, в результате чего работоспособность смесей в целом изменялась. При определении применимости смесей руководствовались лимитирующими показателями прочности и устойчивости, которые главным образом обусловливают расчетные характеристики слоев дорожных конструкций. Лимитирующими показателями прочности приняты модуль упругости, сопротивление растяжению при изгибе, водостойкость и показатель морозостойкости. Сопротивление сжатию не является лимитирующим критерием при расчете конструкций, поскольку давление транспортной нагрузки и собственного веса материала слоев дорожной одежды не превышает 1,0 МПа, между тем как сопротивление сжатию смесей изменяется в пределах 1,50 ... 18,84 МПа, в зависимости от содержания цемента и полимеров (см. табл. 4.7-4.8). Между тем в конструкциях возникают высокие сдвигающие напряжения, напряжения растяжения и разрывающие напряжения при морозном пучении материалов. Известно, что при расчете конструкций дорожных одежд по трём критериям, как правило, лимитирующими толщину слоев являются условия обеспечения устойчивости и прочности по критериям сдвига, растяжения при изгибе и морозостойкости, поэтому предположение о второстепенной роли сопротивления сжатию смесей при решении вопроса их применимости оправданно. Безусловно, смеси, имеющие сопротивление сжатию ниже требуемых по ГОСТ 23558, рассматривались как несоответствующие условиям применимости их в слоях дорожных конструкций. При оценке применимости смесей рассматривались конечные величины показателей прочности, поскольку они обусловливают прочностные и транспортно - эксплуатационные характеристики дорожных одежд в период эксплуатации дороги. К таким показателям прочности отнесены модуль упругости Еу, сопротивление растяжению при изгибе Яизг, показатель морозостойкости МРЗ образцов в возрасте 56 суток. Следует отметить, что численные значения перечисленных показателей не являются конечными, поскольку смеси продолжают набор прочности после 56-суточного срока, хотя темпы набора прочности значительно снижаются. Контрольный срок в 56 суток ограничен лабораторными условиями проведения эксперимента. После строительства опытного участка можно будет оценить темпы набора прочности смесей в реальных условиях в неограниченный период. Промежуточные величины показателей прочности образцов в 28 суточном возрасте применялись для исследования темпов набора прочности и влияния состава смесей на их технологичность (удобоукладываемость, возможность транзитного движения транспорта по устраиваемым из смесей конструкциям и т.п.).
Математические модели зависимости свойств цементогрунтов от соотношения ингредиентов в смесях
С целью установления эффективности влияния полимерных добавок на дорожный цементогрунт были выполнены настоящие экспериментальные исследования. Свойства материала изучались в 2001-2003 гг. в лабораториях Омского Союздорнии и ЗАО «Асфальт», г. Благовещенск. В результате были разработаны методические рекомендации по применению ПЦГС в опытном строительстве, утвержденные Росавтодором распоряжением № ОС-1099-р от 16.12.2003.
С целью проверки адекватности результатов, а также оценки свойств материалов в реальных конструкциях был построен опытный участок на федеральной автомобильной дороге «Амур» Чита - Хабаровск, км 1681. Опытная конструкция дорожной одежды включала следующие слои: покрытие из асфальтобетона 5 см; верхний слой основания - из полимерцементогрунтовой смеси 18 см; нижний слой основания - из оптимальной щебеночно-песчаной смеси 11см. Состав полимерцементогрунтовой смеси приведен в табл. 6.1. Проектная марка полимерцементогрунта по прочности на сжатие М40. Способ укладки полимерцементогрунта — укатка. Условия твердения полимерцементогрунта в конструкции — естественные. Цемент: портландцемент марки 400, предел прочности на сжатие 407,68 кг/см ; объемный вес 1100кг/м ; истинная плотность 3,02 г/см. Песок Новобурейского песчаного карьера: истинная плотность 2,550 г/см ; объемный вес 1270 кг/м ; модуль крупности 2,34. Для лабораторного контроля были изготовлены серийные образцы диаметром 5,05 в количестве 6 шт. Лабораторные испытания показали: при хранении в нормальных условиях образцов полимерцементогрунта в течении 28 суток, прочность при сжатии фактическая 4,64 МПа, что составило 116% от минимальной прочности полимерцементогрунта марки 40 по ГОСТ 23558-94. Прочность при растяжении при изгибе 0,81 МПа, что составило 101%. Коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания - 0,98. Для приготовления полимерцементогрунтовой смеси применялась установка собственной разработки, состоящая из трех бункеров питателей, двух транспортеров и лопастного смесителя принудительного перемешивания шнекового типа, производительностью 40м /час, рис. 6.1. Подача воды с растворенным в ней добавкой «Ренолит», в смеситель осуществлялась центробежным насосом из отдельной емкости (цистерна на 15м ). В установке предусмотрена регулировк подачи воды от 0 до 0,5 м /ч, с контролем по водяному счетчику. Регулировка подачи минеральных материалов производилась шиберной заслонкой питателя. Дозирование материала - объемное, на основе объемно-насыпной массы в состоянии естественной влажности. Влажность и объемно-насыпная масса песка и щебеночной смеси проверялись ежедневно. смеси. ЗАО «АСФАЛЬТ» Отрегулировано объемное дозирование материалов: при открывании заслонки бункера с цементом на 5 см, заслонка бункера с песком открывается на 56 см. В связи с тем, что высота открывания заслонки бункера ограничена, песок дозировали из двух бункеров при поднятии шиберов на 28 см каждый. Далее определили вес смеси (без воды и добавки «Ренолит») выходящий из смесителя за единицу времени. Для определения количества раствора добавки «Ренолит», непрерывно подающегося в пескоцементную смесь, первоначально определяли вес пескоцементнои смеси в состоянии естестественной влажности в самосвале как разность между массой груженого самосвала, заполненного за конкретный промежуток времени, и массой пустого самосвала. Расчетным путем определяли вес смеси в единицу времени — за 1мин. За 6 мин. 30с. погружено было 6280 кг пескоцементнои смеси или 966 кг/мин. (в том числе 73,4 кг цемента + 892,6 кг песка в состоянии естественной влажности). Естественная влажность песка 5%, то есть в составе пескоцементнои смеси содержится 45 л воды. По рецепту требуется воды 116л. Необходимо добавить 116-45=71 л. В первую очередь начали укладывать полимерцементогрунтовую смесь с применением асфальтоукладчика. При этом сразу же выяснился основной недостаток этого метода - значительная уплотняемость смеси, из-за чего после укладки слой из полимерцементогрунтовои смеси был ниже отметок на 2-4см.
Поэтому перешли на технологию предварительного распределения материала фейдером с последующей укаткой вибрационным двухвальцовым катком «Саста-Вибромакс» весом 11,5т. Полимерцементогрунтовую смесь из щебеночно-песчаного фунта уложили с применением асфальтоукладчика и уплотнили аналогичным катком. На рис. 6.2 изображен опытный участок по строительству основания из готовой полимерцементогрунтовои смеси автомобильной дороги «Амур», федеральной автомобильной дороги «Чита-Хабаровск».
