Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение качественных характеристик дорожного цементогрунта путём гармонизации перемешивания компонентов смеси

Тарасова Марина Владимировна

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

Улан-Удэ - 2009

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы и специальные технологии» Федерального Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Прокопец Валерий Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Комохов Павел Григорьевич;

кандидат технических наук, доцент Балабанов Вадим Борисович.

Ведущая организация ГОУ ВПО НГАСУ (Сибстрин) г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «26» ноября 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: Респ. Бурятия, г. Улан-Удэ, Ключевская, 40-а. Наш факс: (3012)43-14-15, общий отдел.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан « 25 » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.039.01 доктор технических наук, Л.А. Урханова.

Актуальность работы

В современных условиях строительства, в том числе дорожного, наиболее важным является вопрос снижения стоимости применяемых материалов. Основным путём снижения их стоимости, является применение местных материалов, в том числе грунтов, обработанных вяжущими материалами (цементом) - цементогрунта. Однако подобные материалы имеют существенный недостаток, заключающийся в высокой неоднородности физико-механических свойств, достигающих 35 и более % (по коэффициенту вариации). При этом величина подобной неоднородности слабо зависит от вводимого минерального вяжущего материала в грунт, особенно в количествах, регламентируемых существующими нормативными документами. Одной из причин подобной закономерности является механическое перенесение технологий перемешивания, применяемых при получении бетонов и растворов на композиции, в которых минеральное вяжущее (цемент) и обрабатываемый им грунт, по своей природе, имеют друг к другу несовместимые свойства.

В связи с этим, научное обоснование и разработка технологии перемешивания грунта с минеральными вяжущими веществами (цементом), позволяющие получать цементогрунт высокой однородности по прочности, представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит вовлечь в строительство широкую разновидность грунтов, получить на их основе материал высокого качества и значительно снизить стоимость строительства.

Цель работы: повышение однородности по прочности цементогрунта гармонизацией перемешивания компонентов смеси.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать теоретические предпосылки повышения однородности прочностных характеристик цементогрунта гармонизацией перемешивания.

2. Провести анализ факторов гармонизирующих смешение компонентов смеси с учетом информационной энтропии.

3. Исследовать закономерность влияния раздельно-последовательного способа перемешивания компонентов смеси на качество дорожного цементогрунта.

4. Установить технико-экономическую эффективность работы на стадии апробации результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Развиты представления об особенностях структурообразования цементогрунтовых композиций, определяющая роль которого закладывается на микроуровне, реализуемая числом равновероятностных состояний на макроуровне, в виде прочностных показателей, определенных информационной энтропией через коэффициент вариации, обусловленных технологическими факторами, в частности, путём гармонизации перемешивания.

2. Установлено гармонизирующее соотношению перемешиваемых компонентов цементогрунтовой смеси, соответствующее «золотому сечению».

3. Установлено, что за счет гармонизации перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси происходит образование более однородной по прочности структуры, способствующей повышению, в том числе, надёжности конструкций из цементогрунта.

4. Доказано, что гармонизация перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси реализуется раздельно-последовательным способом, распространяющимся на все разновидности грунтов.

5. Установлена закономерность перемешанных между собой частей грунта и содержанием в них вяжущего на степень однородности по прочности получаемого цементогрунта.

6. Изучены свойства цементогрунтов, полученных по раздельно-последовательной технологии, подтверждающих их высокие прочностные и морозостойкие показатели.

Практическая ценность.

1. Результаты исследований влияния гармонизации перемешивания на качество цементогрунта в соответствии с разработанной методикой показали возможность ее применения.

2. Разработана технология приготовления цементогрунта, позволяющая получить материал с заданными свойствами (высокой неоднородности по прочности или с низким коэффициентом вариации).

3. Разработан способ повышения однородности по прочности цементогрунтов, заключающийся в перемешивании 86…92% грунта и 14…8% цемента по массе делением вначале на две части в соотношении «золотого сечения» 0,67 и 0,33; затем каждую часть раздельно перемешивают с 50% принятой массы цемента, а полученные две смеси путём перемешивания объединяют в общую массу. При этом, коэффициент вариации по традиционной технологии составил 33% -38%, а по предлагаемой технологии - 12 % - 15% (на разных грунтах).

4. Методика, полученная в результате проведенного эксперимента, была внедрена в учебный процесс в лабораториях кафедры.

5. Экономический эффект от внедрения разработанного метода в дорожном строительстве составил порядка 551647 рублей на 1 км. автомобильной дороги.

