Обеспечение высокой эффективности дорожных конструкций за счет комплексного укрепления грунта и разработки инновационного бетона

РЕФЕРАТ. Установлено, что гранулированный доменный шлак улучшает структуру проблемных связных грунтов, повышая их плотность и прочность. Показано, что при использовании тонкомолотого гранулированного доменного шлака (ТГДШ) в сочетании с портландцементом (ПЦ) обеспечивается эффективное укрепление грунтов разной природы, особенно значительное в присут­ствии комплексной химической добавки «ПРА» на поликарбоксилатной основе. Введение ТДШ в бетон в сочетании с ПЦ и в присут­ствии двух комплексных химических добавок «ПРА» и «Наноактив-М» на основе поликарбоксилатов разной природы позволяет создать инновационный материал с техническими показателями, обеспечивающими его высокую долговечность, который целесообразно рекомендовать для дорожных покрытий.

Ключевые слова: грунт, укрепление, коэффициент фильтрации, максимальная плотность, прочность, морозостойкость, гранулированный доменный шлак, тонкомолотый доменный шлак, портландцемент, химическая добавка.

Keywords: soil, reinforcement, filtration coefficient, maximum density, strength, frost resistance, granulated blast furnace slag, finely ground blast furnace slag, Рortland cement, chemical additive.

1. Введение

Совершенствование транспортного строи­тельства — ​важная составляющая экономического развития страны. Автомобильное сообщение постоянно ведется между ее различными регионами и с другими странами. От качества и протяженности дорог зависит скорость перемещения людей и грузов в самые отдаленные точки мира.

При создании современных дорог большое значение имеет качество работ на каждом этапе строительства, от этого зависит на­деж­ность всей магистрали.

Случается, что дорогу прокладывают по проблемным пучинистым грунтам, например, состоящим в основном из глины или мелких пылеватых песков. Такие грунты целесообразно стабилизировать либо частично заменять щебнем или прочными техногенными отходами, что позволяет уменьшить себестоимость производства работ, в том числе шлаками металлургического производства. Использование техногенных грунтов при строи­тельстве дорог эффективно и с экологической точки зрения — ​таким образом освобождаются территории, занимаемые отвалами этих отходов. Кроме того, на следующем этапе строительства необходимо укрепить грунт при помощи специальных реакционноспособных материалов в сочетании с комплексными химическими добавками определенного назначения и затем максимально уплотнить укрепляемый грунт [1].

При подготовке основания требуется создать надежную дренажную систему, которая могла бы обеспечивать эффективный отвод воды со всей толщи уплотненного грунта, особенно в периоды масштабного весеннего таяния снега или ливневых дождей [2]. Необходимо так обустраивать дренажную систему, чтобы независимо от времени года уровень воды в основании будущей дороги имел приблизительно одно и то же значение, что поз­волит исключить возможное «проседание» укрепленного грунта в ходе ее эксплуа­тации.

Завершающий этап строительства — ​создание верхнего дорожного покрытия. Строи­телями передовых стран мира признано, что наиболее эффективно выполнять верхний слой дорожного полотна из бетона на основе цемента (цементобетона), который придает покрытию особую прочность, твердость, пониженную истираемость, устойчивость к механическим нагрузкам, пониженную «проседаемость» под колесами автотранспорта при интенсивном движении, в том числе многотоннажных грузовых автомобилей. Цементобетонные покрытия отличаются повышенной устойчивостью к перепадам температур и механическим нагрузкам, а также повышенной долговечностью [3—8].

Данное экспериментальное исследование посвящено решению вопросов эффективного укрепления грунтов разной природы и разработке инновационного бетона повышенной надежности и долговечности для верхнего слоя дорожной конструкции, что является важными и актуальными задачами настоящего времени.

2. Материалы и исследования

Для решения поставленных задач использовали следующие материалы.

1. Гранулированный доменный шлак (ГДШ) Череповецкого металлургического комбината ПАО «Северсталь» — ​для создания дренажного слоя путем полной или частичной замены мелкого песка или глины, а также для стабилизации связных грунтов.

