Применение стабилизаторов для улучшения свойств связных грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание степени магистра

Применение стабилизаторов для улучшения свойств связных грунтов

Специальность: 5А580206

«Автомобильные дороги и аэродромов»

На правах рукописи

Худай?улов Рашидбек Мансуржонович

Научный руководитель проф. Каюмов А.Д.

Ташкент 2011

Введение

стабилизатор глинистый грунт автомобильный

В обстановке ускорения социально-экономического развития страны, при быстром темпе развития автомобильного транспорта и внешней торговли роль дорожного строительства возрастает с каждым годом. Все это обусловливает необходимость строительства прочных во времени и отвечающих нормативным требованиям автомобильных дорог. Для создания таких дорог необходим всесторонний учет целого ряда различных факторов при проектировании и строительстве. Это климатические и грунтовые условия местности, возможность использования природных ресурсов в районе проложения автомобильной дороги, необходимость обеспечения показателей автомобильной дороги с учетом перспектив движения, сохранения окружающей среды и т.д.

Выполнение указанных требований весьма важно по той причине, что при строительстве автомобильных дорог используются в большом объеме различные каменные материалы (щебень, гравий), расход которых в полотном теле часто составляет 3.0-3.5 тыс. м3, а на дорогах I-II категории 6.5-7.5 тыс. м3 на 1км дороги. В районах строительства, где нет каменных материалов, возникает необходимость в перевозках щебня, гравия, песка за сотни километров автомобильным транспортом, что удорожает их первичную стоимость в 3-4 раза и более [1].

Указанное обстоятельство является главной причиной значительного удорожания дорожного строительства и замедления темпов производства работ, к тому же разработка карьеров приводит к нарушению экологического равновесия окружающей среды.

Как показали результаты многолетних исследований дорожных институтов, а также практический опыт проектирования и строительства, денежные и материальные затраты могут быть значительно снижены, если для устройства дорожных одежд вместо каменных материалов применять местные грунты.

Прочное и стабильное во времени основание и земляное полотно являются важнейшими факторами надежной работоспособности автомобильных дорог. Однако значительный рост объем земляных работ или отсутствие грунтов пригодных для их возведения методов и методик искусственного целенаправленного преобразования свойств, в первую очередь, местных глинистых грунтов различного возраста и генезиса, таких, как супеси, суглинки и глины требует разрабатывать методы улучшение свойств лессовых грунтов.

В настоящее время хорошо разработаны и широко применяются многочисленные методы искусственного улучшения свойств местных грунтов. Большие заслуги в развитии этого направления в науке о грунтах принадлежит ученым из бившего союза: В.М. Безрука [1], Е.М. Сергеев [3], П.А. Ребиндер [4], Н.Н Серб-Сербина [5], М.Т. Кострико [6], Л.А. Марков, А.П. Парфенов, А.П. Петрашев, Б.В. Пугачев, И.И.Черкасов [7] и другим.

В результате применения укрепленных грунтов создается реальная возможность ежегодного высвобождения сотен железнодорожных составов и многих тысяч автомобилей от перевозок каменного материала [1].

На результаты укрепления грунта существенно влияют свойства грунта и его гранулометрический и химический составы, а также состав и свойства вяжущих веществ и других добавок.

Исключительно важное значение для эффективного укрепления грунтов имеет последовательное выполнение требуемых технологических операций и обеспечение оптимального режима твердения и структурообразования укрепленного грунта.

В настоящее время проблема эффективного использования различных видов местных грунтов, укрепленных вяжущими материалами и другими химическими реагентами для устройства конструктивных слоев дорожных и аэродромных одежд, практически разрешена.

Такой огромный производственный опыт в мировой практике позволяет формулировать обоснованные практические рекомендации по дальнейшему более широкому применению укрепленных грунтов при строительстве автомобильных дорог и аэродромов.

В настоящее время широко используются органические вяжущие для укрепления грунтов, но в связи с удорожанием нефти и нефтепродуктов, трудность разработки нефти в Узбекистане, использование органических вяжущих как основных веществ для укрепления грунтов, становится невыгодным.

В современных условиях настоятельно необходимы новые эффективные технологии и более дешевые материалы, обеспечивающие высокое качество дорожных работ, новые методы улучшения грунтов.

Актуальной задачей современные тенденции в дорожном строительстве (увеличение интенсивности движения и грузоподъемности автомобильного транспорта, расширение сети дорог, в том числе и местных) выдвигают задачи необходимости не только повышения долговечности дорожных конструкций, но и применения при строительстве автомобильных дорог местных материалов и грунтов. Учитывая, что многие регионы Узбекистана испытывают дефицит материалов для устройства оснований, а их доставка связана с дополнительными транспортными затратами, то актуальность использования в основаниях дорожных одежд местных грунтов становится очевидной.

Все методы искусственного улучшения инженерного поведения грунтов в соответствии с главными действующими факторами и получаемыми эффектами могут быть разделены на два направления:

- физико-механическая стабилизация;

- физико-химическое преобразование;

Физико-механическая стабилизация связана с процессом структурных перестроек в грунте под влиянием внешних напряжений и формированием новой структуры, равновесной новому напряженному состоянию. А также с перераспределением жидкой компоненты в грунтах.

Физико-химическое преобразование связано с процессом формирования искусственных твердых веществ, которые цементируют твердые структурные элементы грунтов [3].

В последнее время повысился интерес к методам физико-механическая стабилизация грунтов с использованием гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ.

