Стабилизация песчаного основания химическими веществами
Автор: Романенко И.И., Петровнина И.Н., Пинт Э.М.
Журнал: Форум молодых ученых @forum-nauka
Статья в выпуске: 6-2 (22), 2018 года.
Бесплатный доступ
Цель исследований-анализ влияния полимерного стабилизатора на физико-механические свойства грунтов стабилизированных вяжущими. Эталонные образцы изготавливали в форме кубов размером 100×100×100 мм и в виде призмы 100×100×400 мм. Контролировалась прочность стабилизированного грунта в сухом и водонасыщенном состоянии. Выявлено, что прочность стабилизированного грунта увеличилась на 10-20 %.
Стабилизатор, прочность, шлакопортландцемент, известь, шлакощелочное вяжущее, песчаный грунт
Короткий адрес: https://sciup.org/140283406
IDR: 140283406
Текст научной статьи Стабилизация песчаного основания химическими веществами
С целью изменения физико-механических свойств грунтов используется технология введения в грунт различных химических добавок совместно с вяжущим. В качестве вяжущего применяем: органические и неорганические виды.
Песчаные виды грунтов можно стабилизировать двумя способами:
– распределением по поверхности основания корректирующего грунта;
– введением стабилизатора при помощи ресайклинга в грунт природной плотности и влажности.
За счет целенаправленного изменения заряда частиц грунта в результате действия химической добавки происходит улучшение процесса стабилизации и повышение плотности основания [1, 2].
В настоящее время наиболее широко применяются следующие неорганические вяжущие: портландцемент, шлак, известь, гипс, сложное вяжущее, шлакощелочное, зола-унос и конечно и вяжущее низкой водопотребности[3]. Вид грунта определяет какое вяжущее целесообразно использовать для стабилизации грунта.
Разработка гиперпластификаторов и комплексов для грунтов способствовало повышению производительности труда в дорожном строительстве и качестве выполняемых работ [4, 5, 6, 7].
Целью данного исследования является оценка влияния комплексного стабилизатора – водного полимера и портландцемента на прочность при сжатии песчаных грунтов.
В исследованиях использовали портландцемент мордовского цементного завода марки ЦЕМ I 42,5 Б (М500 Д0). Свойства цемента приведены в таблицах 1, 2, 3.
Таблица 1
Физико-механические свойства портландцемента ЦЕМ I 42,5 Б (М500 Д0)
Наименование |
Требования |
Фактически |
Прочность в возрасте 28 суток, МПа - изгиб - сжатие |
не нормируется не менее 42,5 не более 62,5 |
8,7 ± 0,3 51,0 ± 2,0 |
Прочность в возрасте 2 суток, МПа - изгиб - сжатие |
не нормируется не менее 20,0 |
4,7 ± 0,2 24,0 ± 2,0 |
Удельная поверхность, м2/кг |
не нормируется |
360 ± 10 |
Содержание оксида серы (VI) SO3, % |
не более 4,0 |
2,9 ± 0,2 |
Массовая доля добавок (вспомогательный компонент), опока, % |
0 - 5 |
нет |
Нормальная густота цементного теста, % |
не нормируется |
26,0 ± 1,0 |
Равномерность изменения объема (расширение), мм |
не более 10,0 |
0,2 ± 0,1 |
Сроки схватывания (час:мин) - начало - конец |
не ранее 60 мин не нормируется |
2:20 ± 0:20 3:30 ± 0:20 |
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг |
не более 370 |
64 ± 10,0 |
Таблица 2
Химический состав портландцемента ЦЕМ I 42,5 Б
п.п. |
SiO 2 |
Al 2 O 3 |
Fe 2 O 3 |
CaO |
MgO |
SO 3 |
CL- |
CaSO 4 |
R 2 O |
1,74 |
23,37 |
4,98 |
4,03 |
60,38 |
1,13 |
2,83 |
0,003 |
5,38 |
0,74 |
Таблица 3
Минералогический состав клинкера цемента ЦЕМ I 42,5 Б
Трехкальциевый силикат, C3S |
Двухкальциевый силикат, C2S |
Трехкальциевый алюминат, C3A |
Четырехкальциевый aлюмоферрит, C4AF |
61,56 |
16,07 |
6,20 |
12,68 |
«350-Пента» продукт представляет собой водную эмульсию на основе винил-акрилового сополимера. Стабилизатор вводится в композицию совместно с водой затворения из расчета получения грунта оптимальной влажности и получения максимальной плотности и прочности. Свойства полимера представлены в таблице 4.