2. Тонкомолотый гранулированный доменный шлак (ТГДШ) из ГДШ того же комбината, произведенный ОАО «Сланцевский цемент­ный завод «Цесла» по ТУ 38.32.22—012—0028.1252—2019, со следующими характерис­тиками:

⋅ тонина помола (соответствует площади удельной поверхности S_уд) — ​не менее 300 м²/кг,

⋅ содержание стекловидной фазы — ​не более 70 %,

⋅ содержание MgO — ​не менее 10 %.

3. Портландцемент (ПЦ) ЦЕМ I 42,5Н, выпущенный ООО «Петербургцемент» по ГОСТ 31108—2016, со следующими характеристиками:

⋅ нормальная густота цементного теста — ​27,3 %,

⋅ начало схватывания — 165 мин,

⋅ прочность на сжатие в возрасте 28 сут — ​51,3 МПа.

4. Грунты следующего вида:

4.1. Песчаный грунт, по данным физико-механических испытаний относящийся к пес­кам крупным водопроницаемым:

⋅ влажность грунта в естественном состоянии — ​4,2 %,

⋅ коэффициент фильтрации К₁₀ = 2,08 м/сут.

4.2. Известняковый песчано-гравийный слабоводопроницаемый грунт:

⋅ влажность грунта в естественном состоянии — ​8,56 %,

⋅ коэффициент фильтрации К₁₀ = 0,0052 м/сут.

4.3. Глинистый связный грунт неводопроницаемый, относящийся к суглинкам легким пылеватым, со следующими физико-механическими характеристиками:

⋅ влажность в естественном состоянии —9,7 %,

⋅ число пластичности I_p = 8,69 %,

⋅ коэффициент фильтрации К₁₀ = 0 м/сут.

4.4. Асфальтогранулят (в качестве проч­ного техногенного грунта), относящийся к щебенистым водопроницаемым грунтам и имеющий следующие характерис­тики:

⋅ влажность в естественном состоянии — ​1,25 %;

⋅ коэффициент фильтрации К₁₀ = 0,82 м/сут.

5. Комплексные химические добавки — ​«ПРА» (сухая) и «Наноактив-М» (жидкая).

В данном экспериментальном исследовании сухая добавка «ПРА» повышенной реак­ционной способности применялась, чтобы увеличить эффективность дей­ствия ПЦ и тонкомолотых металлургических шлаков, используемых для укрепления грунтов разной природы. Также она вводилась в состав инновационного бетона, чтобы повысить устойчивость к высоким механическим нагрузкам и негативному воздействию внешних факторов. В состав добавки «ПРА» входит высокомолекулярный полимер на поликарбоксилатной основе, представленной сополимером акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты в сочетании с нитритом калия. У гидратированных катионов калия ввиду малого размера их сольватной оболочки высок коэффициент диффузии в водном растворе — ​этим обеспечивается рост числа частиц композицион­ной смеси, участвующих в процессах гид­ратации.

Также в состав добавки «ПРА» входит нанодисперсия диоксида кремния (SiO₂), которая, как предполагается, способствует формированию частиц гидросиликатов, оказывающих микроармирующее действие, что способствует повышению прочности на растяжение при изгибе упрочненного грунта или затвердевшего бетона.

При изготовлении бетона дополнительно использовали жидкую комплексную добавку «Наноактив-М» по ТУ 5743—009—56147703—2013 тоже на поликарбоксилатной основе, модифицированной органическими и неорганическими веществами [9].

Эффективность материалов и комплексных добавок при укреплении грунтов разной природы и изготовлении инновационного бетона оценивали по изменению прочности, плотности, коэффициента фильтрации и морозостойкости. Эти показатели определяли в соответствии со следующими ­ГОСТами:

⋅ 5180—2015 «Грунты. Методы определения физических характеристик»,

⋅ 25584—2016 «Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации»,

⋅ 12536—2014 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического и микроагрегатного состава»,

⋅ 22733—2016 «Грунты. Метод определения максимальной плотности»,

⋅ 25100—2011 «Грунты. Классификация».

3. Результаты исследований

В ходе исследования оценивали эффективность использования ГДШ взамен мелкого песка для обустройства дренажного слоя, а также для стабилизации грунтов разной природы.

