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.
Еще
Статья научная