Для искусственного целенаправленного изменения свойств природных глинистых грунтов в последнее время широко применяют стабилизаторы:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научной новизной диссертационной работы состоит:

- обосновано улучшение прочностные и деформационные характеристики лессовых грунтов используемых при строительстве дорожных одежд с стабилизатором Т-RRР;

- предложено зависимость позволяющие определить прочностные и деформационные характеристики стабилизированных лессовых грунтов;

- получено уравнение линейной регрессии и математические зависимость позволяющие определит влияние расчетной влажности, коэффициент уплотнения и вида грунтов на расчетные характеристики стабилизованных лессовых грунтов;

Практическая ценность работы: разработано рекомендация по применения стабилизаторов для улучшения свойств лессовых грунтов используемых при расчете конструкции дорожных одежд.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена на научных семинарах кафедры «Автомобильные дороги и аэродромы» в 2009-2011гг. Основные положения исследования докладывались на республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы автомобильно-дорожного комплекса Узбекистана» 2010г.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 4 статьи в трудах ТАДИ и ЖПИ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключением и списка использованной литературы, приложения общим объемом 72 страниц компьютерные текста с рисунками и таблицами.

«Постановление президента республики Узбекистан»

По Указу Президента от 28 ноября 2008г. №УП-4058 «О программе мер по поддержке предприятий реального сектора экономики, обеспечению их стабильной работы и увеличения экспортного потенциала» предусматривается реализация проекта «Узбекская национальная автомагистраль», а именно строительство 4-полосной автомобильной дороги в целях коренного улучшения инфраструктуры экономики и создания новых рабочих мест [2].

По Постановлению Президента от 22апреля 2009г. №ПП-1103 «О мерах по реконструкции и развитию Узбекской национальной автомагистрали на 2009-2014 годы» разработана Государственная программа и начато крупномасштабное строительство объектов, входящих в Узбекская национальная автомагистраль. Одобрено разработанные Министерством экономики, Министерство финансов Республики Узбекистан, Республиканским дорожным фондом и ГАК «Узавтойул» параметры реконструкции и развития Узбекской национальной автомагистрали на 2009-2014годы в целях создания единой национальной транспортной системы.

Заказчиком строительства и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали - Республиканский дорожный фонд при Министерстве финансов Республики Узбекистан:

Генеральной проектной организацией по разработке необходимых документов по строительству и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали - проектный институт ООО «Йуллойиха бюроси»;

Генеральными подрядными организациями по строительству и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали и проходящих по Республике Каракалпакстан и областям - соответствующие территориальные подразделения ГАК «Узавтойул» и др. зарубежные организации.

По Постановлению Президента от 21декабр 2010г. №ПП-1446 «Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011-2015 годах ».

В целях обеспечения опережающего развития отраслей производственной, транспортной и инженерно-коммуникационной инфраструктуры в тесной увязке с реализуемыми программами перспективного развития отраслей экономики и территорий республики и на этой основе обеспечения создания новых рабочих мест, повышения занятости и неуклонного роста уровня жизни населения:

Ускорение реализации проектов по созданию единой национальной автомобильной транспортной системы, надежно соединяющей все регионы республики, расширение строительства и реконструкции участков четырехполосных дорог, входящих в состав Узбекской национальной магистрали, с обеспечением их современным цементобетонным и асфальтобетонным покрытием, отвечающим высоким требованиям международных стандартов, проведение реконструкции автодороги через перевал Камчик;

Объем работ по строительству и реконструкции автомобильных дороги по направлениям Гузар - Бухара - Нукус - Бейнеу и Алматы - Бишкек - Ташкент - Термиз, а также стратегических участков дорог Бухара - Алат, Самарканд - Гузар составляет 2755 км, из них протяженность 4-полосных частей - 1254 км, а протяженность 2-полосных частей - 1501 км.

На них предстоит построить и реконструировать более 80 мостов и путепроводов. Уже возводятся 10 мостов в Каракалпакстане, а также путепровод на обходе города Гузара.

Программа развития придорожной инфраструктуры и сервиса вдоль Узбекская национальная автомагистраль предусматривает комплексное строительство мотелей и кемпингов, АЗС, станций технического обслуживания автомобилей, парковок для машин и медпунктов [1].

В течение 2010 года проведены строительные и реконструкционные работы 353 км автомобильных дорог общего пользования международного и государственного значения, из них 238 км - участки «Узбекской национальной автомагистрали».

На сегодняшний день общая протяженность сети автомобильных дорог Узбекистана составляет около 184 тысяч км. Из них дорог общего пользования - 42530 км, городских улиц и дорог других населенных пунктов 61664 км и дорог хозяйственного назначения - 79367 км.

1. Состояния вопроса

1.1 Анализ результатов теоретических и практических исследованиий грунтов обработанных стабилизаторами

Исследованию вопросов улучшения физико-механических характеристик связных грунтов с помощью поверхностно-активных веществ посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых: В.М. Безрука [4], Е.М. Сергеев [6], П.А. Ребиндер [7], Н.Н Серб-Сербина, П.А. Ребиндер [8]., М.Т. Кострико [9], Л.А. Марков, А.П. Парфенов, А.П. Петрашев, Б.В. Пугачев, И.И.Черкасов [10], А.Д. Каюмов [11] и др.

В месте с тем недостаточно изучены вопросы взаимодействия химических реагентов с грунтами, последовательность, взаимосвязь и кинетика происходящих при этом химических реакций и физико-химических процессов, общие закономерности и специфика структурообразования в грунтах, обработанных добавками химических peaгентов.

Причина заключается в том, что дисперсные грунты представляют собой исключительно сложные полиминеральные образования, прошедшие в естественных условиях длительный генетический путь формирования присущей им структуры физико-химических и механических свойств. Кроме того, глинистые грунты - это многофазные гетерогенные дисперсные системы, химический состав которых отличается многокомпонентностью.

При воздействии на грунт небольших доз ПАВ происходит изменение природы поверхности минеральных частиц, т.е. процесс гидрофобизации. Гидрофобизация глинистых грунтов осуществляется в целях ликвидации их способности взаимодействовать с водой путем нейтрализации зарядов и других сил поверхностного притяжения воды, либо путем образования новых соединений, препятствующих соединению с водой. Сущность гидрофобизации заключается в том, что смачиваемость или несмачиваемость грунта находится в прямой зависимости от кристаллической структуры его минералов и характера их межатомных и межмолекулярных связей.

Основной причиной смачивания и гидратации является наличие на поверхности минералов некомпенсированных энергетически активных центров.