На испытательном полигоне ПАО «Северсталь» проведены опытно-промышленные исследования и построены две опытные дороги, которые более 2 лет подвергаются интенсивной эксплуатации.

Проектная толщина основания из ГДШ составляла 78 см. Отсыпку и уплотнение выполняли послойно, в два слоя толщиной по 39 см. В ходе отсыпки слоев отбирали пробы грунта нарушенного сложения и для материала искусственно созданного основания определяли следующие физико-механические характеристики: зерновой состав, естественную влажность, оптимальную влажность, максимальную плотность, коэффициент уплотнения. Из свойств сформированного дренажного слоя видно (табл. 1), что использование ГДШ взамен проблемного связного грунта позволяет создать высокоплотное основание с коэффициентом уплотнения К_у ≥ 0,97, что выше проектного значения. Оно достаточно надежно и устойчиво и не разрушается под действием интенсивных осадков в осенне-весенний период: после 2 лет интенсивной эксплуатации коэффициент уплотнения К_у, определяемый методом режущего кольца, уменьшился в пределах 1,0 % и остается больше требуемого проектного значения (К_у > 0,95).

ГДШ характеризуется повышенными твердостью и прочностью. В связи с этим целесо­образно оценить эффективность его использования для стабилизации природных грунтов, последняя проводится с целью уменьшить влагосодержание грунта перед укреплением основы полотна. Стабилизирую­щий эффект ГДШ по отношению к грунтам разной природы оценивали по изменению прочности стабилизированного грунта. Экс­перименты показали, что исследованный ГДШ эффективно использовать для связных грунтов — ​в количестве 10—20 % массы грунта он повышает прочность суглинка на 58—62 %. Однако ГДШ не стабилизирует грунты, представленные крупным песком, известняком и асфальтогранулятом.

Основные кристаллические фазы доменного металлургического шлака — ​твердые растворы геленита (2СаО · Al₂O₃ · SiO₂) и окерманита (2СаО · MgO · SiO₂). При определенных условиях шлак может проявлять вяжущие свойства и влиять на формирование контактов между компонентами твердеющей системы и структуры материала.

Дальнейшие исследования эффективности ГДШ проведены при использовании его в тонкомолотом виде. Эффективность тонкомолотого доменного шлака (ТДШ) по отношению к грунтам разной природы оценивали по изменению прочности на сжатие в возрасте 28 сут образцов грунта в водонасыщенном состоянии.

Экспериментально установлено, что введение ТДШ в количестве 15—20 % массы известнякового песчано-гравийного грунта повышает прочность последнего от 0,68 до 6,5 МПа.

ТДШ положительное влияет и на техногенный грунт, представленный асфальтогранулятом, увеличивая его прочность, немного меньше, чем у известняка, но достаточно эффективно — ​от 0,5 до 3,7 МПа.

Глинистые грунты, представленные суглинком, совместимы с ГДШ повышенной крупности и с ТДШ.

При совместном использовании шлаков разной крупности примерно в 2 раза повышается прочность проблемного природного связного грунта. Рациональная доля ТДШ составляет 15—20 % массы стабилизированного грунта.

ТДШ практически не оказывает суще­ственного влияния на прочность крупного природного песка.

По степени уменьшения эффективности влияния ТДШ на грунты, их можно расположить в следующий ряд:

Известняковый песчано-гравийный грунт

↓

Техногенный грунт (асфальтогранулят)

↓

Глинистые грунты (суглинок)

↓

Песок крупный

В составе металлургических шлаков присутствуют кальций-магниевые силикаты, которые могут вступать в реакцию гидратации, проявляя вяжущие свойства, но для эффективного укрепления грунта совместно со шлаками необходимо использовать ПЦ в качестве дополнительного компонента.

Экспериментально установлено, что при совместном использовании ТДШ и ПЦ значительно повышается прочность на сжатие укрепляемого грунта, которая составляет 3,6 МПа для суглинка, 7,7 МПа для песка, 17,4 МПа для известняка и 9,2 МПа для асфальтогранулята при минимальном расходе ПЦ 5 % массы грунта.

