Технологические факторы комплексно-модифицированных упрочненных грунтов для дорожного строительства

Тенденции социально-экономического развития страны формируют требования к надежности, долговечности и эксплуатационной эффективности транспортной инфраструктуры. Транспортная инфраструктура, являясь основой экономического развития, обеспечивает базовые потребности общества в пассажирской мобильности, грузоперевозках и выступает ключевым фактором конкурентоспособной среды в логистике и инвестиционной привлекательности территорий [1], [2]. В условиях растущего дефицита традиционных дорожно-строительных материалов актуализируется концепция ресурсосберегающего строительства, где применение композитов на основе местных грунтов, укрепленных вяжущими, формирует стратегически рациональную и экономически целесообразную альтернативу привозному дорогостоящему щебню [3], [4]. Наибольшую сложность при строительстве оснований дорожных одежд из укрепленных грунтов представляют глинистые, обладающие свойством потери несущей способности при повышении их влажности и в результате процессов переменных замораживаний-оттаиваний, что существенно ограничивает сферу их применения [5], [6]. В связи с этим, разработка и совершенствование методов функциональной модификации укрепленных глинистых грунтов представляет собой наиболее перспективное направление повышения эффективности устройства дорожных одежд [7], [8].

Известно, что ключевыми факторами, оказывающими существенное влияние на формирование конструктивного слоя, относятся гранулометрический (зерновой) состав исходного грунта, его начальная влажность, коэффициент уплотнения, а также соблюдение требований на всех стадиях технологического процесса – от приготовления смеси до ее уплотнения и последующего твердения [9], [10].

На процессы структурообразования укрепленных грунтов оказывает технология приготовления смеси, порядок введения и способ смешения компонентов [12], [13]. Известно, что в технологии укрепления грунтов находят применение два основных способа производства работ: приготовление смеси из местных или привозных грунтов в стационарных или полустационарных смесительных установках с последующей транспортировкой готовой смеси к месту укладки; приготовление смесей смешением на дороге с использованием однопроходных грунтосмесительных машин и многопроходных дорожных фрез [14].

Для устройства оснований дорожных одежд, как показывают результаты предыдущих исследований, наиболее рациональной и технологически отработанной признана методика смешения на дороге с использованием специализированного механизма – ресайклера (стабилизатора грунта) [15]. Этот агрегат, оснащенный фрезерным барабаном с приводом высокой мощности, предназначен для послойного механического смешивания грунта с вяжущим на заданную глубину, что обеспечивает требуемую степень однородности получаемого материала. Агрегат имеет достаточно точную степень дозирования водной суспензии с модификаторами и высокое качество перемешивания.

Важным технологическим параметром является влажность укрепленной грунтовой смеси. Этот параметр определяет удобоукладываемость (технологичность) смеси и ее способности к уплотнению до максимальной плотности. Эмпирически и теоретически установлена прямая корреляционная зависимость между величиной плотности и его механическими характеристиками – прочностью, модулем упругости и др. [16]. После затворения и начала реакций гидратации минерального вяжущего конечная прочность формирующейся структуры в значительной мере зависит от коэффициента уплотнения. Увеличение коэффициента уплотнения закономерно способствует увеличению максимальной достижимой плотности и сокращению объема свободной (поровой) воды в материале. Для немодифицированных глинистых грунтов степень уплотнения является одним из определяющих технологических факторов: в процессе уплотнения происходит механическая дезагрегация крупных глинистых конгломератов, уменьшение среднего размера пор и установление более плотных и многочисленных контактов между твердыми частицами. Этот комплекс процессов влияет на снижение коэффициента водопроницаемости и общей способности материала к водонасыщению [17].

Существенное воздействие на физико-механические свойства укрепленного грунта оказывает временной фактор, в частности продолжительность технологических перерывов между ключевыми операциями – выдержки материала после смешения до момента уплотнения, а также интервалов между послойной укладкой. Синхронизация и оптимальная последовательность операций смешения, транспортировки, укладки и уплотнения являются критически важными для формирования монолитной, прочной и устойчивой к водонасыщению структуры конструктивного слоя [18]. Запаздывание с уплотнением приводит к необратимому разрушению формирующихся в начальный период коагуляционных, а впоследствии и кристаллизационных связей, что значительно снижает расчетную прочность слоя и его долговечность [19].