Энергетически активные центры минеральных частиц грунта обусловлены, в основном:

- валентными силами на сколах и ребрах кристаллов;

- изоморфными замещениями в кристаллах минералов;

- водородной связью;

Активные группы воды, взаимодействуя с активными центрами поверхности частиц грунта, образуют сортированный слой воды, который может утолщаться в зависимости от величины зарядов поверхности, наличия и вида обменных катионов, а также от величины межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, чтобы снизить смачиваемость глинистой частицы необходимо уравновесить энергетически активные центры на поверхности минералов грунта. Для этих целей применяются различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), к которым относятся органические полярные катионы, анионы и молекулы.

В различных областях науки и производства термину «стабилизаторы» отвечает широкий круг понятий. В дорожном строительстве, особенно при работе с грунтами, под стабилизаторами подразумеваются химические вещества и соединения, изменяющие физико-химические, физико-механические свойства грунтов, включая и структурные изменения. При этом использование стабилизаторов не всегда ставит своей целью повысить прочность грунтов, просто в результате изменения каких-либо свойства грунтов, например, снижение водонасыщения, набухания, пыления, происходит повышение прочностных показателей. В последние годы значительно расширился ассортимент материалов, используемых в качестве стабилизаторов.

Стабилизаторы, как правило, представляют собой сложные химические соединения и, в основном, относятся к классу поверхностно-активных веществ. Все разнообразные применения поверхностно-активных веществ основаны на фундаментальных закономерностях и механизмах влияния ПАВ:

- на свойства поверхностей раздела фаз - маркроповерхностей и поверхностей дисперсной фазы в дисперсных системах (адсорбционное модифицирование поверхностей);

- на объемные свойства жидкостей (растворов) - процессы мицеллообразования солюбилезации;

Влияние ПАВ на свойства поверхностей раздела фаз определяется образованием ориентированных адсорбционных слоев молекул или ионов с различной энергией связи с поверхностью (от вполне обратимой «физической» адсорбции до хемоадсорбции и образования поверхностных химических соединений). Непосредственным результатом образования адсорбционных слоев, т.е. поверхностной активности на различных границах раздела фаз оказывается адгезионное, в рассматриваемом случае, смачивающее действие ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ всегда связано с образованием структур в поверхностных слоях и прилегающих к ним объемах дисперсионной среды.

Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах. Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них.

1.2 Анализ существующих нормативных документов технических литературы по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов

Существующие нормативные документы и технических литературы по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов показана нормативных документов:

- Проф., д-р геол-минерал. наук. В.М.Безрук «Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве» Издательство «Транспорт» Москва 1971, с 245 [5].

- Марков Л.А., Парфенов А.П., Петрашев А.П., Пугачев Б.В., Черкасов И.И., «Улучшение свойств грунтов поверхностноактивными и структуро-огбразующими веществами» «Автотрансиздат» Москва 1963,с 175[10].

- Градостроительные нормы и правила «ШН? 2.05.02-07» Автомобильные дороги приведена 7.40 пункте, таблица 48, Ташкент 2008, с 180 [13].

- «Методические рекомендации» по применению обеспыливающих материалов на дорогах с низшими типами покрытий, P PK 218-63 -2007 Астана 2008, с 110[12].

- Сообщается о широком применении метода укрепления грунтов в Китае при сооружении автомобильных дорог. В связи со сложными климатическими условиями эксплуатации в ряде районов страны были проведены экспериментальные исследования влияния циклических процессов увлажнения и высыхания на прочность и деформативность образцов грунта стабилизированных известью. Приведены данные о составах смеси, применявшейся в экспериментах и графики зависимостей прочности образцов [14].

- Запатентован усовершенствованный способ укрепления грунта дорожных насыпей. В настоящее время для этой цели, в основном, применяются волокнистые упрочняющие материалы, добавляемые в грунт (нарезанный нейлон, дакрон или полиэфирный материал), или посадка трав. Эти методы обладают целым рядом недостатков, например, корни трав активно поглощают из почвы влагу, что приводит к нарушению ее структуры. Предлагаемый способ обеспечивает защиту грунта от эрозии и препятствует снижению прочности. Для этой цели должны использоваться усиливающие или стабилизирующие волокнистые материалы (как натуральные, так и синтетические), которые покрываются адгезивом [15].

- Российскими учеными предложен способ закрепления грунтов. Изобретение относится к области строительства, в частности к способам укрепления грунтов при возведении дорожных оснований. Способ заключается в смешивании местного грунта с наполнителем - брикетами, полученными прессованием смеси шлама химической водоочистки теплоэлектростанций с 10-15% цемента, и известковым вяжущим-обожженной смесью карбонатного шлама теплоэлектростанций с хлористым кальцием в количества до 2% с последующим уплотнением до плотности 0,95-0,98 от максимальной. При этом соотношение местного грунта, брикетов и известкового вяжущего может быть как 6:3:1-4:3:1.Технический результат: способ позволяет по упрощенной и экономичной технологии производить закрепление грунтов и утилизировать шламы тепловых электростанций [16].

- Т-RRP действует в почве как катализатор и при правильном применении изменяет физико-химические свойства почвы, так что она при уплотнении достигает более высоких параметров плотности и стойкости, чем это возможно в природе. Это происходит благодаря стойкому изменению водосвязывающих сил, частиц почвы (коллоидов). Следствием является значительное прекращение капиллярности. Принципиально важно, чтобы частички почвы (коллоиды) контактировали с действующим веществом Т-RRP. Действие проявляется только после оптимального уплотнения почвы. Его присутствие в грунте в значительной мере предотвращает разбухание. Ни влажность, ни мороз не изменяют это состояние [17].

- Soiltac® - эмульсия на полимерной базе, которая обладает свойством стабилизировать практически все виды грунтов, защищать их от пыли и эрозии. Она максимально проникает в глубину почвы. После того, как высохнет, становится полностью прозрачной, сохраняя естественный пейзаж, но может быть для специальных целей окрашена в требуемый цвет. Она физически связывает и скрепляет частицы почвы, увеличивая сцепление почвы до 200%, в несколько раз увеличивая его несущую способность, способствует ликвидации пыли [18].