Чтобы еще больше увеличить прочность укрепляемых грунтов, вместе с ТДШ и ПЦ вводили комплексную химическую добавку «ПРА», имеющую пластифицирующее действие и, как предполагается, способную повысить гидратационную активность ТДШ и ПЦ. Проведенные эксперименты показали, что независимо от природы грунта добавка «ПРА» при его укреплении смесью ТДШ и ПЦ позволяет повысить прочность на сжатие в среднем на 25 %: до 4,5 МПа для суглинка, до 9,6 МПа для песка, до 21,0 МПа для известняка и до 11,5 МПа для асфальтогранулята. Физико-механические характеристики отдельных образцов всех четырех видов укрепленного грунта приведены в табл. 2.

Таким образом, при совместном использовании ТДШ и ПЦ в сочетании с добавкой «ПРА» обеспечивается формирование высокоплотных и прочных грунтов повышенной морозостойкости независимо от природы грунта.

Принимая во внимание благоприятное сочетание ТДШ и ПЦ, рассмотрели данную композицию для создания высокопрочного бетона, применяющегося как материал верхнего дорожного покрытия. В соответствии с проект­ным заданием для дорожного покрытия рекомендуется бетон со следующими техническими характеристиками: В30 B_tb3,6 П1 F₂300.

В соответствии с экспериментальными исследованиями и результатами проведенного подбора рецептур рациональный расход материалов на 1 м³ бетонной смеси сле­дующий:

⋅ портландцемент ЦЕМ I 42,5Н — ​330 кг,

⋅ песок для строительных работ с М_к = 2,3 — 900 кг,

⋅ щебень гранитный фракции 5—20 мм — ​1000 кг,

⋅ вода — ​172 л.

Чтобы улучшить физико-механические свойства бетона, в его состав вводили добавку «Наноактив–М» в количестве 1,0 % мас­сы ПЦ. Дополнительно вводили ТДШ в количестве 15 % массы ПЦ и сухую добавку «ПРА» в количестве 2,0 % суммарной массы ПЦ и ТДШ. По физико-механическим характеристикым бетона видно (табл. 3), что сочетание ПЦ с ТДШ в присутствии двух комплексных добавок, полученных по разной технологии и на основе поликарбоксилатов разной природы, обеспечивает создание высокопрочного бетона марки В50, имеющего повышенную устойчивость к трещинообразованию, что подтверждается высокой проч­ностью на растяжение при изгибе, равной 7,9 МПа, обеспечивающей соответствие бетона классу В_tb6,3.

При использовании бетонной смеси состава № 4 (табл. 4) формируется плотная и прочная структура бетона, его морозостойкость соответствует марке F₂400, а истираемость — ​марке G1.

Бетон разработанной рецептуры на основе ТДШ с пониженным расходом цемента, содержащий комплексные химические добавки, целесообразно использовать для изготовления высококачественных покрытий транспорт­ных магистралей.

4. Экспериментальное строительство дороги методом укрепления грунта

Объектом строительства стал участок автодороги в Дачном переулке п. Ирдоматка Череповецкого района Вологодской области. Проезжая часть переулка не отделена от пешеходной зоны, выделенные тротуары отсутствуют. Покрытие дороги грунтовое. Участок был выбран с целью внедрить инновационные решения по устройству дорожных одежд с использованием технологии укрепления грунтов вяжущими на основе модифицированного ГДШ и шлака внепечной обработки стали (ВОС). После проверки характеристик грунта и расчета конструкции на марку проч­ности М75 специалисты ООО «АзъПроектСтрой» приняли решение опробовать два типа смесей, для чего дорога была разделена на два участка. Вяжущее 1-го типа (ГШП) было представлено смесью ГДШ (62,4 %) и ПЦ (35,6 %), также в нее добавили 2 % реакцион­носпособного наполнителя. Вяжущее 2-го типа (ГШВ) состояло из ГДШ (26 %) и молотого шлака ВОС (72,5 %), а также 1,5 % реакционно-активного наполнителя. Сначала обустроили покрытие, смешав смеси с локальным грунтом и уплотнив основу, затем методом режущего кольца отобрали пробы ненарушенного сложения, чтобы определить фактическую плотность материала (см. табл. 4).

