Технико-экономическая эффективность применения различных грунтов, укрепленных цементом, в АПК

Один из важнейших приоритетов обеспечения экономического роста и повышения конкурентоспособности – развитие дорожной инфраструктуры сельских территорий.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Устойчивое развитие сельских территорий на 2014–2017 гг. и на период до 2020 г.» одной из приоритетной целей этой программы является дорожное строительство.

В агропромышленном комплексе Омской области в числе главных – задача обеспечения сельских территорий качественными дорогами, их строительство поможет реализовать потенциал села и привлечь инвестиции. Анализ дорожной инфраструктуры в области показывает, что главное препятствие для решения проблем дорожного строительства – слабое финансирование.

В 2016 г. Омская область получила почти 230 млн руб. на строительство подъездных дорог к 7 объектам производства и переработки сельскохозяйственной продукции. Соответствующее распоряжение подписал председатель Правительства страны Дмит рий Медведев в рамках Федеральной программы устойчивого развития сельских территорий [1].

Перед Омской областью в 2016 г. стояла задача построить 100 км и отремонтировать 300 км автодорог регионального, межмуниципального и местного значения.

Объекты и методы

В России более 70 лет существует научная и производственная школа применения грунтов, укрепленных вяжущим (цементом). Технико-экономическая эффективность их использования в дорожном строительстве многократно подтверждена для регионов, не имеющих своих каменных материалов. Важным фактором повышения экономической эффективности дорожного строительства является экономия дорогостоящих строительных материалов и вовлечение местных строительных материалов, в частности грунтов. Отметим, что в Омской области отсутствуют запасы каменных материалов, пригодных для строительства дорожных одежд автомобильных дорог, их транспортировка значительно увеличивает стоимость их строительства. Следовательно, наиболее значим вопрос снижения стоимости применяемых материалов.

В настоящее время процессы, происходящие в экономике, вынуждают переоценить эффективность применения укрепления грунтов. Цены на все виды вяжущих, изменяющиеся с каждым днем, заставляют использовать более дешевые вяжущие материалы.

Портландцемент – один из самых распространенных, универсальных и дешевых минеральных вяжущих, применяемых для укрепления грунтов. В нем заложены те потенциальные вяжущие свойства, при максимальной реализации которых обеспечивается коренное изменение первоначальных свойств, присущих грунту, с приданием ему новых качеств: постоянной и необратимой прочности, связности (монолитности) и морозостойкости. Поэтому повышение эффективности укрепления грунтов портландцементом с заданными структурно-механическими свойствами – актуальная задача [2; 3].

Анализируя многолетний опыт использования цементогрунтовых материалов и результаты разнообразных и многочисленных исследований, можно сказать, что необходимо дальнейшее совершенствование и разработка новых методов, направленных на устранение существующих недостатков цементогрунтов. Для их устранения необходимы исследования, которые повысят их прочность, однородность, морозостойкость, следовательно, и долговечность.

Материалы и методы

Под укреплением грунтов понимают комплекс мероприятий, направленных на создание, по существу, новых строительных материалов с новыми физико-механическими свойствами по сравнению со свойствами исходных грунтов.

Учитывая, что укрепленный грунт представляет материальную систему, в которой ее составные части – грунтовые зерна и связующие вещества – сохраняют свою хими- ческую индивидуальность, а процессы физико-химического взаимодействия протекают главным образом на границах раздела фаз, термин «укрепленные грунты» может быть заменен на «композиционные материалы на основе грунтов», особенно для случаев, когда укрепленный грунт рассматривается как строительный материал.

Для проведения экспериментальных исследований были отобраны образцы наиболее характерных для Омской области грунтов. Результаты их валового химического анализа представлены в табл. 1 [4; 5].

Таблица 1 Результаты валового химического анализа грунтов

№	Наименование	Супесь омская	Суглинок омский
1	Влажность в %	0,80–0,90	2,53–2,57
2	Потери при прокаливании, %	2,92–2,95	7,01–7,02
3	Кремнекислоты (SiO 2 ), %	81,01–81,04	66,33–66,35
4	Полуторные оксиды (R 2 O 3 ), %	10,47–10,50	16,40–16,44
5	Оксид железа (Fe 2 O 3 ), %	1,81–1,82	4,02–4,09
6	Оксид алюминия (Al 2 O 3 ), %	8,63–8,69	12,31–12,34
7	Оксид кальция (CaO), %	2,82–2,86	5,71–5,75
8	Оксид магния (MgO), %	0,66–0,68	1,54–1,55
9	Cульфаты (SO 3 ), %	0,06–0,09	0,58–0,63
10	Оксид марганца (MnO), %	–	–
11	CaCO 3 , %	3,02–3,05	7,98–8,00
12	pH воды, 1 : 5	7,55	8,1

В качестве вяжущего для контрольных испытаний использовался портландцемент Искитимского цементного завода ПЦ400 Д20. Его химический и минералогический состав представлен в табл. 2, 3.

Таблица 2

Химический состав портландцемента

Химический состав, %
CaO	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	MgO	SO 3	R 2 O	P 2 O
65,4	22,1	5,01	3,65	1,01	2,54	0,7	0,2

Таблица 3

Минералогический состав портландцемента

Минералогический состав, %
3CaO ⋅ SiO 2	2CaO ⋅ SiO 2	4CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ Fe 2 O 3	3CaO ⋅ Al 2 O 3
54,2	24,5	18,2	3,1

Лабораторные исследования по определению распределения портландцемента в образцах укрепленного грунта проведены в соответствии с требованиями [2].

Апробировали теоретические предпосылки в лабораторных условиях.

Изготовление, хранение и испытание образцов осуществлено по методике, приведенной в [2; 6]: из полученной смеси готовили образцы-цилиндры размером 5 × 5 см уплотнением под нагрузкой 15 МПа в течение 3 мин; хранили их во влажных условиях 28 сут, подвергали водопоглощению 2 сут, испытывали на прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии.

Способ получения цементогрунта является единым технологическим комплексом, в котором разнородные элементы материала (грунт, цемент и вода) объединяются в одну систему посредством перемешивания. При перемешивании исходных материалов (единственной механической операции) можно изменять порядок загрузки, время перемешивания отдельных компонентов в зависимости от их активности и физикомеханических свойств, их количество.

Рассмотрение микроструктуры цементогрунтов, полученных на различных грунтах (супесь и суглинок), сделанных при помощи сканирующего растрового микроскопа Jeol JSX 6460, позволило сделать выводы.

При рассмотрении среза образца, выполненного на суглинке, видно, что каркас получился прерывистым, в порах и пустотах распределение цемента неравномерное, у кристаллических новообразований неодинаковая толщина, следовательно, прочность его снижена, свидетельствуя о неоднородности цементогрунта.

Рис. 1. Электронно-микроскопический анализ суглинка

Рис. 2. Электронно-микроскопический анализ супеси

Рассматривая образец среза, выполненного на супеси, можно сказать, что каркас сплошной густоразветвленный, равномерно пронизывает весь объем укрепленного грунта. Зафиксировано равномерное распределение цемента, следовательно, однородность грунта.

Результаты исследования

Для проверки эффективности данного метода в р.п. Полтавка Омской области было осуществлено строительство опытного участка, проверялась возможность регулирования качества цементогрунтового слоя с учетом технологических факторов.

Сравнение экономической эффективности мы проводили путем сопоставления вариантов, выполненных ресурсным методом, по критериям стоимости конструкций дорожной одежды [8].

Таблица 4

Варианты дорожных конструкций

Вариант	Состав дорожной конструкции	Толщина конструктивного слоя, м
1-й	1. Покрытие – горячий плотный асфальтобетон	0,06
	2. Нижний слой покрытия – горячий пористый асфальтобетон	0,06
	3. Основание – щебень	0,20
	4. Основание – суглинок, укрепленный портландцементом (18%)	0,15
2-й	1. Покрытие – горячий плотный асфальтобетон	0,06
	2. Нижний слой покрытия – горячий пористый асфальтобетон	0,06
	3. Основание – щебень	0,15
	4. Основание – супесь, укрепленная портландцементом (15%)	0,15

Таблица 5

Вариант конструкции	Наименование грунта	Стоимость работ, руб.
1-й	Суглинок	5334754,7
2-й	Супесь	4893107,3

Стоимость производства работ по устройству дорожных одежд

Расчет стоимости дорожных одежд проведен суммированием затрат на устройство каждого слоя. Экономическая эффективность применения местных материалов с минеральными вяжущими установлена путем сравнения их экономических показателей. Данные расчета затрат на устройство 1 км дорожной одежды и варианты равнопрочных дорожных конструкций приведены в табл. 4; стоимость производства работ по устройству дорожных одежд – в табл. 5.

Выводы

• 1.    Полученные результаты показали, что перемешивание супеси с портладцемен-том позволяет получить цементогрунт более однородный, чем с суглинком. Следовательно, полученная из супеси цементогрунтовая смесь обладает высокой степенью однородности [9].

• 2.    По расчетам второй вариант более экономичен, по сравнению с первым, примерно на 12%.

M.V. Tarasova, I.A. Trotsenko

Technical and economic efficiency of various soils, reinforced cement, in AIC