Свойства винил-акрилового сополимера «350-Пента»
Таблица 4.
Свойства |
«350-Пента» |
Состояние |
Жидкость |
рН 50% водного раствора |
5-9 |
Цвет |
Молочно-белый |
Температура кипения |
От 100 оС |
Горючесть |
Не горит, не взрывоопасна |
Плотность, г/см3 |
1,11-1,16 |
Химический состав |
Органоминеральная композиция на основе винил-акрилового-сополимера |
Способ введения |
Дозируется в воду |
Дозировка, л/м3 грунта |
2,5-12,0 |
Для исследований были использованы песчаные грунты местных карьеров: Чаадаевский и Сурский. Все пробы подвергались ситовому анализу с целью определения модуля крупности песка и коэффициента фильтрации [8, 9]. Результаты анализа песчаных почв представлены в таблицах 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Таблица 5
Зерновой состав песка Чаадаевского карьера
№ сита |
10 |
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
0,071 |
<0,07 |
Частные остатки, % |
- |
1,60 |
0,40 |
0,38 |
20,36 |
7,48 |
64,23 |
4,57 |
0,00 |
Полные остатки, % |
- |
1,60 |
2,00 |
2,38 |
22,73 |
30,21 |
94,44 |
99,01 |
99,01 |
Полные |
100,0 |
98,40 |
98,00 |
97,63 |
77,27 |
69,79 |
5,56 |
0,99 |
0,99 |
проходы |
|||||||||
Модуль крупности песка |
1,52 |
Таблица 6
Физико-механические свойства песка Чаадаевского карьера
№№ пп |
Наименование показателя |
Един. изм. |
Требования ГОСТ 8736-93, ГОСТ 91282009 |
Фактические значения |
1. Оценка зернового состава |
||||
1.1 |
Модуль крупности |
- |
1,52 |
|
1.2 |
Полный остаток на сите № 063 |
% |
>> 10 >> 30 |
22,73 |
1.3 |
Содержание зерен св. 10 мм |
% |
0,5 |
- |
1.4 |
Содержание зерен св. 5 мм |
% |
10,0 |
- |
1.5 |
Содержание зерен менее 0,16 мм |
% |
Не более 20,0 |
4,57 |
2. Физико-механические показатели |
||||
2.1 |
Насыпная плотность в состоянии естественной влажности |
кг/м3 |
1330 |
|
2.2 |
Содержание пылевидных и глинистых частиц |
% |
не более 5,0 |
0,2 |
2.3 |
Истинная плотность |
кг/м3 |
2631 |
|
2.4 |
Содержание глины в комках |
% |
не более 0,5 |
0,3 |
2.5 |
Влажность |
% |
7,5 |
|
2.6 |
Коэффициент фильтрации |
м/сут |
3,00 |
1,18 |
Таблица 7
Зерновой состав песка Сурского карьера
№ сита |
10 |
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
0,071 |
<0,07 |
Частные остатки, % |
- |
1,60 |
0,40 |
0,38 |
5,14 |
1,42 |
88,41 |
2,66 |
0,00 |
Полные остатки, % |
- |
1,60 |
2,00 |
2,38 |
7,51 |
8,93 |
97,34 |
100,0 |
100,0 |
Полные проходы, % |
100,0 |
98,40 |
98,00 |
97,63 |
92,49 |
91,07 |
2,66 |
0,00 |
0,00 |
Модуль крупности песка 1,18 |
Таблица 8
Физико-механические свойства песка Сурского карьера
№№ пп |
Наименование показателя |
Един. изм. |
Требования ГОСТ 8736-93, ГОСТ 91282009 |
Фактические значения |
1. Оценка зернового состава |
||||
1.1 |
Модуль крупности |
- |
1,18 |
|
1.2 |
Полный остаток на сите № 063 |
% |
До 10 |
7,51 |