6. Получено положительное решение по заявке на патент

Внедрение результатов работы. На основе разработанной технологии было произведено строительство опытного участка в р.п. Полтавка Омской области (АЗС).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: II международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (г.Брянск 2003 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (г. Белгород 2007 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г.Белгород 2007г.); 5 международной научно-технической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (г. Пенза 2008 г.)

Публикации. По материалам и результатам исследований опубликовано 8 статей, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций, 2 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 158 наименований, приложений и содержит 157 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 36 рисунков.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена цель, поставлены задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе дан анализ современного состояния получения и применения цементогрунта в строительстве, в том числе дорожном. Эффективность применения цементогрунта в строительстве подтверждена многими отечественными и зарубежными исследователями: В.М. Безруком, А.С. Дудкиным, Ю.В.Карасем, П.Г.Комоховым, С.В.Коноваловом, А.П. Кузнецовым, А.В.Линцером, В.П.Матвеевым, В.М.Могилевичем, В.П.Никитиным, Н.И. Ордой, В.Б.Пермяковым, А.П. Пичугиным, В.С.Прокопцом, А.Н.Токиным, Е.И.Тюменцевой В.С.Цветковым, Р.П.Щербаковой, Н.С. Шутовым и др. В то же время данный материал пока используется недостаточно широко. Одной из причин является низкая прочность и однородность цементогрунтов укрепленных цементом.

Для увеличения прочности и однородности цементогрунта многие исследователи используют поверхностно-активные вещества. Однако многие ПАВ имеют высокую стоимость, поэтому предпочтение отдается более дешевым, но малоэффективным добавкам. Срок службы автомобильных дорог, укрепленных цементом, по данным различных авторов, колеблется от 4 до 30 лет. Прочностные показатели цементогрунтов имеют высокий коэффициент вариации, что обуславливается многими технологическими факторами, которые играют существенную роль в разработке эффективных методов по улучшению свойств цементогрунтов.

По определению проф. В.А. Семенова: «однородность - это степень изменности физико-механических свойств, геометрических размеров, параметров технологических процессов, условий эксплуатации и производства работ в пространстве (по времени и координатам)».

Важность однородности структуры и, как следствие, однородности физико-механических свойств исходных компонентов на их долговечность в процессе эксплуатации иллюстрируются данными, показывающими, что снижение стабильности свойств дорожно-строительных материалов вызывает в течение восьми лет эксплуатации рост площади разрушенного дорожного покрытия, по зависимости, близкой к экспоненциальной (рис.1).

Рис.1. Влияние однородности свойств (VR) материала основания на площадь разрушения дорожного покрытия (S).

Абсолютно однородные материалы в дорожном строительстве не встречаются. Особое место среди основных дорожно-строительных материалов занимают цементогрунты, которые имеют наибольшую неоднородность физико-механических свойств по сравнению с другими основными дорожно-строительными материалами (рис.2)



Рис.2. Степень однородности физико-механических свойств основных дорожно-строительных материалов

1-Цементогрунты; 2-Асфальтобетоны; 3 - Цементобетоны

Во второй главе изложены теоретические предпосылки повышения однородности по прочности грунтобетонов.

Перемешивание материалов с различными химическими, физическими и другими свойствами составляет основу многочисленных технологических процессов. В перемешивании существенным является требование получения однородной массы с одинаковым содержанием компонентов в любой части объёма смеси.

Среди методов перемешивания наибольшее распространение получили физические и эмпирические способы, а также математическое моделирование.

Процесс перемешивания состоит в распределении в пространстве двух и более компонентов. Повышение качества укрепленных цементом грунтов необходимо осуществлять за счет направленного структурообразования вяжущего в системе цемент-грунт. Однако прежде всего необходимо выяснить содержание цемента в формировании качественных показателей материала.

Процесс активации и установления статистического равновесия протекает значительно быстрее процесса химического превращения, т. е. скорость реакции определяется процессом химического превращения - медленного процесса реакции.

Константа скорости химической реакции представляет собой число столкновений молекул в единице объема за единицу времени, завершающихся химическими превращениями.

K = B·exp (- Ea / RT)·ехр (ДS/R), (4)

где К - коэффициент скорости протекания реакции; Ea -энергия активации протекания реакции; R - газовая постоянная; T - температура; ДS-энтропия активации химической реакции.

Зависимость (4) указывает на то, что достижение максимального протекания химических реакций при формировании цементного камня, наиболее целесообразно осуществлять снижением величины ДS, путём достижения максимальной гомогенности смеси.