- Использование препарата Durasoil на дорогах позволяет уменьшить совокупные потери на 55-67%, а затраты на обслуживание-на 30-36%, что составляет миллионы долларов экономии ежегодно. И это без учета устранения им влияния пыли со свалок на человека и окружающую среду, пагубного воздействия пыли на механизмы, особенно на вертолетных площадках, грунтовых аэродромах, территорий ветровых и солнечных электростанций, без учета сдерживания тонн пыли, поднимаемой на спортивных трассах и площадках, полигонах и карьерных выработках, на полях и садах [19].

- Стабилизатор «Статус» это водорастворимый жидкостный стабилизатор многокомпонентного состава, содержит высокомолекулярные углеводороды, катализаторы, пластификаторы, а также поверхностно-активные добавки, обладающие мощным ионообменным потенциалом, темно-коричневого цвета, рН-5.5 (нейтральный), не оказывает вредного воздействия на металлы, ц/бетоны и конструктивные элементы дороги, а также на водоносные грунтовые слои, подстилающие земполотно [20].

- ECOroads - органическая композиция на основе жидкости, повышающая прочность при сжатии, несущую способность и общую долговечность грунтовых оснований и подстилающего слоя. При смешивании с грунтовыми материалами со строительной площадки и уплотнении энзимы и соединения, входящие в состав ECOroads, действуют на мелкие связующие частицы, ускоряя образование связей и формирование постоянной водостойкой основы. [21].

Выводы по 1 главе

1. Исследованию вопросов улучшения физико-механических характеристик связных грунтов с помощью ПАВ посвящены многочисленные работы. Однако рассматриваемые вопросы в части улучшение лессовых грунтов стабилизаторами недостаточно изучены.

2. Анализ существующих нормативных документов и технических литературы по применению стабилизаторов показали, что расчетная характеристика стабилизированных лессовых грунтов используемых для расчета дорожный одежды не разработаны.

3. В связи с отмеченными в данной магистерский диссертация рассматривается вопрос о стабилизации лессовых грунтов используемых земляного полотна автомобильных дорог в условиях Узбекистана.

Целью является разработка рекомендаций по использованию стабилизаторов Т-RRР для улучшения прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов используемых при расчете конструкции дорожных одежд.

В соответствии с поставленной целью задачами исследования являются:

- ознакомление с различными видами стабилизаторов;

- определение прочностных и деформационных свойств лессовых грунтов, улучшение стабилизатором Т-RRР в лабораторных условиях;

- разработать рекомендации для использования стабилизаторов Т-RRР при проектирование дорожных насыпей из лессовых грунтов.

2. Теоретические исследования грунтов, обработанных стабилизаторами

2.1 Современные предоставления о природе структурных связей и свойствах глинистых грунтов

В последнее время наблюдается повышенный практический интерес к методам физико-химической стабилизации грунтов с помощью гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ, которые позволяют ликвидировать способность взаимодействия связных глинистых грунтов с водой в результате нейтрализации сил поверхностного притяжения воды.

Вопросу исследования химических и физико-химических методов обработки связных грунтов посвящены работы В.М. Безрука [4], Е.М. Сергеева [6], П.А. Ребиндер [8], М.Т. Кострико [9], Б.В. Пугачев [10], С.А. Морозова [22] и многих других. Их исследования показывают, что гидрофобная пленка из ПАВ не допускает молекулы воды в зоны контактов минеральных частиц грунта и тем самым предохраняет грунт от размокания. Изменения на уровне микроструктуры приводят не только к стабильному сохранению физико-механических свойств природного глинистого грунта, но и к их улучшению (например, повышается прочность, снижается набухание и т.д.). Кроме того, перспективность использования ПАВ, особенно отечественного производства, в дорожно-аэродромном строительстве обусловлена их сраенительно низкой ценой.

Обобщение и анализ теоретических и практических результатов исследований по применению связных грунтов, обработанных ПАВ, в качестве несущих и подстилающих слоев дорожных одежд показывает, что в этой области достигнуты определенные успехи. Однако остается ряд задач, которые до сих пор не решены. Например, не достаточно ясен механизм взаимодействия поверхностно-активных веществ с глинистыми грунтами, характер и взаимосвязь происходящих при этом физико-химических процессов, не в полной мере изучены общие закономерности изменения структуры природного глинистого грунта после обработки его ПАВ, отсутствует методика прогноза свойств глинистых грунтов и т.д.

Одним из путей изменения природы поверхности минеральных частиц грунта является воздействие на грунт поверхностно-активных веществ. Установлено, что изменение природы поверхности минеральной частицы происходит при воздействии на грунт небольших доз ПАВ, то есть идет процесс гидрофобизации (ликвидация способности взаимодействия с водой либо путем нейтрализации зарядов и других сил поверхностного притяжения воды, либо путем образования новых соединений, препятствующих соединению с водой). Можно считать, что смачиваемость или несмачиваемость грунта находится в прямой зависимости от кристаллической структуры минералов и характера их межатомных и межмолекулярных связей. Характер образования связей в системе грунт - вода - ПАВ в большой степени зависит от вида воды: рыхлосвязанной или прочносвязанной. Наиболее распространены глинистые грунты, имеющие в составе преобладание рыхлосвязанной воды, о чем свидетельствует наличие полуторных окислов (16-17%) и органических веществ (3%).

Для снижения гидрофильности глинистых фунтов применяются катионактивные и анионактивные ПАВ. Наиболее распространены и изучены катионактивные ПАВ, применяемые для грунтов кислых разновидностей. Наличие на территории России большого количества карбонатных глинистых грунтов являлось основной предпосылкой для проведения исследований. Для улучшения свойств карбонатных грунтов целесообразно использовать ПАВ анионактивного действия. Предлагаемые для строительства ПАВ такого вида не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям, как по полученным свойствам обработанных глинистых грунтов, так и по потребительским свойствам (токсичность, незначительный ассортимент, зависимость от зарубежного производителя и т.д).

Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. Рассмотрим подробнее строение ПАВ и механизм их влияния на грунты с целью выявления предпосылок выбора их состава для улучшения свойств глинистых грунтов.

Учитывая вышесказанное, а также отличительные особенности анионактивных ПАВ, усиливающие положительный эффект воздействия на глинистую частицу, был выбран новый стабилизатор «T-RRP». Наличие одноименных отрицательных зарядов дает возможность образовывать довольно устойчивый, так называемый, двойной электрический слой, и лучше адсорбировать анионы на поверхностях благодаря большим радиусам.

Анализ предпосылок выбора ПАВ позволил обосновать критерии подбора поверхностно-активных веществ для обработки глинистых грунтов. Учитывая малую изученность анионактивных ПАВ, а также широкую распространенность карбонатных разновидностей глинистых грунтов был выбран новый универсальный стабилизатор «T-RRP» а-нионактивного действия. Теоретические предпосылки выбора подтверждены современными методами электронной микроскопии, с помощью которых было установлено, что введение в глинистый грунт стабилизатора «T-RRP» в небольшом количестве приводит к образованию гидрофобной обволакивающей пленки вокруг зерна минерала. При этом происходит образование более плотной структуры микроагрегатов грунта. Применение небольшого количества цемента (до 2%) позволяет наряду с гидрофобными пленками создать новые связи цементационной природы, что указывает на изменение не только водно коллоидных свойств, но и прочностных характеристик. Установлено, что за счет более упорядоченных, симметричных форм микроагрегатов образуется более устойчивая структура материала.

2.2 Теоретические предпосылки выбора состав стабилизаторов для связных грунтов

В различных областях науки и производства термину «стабилизаторы» отвечает широкий круг понятий. В дорожном строительстве, особенно при работе с грунтами, под стабилизаторами подразумеваются химические вещества и соединения, изменяющие физико-химические, физико-механические свойства грунтов, включая и структурные изменения. При этом использование стабилизаторов не всегда ставит своей целью повысить прочность грунтов, просто в результате изменения каких-либо свойств грунтов, например, снижение водона-сыщения, набухания, пыления происходит повышение прочностных показателей. В последние годы значительно расширился ассортимент материалов, используемых в качестве стабилизаторов.

Стабилизаторы, как правило, представляют собой сложные химические соединения и, в основном, относятся к классу поверхностно-активных веществ [4].

Все разнообразные применения поверхностно-активных веществ основаны на фундаментальных закономерностях и механизмах влияния ПАВ:

- на свойства поверхностей раздела фаз - маркроповерхностей и поверхностей дисперсной фазы в дисперсных системах (адсорбционное модифицирование поверхностей);

- на объемные свойства жидкостей (растворов) - процессы мицеллообразования солюбилезации;

Влияние ПАВ на свойства поверхностей раздела фаз определяется образованием ориентированных адсорбционных слоев молекул или ионов с различной энергией связи с поверхностью (от вполне обратимой «физической» адсорбции до хемоадсорбции и образования поверхностных химических соединений). Непосредственным результатом образования адсорбционных слоев, т.е. поверхностной активности на различных границах раздела фаз оказывается адгезионное, в рассматриваемом случае, смачивающее действие ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ всегда связано с образованием структур в поверхностных слоях и прилегающих к ним объемах дисперсионной среды.

Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. Рассмотрим подробнее строение ПАВ и механизм их влияния на грунты с целью выявления предпосылок выбора их состава для улучше-ния свойств глинистых грунтов.

Молекулы большинства ПАВ имеют дифильный характер и состоят из двух частей - полярной (гидрофильной) и неполярного углеводородного радикала (гидрофобного). При адсорбции на поверхностях раздела фаз ПАВ образуют слои ориентированных молекул. При этом полярные группы взаимодействуют с твердой поверхностью, а углеводородная часть молекул оказывается обращенной наружу.

Подобная ориентация молекул приводит к гидрофобизации минеральных поверхностей (являющихся в большинстве случаев гидрофильными) за счет обращенных наружу длинных углеводородных цепей. В этом случае, если возникают химические связи между полярными группами молекул ПАВ и адсорбционными центрами на минеральных поверхностях, эффективность гидрофобизации существенно возрастает. Это происходит в случае применения ПАВ, обладающих химическим сродством с данным минеральным материалом. Ориентированные слои молекул ПАВ на межфазных поверхностях изменяют молекулярную природу поверхности и условия взаимодействия граничащих фаз. Необходимо отметить, что эффективность действия ПАВ возрастает с увеличением длины углеводородных цепей.

Адсорбция ПАВ на поверхностях и образование ориентированных мономолекулярных (а иногда и полимолекулярных) слоев молекул требует определенного времени. Скорость адсорбции зависит от ряда факторов, в том числе от скоростей диффузии молекул ПАВ, что особенно проявляется у веществ, характеризующихся большой молекулярной массой. Специфические свойства межфазных поверхностей обусловливают эффективность действия ПАВ в грунтовых системах. Прежде всего, это касается изменения условий смачивания грунтовой частицы водой и характера сцепления добавок или вяжущих с поверхностью грунта.

По химической природе ПАВ разделяются на ионогенные и не-ионогенные. Первые соединения при растворении в воде диссоциируются на ионы, а вторые нет. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяются на три основных типа: анионактивные, катионактивные и амфолитные (амфотерные). Анионактивные образуют при диссоциации в воде отрицательно заряженные поверхностно-активные ионы (анионы), катионактивные вещества - положительно заряженные ионы (катионы). Следовательно, в анионактивных ПАВ углеводородная часть молекулы входит в состав аниона, а в катионоактивных - в состав катиона; амфолитные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых кислая, а другая основная.

К четвертой группе ПАВ относят моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофи-лизирующим действием. Они применяются для эмульгирования и стабилизации эмульсий.

Из всего обширного ассортимента ПАВ по механизму действия в дисперсных системах и, учитывая поставленную цель исследования, можно сказать, что целесообразнее всего использовать анионактив-ные ПАВ, обладающие свойствами гидрофобизирующих реагентов и вместе с тем пластифицирующим действием.