1.3 |
Содержание зерен св. 10 мм |
% |
0,5 |
- |
1.4 |
Содержание зерен св. 5 мм |
% |
10,0 |
- |
1.5 |
Содержание зерен менее 0,16 мм |
% |
Не более 20,0 |
2,66 |
2. Физико-механические показатели |
||||
2.1 |
Насыпная плотность в состоянии естественной влажности |
кг/м3 |
1408 |
|
2.2 |
Содержание пылевидных и глинистых частиц |
% |
не более 5,0 |
0,5 |
2.3 |
Истинная плотность |
кг/м3 |
2560 |
|
2.4 |
Содержание глины в комках |
% |
не более 0,5 |
- |
2.5 |
Влажность оптимальная |
% |
16,6 |
|
2.6 |
Коэффициент фильтрации |
м/сут |
3,00 |
1,03 |
Таблица 9
Зерновой состав песка Камешкирского карьера
№ сита |
10 |
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
0,071 |
Частные остатки, % |
- |
- |
0,97 |
1,06 |
28,5 |
0,95 |
65,53 |
2,99 |
Полные остатки,% |
- |
0,00 |
0,97 |
2,03 |
30,53 |
31,48 |
97,01 |
100,0 |
Полные проходы,% |
100,0 0 |
100,00 |
99,03 |
97,97 |
69,47 |
68,52 |
2,99 |
0,00 |
Модуль крупности песка |
1,62 |
Таблица 10
Физико-механические свойства песка Камешкирского карьера
№№ пп |
Наименование показателя |
Един. изм. |
Требования ГОСТ 873693, ГОСТ 9128-2009 |
Фактич еские значени я |
1. Оценка зернового состава |
||||
1.1 |
Модуль крупности |
- |
1,62 |
|
1.2 |
Полный остаток на сите № 063 |
% |
>> 10 >> 30 |
30,53 |
1.3 |
Содержание зерен св. 10 мм |
% |
0,5 |
- |
1.4 |
Содержание зерен св. 5 мм |
% |
10,0 |
- |
1.5 |
Содержание зерен менее 0,16 мм |
% |
Не более 20,0 |
2,99 |
2. Физико-механические показатели |
||||
2.1 |
Насыпная плотность в состоянии естественной |
кг/м3 |
1302 |
влажности |
||||
2.2 |
Содержание пылевидных и глинистых частиц |
% |
не более 5,0 |
0,2 |
2.3 |
Истинная плотность |
кг/м3 |
2570 |
|
2.4 |
Содержание глины в комках |
% |
не более 0,5 |
0,1 |
2.5 |
Влажность |
% |
7,1 |
|
2.6 |
Коэффициент фильтрации (градиент 0,8) |
м/сут |
3,00 |
1,39 |
Исследования были направлены с целью определения физикомеханических свойств стабилизированного грунта, времени набора прочности и оптимальной дозировки раствора полимера и неорганического вяжущего.
Методика проведения исследований состоит из следующих операций:
-
• предварительная сушка песка при температуре 105оС до постоянного веса,
-
• смешение в лабораторной роторной мешалке грунта с неорганическим вяжущим-портландцементом,
-
• приготовление водного раствора полимера заданной концентрации,
-
• доведение смеси грунта с портландцементом до оптимальной влажности.
Дозировка неорганического вяжущего варьировалась в пределах 5-15 % с шагом 5%. Расход стабилизатора «350-Пента» рассчитывался из условия расхода от 2,0 до 12,0 л/м3 грунта. Оптимальная влажность смеси формовочной составляла 13,1-15,6 %. Формовочные смеси оптимальной влажности помещали в формы и уплотняли на прессе при усилии 250 кг/см2 в течении 3 мин.