Для получения однородной структуры необходимо найти оптимальное соотношение компонентов, добиться предельной однородности их распределения в объеме и исключить возможное образование дефектов и неоднородностей.

Статистическая обработка экспериментальных данных В.А. Семёнова, И.А. Золотаря, В.П. Никитина и В.С. Прокопца позволила построить теоретические зависимости прочности и однородности цементогрунта от процентного содержания вяжущего в смеси.

Рис. 3. Зависимость прочности цементогрунта от процентного содержания цемента в смеси.

Рис.4. Зависимость однородности цементогрунта от процентного содержания цемента в смеси

Анализ графических зависимостей рис.3 и 4 показывает, что увеличение содержания цемента в смеси хотя и приводит к росту прочности материала, но не является гарантом его однородности по прочности. Из этого следует, что вариация прочностных показателей цементогрунта зависит, прежде всего, от равномерности распределения в объёме материала вяжущего, обусловленной, прежде всего, гармонизацией процесса перемешивания.

Основные положения гармонизации перемешивания можно описать через энтропию, позволяющей перейти от интуитивного представления к вероятностному, в основе которого лежат понятия микро- и макросостояния системы. В общем случае каждое макросостояние можно реализовать разными способами с помощью нескольких микросостояний.

Энтропия каждого макросостояния выражается известной формулой, полученной Больцманом:

(5)

где: S - энтропия макросостояния; N - количество микросостояний, которыми может быть представлено данное макросостояние (термодинамическая вероятность); k - постоянная Больцмана.

Энтропия является объективной мерой неупорядочности системы, или мерой порядка и хаоса. В связи с неоднозначным понятием энтропия определяется по формуле Больцмана - Шеннона

(6)

При изменении соотношения частей от

з₁ = з₂ = з₃ = …ю р_т до

з₁ = 0б з₂ = 0б з₃ =0 … з_т = 0

Энтропия системы изменяется соответственно от H_макс до H₀.

Исходя из данного представления и согласно работам А.И.Колкова, для характеристики гармоничности системы введем функции, выраженные соотношением S-хаоса (недостаточности) (7) и R-порядка (избыточности) (8)

(7) (8)

Где Н- энтропия, определенная по классической формуле Больцмана-Шеннона; Н_макс- максимальная энтропия системы, соответствующая равновероятности всех возможных ее состояний.

Для дальнейших расчетов воспользуемся формулой расчета условной энтропии

(9)

Где - максимальный коэффициент вариации, Сv- текущее значение коэффициента вариации, - эмпирическая константа, определяемая из условия нормального функционирования системы, т.е. Н=Н₀, где Н₀ - так называемое золотое сечение.

Для определения прочности с заданной надежностью воспользуемся формулой, применяемой при расчёте класса бетонов

(10)

(11)

Где В - класс бетона по прочности, МПа; - средняя прочность бетона, МПа, которую следует обеспечить при производстве конструкций; - коэффициент вариации прочности бетона; к - коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченности.

Подставляя данные уравнения (11) в уравнения (9), а затем в уравнение (7, 8) получим теоретические условия гармонизации перемешивания грунта с цементом (рис.5).

Рис.5. Функции хаоса, порядка и избыточности.

Если рассмотреть рис.5, то идеал гармоничности сдвинут в область повышенной упорядоченности, он неоднороден по своему составу, тем сильнее выражена неоднородность. Соотношение соответствующее «золотому сечению» (К) гармонической функции, асимметрично, что характеризует гармоничность как универсальную функцию.

В третьей главе рассматриваются применяемые материалы и методика выполнения экспериментальных исследований.

Изучению подвергались супесь и суглинок. Химический анализ, которых состоит: в суглинке содержится песчаных частиц - 44,23%, пылеватых - 40,74% и глинистых - 15,03%. Определили характеристики влажности, %: граница текучести - 33,2; граница раскатывания - 16,4; число пластичности - 16,8.

Содержание оксидов в грунте следующее: SiO2 - 66,33%; R2O3 - 16,40%; Fe2O3 - 4,09%; Al2O3 - 12,31%; CaO - 5,75%; MgO - 1,54%; SO3 - 0,58%; CaCO3 - 8,0%; рН воды - 8,1; п.п.п. - 7,01%.

В супеси содержится песчаных частиц - 44,23%, пылеватых - 40,74% и глинистых - 15,03%. Определили характеристики влажности, %: граница текучести - 33,2; граница раскатывания - 16,4; число пластичности - 16,8.

