Регулирование свойств цементогрунта как способ ликвидации бездорожья в сельской местности

Существующие сельские дороги на большей протяженности Омской области характеризуются низким качеством, что ставит перед необходимостью проведения большого объема работ по капитальному ремонту, реконструкции и строительству новых дорог. Дорожное строительство является весьма материалоемким. Стоимость строительных материалов на месте их применения достигает 50–60% общей стоимости работ, в связи с чем насущной становится проблема сокращения материалоемкости, бережного использования материальных ресурсов.

Современное строительство, ведущееся во все возрастающих объемах, порой требует использования низкокачественных, и даже некондиционных, минеральных ресурсов. За последние десятилетия месторождения кондиционных заполнителей практически исчерпаны или труднодоступны, поэтому использование местных природных материалов в качестве компонентов для производства цементогрунтов является крайне актуальным.

Объекты и методы

Изменение основных свойств цементогрунта в зависимости от его состава необходимо изучить экспериментально. На примере цементогрунта рассмотрим методику выполнения работ. На основе выявленных рациональных составов получим информацию, необходимую при планировании эксперимента. Для этого следует:

• –    спланировать математические модели зависимости прочностных свойств цемен-тогрунта от его состава;

• –    на основе полученных данных определить рациональные составы, обеспечивающие требуемый класс прочности, удобноукладываемость и удобноуплотняемость.

Для выделения значимых факторов методом случайного баланса была составлена матрица планирования из расчета, чтобы число опытов в матрице было кратным двум и превышало число (n + 1), где n – число факторов. Это упрощает работу и позволяет оценить линейные эффекты во всех случаях [1].

Исследуемые факторы и уровни их варьирования приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исследуемые факторы и уровни их варьирования

№ п/п	Фактор	Уровень варьирования		Код фактора
		Нижний (–)	Верхний (+)
1	Изменение числа пластичности грунта, %	1	18	Х 1
2	Содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, %	2	14	Х 2
3	Уплотняющая нагрузка, МПа	10	20	Х 3
4	Количество воды в смеси, %	0,1	50	Х 4
5	Длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с	120	240	Х 5
6	Количество цемента, %	7	14	Х 6
7	Соотношение частей грунта при перемешивании	1	3	Х 7

Для проведения отсеивания незначимых факторов методом случайного баланса необходимо построить матрицу планирования, по которой будем проводить отсеивающие эксперименты. Матрица планирования строится из того расчета, чтобы число опытов в матрице было кратным 2 и превышало число (k + 1), где k – число факторов.

При построении матрицы планирования (табл. 2) использовали метод, заключающийся в случайном смешивании регулярных дробных реплик факторного эксперимента, которые содержат 8 опытов. Данный способ наиболее распространен и считается более эффективным, чем способ построения матриц путем случайного распределения уровней столбцов с помощью таблиц случайных чисел (чистый случайный баланс) [2].

Таблица 2

Матрица планирования и результаты эксперимента

№ п/п	Очередность выполнения опытов	Факторы							С v
		Х 1	Х 2	Х 3	Х 4	Х 5	Х 6	Х 7
1	8	–	–	+	–	+	–	+	0,218
2	3	+	–	–	–	+	–	–	0,139
3	4	–	+	–	+	–	–	+	0,174
4	6	+	+	+	–	–	+	+	0,212
5	1	–	–	–	+	+	+	–	0,185
6	2	+	–	+	+	–	+	+	0,251
7	5	–	+	+	–	+	–	–	0,137
8	7	+	+	–	+	–	+	–	0,181

Сочетание уплотняющих нагрузок, вида грунта и исследуемых факторов было задано согласно матрице планирования (табл. 2). Причем для устранения влияния систематических ошибок, возникающих из-за непредвиденной перемены во внешних условиях (перемена температуры, давление масла и т.д.), эксперименты были выполнены в случайном порядке [2]. Основным показателем однородности при статистической обработке является выходной параметр коэффициента вариации, который равен [3]:

С v

о м,

где о - среднеквадратичное отклонение, которое рассчитывалось по программе в MS Excel стандартным отклонением; м – математическое ожидание (среднее значение) [4]. Выходной параметр коэффициента вариации представлен в табл. 2.

Результаты исследования

После обработки экспериментальных данных согласно табл. 1 по методике из ис- точников [2; 5] было установлено, что основное влияние на качество получаемого це-

Рис. 1. Основные рецептурно-технологических факторы и степень их влияния на однородность цементогрунта по прочности: Х1 – изменение числа пластичности грунта, %; Х2 – содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, %; Х3 – уплотняющая нагрузка, МПа; Х4 – количество воды в смеси; Х5 – длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с; Х6 – количество цемента, %;

Х 7 – соотношение частей грунта при перемешивании

ментогрунта оказывают факторы: Х 7 – соотношение частей грунта при перемешивании; Х 6 – количество цемента, %; Х 2 – содержание цемента в перемешиваемых частях грунта [6]. Это подтверждается в литературе по теме [7]. Незначительная значимость остальных факторов по сравнению с факторами Х 7 , Х 6 и Х 2 объясняется тем, что невозможно улучшить физико-механические показатели материала воздействием количества воды в смеси (Х 4 ) и длительностью действующих (Х 5 ) уплотняющих нагрузок.

Значимость именно факторов Х7, Х6 и Х2 указывает на то, что степень вариации прочностных свойств укрепленных цементом грунтов зависит главным образом от качества получаемой смеси, обусловленного содержанием цемента в перемешиваемых частях грунта, количеством цемента и соотношением частей грунта при перемешивании в объеме укрепляемого грунта [8].

Рис. 2. Электронно-микроскопический анализ грунта

При этом формирование структуры укрепленных грунтов, как и структуры твердеющего вяжущего, идет через образование на начальной стадии кратковременной коагуляционной рыхлой структуры, представляющей 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, который с течением времени упрочняется. Нарастание прочности укрепленного грунта во времени обеспечивается в основном обрастанием первоначального каркаса гидросиликатными новообразованиями тоберморитоподобно-го типа, а также гидроксидом кальция. В структуре укрепленного грунта наряду с микроучастками, на которых образуется жесткий 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 [5], что подтверждается снимками (рис. 2).

Выводы

Следовательно, укрепленный грунт представляет собой конгломерат, состоящий из кристаллических и коллоидных (микрокристаллических) гидратных новообразований, не прореагировавших остатков зерен цемента, грунтовых частиц, а также тонко-распределенных в массе материала воды и воздуха.

Таким образом, из проведенного эксперимента видно, что основными факторами являются Х 7 , Х 6 , Х 2 , которые оказывают влияние в начальной стадии на перемешивание грунта [5].

Regulation cement-ground properties as a way of elimination off-road in the countryside