Через 28 сут твердения также были отобраны керны, чтобы определить фактическую плотность и прочность материала покрытия, и выполнены штамповые испытания, чтобы определить фактический модуль упругости покрытия (табл. 5). Кроме того, была определена прочность материала в возрасте 7 сут на участке № 2.

Прочность на сжатие образцов из смеси ГШП проектного состава в возрасте 28 сут соответствует марке М75 даже несмотря на то, что уплотнение происходило при переувлажненном состоянии грунта.

Образцы из состава ГШВ показали значительно более низкую прочность по сравнению с образцами ГШВ, испытанными при подборе составов. Это обусловлено более длительным набором прочности при пониженной температуре окружающего воздуха, которая при проведении строительных работ изменялась от 0 до –3 °C, а также его повышенной влажности.

Вид дороги до уплотнения грунта, после его смешивания с вяжущим и после 6 месяцев твердения показан на рисунке.

Вид дороги до устройства покрытия (а), сразу после его устройства (б) и через 6 месяцев эксплуатации (в

5. Заключение

Экспериментальные исследования по подготовке основания и разработке состава инновационного бетона для дорожного покрытия показали следующее:

⋅ эффективно использовать ГДШ взамен проблемного связного грунта или для его стабилизации, что способствует повышению его плотности и прочности;

⋅ для укрепления грунтов разной природы эффективно сочетание ТДШ и ПЦ в количестве 5 % массы грунта и более при дополнительной активации путем введения сухой комплексной химической добавки на поликарбоксилатной основе, что формирует плотную и прочную структуру грунта, отличающегося повышенной морозостойкостью;

⋅ ТДШ в сочетании с ПЦ эффективно использовать при изготовлении высокопрочного бетона для дорожного покрытия. Дополнительное использование двух комплексных добавок на основе поликарбоксилатов разной природы поз­воляет получить затвердевший бетон со следующими фактическими показателями: В50 В_tb6,3 F₂400 G1, которые намного выше проектных значений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kondratov V., Solovyova V., Stepanova I. Тhe development of a high performance material for a ballast layer of a railway track // Procedia Engineering. 2017. Vol. 189. P. 823—828.

2. Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Князев А.Е. Геоэкологические решения в строительной деятельности на базе естествознания замкнутого цикла // Естественные и технические науки. 2013. № 3 (65). С. 145—148.

3. Solovieva V., Stepanova I., Soloviev D. High-strength concrete with improved deformation characteristics for road surfaces // Transportation Soil Engineering in Cold Regions. Vol. 2. Springer Singapore, 2020. P. 339—345.

4. Soloviova V., Soloviov D., Stepanova I. Modern high strength concrete with unique properties // Intern. J. of Engin. and Techn. (UAE). 2018. 7 (4). P. 361—367.

5. Патент РФ 2332388, МПК C 04B 40/00. Высокопрочный бетон: № 2006143909/03: заявлен 11.12.2006: опубликован 27.08.2008 / Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Сычева А.М. и др.; заявитель Петербургский государственный университет путей сообщения от.

6. Solovieva, V., Stepanova, I., Soloviev, D. Yorshikov, N. Increasing the level of properties of composite materials for civil engineering geoconstruction with the use of new generation additives // Transportation Soil Engineering in Cold Regions. Vol. 2. Springer Singapore, 2020. P. 387—393.

7. Патент RU 2 727 990 С1, МПК C 04B 28/04. Высокопрочный бетон: № 2020104309: заявлен 30.01.2020: опубликован 28.07.2020 / Митюкова Е.В., Волохов С.В., Соловьёва В.Я., Гунин С.О.; заявитель ПАО «Северсталь».

8. Адигимов Р.Р., Митюкова Е.В., Соловьева В.Я., Гунин С.О.

Бетон для дорожных покрытий, содержащий гранулированный доменный шлак // Цемент и его применение. 2020. № 2. С. 3—4.

9. Соловьева В.Я., Чернаков В.А., Степанова И.В., Смирно­ва Т.В. и др. Инженерно-химические и технологические аспекты получения цементных композиций улучшенного качества с наноструктурными элементами. СПб.: Изд. ПГУПС, 2013. 75 с.