Полученные образцы грунтобетона помещали в камеру нормального твердения при температуре воздуха 20 ± 5оС и влажности 90%. Набор прочности проверяли в возрасте 14 и 28 суток твердения. После 28 суток часть образцов помещали в воду и выдерживали 7 суток. После извлечения образцов из воды они протираются ветошью и выдерживаются на воздухе в течении 2 часов.
Затем производятся испытания на прочность. Результаты испытаний сопоставляли с результатами воздушного твердения. На каждый срок испытания готовилось по три образца с целью обеспечения достаточного количества данных для точной интерполяции результатов. В таблице 11 представлены составы грунта, используемые в экспериментальных исследованиях. Физико-механические свойства грунтобетонов представлены в таблицах 12, 13, 14.
Таблица 11
Составы стабилизированного грунта и грунтобетона
Номера составов |
Грунт, % |
ПТЦ, % от массы сухого грунта |
«350- Пента» |
Номера составов |
Грунт, % |
ПТЦ, % от массы сухого грунта |
«350- Пента» |
1 |
100,0 |
- |
2,0 |
13 |
100,0 |
5 |
6,0 |
2 |
100,0 |
- |
4,0 |
14 |
100,0 |
10 |
|
3 |
100,0 |
- |
6,0 |
15 |
100,0 |
15 |
|
4 |
100,0 |
- |
8,0 |
16 |
100,0 |
5 |
8,0 |
5 |
100,0 |
- |
10,0 |
17 |
100,0 |
10 |
|
6 |
100,0 |
- |
12,0 |
18 |
100,0 |
15 |
|
7 |
100,0 |
5 |
2,0 |
19 |
100,0 |
5 |
10,0 |
8 |
100,0 |
10 |
20 |
100,0 |
10 |
||
9 |
100,0 |
15 |
21 |
100,0 |
15 |
||
10 |
100,0 |
5 |
4,0 |
22 |
100,0 |
5 |
12,0 |
11 |
100,0 |
10 |
23 |
100,0 |
10 |
||
12 |
100,0 |
15 |
24 |
100,0 |
15 |
Таблица 12
Физико-механические свойства грунтобетонов на Чаадаевском песке
№ состава |
Грунт, % |
ПТЦ, % от массы сухого грунта |
«350-Пента», л/м 3 |
Прочность на сжатие, МПа, в возрасте, сут. |
||
14 |
28 |
35 (водное твердение) |
||||
1 |
100,0 |
- |
2,0 |
0,77 |
1,25 |
1,00 |
2 |
100,0 |
- |
4,0 |
1,45 |
2,07 |
1,61 |
3 |
100,0 |
- |
6,0 |
2,36 |
2,58 |
2,07 |
4 |
100,0 |
- |
8,0 |
2,44 |
2,76 |
2,26 |
5 |
100,0 |
- |
10,0 |
2,60 |
2,94 |
2,41 |
6 |
100,0 |
- |
12,0 |
2,66 |
2,97 |
2,47 |
7 |
100,0 |
5 |
2,0 |
2,46 |
7,81 |
7,10 |
8 |
100,0 |
10 |
6,18 |
12,9 |
13,09 |
|
9 |
100,0 |
15 |
16,6 |
21,4 |
26,32 |
|
10 |
100,0 |
5 |
2,78 |
8,91 |
9,04 |
11 |
100,0 |
10 |
4,0 |
6,90 |
13,66 |
15,44 |
12 |
100,0 |
15 |
17,5 |
22,1 |
25,11 |
|
13 |
100,0 |
5 |
6,0 |
3,24 |
9,53 |
9,33 |
14 |
100,0 |
10 |
7,79 |
15,04 |
16,54 |
|
15 |
100,0 |
15 |
19,6 |
24,5 |
28,91 |
|
16 |
100,0 |
5 |
8,0 |
3,79 |
10,32 |
10,62 |
17 |
100,0 |
10 |
8,44 |
16,41 |
19,28 |
|
18 |
100,0 |
15 |
17,8 |
23,16 |
26,17 |
|
19 |
100,0 |
5 |
10,0 |
3,05 |
9,12 |
8,12 |
20 |
100,0 |
10 |
