Физико-механические характеристики грунта, укрепленного негашеной известью для дорожного полотна

• 1    Introduction / Введение

На территории Российской Федерации в основном преобладают глинистые грунты [1]. Ограниченное применение их в дорожном строительстве связано со снижением физических и механических характеристик в результате влияния климатических факторов и нагрузок от движущихся транспортных средств [2].

Увеличение интенсивности движения, транспортной нагрузки и давления в шинах, привели ученых и инженеров к разработке более совершенных технологий [3], повышающих несущую способность дорожных одежд и земляного полотна [4]. Для строительства земляного полотна автомобильных дорог доступны различные виды глинистых грунтов, особенно в районах с отсутствием прочных каменных материалов [5]. Однако, данные материалы обладают свойством снижения несущей способности, под влиянием воды [6], а также восприимчивы к различным условиям окружающей среды, что в свою очередь может привести к существенному повреждению покрытий автомобильных дорог и сокращению срока службы дорожной одежды [7].

Глинистые грунты имеют широкий спектр минералогического состава и состоят из различных видов глинистых и реликтовых минералов [2]. Они представляют собой продукт выветривания полевошпатовых и некоторых других силикатных пород, состоят преимущественно из монтмориллонита, каолинита и гидрослюд с примесью в основном реликтовых минералов (кварца, слюды, вторичного кальцита, опала и др.). Наибольшее распространение в грунтах среди глинистых минералов имеют каолинит и монтмориллонит [8].

Стабилизация – это процесс изменения физико-механических свойств грунта для удовлетворения инженерных требований при строительстве. В качестве добавок к грунту для улучшения его физико-технических свойств использовались многочисленные виды стабилизаторов. Ряд стабилизаторов, таких как известь [9], [10], цемент [11], [12] и золы-уноса [13], [14], зависят от химических реакций с минералами грунта в присутствии воды [15]. Другие добавки, такие как геоволокно, георешетка и прочие, зависят от их физического воздействия на улучшение свойств грунта. Кроме того, можно комбинировать как химическую, так и физическую стабилизацию, например, используя известь и геотекстиль [16].

Эффективное выполнение технологических операций по строительству земляного полотна возможна лишь тогда, когда влажность обрабатываемого грунта не превышает оптимального стандартного уплотнения, при котором грунт находится в полутвердом состоянии, способен крошится и уплотняться [17]. Однако в инженерной практике часто встречаются случаи, когда глинистые грунты находятся в переувлажненном состоянии, т.е. имеют влажность выше оптимальной. Переувлажненные грунты невозможно уплотнить [18]. При этом, естественное просыхание переувлажненных грунтов, особенно глинистых, происходит очень медленно, а применяемые в настоящие время искусственные способы высушивания малоэффективны или требуют больших расходов средств и времени [19].

Одним из наиболее эффективных, дешевых и быстрых методов снижения влажности, а также повышения несущей способности глинистых грунтов при строительстве земляного полотна является: стабилизация негашеной молотой известью [20], [21].

Поглощение воды является первым действием, которое происходит при добавлении в грунт извести (особенно негашеной). Химическая реакция грунта, стабилизированного известью, имеет две стадии. Первая стадия, известная как краткосрочная, происходит в течение нескольких часов или дней после добавления извести. На этой стадии протекают три основные химические реакции: катионный обмен, флокуляция, агрегирование и карбонизация. Для завершения второго этапа требуется несколько месяцев или лет, и поэтому он считается долгосрочным. Пуццолановая реакция является основной реакцией на этой стадии. Снижение влажности и повышение удобоукладываемости связано с краткосрочной стадией, а увеличение прочности и долговечности стабилизированного грунта связано с долгосрочной стадией [22].

Добавление извести в грунт приводит к образованию Са2+ и OH-. При катионном обмене двухвалентные ионы кальция (Са2+) замещаются одновалентными катионами. Ионы Са2+ связывают между собой минералы грунта (имеющие отрицательный заряд), тем самым уменьшая силы отталкивания и толщину диффузионного слоя воды. Этот слой инкапсулирует частицы грунта, укрепляя их связь между частицами. Оставшиеся анионы (OH-) в растворе ответственны за повышенную щелочность. После уменьшения толщины водного слоя частицы грунта становятся ближе друг к другу, что приводит к изменению механического состава грунта. Это явление называется флокуляцией-агрегацией. Кремнезем и глинозем, присутствующие в грунтовых минералах, становятся растворимыми и выделяются из грунта, когда рН превышает 12.4. Реакция между выделившимся растворимым кремнеземом и глиноземом и ионами кальция в результате гидратации извести создает вяжущие материалы, такие как гидрсиликаты кальция (C-S-H) и гидроалюминаты кальция (C-A-H). Эти пуццолановые реакции можно объяснить с помощью следующих химических уравнений [22, 23]:

Ca ( OH )₂ + SiO ₂ = CaO • SiO 2 ■ H ₂ O ,                           (1)

Ca ( OH )₂ + Al ₂ O ₃ = CaO ■ Al 2 O ₃ ■ H ₂ O .                            (2)

Пуццолановые реакции зависят от времени и требуют длительных периодов времени (годы), потому что такие реакции зависят от температуры, количества кальция. Значение pH и процентное содержание кремнезема и глинозема в глинистых минералах. Следовательно, использование извести в качестве добавки-стабилизатора более эффективно для глинистых грунтов, с высоким содержанием глинистых минералов [24], [25].

На основании вышеизложенного, установлено, что повышение несущей способности земляного полотна негашеной молотой известью, установление закономерностей изменения физико-механических характеристик является актуальной темой исследований.

В этой связи, целью работы является исследование физико-механических характеристик стабилизированного глинистого грунта негашеной молотой известью для верха земляного полотна.

Для достижения поставленной цели решались задачи:

• 1)    исследование основных физических свойств глинистого грунта, стабилизированного негашеной молотой известью;

• 2)    определение влияния негашеной молотой извести на предел прочности при сжатии стабилизированного глинистого грунта.

• 2    Materials and Methods / Материалы и методы

  В качестве грунта использован суглинок тяжелый пылеватый в соответствии с Российским государственным стандартом ГОСТ 25100-2020 [26]. Число пластичности грунта составляло 0.1463; содержание пылевидных и глинистых частиц – 79.92 %.

Гранулометрический состав определялся по Российскому государственному стандарту ГОСТ 12536-2014 [27], влажность на границе текучести, влажность на границе раскатывания и число пластичности определены по Российскому государственному стандарту ГОСТ 5180-2015 [28]. Максимальная плотность и оптимальная влажность исследованы в соответствии с ГОСТ 22733-2016 [29]. Предел прочности при сжатии стабилизированных образцов грунта испытан в соответствии с методикой, описанной в Российском государственном стандарте ГОСТ 23558-94 [30].

В качестве негашеной молотой извести применялась магнезиальная (сорт I) в соответствии с Российским государственным стандартом ГОСТ 9179-2018 [31] со следующими показателями: активность СаО+MgO – 85.2 %; содержание MgO и СО 2 – 7.8 % и 4.4 % соответственно. Негашеная молотая известь вводилась в глинистый грунт от 1 до 10 % от массы глины с интервалом 1 %. Введение негашеной молотой извести в грунт в данных отношениях была выбрана для выявления закономерностей изменения физико-механических характеристик.

• 3    Results and Discussion / Результаты и обсуждение

На рисунках 1-5 представлены зависимости влияния прочностных и физических свойств стабилизированного грунта от количества негашеной молотой извести: предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов в 7 суточном возрасте, водопоглощения по массе, влажности на границе текучести, влажности на границе раскатывания, числа пластичности, содержания пылевидных и глинистых частиц.

Как видно из рисунка 1, с введением негашеной молотой извести в количестве от 1 % до 10 % в глинистый грунт предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов в 7 суточном возрасте повышается от 0.05 МПа до 1.34 МПа. При этом прослеживается следующая тенденция. При введении негашеной молотой извести от 1 до 7 % в грунт происходит стабилизация грунта, так как прочность недостаточна для получения минимальной марки М10 по Российскому государственному стандарту ГОСТ 23558-94 [30]. Однако, при повышении негашеной молотой извести в количестве 8 % и более достигается марка по прочности М10 по Российскому государственному стандарту ГОСТ 23558-94 [30], что позволяет использовать укрепленный грунт в конструкциях дорожных одежд [32].

С введением негашеной молотой извести в количестве от 1 % до 10 % в грунт, снижается водопоглощение по массе от 24.85 % до 13.34 % (рисунок 2) и уменьшается количество пылевидных и глинистых частиц от 79.92 % до 46.29 % (рисунок 3). Данные результаты позволяют говорить о том, что происходит снижение степени пучинистости и набухаемости Vdovin, E.A.; Bulanov, P.E.; Mavliev, L.F.;

Physical and mechanical characteristics of soil stabilized with quicklime for road bed;

исследуемого стабилизированного грунта негашеной молотой известью [33]. Снижение водопоглощения по массе связано с заполнением пор новообразованиями и сращиванием кристаллов Ca ( OH )₂ и дальнейшей его карбонизацией в стабилизированном грунте с образованием более плотной структуры [34].