Наиболее распространенным и доступным вяжущим для стабилизации и укрепления грунтов в мировой и отечественной практике является портландцемент [20]. Тем не менее его применение для укрепления высокопластичных глинистых грунтов сопряжено с рядом принципиальных технологических сложностей: затрудняется достижение однородной структуры смеси, а полученный материал зачастую проявляет повышенную склонность к хрупкому разрушению и образованию усадочных трещин [21]. Одним из эффективных решений указанных системных проблем может являться применение методов комплексной модификации укрепленных грунтов, Vdovin, E.; Stroganov, V.; Bulanov, P.; Vybornov, D.

Technological factors of complex-modified strengthened soils for road construction;

основанный на сочетании нескольких видов функциональной модификации [22]. Перспективность такого подхода, подтверждается возможностью комплексно нивелировать недостатки, присущие укрепленным грунтам без модификации [23]. Комплексная модификация обеспечивает возможность значительного роста прочностных и деформативных показателей за счет оптимизации микроструктуры материала, но и также повышает технологичность всего процесса устройства дорожных одежд. Это позволит расширить допустимые временные интервалы укладки смеси (увеличить время жизнеспособности), нивелировать естественную неоднородность свойств исходного грунта и отклонение от оптимальной влажности, что в совокупности обеспечивает более стабильные, воспроизводимые и прогнозируемые результаты строительства [24]–[26]. Однако, возможности расширения границ допустимых отклонений основных технологических факторов (влажности, продолжительность технологического процесса, степени дробления грунтовых агрегатов и др.) при использовании метода «Комплексная модификация» для укрепленных глинистых грунтов недостаточно исследовано, что обуславливает актуальность работы.

В связи с изложенным, целью работы является исследование влияния основных технологических факторов устройства конструктивных слоев дорожных одежд на физикомеханические свойства комплексно-модифицированных укрепленных грунтов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• -    подобрать составы комплексно-модифицированных укрепленных глинистых грунтов для слоев оснований дорожных одежд в III дорожно-климатической зоне;

• -    определить наиболее эффектный порядок введения компонентов при устройстве слоев дорожных одежд из комплексно-модифицированных укрепленных глинистых грунтов;

• -    установить зависимости изменения физико-механических свойств укреплённых грунтов от размеров грунтовых агрегатов при применении метода «Комплексная модификация»;

• -    исследовать влияние коэффициента уплотнения и влажности смеси на физикомеханические свойства комплексно-модифицированных укрепленных грунтов;

• -    установить влияние продолжительности технологического процесса устройства слоев дорожных одежд на свойства укрепленных грунтов при применении метода «Комплексная модификация».

• 2    Materials and Methods

  В исследованиях применяли глинистый грунт – суглинок легкий пылеватый. Физические свойства грунта: влажность на границе текучести – 30,04 %, на границе раскатывания – 18,42 %, число пластичности – 0,1162, содержание песчаных частиц (2,00-0,05 мм) в грунте по массе – 9,14 %. Глинистые грунты укрепляли портландцементом (ПЦ) марки ЦЕМ I 42,5Н. Содержание портландцемента в укреплённых грунтах составляло 8 % от массы глинистого грунта. При исследовании технологических факторов комплексно-модифицированных укрепленных грунтов в качестве модификаторов применяли: додецилтриэтоксисилан (ДТЭС), эфир поликарбоксилата (ПКС) и гидроксид натрия (ГН).

Исследованы следующие основные технологические факторы: порядок введения компонентов, размер грунтовых агрегатов, коэффициента уплотнения, оптимальная влажность и продолжительность технологического процесса. Рассмотрены три варианта введения компонентов. В первом – грунт увлажняли до введения вяжущего, во втором – после перемешивания грунта с вяжущим, и в третьем – при введении водоцементной суспензии в грунт. Максимальную плотность и оптимальную влажность глинистых грунтов и укрепленных грунтовых смесей определяли по ГОСТ 2273 [27]. При изготовлении образцов смесей использовали малый прибор стандартного уплотнения СОЮЗДОРНИИ. Коэффициент уплотнения регулировали количеством приложений нагрузки. За продолжительность технологического процесса принимали время между смешением компонентов и уплотнением смеси. Гранулометрический состав грунта определяли ситовым методом с промывкой по ГОСТ 12536 [28]. В соответствии с ГОСТ 23558 [29] определяли следующие показатели образцов укрепленных грунтов в возрасте 28 суток: предел прочности при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе, коэффициент морозостойкости. Морозостойкость определяли после 15 циклов переменного замораживания-оттаивания образцов с последующим испытанием на предел прочности при сжатии.