Содержание оксидов в грунте следующее: SiO₂ - 81,01%; R₂O₃ - 10,50%; Fe₂O₃ - 1,81%; Al₂O₃ - 8,69%; CaO - 2,82%; MgO - 0,69%; SO₃ - 0,06%; CaCO₃ - 3,02%; pH воды 7,55%; п.п.п. - 2,92%.

В качестве вяжущего использовался портландцемент марки М400, содержащий 20% шлака и имеющий нормальную густоту цементного места порядка 28 + 1%.

Для технологического процесса приготовления цементогрунтовых смесей превалирующее значение имеет перемешивание (гомогенизация), обуславливающее формирование структуры материала определённой однородности по прочности;

Для определения в условиях производства однородности смеси был применен способ оценки качества перемешивания. Этот способ заключается в установлении рассеивания частиц одного компонента в объеме смеси путем подсчета количества его частиц и определения коэффициента вариации (С_v) и его обратная величина - коэффициент однородности смешения (Р).

(12)

Где S -среднее квадратичное отклонение; x - среднее арифметическое значение; х_i - частное измерение; n - количество частных измерений.

С целью одновременного исследования влияния стольких факторов на прочностные показатели был применен метод математического планирования эксперимента - полный факторный эксперимент, - отличающийся жесткой связью плана эксперимента и формы уравнения.

В качестве структурной основы плана эксперимента рекомендуются латинские квадраты разных порядков. Подобные планы представляют дробную 1/m^k-2 реплику от плана полного факторного эксперимента m^k (m-число уровней, k - число факторов).

Для проверки адекватности любых зависимостей используется коэффициент нелинейной множественной корреляции

(13)

После установления значимости частных функций для введения в многофакторное уравнение отбираются значимые зависимости. Но форма уравнения заранее не известна и возникает неопределенность, которую можно использовать для дополнительного учета физического смысла, относящегося к характеру воздействия всех факторов, что и учитывается в эмпирическом многофакторном уравнении.

(14)

Результаты проведенного эксперимента позволили установить оптимальное содержание самого дорогостоящего компонента цементогрунта для различных типов грунтов - цемента при заданном уровне прочности, что позволило разработать алгоритм.

Таким образом, в предлагаемом методе планирования эксперимента равноценно сочетаются элементы вероятностного подхода (латинские квадраты, множественная корреляция) и детерминированного описания (учет физического смысла в частных и многофакторной зависимостях). Поэтому данный метод по праву можно назвать вероятностно-детерминированным и применять комбинированную модель как для получения достоверных выходных параметров при самых различных условиях, так и для вскрытия внутренних, причинно-следственных связей. При помощи метода математического планирования был использован метод случайного баланса, который позволил выявить влияние значимых факторов. Данный метод позволил выявить равномерное распределение вяжущего в объеме смеси.

Известно, что рассеивание компонентов при перемешивании является величиной случайной и подчиняется закону нормально распределения Гаусса и законам математической статистики. Используя метод статистического анализа, произвели обработку полученных нами данных. Обработку экспериментальных данных проводили с помощью описательной статистики.

В статистическом исследовании кроме показателей вариации, выраженных в абсолютных значениях, используются показатели вариации, выраженные в относительных величинах. Данные показатели рассчитываются как отношение размаха вариации к средней величине признака (V_R, Коэффициент осцилляции), отношение среднего линейного отклонения к средней величине признака (V_a, линейный коэффициент вариации), отношение среднего квадратического отклонения к средней величине признака (V_у коэффициент вариации) и будут выражаться в процентах.

Относительные показатели вариации рассчитываются по формулам

; ; (15)

В четвертой главе представлена разработка раздельно-последовательного способа получения цементогрунта.

Основным показателем однородности при статистической обработки выборочных срезов, как стандартных, так и по предлагаемому способу является коэффициент вариации, который равен

(16)

Где: - среднеквадратичное отклонение, которое рассчитывалось по программе в МS Excel стандартным отклонением; - математическое ожидание (среднее значение)

Для выделения значимо влияющих факторов методом случайного баланса была составлена матрица планирования. Проанализировав работы ведущих специалистов, в области укрепления цементогрунтов и цементобетонов, были взяты следующие факторы

Таблица 1. Исследуемые факторы и уровни варьирования

№ п/п	Наименование факторов	Уровни варьирования	Код фактора
		Нижний ( - )	Верхний ( + )
1.	Изменение числа пластичности грунта, %	1	18	Х1
2.	Содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, %	2	14	Х2
3.	Уплотняющая нагрузка, МПа	10	20	Х3
4.	Количество воды в смеси, %	0	50	Х4
5.	Длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с	120	240	Х5
6.	Количество цемента, %	7	14	Х6
7.	Соотношение частей грунта при перемешивании	1	5	Х7