Рассмотренные выше виды гидрофобизации глинистых грунтов с применением ПАВ показали, что большей частью стабилизаторы используются для защиты природной структуры глинистых грунтов от увлажнения, а также для некоторого усиления природных структурных связей. Гидрофобные свойства грунт приобретает в течение первых трех дней, при этом может повышаться и прочность в водонасыщенном состоянии (до 4-9 кг/см2). Гидрбфобизация, вопреки распространенному в настоящее время мнению, не может считаться способом укрепления грунтов. Для повышения физико-механических свойств грунтов их необходимо обрабатывать вяжущими. В работах В.М. Безрука [4] отмечается, что наличие глинисто-коллоидной фракции вызывает трудности при обработке грунтов вяжущими, так как присутствие указанных частиц является носителем коагуляционных связей, что требует больших дозировок вяжущих для изменения физико-механических свойств грунтов. Наличие коагуляционных контактов придает структуре большую эластичность, но меньшую механическую прочность.

Поэтому, с одной стороны, применение стабилизаторов для глинистых грунтов в какойто степени облегчает задачу обработки этих грунтов вяжущими, а с другой - позволяет получать материалы с более высокими показателями физико-механических свойств. Поскольку в задачи исследований не входило получение высокопрочных материалов, интересно было исследовать свойства грунтов, обработанных стабилизаторами и небольшими добавками традиционных в дорожном строительстве вяжущих.

Выводы по 2 главе

1. Учитывая малую изученность анионактивных ПАВ а также широкую распространенных лессовых грунтов был выбран стабилизатор Т-RRP анионактивного действия.

2. Теоретически показаны, что введение в лессовый грунт стабилизатора Т-RRP приводит к гидрофобной обволакивающий пленка вокруг зерна минерала.

3. В результате гидрофобной обволакивающий пленка вокруг зерна минералу происходит образование более плотностной структуры микроагрегатов лессового грунта.

3. Экспериментальные исследование по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов

3.1 Характеристика испытываемых грунтов

При проведении исследований в лабораторных и полевых условиях с целью выявления влияния стабилизаторов на свойства уплотненного грунта использовали различные по генетическому типу и пластичности лессовые грунты (табл.3.1) аллювиальные и пролювиальные проникновения.

Таблица 3.1 Характеристика лессовых грунтов

№	Грунты (место отбора пробы, автомобильная дорога)	Число пластичности	Влажность (%) на границе	Гранулометрический состав,%	Оптимальная влажность, %	Максимальная плотность, кг/м3
1	Пролювиальная лессовая супесь тяжелая пылеватая (г.Гулистан-Охангаран)	5.50	27.50	22.00	22.00	68.00
2	Аллювиальный лессовый суглинок легкий пылеватый (г. Ташкент)	8.05	25.01	16.96	20.15	85.25

3.2 Планирование экспериментов

До перехода к планированию эксперимента по определению расчетных характеристик лессовых грунтов, мы определили воспроизводимость данного процесса [23, 24].

Как известно планирование эксперимента - это постановка опыта по заранее составленным схемам, обладающим некоторыми оптимальными свойствами. Планирование преследует цель - получить максимум информации при минимуме затрат.

До перехода к планированию эксперимента по определению расчетных характеристик лессовых грунтов, мы определили воспроизводимость данного процесса [23, 24].

Дисперсия воспроизводимости установили из соотношения

(3.1)

где: Уij - результаты наблюдений в параллельных опытах (i = 1, 2,…rj);

- среднее значение параметра в rj параллельных опытах;

f0 =rj-1- число степеней свободы, связанное с дисперсией воспроизводимости.

Среднее значение выхода j - той серии опытов:

= ?Уij / rj (3.2)

Затем вычислили суммарную дисперсию:

(3.3)

где m - число серий.

Однородность дисперсии определили по критерию Кохрана, для чего вычислили расчетное значения этого критерия:

(3.4)

где Sjmax - максимальное значение дисперсии.

Расчетное значение критерия сравнивается с табличным при

К1=r-1 (число степеней свободы для числителя) и К2=m - число сравниваемых дисперсий. Если величина Gр не превышает критическую, дисперсии однородны и процесс воспроизводим.

Оценкой дисперсии воспроизводимости в данном случае является среднее арифметическое из всех дисперсий:

(3.5)

Отсюда определяем среднюю квадратическую ошибку эксперимента, которая равна:

=; (3.6)

3.3 Результаты исследований

3.3.1 Свойства системы «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ»

Поверхностно-активные вещества применяются в малых количества до 0,005% по массе. Наибольший эффект изменения свойств системы зависит от минералогического состава, генезиса глинистого грунта, типа стабилизатора и обычно устанавливается в лаборатории экспериментальным путем.

Изменения свойств систем «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ» выполнялись на двух типах лёссовых суглинках и супесях. Суглинки взяты из ТКАД, а супеси из автомобилни дорога обход к Гулистан.

На рис 3.1 показан график уплотняемости суглинка в зависимости от количества стабилизатора T-RRP



Рис 3.1 Зависимость уплотняемости суглинка (g Пms) от количества стабилизатора T-RRP

Из графика на рис 3.1 следует, что для данного суглинка оптимальным является введение 300 мл стабилизатора на 1 м3 грунта.

Для стабилизаторов T-RRP и Роадбонд определили максимальную плотность грунтов по методике ГОСТ 22733-77[25] с использованием воды и водных растворов ПАВ. Результаты опытов показаны на рис 3.2 и 3.3



Рис 3.2 Зависимость плотности сухого грунта от влажности при стандартном уплотнении супеси для: 1-воды; 2-водного раствора стабилизатора Роадбонд оптимальной концентрации; 3-то же, для стабилизатора T-RRP

Рис 3.3 Зависимость плотности сухого грунта от влажности при стандартном уплотнении суглинка для: 1-воды; 2-водного раствора стабилизатора Роадбонд оптимальной концентрации; 3-то же, для стабилизатора T-RRP

В соответствии с теоретическими представлениями оптимальная влажность у супесей снижается на 25%, а максимальная плотность сухого грунта возрастает на 3% при применении стабилизатора T-RRP и практически не изменяется при применении стабилизатора Роадбонд по сравнению с необработанными грунтами.