Для определения оптимальных количеств портландцемента и модификаторов у комплексно-модифицированных укрепленных грунтов применяли метод ротатабельного планирования Vdovin, E.; Stroganov, V.; Bulanov, P.; Vybornov, D.

Technological factors of complex-modified strengthened soils for road construction;

эксперимента второго порядка. При оптимизации составов в качестве независимых переменных принято содержание модификаторов: Х 1 – количество ГН (от 0,05 до 0,15 %), Х 2 – ДТЭС (от 0,02 до 0,06), Х 3 – ПКС (от 0,10 до 0,30 %) от массы грунта.

• 3    Results and Discussion

При обработке результатов экспериментов получены уравнения регрессии второго порядка для физико-механических характеристик: предела прочности на сжатие (R сж ), предела прочности на растяжение при изгибе (R изг ), коэффициента морозостойкости (K мор ) комплексно-модифицированных укрепленных грунтов. Эти модели в кодированных переменных при содержании портландцемента 8 % от массы грунта имеют следующий вид:

R сж =-1,24+34,26X 1 +69,14X 2 +23,51X 3 -45,57X 1 X 2 -22,31X 1 X 3 -9,43X 2 X 3 -

-124,26X12-832,07X22-45,81X32,(1)

R изг =0,21+3,32X 1 +11,21X 2 +1,31X 3 +1,68X1X2-0,45X 1 X 3 -3,91X 2 X 3 -14,89X 1² -

-119,66X22-1,44X32,(2)

K мор =0,10+3,06X 1 +18,31X 2 +1,79X 3 -2,40X 1 X 2 +1,13X 1 X 3 -10,35X 2 X 3 -14,98X 1² -

-145,76X22-2,99X32

Обработка результатов планирования эксперимента обеспечила возможность графического изображения влияния метода «Комплексная модификация» на физико-механические свойства укрепленных грунтов в виде поверхностей отклика (рис. 1).

а)

б)

в)

Fig. 1 - The influence of complex modification on the physical and mechanical characteristics of strengthened soils with a content of 8% Portland cement and 0.15% sodium hydroxide a) R str            b) R tens              c) К frost

Image by the author of the article

В результате оптимизации, подобраны и рекомендованы составы комплексно-модифицированных укрепленных грунтов с прочностью на сжатие в водонасыщенном состоянии R сж =4 МПа, которые могут быть применены для оснований дорожных одежд в III дорожноклиматической зоне (табл.).

Table. Recommended compositions of reinforced soils for road bases in III road climate zone

Наименование грунта	Содержание ПЦ и модификаторов, %		R сж , МПа	R изг , МПа	K мор
Суглинок легкий пылеватый	ПЦ	8,0	4,0	0,80	0,83
	ГН	0,15
	ДТЭС	0,027
	ПКС	0,30

Определено влияние порядка введения компонентов на прочностные характеристики и морозостойкость укрепленных глинистых грунтов при применении метода «Комплексной модификации» в сравнении с технологией без модификации (рис. 2). При анализе результатов исследований установлено, что первый и второй способы увлажнения обеспечивают наибольшую Vdovin, E.; Stroganov, V.; Bulanov, P.; Vybornov, D.

Technological factors of complex-modified strengthened soils for road construction;

эффективность, по сравнению с третьим, при применении которого отмечено снижение уровней физико-механических показателей укрепленных грунтов. Следует отметить, что комплексная модификация обуславливает важную возможность нивелирования отклонений от технологии производства работ при введении компонентов за счет повышения прочностных характеристик укрепленных грунтов в 2,1-2,4 раз и коэффициента морозостойкости в 2,1-2,3 раз по сравнению с конструктивными слоями без модификации (рис. 2).