 Таблица 2. Матрица планирования и результаты эксперимента

№ п/п	Очередность выполнения опытов	Факторы	Сv %
		Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	Х6	Х7
1.	8	-	-	+	-	+	-	+	21,8
2.	3	+	-	-	-	+	-	-	13,9
3.	4	-	+	-	+	-	-	+	17,4
4.	6	+	+	+	-	-	+	+	21,2
5.	1	-	-	-	+	+	+	-	18,5
6.	2	+	-	+	+	-	+	+	25,1
7.	5	-	+	+	-	+	-	-	13,7
8.	7	+	+	-	+	-	+	-	18,1

Х₁ - изменение числа пластичности грунта, %;

Х₂ - общее количество цемента,%;

Х₃ - уплотняющая нагрузка, МПа;

Х₄ - количество воды в смеси;

Х₅ - длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с;

Х6 - содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, % от общего количества цемента;

Х7 - соотношение частей грунта при перемешивании.

Рис. 6. Основные рецептурно-технологических факторы и степень их влияния на однородность цементогрунта по прочности

Значимость факторов (Х₇, Х₆ и Х₂) указывает на то, что степень вариации прочностных свойств укрепленных грунтов цементом, зависит главным образом от качества получаемой смеси, обусловленной прежде всего содержанием цемента в перемешиваемых частях грунта.

В результате последовательной обработки экспериментальных данных был построен график средних значений прочности и однородности цементогрунта от содержания вяжущего в смеси.

Рис. 7. Среднее значение зависимости прочности R_сж и однородности С_v цементогрунта от содержания вяжущего в смеси.

На интервале 0-6% содержание цемента в грунтовой массе еще нет предпосылок для формирования сплошного скелета из вяжущего. При таких дозировках вяжущего происходит лишь укрепление небольшого пространства, прилегающего к грунтовым агрегатам, вследствие чего участок характеризуется незначительным приростом прочности грунта.

Участок, соответствующий 6-13% содержания цемента, отличается более интенсивным приростом прочности материала за счет увеличения объема укрепленного цементом пространства вокруг грунтовых агрегатов. Однако для данного вида грунта образовавшиеся кристаллизационные связи имеют еще значительные дефекты, приводящие к разбросу прочностных показателей материала.

Дальнейшее увеличение содержания цемента в смеси (участок 13 - 18%) приводит к более интенсивному росту прочности, но уже с заметной затухающей тенденцией. Подтверждением этому является минимум величины коэффициента вариации Сv, приходящегося на 15 % дозировку цемента.

Приведенные данные подтверждают, что основным фактором неоднородности цементогрунта по прочности является содержание в нем минерального вяжущего. Дальнейшей задачей исследования является выбор технологии, которая позволит «исключить» интервал от 6 до 13 %.

Таким образом, можно заключить, что наибольшая однородность по прочности материалом будет достигнута при объединении части цементогрунтовой смеси, содержащей максимальное количество цемента (R) с оставшейся частью цемента (S). В этом случае вопросом исследования является установление для данной системы соотношения между собой этих частей цементогрунтовой смеси.

В таблице 3 приведен расчет величин энтропии (коэффициента вариации) для разных исходов эксперимента (согласно формулам 6-11).

Таблица 3. Расчётные значения возможной величины коэффициента вариации

№ п/п
1.	0,275	0,2	0,833
2.	0,24	0,375	0,727
3.	0,22	0,5	0,667
4.	0,21	0,571	0,636
5.	0,19	0,7368	0,576
6.	0,175	0,885	0,53

На рисунках 8, 9 и 10 приведены графики зависимостей полученных в результате расчетов



Рис.8. Функция, показывающая степень гомогенности

Рис.9.Функция показывающая степень концетрации вяжущего

Анализируя рис. 8 и 9 видно что:

1. Что при энтропии системы, равной нулю, процессы, протекающие в данной системе, репродуктивны, т.е. полностью повторяют сами себя. А при максимальной энтропии системы репродуктивность равна нулю, т.е. все процессы неповторимы.

2. Из графика (рис.9) видно, что функция нелинейна, т.е. меняет свое состояние от нуля до бесконечности.

При совмещении обеих функциональных зависимостей (рис. 8 и 9) можно определить степень гармоничности.