Кроме этого, повышается удобоукладываемость и удобообрабатываемость стабилизированного грунта из-за снижения числа пластичности от 14.63 до 8.65 (рисунок 4), что согласуется с данными исследований [35]. При введении 1 % и более негашенной молотой извести в исследуемый глинистый грунт, происходит изменение вида грунта до суглинка легкого пылеватого.

Рис. 1 - Зависимость предела прочности при сжатии стабилизированного грунта от содержания негашеной молотой извести в 7 суточном возрасте

Fig. 1 - Dependence of the compressive strength of stabilized soil on the content of quicklime ground at 7 days of age

Рис. 2 - Зависимость водопоглощения по массе стабилизированного грунта от содержания негашеной молотой извести

Fig. 2 - Dependence of water absorption by mass of stabilized soil on the content of quicklime ground

Content of quicklime, %

Рис. 3 - Зависимость содержания пылевидных и глинистых частиц в стабилизированном грунте от количества негашеной молотой извести

Fig. 3 - Dependence of the content of dust and clay particles in stabilized soil on the amount of quicklime ground

Ри с. 4 - Зависимость числа пластичности, влажности на границе текучести и на границе раскатывания стабилизированного грунта от количества негашеной молотой извести • – влажность на границе текучести; ▲ – число пластичности; ■ – влажность на границе раскатывания

• Fig. 4 - Dependence of the plasticity number, moisture content at the yield boundary and at the boundary of rolling of stabilized soil on the amount of quicklime ground

• • – limit of liquidity; ▲ – Index of plasticity; ■ – limit of plasticity

Стабилизация грунта негашеной молотой известью в количестве от 1 % до 5 % позволяет повысить оптимальную влажность на 2.4-13.5 % и снизить максимальную плотность – 0.6-4.4 % (рисунок 5). Повышение оптимальной влажности позволяет снизить коэффициент переувлажнения глинистого грунта. А в процессе гашения извести в переувлажненном грунте по реакции, представленной в формуле 1, происходит химическое взаимодействие с образованием Ca(OH)2 , а выделенная энергия превращает воду в пар, что также влияет на снижение коэффициента переувлажнения грунта [36]:

CaO + H 2 O = Ca ( OH ) 2 + 15.5 ккал .

Снижение максимальной плотности глинистого грунта позволяет повысить удобоукладываемость и удобообрабатываемость глины.

Рис. 5 - Зависимость максимальной плотности и оптимальной влажности стабилизированного грунта от количества негашеной молотой извести –––– – оптимальнаявлажность; ---- – максимальнаяплотность

Fig. 5 - Dependence of the maximum density and optimal moisture content of stabilized soil on the amount of quicklime ground

–––– – optimum moisture content; ---- – Maximum density

• 4 Conclusions / Заключение

  • 1)    Установлено, что с введением негашеной молотой извести в количестве от 1 % до 10 % в глинистый грунт предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов в 7 суточном возрасте повышается от 0.05 МПа до 1.34 МПа. При этом прослеживается следующая тенденция: при введении негашеной молотой извести от 1 до 7 % в грунт происходит стабилизация грунта, так как прочность недостаточна для получения минимальной марки М10 по Российскому государственному стандарту ГОСТ 23558-94. Однако, при повышении негашеной молотой извести в количестве 8 % и более достигается марка по прочности М10 по Российскому государственному стандарту ГОСТ 23558-94, что позволяет использовать укрепленный грунт в конструкциях дорожных одежд.

  • 2)    Установлено, что с введением негашеной молотой извести в количестве от 1 % до 10 % в грунт, происходит уменьшение степени пучинистости и набухаемости из-за снижения водопоглощения по массе от 24.85 % до 13.34 % и уменьшения количество пылевидных и глинистых частиц от 79.92 % до 46.29 %.

  • 3)    Выявлено, что стабилизация грунта негашеной молотой известью в количестве от 1 % до 5 % позволяет улучшить удобоукладываемость и удобообрабатываемость глины за счет повышения оптимальной влажности на 2.4-13.5 % и снижения максимальной плотности – 0.6-4.4 %. Повышение оптимальной влажности приводит к снижению коэффициента переувлажнения глинистого грунта. А в процессе гашения извести в переувлажненном грунте происходит химическое взаимодействие с образованием Са(ОН) 2 , а выделенная энергия превращает воду в пар, что также влияет на снижение коэффициента переувлажнения грунта. Повышение степени Vdovin, E.A.; Bulanov, P.E.; Mavliev, L.F.;

Physical and mechanical characteristics of soil stabilized with quicklime for road bed;

обрабатываемости грунта при технологических операциях по возведению земляного полотна связана со снижением числа пластичности от 14.63 до 8.65. При введении 1 % и более негашенной молотой извести в исследуемый глинистый грунт, происходит изменение вида грунта до суглинка легкого пылеватого.