Для моренных суглинков, обработанных стабилизаторами, оптимальная влажность снижается на 9% , но плотность сухого грунта при этом возрастает на 2% (коэффициент уплотнения Ку=1,02).

Одним из недостатков систем «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ» является их низкая водоустойчивость. При помещении образцов в воду они теряют прочность и полностью разрушаются.

Для исключения этого в систему «глинистый грунт - T-RRP» было добавлено вяжущее. В качестве вяжущего использовали цемент марка 400.

В лабораторных условиях исследовалась размокаемость образцов суглинка в воде в зависимости от количества цемента. Результаты показаны на рис 3.4

Рис 3.4 Зависимость размокаемости образцов суглинков в воде во времени: 1-суглинок при стандартном уплотнении; 2- система «суглинок - T-RRP»; 3,4-система «суглинок - T-RRP» соответственно при добавлении цемента в количестве 0,3%и 1,0%по массе

Из графиков на рис.4 следует, что размокаемость системы «глинистый грунт - T-RRP» снижается в 2 раза по сравнению с необработанным грунтом. При добавлении в систему «глинистый грунт - T-RRP» цемента в количестве 1.0% по массе образцы практически перестают размокать и сохраняют связность.

Следствием более высокой степени уплотнения грунтов, обработанных стабилизаторами, является повышение прочности, снижение деформируемости и водопроницаемости, повышение устойчивости к неблагоприятным геологическим процессам.

Проявление гидрофобных свойств у глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами, может привести к изменению интенсивности процессов пучения при промерзании.

Лабораторные эксперименты проведены на пылеватых супесях. Исследованы две серии параллельных образцов, пподготовленные образцы при оптимальной влажности 15% уплотнялись под действием постоянных сжимающих напряжений 0,6 МПа в течение 1 ч. В результате образец с Роадбондом имеет Ку=0,94, а без стабилизатора Ку=0,89.

Опыты по исследованию деформации пучения проводились в условиях максимального пучения в открытой системе при капиллярном увлажнении образцов. Результаты опытов приведены на рис 3.5



Рис 3.5 Зависимость общей деформации пучения пылеватой супеси в открытой системе во времени: 1-супесь, обработанная стабилизатором Роадбонд; 2- супесь без стабилизатора

Общая величина деформации пучения грунта, обработанного стабилизатором, на 11,5% меньше общей величины деформации пучения грунта, не обработанного стабилизатором.

Вторая серия образцов при оптимальной влажности 15% подвергалась уплотнению под действием постоянных сжимающих напряжений, равных 1,0 МПа, в течение 1 ч для образца без стабилизатора и в течение 0,5 ч для грунта, обработанного стабилизатором. В результате этого грунт, обработанный стабилизатором Роадбонд, имел Ку=0,95, а необработанный Ку=0,94

Опыты по проморживанию проводились в закрытой системе без капиллярного увлажнения, что соответствует минимальному пучению. Результаты опытов приведены на рис 3.6.



Рис 3.6 Зависимость общей деформации пучения пылеватой супеси в закрытой системе во времени: 1-супесь, обработанная стабилизатором Роадбонд; 2- супесь без стабилизатора

3.3.2 Расчетные характеристики стабилизированных лессовых грунтов в лабораторных условиях

Для оценки влияния T-RRP на расчетные характеристики грунта в лабораторных условиях производили специальные исследования. При этом определяли деформационные и прочностные характеристики.

Для определение значения статических модулей упругости как стабилизированных так и не стабилизированных лессовых грунтов применили рычажный пресс (рис. 3.7).



Рис. 3.7 Лабораторный рычажный пресс для испытания статической нагрузки

Испытания проводили на 6 образцах подготовленные из лессовых грунтов (см. табл. 3.1) различного по числу пластичности, уплотненных до плотности 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0,98 и 1,0 при различной степени увлажнение т.е при 0.55, 0.60, 0.65, 0.70 Wт. Каждый из шести образцов данной влажности и плотности испытывали в один день на рычажном прессе. Образцы готовили в формах диаметра 0.15 м, диаметр штампа D =0.05 м.

Модули упругости грунта ЕГР при различном удельном давлении Р вычисляли с применением зависимости, рекомендуемой для испытания жестким штампом 27:

(3.7)

где ?/4 - коэффициент, учитывающий особенности нагружения жестким штампом;

lУ - упругая деформация, мм;

?ГР =0.35.

Согласно [27] во время испытаний грунтов применяли удельное давление Р в соответствии с таблице 3.1.

Таблица 3.1. Величина осредненных удельных нагрузок Р (МПа) на поверхности грунта земляного полотна при различной его влажности

Тип грунта	Способ нагружения	Относительная влажность,доли от Wm
		0.55	0.60	0.65	0.70
Суглинки и глины	статический	0.14	0.09	0.07	0.06
Супеси	статический	0.14	0.09	0.07	0.06

Поскольку распределение численных значений модулей упругости лессовых грунтов по результатам их испытаний обычно достаточно близко к нормальному [27], для определения расчетного значения модуля упругости грунта при данной влажности ЕГР можно рекомендовать следующую зависимость

Егр=ЕCP.ГP (1-СvE KB ) (3.8)

где ЕСР.ГР - среднее значение модуля упругости грунта при данной влажности, МПа;

С?Е - коэффициент вариации модулей упругости зависящие от относительной влажности;

КВ - коэффициент, зависящий от допускаемой вероятности значений модуля - ниже данного ЕГР, по [27] КВ =1.

Границы области 95 % доверительного интервала, определенные по формуле 23, 24:

(х - t? /) ‹ а‹ (х + t? /) (3.9)

где t? / = ? - точность оценки;

n - объем выборки;

t - Значение аргумента функции Лапласа Ф( t ); 2Ф( t )=1- ?; ? = 0.05.

Пример расчета дисперсии воспроизводимости. Определены значения модуля упругости лессовых грунтов №8 при коэффициенте увлажнения КУВ= 0.70 и коэффициенте уплотнения КУ = 0.95, уплотненные статическим способом. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.2.

Расчет осуществляли в следующем порядке:

1 - для каждой серии рассчитывали средние значения по (3.2);

2 - для каждой серии - дисперсии S2J по (3.1);

3 - суммарную дисперсию S2 по (3.3), S2=21.76;

Таблица 3.2. Результаты расчета дисперсии воспроизводимости

№ серии I экспериментов	Модуль упругости грунта при опытах уIJ, МПа	Среднее значение по серии уJ в МПа	Отклонение от среднего при трех опытах ?=уIJ - уI	Дисперсия S2J=(?21+ +?22 + +?23)/2
	Номера i опытов
	1	2	3		1	2	3
I	46.4	44.0	41.6	44.0	-2.4	0	2.4	5.76
II	47.3	43.0	44.7	45.0	-2.3	2	0.3	4.69
III	41.2	42.8	45.0	43.0	1.8	0.2	2.0	3.64
IV	47.5	44.5	46.5	45.8	-1.7	1.3	0.3	2.33
V	49.9	45.3	46.5	47.0	-2.2	1.7	0.5	3.99
VI	42.5	45.0	47.5	45.0	2.5	0	-2.5	6.25

4 - определяли расчетное значение критерия Кохрана Gр по формуле (3.4), Gр = 6.25/26.7 = 0.23.

По табл. П.1.1 23 находим, что для К1 = 2 и К2 = 6 (число степеней свободы знаменателя) GК = 0.616. Так как GР ‹ GК или 0.29 ‹ 0.616, то процесс является воспроизводимым.

Дисперсию воспроизводимости находим по формуле (3.5)

= 26.6/6 = 4.44.

Средняя квадратичная ошибка = 2.1, что составляет 4.28 % от максимума Уij , которая меньше принятой 5 %.

Результаты лабораторных испытание по определению модуля упругости исследуемых грунтов со и без стабилизатора приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Сопоставление модуля упругости грунтов с и без стабилизатором

Номер эксперимента	Модул упругости образцов, МПа
	без стабилизатора	со стабилизатором
1	44.0	50
2	45.0	51
3	43.0	50
4	45.8	53
5	47.0	56
6	45.0	54
Среднее значение	44.0	52

Из таблица 3.3 видно, что модуля упругости образцов грунтов без стабилизатора меньше чем со стабилизатора.

Для оценки влияние T-RRP на прочностные характеристики, т.е при определение сопротивление сдвигу лессовых грунтов использовали прибор Маслова-Лурье (ГГП-30). Прибор ГГП-30 состоит из следующих узлов: рабочего столика; срезывателя; загрузочного устройства, обеспечивающего передачу вертикального давления на образец грунта; подъемного устройства подвижной панели и механизма для передачи на образец на образец горизонтального сдвигающего усилия [26].



Рис. 3.8 Прибор ГГП-30 конструкции Маслова-Лурье. Общий вид

Уплотнение грунта производилось без бокового расширения в стандартном кольце от сдвигового прибора. Образцы грунта подготовлены следующим образом. Предварительно высушенный грунт просеивали через сито d=2мм и увлажняли до 0,55, 0,60, 0,65, 0,70 Wт. Для равномерного распределения влаги увлажненный грунт подержали в эксикаторе. После 24 часов подготавливали образцы, уплотненных до плотности 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0,98 и 1,0

На рис. 3.9 а, б, в, г. показаны подготовки образцов грунта с стабилизаторами в лабораторных условиях:

а) взвешивания грунта

б) подготовка TRR-P

в) смешивает грунт + TRR-P

г) уплотнение грунтов под пресса

Рис. 3.9 Подготовка образца грунта со стабилизаторами для определения прочности характеристик

Ставят кольцо с грунтом на прибора и дают вертикальную нагрузку. При помощи вертикальной нагрузки грунт сжимается. Потом дают постепенно горизонтальную (сдвигающую) нагрузку до тех пор, пока грунт не сдвинется. Это испытание производят 3 раза при вертикальном весе груза равном 2, 4, 6 кг.

По результатам исследований построены следующие графики рис. 3.10, 3.11.

График сопротивления сдвигу супеси пылеватой без стабилизатора.

Сдвигающее усиление S в кг/см2

Вертикальное давление Р в кг/см2

Рис. 3.10

График сопротивления сдвигу супеси пылеватой со стабилизатором.

Сдвигающее усиление S в кг/см2

Вертикальное давление Р в кг/см2

Рис. 3.11

Из графиков рис. 3.10 и 3.11 получено:

Грунт без стабилизатора:

- модуль упругости 52 МПа

- угол внутреннего трения 430

- сцепления 0.33 кг/см2

Грунт, укрепленный стабилизатором:

- модуль упругости 57 МПа

- угол внутреннего трения 470

- сцепления 0.38 кг/см2

По полученным результатом можно сделать следующий вывод: у грунтов, обработанных стабилизатором увеличивается угол внутреннего трения и сцепления.

Расчеты по определению дисперсии воспроизводимости для других физико-механических свойств уплотненных грунтов приведенные в таблице 3.4. свидетельствуют о том, что во всех случаях Gр ‹ Gк и средняя квадратичная ошибка меньше 5 %.

Таблица 3.4 Значения средних квадратичных ошибок

Физико-механические свойства грунтов	Средняя квадратичная ошибка, в % от максимальных значений
Сцепление	2.7
Угол внутреннего трения	2.8
Модуль упругости	1.9

На основе метода математического планирования эксперимента, нами получены уравнения регрессии, характеризующие изменения расчетных характеристик лессовых грунтов без стабилизатора в зависимости от коэффициента уплотнения, расчетной влажности и числа пластичности, которые позволили сделать некоторые важные выводы.

...