Рис. 10 . Функция, показывающая степень гармоничности

Таким образом установлено, что при соотношении частей цементогрунтовой смеси (1/3) : (2/3) значения в точке К равно «золотому сечению», что, в конечном итоге, должно привести к гармонизации процесса перемешивания.

Для объективности и корректности эксперимента в предлагаемом способе использовали люминофор вместо цемента в количестве равном массе цемента. Люминофор был измельчён по дисперсности до удельной поверхности, соответствующей удельной поверхности цемента.

По предлагаемому способу укрепляемую массу грунта вначале разделили на две части в соотношении «золотого сечения» 0,67 и 0,33, затем каждую из этих частей раздельно перемешивали с 50% принятой массы люминофора, а полученные две смеси объединили в общую массу путём перемешивания; после этого полученную смесь перемешали с заданным количеством воды, после чего эту смесь выдерживали на воздухе в течение 20-60 минут. Из этой смеси изготовили образцы для испытаний.

В каждом квадрате данного среза представленные на рисунках 11 и 13 наглядно просчитывалось количество частиц люминофора и количество частиц грунта. Дальнейшая статистическая обработка этих данных показывает.



Рис.11. Образец среза, сформированный по стандартному способу (супесь)

Рис. 12 . Гистограмма, построенная для среза сформированного по стандартному способу.

На рисунке 11 и 13 представлены срезы образцов сформированных по стандартному способу. На рисунке 12 и 14 показаны гистограммы, полученные с помощью надстройки в MS Excel «Анализ данных» «Гистограмма».

Рис. 13. Образец среза, сформированный по предлагаемому способу (супесь).

Рис.14. Гистограмма, построенная для сформированного по предлагаемому способу

Таблица 4. Описательная статистика стандартного и предлагаемого способа (супесь).

Наименование показателей	Стандарт	Эксперимент
Люминофор
Среднее	47,3	45,85
Стандартная ошибка	3,519943	1,19489
Медиана	45	46
Мода	65	46
Стандартное отклонение	15,74166	5,343712
Дисперсия выборки	247,8	28,55526
Эксцесс	-1,13046	-0,33432
Асимметричность	0,340074	-0,05012
Интервал	52	20
Минимум	23	36
Максимум	75	56
Сумма	946	917
Счет	20	20
Коэффициент вариации =	0,332805	0,116548

Из таблиц 4 видно, что коэффициент вариации по традиционной технологии составляет 33 %, а по предлагаемой технологии - около 12 %.

Анализ полученных результатов показал, что разработанный способ раздельно-последовательного перемешивания грунта с цементом позволяет получить цементогрунт по однородности сравнимый с однородностью цементобетона, а приготавливаемая таким способом цементогрунтовая смесь обладает высокой степенью однородностью (низкий коэффициент вариации).

Анализируя вышеизложенное, видим, что для такой структурно-неоднородной системы, каким является цементогрунт, оптимальная дозировка вяжущего должна назначаться не только из условия удовлетворения критерию прочности, но также и удовлетворения критерию, характеризующему степень однородности данного материала по прочности.

Поскольку структура укреплённых вяжущими веществами грунтов относится к гетерогенным (многофазным) системам, в которых идеальность повышается двумя способами: 1) путём совершенствования структуры контакта фаз; 2) путём механического смешения возникающих в процессе отвердевания вяжущего структурных фаз. Реализация последнего способа на наш взгляд более перспективна.

[(2/3 Гр + Ѕ Ц ) + (1/3 Гр + Ѕ Ц)] > уплотнение , (17)

где Гр - укрепляемый грунт; Ц - минеральное вяжущее (цемент); 2/3 и Ѕ - используемое количество (в частях) грунта и минерального вяжущего (цемента) соответственно; + - операция объединения (перемешивание).

Известным способом получения цементогрунта является единый технологический комплекс, в котором разнородные элементы материала (грунт, цемент и вода) объединяются в одну систему посредством перемешивания.

Таблица 5. Примеры способов перемешивания грунта с цементом.

№ п/п	Технология перемешивания	Ожидаемая структурная зона материала ( согласнорис.7)
1.	Грунт (100%) + Цемент (100%)	2
2.	Грунт (30%) + Цемент (100%) + Грунт (70%)	2
3.	Грунт (30%) + Цемент (50%) + Грунт (70%) + Цемент (50%)	1
4.	Грунт (30% + Цемент 50%) + Грунт (70%) + Цемент (50%)	3

Таблица 6. Примеры выполнения способа 4 и результаты испытаний образцов

№ п/п	Способ	Содержание компонентов смеси,%	Объем грунта, обрабатываемый цементом, ч	Количество цемента, вводимого в первоначальный объем грунта,% от общего количества	Количество цемента, вводимого в оставшийся объем грунта,% от общего количества	Прочность при сжатии, МПа	Коэффициент вариации,%
		грунт	цемент	Первоначальный	Оставшийся
1.	Известный	92	8	1,0	-	100 (8)	0 (0)	1,8	23,0
2.	Предлагаемый (способ 4)	92	8	3/5	2/5	20 (1,6)	80 (6,4)	3,2	14,0
3.		92	8	3/5	2/5	35 (2,8)	65 (5,2)	3,5	11,0
4.		92	8	3/5	2/5	50 (4,0)	50 (4,0)	3,4	12,0
5.		90	10	3/5	2/5	35 (3,5)	65 (4,5)	4,1	9,0
6.		86	14	3/5	2/5	35 (4,9)	65 (9,1)	7,2	5,5
7.		94	6	3/5	2/5	35 (2,1)	65 (3,9)	2,6	15,5

Примечание: в скобках указан расход цемента в % от объема укрепленного грунта.

Наглядно сравнить картину цементогрунтовой смеси выполненной по традиционной и предлагаемой технологии можно на следующих фотоснимках, сделанных при помощи сканирующего электронного растрового микроскопа Jeol JSX 6460.



Рис. 17. Электронно-микроскопический анализ традиционной технологии

На снимке каркас получился прерывистым. Видно, что в порах и пустотах распределение цемента неравномерное и кристаллические новообразования имеют неодинаковую толщину, следовательно, прочность его снижена, что говорит о неоднородности цементогрунта.

Рис 18. Электронно-микроскопический анализ предлагаемой технологии.

На снимке видно, что каркас сплошной густоразветвленный. Он равномерно пронизывает весь объем укрепленного грунта. Это говорит о равномерном распределении цемента и, следовательно, однородности грунта.

Анализируя электронно-микроскопические снимки видно, что по предлагаемой технологии распределение вяжущего и, следовательно, однородность цементогрунта выше, чем по традиционной технологии.

В пятой главе произведена опытно-производственная проверка результатов исследования.

Основной задачей опытных работ являлось получение и подтверждение результатов лабораторных исследований, что давало возможность существенно пополнить знания о возможности регулирования прочности и однородности цементогрунтовых слоев в процессе строительства.

Результаты испытаний приведены в таблице 7.

Таблица 7. Результаты испытаний вырубок из цементогрунтового слоя

№ п/п	Количество цемента в %	Прочность на сжатие в возрасте 28 суток, МПа	Прочность на сжатие после 25 циклов , МПа	Коэффициент морозостойкости после 25 циклов	Коэффициент вариации
1	12	5,1	3,8	0,75	0,21
2	8	6,2	4,8	0,78	0,12

При сравнении вариантов конструкции дорожной одежды использовали понятие сравнительной экономической эффективности. Суммарно приведенные затраты являются критерием для обоснования наиболее эффективного варианта.

Таблица 8. Варианты дорожных конструкций.

Варианты	Состав дорожной конструкции	Толщина конструктивного слоя, м	Способ строительства
1.	1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон. 2.Нижний слой покрытия- горячий пористый асфальтобетон 3.Основание - щебень 4.Подстилающий слой из песка	0,06 0,06 0,20 0,20	Послойно
2.	1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон. 2.Нижний слой покрытия- горячий пористый асфальтобетон 3.Основание - щебень 4. Основание- грунт укрепленный цементом 12%.	0,06 0,06 0,20 0,15	Послойно
3.	1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон. 2.Нижний слой покрытия- горячий пористый асфальтобетон 3.Основание - щебень 4. Основание - грунт укрепленный цементом 8%.	0,06 0,06 0,15 0,15	Раздельно-последовательным способом

Таблица 9. Стоимость производства работ по устройству дорожных одежд.

Номер варианта конструкции дорожной одежды	Наименование технологии варианта	Стоимость работ
1.	Проектная технология	10879549,7
2.	Традиционная технология	4534754,896
3.	Предлагаемая технология	3983107,50

Как видно из полученных данных, 3 вариант более экономичен по сравнению с традиционной и проектными технологиями.

Рис. 19. Затраты на устройство 1 км дорожной одежды

На основании выполненных расчетов видно, что применение раздельно-последовательного способа возведение дорожных одежд позволяет снизить затраты примерно на 13% по сравнению с традиционной технологией. И на 37% по сравнению с проектной стоимостью.