Fig. 2 - Dependence of the compressive strength (R str , MPa), tensile strength in bending (R tens , MPa) and frost resistance coefficient (К frost ) of strengthened soil on the order of introduction of components

- R str complex-modified compositions, MPa;

- R str unmodified compositions, MPa;

HD - R tens complex-modified compositions, MPa;

В - R tens unmodified compositions, MPa;

□ - К frost complex-modified compositions;

И - К frost unmodified compositions

Image by the author of the article

Установлены зависимости предела прочности на сжатие, предела прочности на растяжение при изгибе, коэффициента морозостойкости укрепленных глинистых грунтов от размеров грунтовых агрегатов (рис. 3). Показано, что при укреплении грунтов с размерами грунтовых агрегатов 1,25-5,00 мм прочность на сжатие при комплексной модификации повышается в 2,9 раза, прочность на растяжение при изгибе в 3,0 раза, коэффициент морозостойкости в 2,8 раз по сравнению с укрепленными грунтами без модификации, а для агрегатов с размерами 5,0-10,0 мм - в 4,9, 5,0 и 4,7 раза соответственно. Сравнивая комплексно-модифицированные и немодифицированные укрепленные грунты с гранулометрическим составом 0-1,25 мм, 5,0-10,0 мм установлено, что модификация обуславливает возможность меньшего снижения прочности -в 5,0 раз, чем при устройстве слоев без модификации (рис. 3). Важно отметить, что применение комплексной модификации обеспечивает возможность снижения отрицательного влияния неоднородности укрепляемых смесей, повышения их технологичности, а также сокращения времени и затрат на размельчение и перемешивание глинистых грунтов.

Fractions, mm

Fig. 3 - Dependence of the compressive strength (R str , MPa), tensile strength in bending (R tens , MPa) and frost resistance coefficient (К frost ) of strengthened soil on the size of soil aggregates ■ – without modification; ▲ – complex modification ----- R str , MPa; ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ - R tens , MPa; —— - К frost

Image by the author of the article

При определении уровней показателя плотности исследовано влияние коэффициента уплотнения исследуемых укрепленных грунтов с применением метода "Комплексная модификация" на их физико-механические свойства по сравнению с технологией без модификации (рис. 4). Установлено, что комплексная модификация обеспечивает возможность нивелирования негативного влияния недоуплотнения укрепленных грунтов при устройстве слоев дорожных одежд. При коэффициентах уплотнения от 0,98 до 0,94 модификация обуславливает повышение предела прочности на сжатие от 2,3 до 3,7 раз по сравнению с составами без модификации, предела прочности на растяжение при изгибе от 2,7 до 9,1 раз, коэффициента морозостойкости от 2,5 до 6,1 раза (рис. 4).

Fig. 4 - Dependence of the compressive strength (R str , MPa), tensile strength in bending (R tens , MPa) and frost resistance coefficient (К frost ) of strengthened soil on the coefficient compaction ■ – without modification; ▲ – complex modification

----- R str , MPa; ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ - R tens , MPa; —— - К frost

Image by the author of the article

Получены зависимости прочности и морозостойкости укрепленных грунтов от влажности смеси (рис. 5). На основе анализа результатов установлено, что комплексная модификация обеспечивает возможность двукратного увеличения диапазона отклонений от значения оптимальной влажности (0,8-1,2), в сравнении с укреплением грунтов без модификации (0,9-1,1), при незначительных потерях прочности и морозостойкости. На графике рис. 5 этого не видно. Мы говорили, что надо откорректировать графики без модификации по морозостойкости и прочности на растяжение при изгибе. Устройство конструктивных слоев дорожных одежд из укрепленных грунтов с применение метода «Комплексная модификация» позволяет нивелировать возможные негативные проявления при переувлажнении и недоувлажении смесей.

Fig. 5 - Dependence of the compressive strength (R str , MPa), tensile strength in bending (R tens , MPa) and frost resistance coefficient (К frost ) of strengthened soil on humidity ■ – without modification; ▲ – complex modification

----- R str , MPa; ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ - R tens , MPa; —— - К frost

Image by the author of the article

В производственных условиях, в зависимости от организации линейных работ и производительности используемых машин, продолжительность технологического процесса строительства слоев дорожных одежд из укрепленных грунтов может изменяться в широких пределах. Определено влияние продолжительности технологического процесса на физикомеханические свойства комплексно-модифицированных укрепленных грунтов, в сравнении с немодифицированными (рис. 6). Установлено, что применение метода «Комплексная модификация» позволяет увеличить продолжительности технологического процесса 2-3 раза (до 3,0 ч) по сравнению с технологией укрепления грунтов без модификации.