7,25 |
14,65 |
15,99 |
|
21 |
100,0 |
15 |
16,9 |
22,8 |
23,18 |
|
22 |
100,0 |
5 |
12,0 |
2,89 |
9,00 |
8,82 |
23 |
100,0 |
10 |
6,58 |
14,33 |
16,19 |
|
24 |
100,0 |
15 |
15,05 |
21,0 |
23,64 |
Таблица 13
Физико-механические свойства грунтобетонов на Сурском песке
№ состава |
Грунт, % |
ПТЦ, % от массы сухого грунта |
«350-Пента», л/м 3 |
Прочность на сжатие, МПа, в возрасте, сут. |
||
14 |
28 |
35 (водное твердение) |
||||
1 |
100,0 |
- |
2,0 |
0,62 |
1,08 |
0,88 |
2 |
100,0 |
- |
4,0 |
1,31 |
1,81 |
0,65 |
3 |
100,0 |
- |
6,0 |
2,15 |
2,39 |
1,96 |
4 |
100,0 |
- |
8,0 |
2,15 |
2,56 |
2,13 |
5 |
100,0 |
- |
10,0 |
2,29 |
2,68 |
2,31 |
6 |
100,0 |
- |
12,0 |
2,31 |
2,79 |
2,42 |
7 |
100,0 |
5 |
2,0 |
2,25 |
7,01 |
5,92 |
8 |
100,0 |
10 |
5,55 |
11,81 |
9,97 |
|
9 |
100,0 |
15 |
15,11 |
19,71 |
16,41 |
|
10 |
100,0 |
5 |
4,0 |
2,50 |
8,11 |
7,10 |
11 |
100,0 |
10 |
6,07 |
12,42 |
10,39 |
|
12 |
100,0 |
15 |
1,56 |
20,31 |
17,83 |
|
13 |
100,0 |
5 |
6,0 |
2,94 |
8,48 |
7,46 |
14 |
100,0 |
10 |
7,11 |
13,56 |
11,59 |
|
15 |
100,0 |
15 |
18,03 |
22,78 |
19,52 |
|
16 |
100,0 |
5 |
8,0 |
3,39 |
9,44 |
7,93 |
17 |
100,0 |
10 |
7,77 |
14,80 |
12,80 |
|
18 |
100,0 |
15 |
16,74 |
21,03 |
17,59 |
|
19 |
100,0 |
5 |
10,0 |
2,84 |
8,35 |
6,79 |
20 |
100,0 |
10 |
6,49 |
13,48 |
11,32 |
|
21 |
100,0 |
15 |
15,88 |
21,66 |
19,92 |
|
22 |
100,0 |
5 |
12,0 |
2,54 |
8,21 |
7,69 |
23 |
100,0 |
10 |
5,95 |
13,11 |
11,81 |
|
24 |
100,0 |
15 |
13,63 |
19,95 |
18,41 |
Анализируя полученные результаты по набору прочности грунтобетонов, полученные на основе грунта и полимерной добавки, можно сказать, что при твердении в воздушных условиях в течении 28 суток прочность на сжатие увеличивается с увеличением дозировки полимера на всех видах грунта.
Прочность грунтобетона на Чаадаевском песке с добавкой «350-Пента» в количестве 12 % в 2,35 раза превышает прочность грунтобетона с дозировкой стабилизатора 2 %. На Сурском песке превышение составляет 2,48 раза. Это говорит о том, что увеличение дозировки полимерного стабилизатора грунта приводит к росту прочности на сжатие.
Водное твердение образцов грунтобетона также приводит к росту прочности. Прирост прочности при дозировке полимера с 2 % до 12 % составляет 2,78-2,82. Коэффициент водостойкости составляет 0,81-0,94.
Введение в полученную композицию портландцемент в количестве 5, 10 и 15 % способствует существенному увеличению физико-механических свойств грунтобетона. Прочность грунтобетона в возрасте 28 суток при дозировке 5 % ПТЦ составляет 7,01-7,82 МПа, а при дозировке 15 % – 22,7822,8 МПа (табл. 12, 13).