Общие выводы

1. Выполненный анализ источников литературы показал, что из всех материалов дорожно-строительного назначения наибольшей неоднородности по прочности обладают цементогрунты, достигающей 33-40%. При этом наиболее неблагоприятный интервал содержания цемента в смеси находится в рекомендуемых нормативными документами от 8. до 12%.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что внутренняя неоднородность материалов на микроуровне реализуется числом равновероятностных состояний на макроуровне, в виде прочностных показателей, определенных информационной энтропии через коэффициент вариации, обусловленных технологическими факторами, в частности качеством перемешивания.

3. В результате теоретических исследований установлено сочетание перемешивания компонентов в соотношении «золотого сечения».

4. Экспериментальными исследованиями и математическим моделированием установлено, что за счет гармонизации перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси происходит образование более однородной по прочности структуры, способствующей повышению, в том числе, надёжности конструкций из цементогрунта.

5. Экспериментально доказана на модельных грунтах технология получения цементогрунтовой смеси раздельно-последовательным способом. Исследование технологического процесса показало, преимущество предложенного метода, так как равномерность распределения в объеме укрепляемого грунта цементоимитируюшим веществом в 3 раза выше (по коэффициентам вариации) на супеси и в 2 раза на суглинке. Т.е. коэффициент вариации по традиционной технологии составляет 33 %, а по предлагаемой технологии - около 12 % на супеси; коэффициент вариации на суглинке, по традиционной технологии составляет 30%, а по предлагаемой технологии - 15%. Разработанная гармонизация перемешивания распространяется на все виды грунтов.

6. Адекватность теоретических исследований раздельно-последовательной технологии была подтверждена в ходе опытно-производственной проверки. В соотношении 2/3 грунта перемешивали с 50% вяжущего, затем 1/3 грунта с оставшейся частью вяжущего, затем обе смеси перемешивались между собой.

7. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии цементогрунта составляет порядка 551647 рублей на 1 км.

смесь дорожный цементогрунт

Публикации автора

1. Тарасова, М.В. Новые технологические решения устройства дорожной одежды из укрепленных грунтов / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // Проблемы строительного и дорожного комплексов. Материалы II международной научно-технической конференции.- Брянск, 2004, С.108-110

2. Тарасова, М.В. Восстановление асфальтобетонных покрытий методом холодного ресайклинга и добавками химических веществ / В.С. Прокопец, С.Ф. Филатов, Т.Л. Иванова // Башкирский химический журнал.- Уфа: Изд-во «Реактив», 2006. том 13, № 5, С. 61-65

3. Тарасова, М.В. Влияние однородности прочности оснований из укрепленных грунтов на несущую способность дорожных одежд / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения. Сборник научных трудов. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007, С.71 -76

4. Тарасова, М.В. Однородность и долговечность конструкционных слоев дорожной одежды из грунтов, укрепленных вяжущими материалами / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: Сб. докл. Междунар. Науч.-практич. Конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - ч.4, С. 289-291

5. Тарасова, М.В. Влияние содержание цемента в смеси на прочность и однородность цементогрунта / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // Вестник СибАДИ. Выпуск 5, 2007, - Омск: СибАДИ, 2007, С. 100-104

6. Тарасова, М.В. Повышение однородности грунтоцементной смеси раздельно-последовательным способом перемешивания / В.С. Прокопец , С.И. Барайщук, М.В. Тарасова // Вестник ТГАСУ № 4, 2008, С.165-170.

7. Тарасова, М.В. Влияние однородности по прочности укрепленных грунтов при расчете оснований дорожных одежд / В.С. Прокопец, М.В.Тарасова // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России, ч.2. Материалы V междун. Научно-техн. Конф. - Пенза, 2008, С.334-339

8. Тарасова, М.В. Обеспечение повышенной однородности по прочности дорожного цементогрунта гармонизацией перемешивания / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // Дорожная держава 2009. № 20. С. 66-67

9. Тарасова, М.В, Основы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог часть 1 / В.П. Никитин, М.В. Тарасова (учебное пособие) // Омск, СибАДИ, 2003. - 68 С.

10. Тарасова, М.В. Основы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог часть 2 / В.П. Никитин, В.И. Андреев (учебное пособие) // Омск, СибАДИ, 2006. - 36 С.

11. Решение о выдаче патента на изобретение: Способ повышения однородности по прочности цементогрунтов / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова; № 2008117263(019750); заявл. 29.04.2008.

Размещено на Allbest.ru

...