Duration of the technological process, hour

Figure 6 – Dependence of the compressive strength (R str , MPa), tensile strength in bending (R tens ,

MPa) and frost resistance coefficient (Кfrost) of strengthened soil on the duration of the technological process

■ – without modification; ▲ – complex modification

----- R str , MPa; ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ - R tens , MPa; —— - К frost

Image by the author of the article

Положительные результаты влияния функциональной модификации на показатели технологических факторов устройства конструктивных слоев дорожных одежд согласуются с данными исследований, выполненных учеными на других дорожно-строительных материалах: асфальтобетонах [30], [31], цементных бетонах [32], [33], обработанных материалах [34].

• 4    Conclusions

Комплексная модификация обеспечивает возможность повышения показателей технологических факторов укрепленных грунтов и разработки эффективных научнообоснованных решений по совершенствованию технологии укрепления грунтов, применение которых позволит увеличить физико-механические и эксплуатационные характеристики материалов конструктивных слоев дорожных одежд. Рассмотрены технологические факторы, влияющие на качество технологии укрепления грунтов в дорожном строительстве и эксплуатационные свойства, сроки службы дорожных одежд: порядок введения компонентов в грунт (вода, вяжущее, модификаторы), размер грунтовых агрегатов, присутствующих в укрепляемом грунте, коэффициент уплотнения и влажность, а также продолжительность технологического процесса устройства конструктивных слоев дорожных одежд.

С применением ротатабельного планирования эксперимента второго порядка подобраны и рекомендованы составы комплексно-модифицированных глинистых укрепленных грунтов для оснований дорожных одежд в III дорожно-климатической зоне Российской Федерации.

Определено, что при применении метода «Комплексная модификация» наиболее эффективным является увлажнение глинистых грунтов до и после введения вяжущего по сравнению с использованием водоцементной суспензии. Установлено, что комплексная модификация обуславливает важную возможность нивелирования отклонений от технологии производства работ при введении компонентов за счет повышения прочностных характеристик укрепленных грунтов и коэффициента морозостойкости более чем в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с конструктивными слоями без модификации.

Установлены зависимости значительного повышения (в 3,0 - 5,0 раз) физико-механических характеристик укрепленных глинистых грунтов разного гранулометрического состава при применении метода «Комплексная модификация». Применение комплексной модификации обеспечивает возможность снижения отрицательного влияния неоднородности укрепляемых смесей, повышения их технологичности, а также сокращения времени и затрат на размельчение и перемешивание глинистых грунтов.

Установлено, что комплексная модификация обеспечивает возможность нивелирование негативного влияния недоуплотнения укрепленных глинистых грунтов при устройстве слоев дорожных одежд. При коэффициентах уплотнения от 0,98 до 0,94 модификация обуславливает повышение физико-механических характеристик в 2,3 - 4,0 раза.

Получены зависимости прочности и морозостойкости комплексно-модифицированных укрепленных глинистых грунтов от влажности смеси. Модификация обеспечивает возможность двукратного увеличения диапазона отклонений от значения оптимальной влажности, при незначительных потерях прочности и морозостойкости, что позволяет нивелировать возможные негативных проявления при переувлажнении и недоувлажении смесей.

Определено влияние продолжительности технологического процесса на физикомеханические свойства комплексно-модифицированных укрепленных грунтов, в сравнении с немодифицированными. Установлено, что применение метода «Комплексная модификация» в производственных условиях позволяет увеличить продолжительности технологического процесса 2-3 раза (до 3,0 ч) по сравнению с технологией укрепления грунтов без модификации, что обеспечит возможность повышения длины захватки в технологическом потоке и производительности процесса устройства конструктивных слоев дорожных одежд.

Анализ полученных результатов влияния технологических факторов на изменение уровня физико-механических характеристик укрепленных грунтов свидетельствует, что применение метода «Комплексная модификация» значительно способствует повышению технологичности устройства конструктивных слоев дорожных одежд и является одним из эффективных направлений по совершенствованию технологии укрепления грунтов в дорожном строительстве.