Прочностные свойства образцов, которые содержат от 5 до 15 % портландцемента и от 2 до 12 % полимера увеличиваются после погружения в воду. Причиной увеличения прочности на сжатие образцов из грунтобетона является вода, которая выступает в качестве катализатора реакции гидратации. В тоже время увеличение содержания полимера приводит к увеличению плотности образцов из грунтобетона.


Дозировка полимерной добавки. %
-•-Дозировка цемента 5 %
-•-Дозировка цемента 10 %
-•-Дозировка цемента 15 %
Дозировка полимерной добавки. %
-•-Дозировка цемента 5 %
-•-Дозировка цемента 10 %
-•-Дозировка цемента 15 %
Рис. 1. Изменение плотности грунтобетона в возрасте 14 суток на Чаадаевском песке
Рис. 2. Изменение плотности грунтобетона в возрасте 14 суток на Сурском песке
Влияние содержания стабилизатора грунта на плотность грунтобетона при твердении в воздушных условиях представлено на рис. 1, 2, 3 и 4. При твердении в воздушных условиях, увеличение содержания полимера вызывает приращение плотности образцов. Это связано с приращением среднего веса единицы объема полимербетонной смеси.


Дозировка полимерной добавки. %
-•-Дозировка цемента 5 %
-•-Дозировка цемента 10 %
-^ Дозировка цемента 15%
Дозировка полимерной добавки. %
-^ Дозировка цемента 5 %
-•-Дозировка цемента 10 %
-^ Дозировка цемента 15%
Рис. 3. Изменение плотности грунтобетона в возрасте 28 суток на Чаадаевском песке
Рис. 4. Изменение плотности грунтобетона в возрасте 28 суток на Сурском песке
Таким образом, по результатам исследований можно сделать следующие выводы. Модифицирование песчаных грунтов стабилизатором позволяет направленно влиять на физико-механических свойства. Удалось увеличить прочность на сжатие образцов грунта до 7,0-23,0 МПа. Повышение дозировки «350-Пента» способствует росту плотности грунтобетона.
Оптимальная дозировка «350-Пента» для модифицирования грунта составляет 8%. Модификатор- стабилизатор грунта вызывает формированию гидрофобной природы грунта. Оптимальная дозировка портландцемента в грунтобетоны в экспериментах составила 10 %, при этом водостойкость составляет 0,81-0,94.
Список литературы Стабилизация песчаного основания химическими веществами
- Абрамова Т.Т. Использование стабилизаторов для улучшения свойств связных грунтов / Т.Т. Абрамова, А.И. Босов, К.Э. Валиева // Геотехника. - 2012. - № 3. - С. 4-28.
- Максимов А.Т. Применение полимерной добавки Nicoflok для укрепления и стабилизации грунтов / А.Т. Максимов, Г.И. Собко. - М.: ВТУ Спецстроя России, 2006. - 89 с.
- Романенко И.И., Пилясов Б.В. Материал на основе металлургических шлаков для укрепления дорожных оснований / И.И. Романенко, Б.В. Пилясов // Строительные материалы. 2008. №12. С. 28-29.
- Santoni, R.L., Tingling, I.S., and Webster, SL, stabilization of Silty Sands with nontraditional additives, Transportation research 1787, TRB, national research Council, Washington, DC, 2003, S. 33-41.
- Wilk, C. M. (1997) Stabilisation of Heavy Metals with Portland Cement: Research Synopsis. Waste Management Information, Public Works Department, Portland Cement Association, Skokie, Il.
- Yong, R.N., Mohamed, A.M.O. and Warkentin, B.P. (1996) Principles of Contaminant Transport in Soils, Elsevier, Oxford.
- A.B. Mustafa, AR Bazara and AR Nour El Din, « soil Stabilization of polymeric materials», Angenandte MaKromoleKular Chemie, vol. 97, no. 1, pp. 1-12, 2003.
- ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний.
- ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия.