Стабилизация грунтовых оснований дорог фторангидритовой композицией

РЕФЕРАТ. Стабилизированный грунт играет важную роль в формировании физических и механических свойств дорожного покрытия. Качество грунта, его состав и свойства могут существенно влиять на прочность, долговечность и устойчивость дорожных оснований. В настоящей статье представлены результаты исследования свойств грунтов, усиленных с использованием отхода производства плавиковой кислоты — ​фторангидрита, активированного фосфатом натрия. Оптимизирован состав смеси для обеспечения требуемых механических характеристик материала, изучены физико-механические и физико-химические свойства полученного композиционного материала, а также исследована его микроструктура для оценки влияния отдельных компонентов смеси на формирование структуры матрицы.

Ключевые слова: фторангидрит, усиление грунтов, стабилизация, ИК‑спектроскопия, дифференциально-термический анализ, микроструктура

Keywords: fluoroanhydrite, subsoils strengthening, stabilization, IR spectroscopy, differential thermal analysis, microstructure.

1. Введение

Стабилизация грунта играет важную роль в дорожном строительстве. Грунт — основа дороги, и его устойчивостью определяются прочность и долговечность конструкции. Однако часто бывает, что у грунта недостаточная несущая способность или нестабильная структура. Это может привести к нарушению целостности дорожного покрытия, его осадке и деформации. Под действием нагрузок грунт может сжиматься и уплотняться, что может повлечь изменение высоты дорожного покрытия и снижение его несущей способности. Кроме того, грунт может подвергаться различным воздействиям, таким как повышенная и пониженная влажность, знакопеременные нагрузки, что также влияет на эксплуатацион­ные характеристики покрытия. Поэтому стабилизация грунта — неотъемлемая часть процессов строительства и реконструкции дорог. Она позволяет:

⋅  улучшить свойства грунта: не все его типы обеспечивают прочность и устойчивость дорожного покрытия. Некоторые грунты сильно деформируются под нагрузкой или слишком неоднородны, что может привести к провалам и продавливанию дорожного покрытия или его скольжению по грунту;

⋅   повысить несущую способность: в ходе экс­плуатации дорога подвергается значительным нагрузкам от транспортных средств. Грунт под дорожным покрытием при недостаточной прочности может деформироваться или разрушиться под воздействием нагрузки. Его стабилизация грунта позволяет повысить нагрузочную способность, что, в свою очередь, увеличивает долговечность дорожного покрытия и снижает необходимость его ремонта и реконструкции;

⋅ существенно снизить затраты на строительство и эксплуатацию дороги, так как благодаря стабилизации можно использовать имеющийся грунт с минимальными изменениями и затратами, перемешав его с добавками и затем уплотнив катками. Кроме того, стабилизация грунта может значительно сократить объем и сроки проведения строи­тельных работ, исключая необходимость выемки слабых грунтов и их замены, например, песчаными подушками.

Различные методы стабилизации позво­ляют повысить прочность, устойчивость и долговечность грунта, чем обеспечивают­ся надежность и безопасность дорожных покрытий. К таким методам можно отнести объемное армирование грунта основания, заключающееся в упрочнении слабонесущих грунтов путем смешивания их при помощи экс­каватора с навесным смесителем или ресайклера [1] с органическими и неорганическими вяжущими [2], например, портландцементом, известью, нерудными материалами, высококальциевыми золами [3] и др. Кроме того, можно применять механическое уплотнение грунта, циклы смачивания и сушки [4], геосинтетическую [5] или электрическую стабилизацию грунтов [6], биополимерную обработку почвы и др.

Сегодня наиболее распространенный метод укрепления грунтов — ​применение специаль­ных добавок, которые улучшают свойства грунта, такие как прочность, устойчивость к воздействиям окружающей среды, водоотводные свойства. Приоритет в последние годы приобретают ресурсо- и энергосберегаю­щие технологии.

В связи с этим цель исследования — ​изу­чить возможность использования фтор­ангид­рита, являющегося промышленным отходом производства [7—9], в качестве вяжущего, что позволило бы уменьшить расходы на строительство, а также снизить неблагоприят­ное воздействие на окружающую среду.

К задачам исследования относятся подбор составов смеси, определение физико-механических и физико-химических свойств полученного композита, а также исследование его микроструктуры для оценки влия­ния отдельных компонентов смеси на формирование структуры матрицы.

2. Материалы и методы исследования

В исследованиях использован фторан­гидрит — ​отход производства плавиковой кислоты на предприятии АО «ГалоПоли­мер» (г. Пермь), соответствующий ТУ 5744-132-05807960—98.

Химический состав фторангидрита, %: СаО — ​35,0—36,5; SO₃ — ​не менее 45; CaF₂ — 2,2—5,0; SiO₂ — 2,6—3,4; Аl₂О₃ — 0,5—0,7; Fe₂O₃ — 0,2—0,95.

В качестве грунта использовался суглинок влажностью 15,5 %, отобранный для испытания с опытного участка, где планируется использовать фторангидрит в качестве вяжущего для стабилизации грунта. На этом участке намечено расположить площадку для хранения гравия и щебня площадью 50 тыс. м².

Механические показатели материалов на основе твердеющего фторангидрита обусловлены физико-химическими процессами, происходящими при гидратации безводного сульфата кальция. Чтобы активировать эти процессы, в состав композиций вводили фосфат натрия Na₃PO₄ — смеси затворяли его 3 %-ным раствором, для приготовления которого использовали воду, соответствующую требованиям ГОСТ 23732—2011 «Вода для бетонов и строительных рас­творов».

Испытания образцов были проведены на прессе серии ПГМ‑100МГ4 в соответствии с ГОСТами 8462—85 и 23789—79.

Дифференциально-сканирующую калориметрию (ДСК) и термогравиметрический анализ (ТГА) выполняли на дериватографе TGA/ DSC 1 Starsystem производства Mettler­Toledo при нагреве от 60 до 1100 °C со скоростью 30 °C/мин.

Минеральный состав материалов и композиций определяли методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН‑3. В качестве катода рентгеновской трубки использовали кобальт. В последующем данные обрабатывали вручную с использова­­нием графического редактора «Grapher» (версия 2.04).

ИК‑спектральный анализ проводился на спектрометре IRAffinity‑1 производства Shi­ma­dzu в области волновых чисел 400—4000 см^–1.

Исследования микроструктуры выполнялись на сканирующем электронном микроскопе Thermo Fisher Scientific Quattro S с приставкой энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии EDAX Octane Elect Plus EDS System в Центре коллективного пользования «Поверхность и новые материалы» при УдмФИЦ УрО РАН.

Рентгенофазовый анализ фторангид­рита показал, что в его составе преоб­ладает растворимый ангидрит γ-CaSO₄ (рис. 1). На рентгенограмме присутствуют отражения, соответствующие γ-CaSO₄ (d_α = 3,50; 2,85; 2,33; 2,21; 1,87 Å), слабые отражения двуводного гипса CaSO₄ · 2H₂O (d_α = 7,55; 4,26; 2,85 Å), низкотемпературного кварца SiO₂ (d_α = 3,35 Å), кальцита CaCO₃ (d_α = 3,03 Å).

Рис. 1. Дифрактограмма фторангидрита

Минеральный состав суглинка, использованного для приготовления композиции, также установлен по данным рентгенографии (рис. 2). Присутствуют сильные отражения кварца (d_α = 4,25; 3,35; 2,46; 1,82 Å), что указывает на преобладание этого минерала. Имеются линии отражения, соответ­ствующие каолиниту (d_α = 7,08; 4,25; 3,18; 2,55; 1,98 Å). Установлено наличие гид­рослюды (вермикулита) с сильной линией отражения (d_α = 14,20 Å).

Рис. 2. Дифрактограмма суглинка

3. Результаты и обсуждение

Чтобы определить оптимальное соотношение грунта и вяжущего, были изготовлены методом полусухого прессования на гид­равлическом прессе под давлением 20 МПа образцы-кубы с длиной ребра 100 мм (рис. 3). Для изготовления образцов использовали металлические формы такого же размера.

Рис. 3. Образцы-кубы с длиной ребра 100 мм, сформованные при соотношении масс фторангидрита и суглинка, равном 40 : 60

Результаты испытаний образцов на проч­ность в возрасте 5 и 28 сут приведены в табл. 1.

При затворении водой фторангидрита (без грунта) обеспечивается прочность на сжатие образца до 30,7 МПа в возрасте 28 сут. Активация фторангидрита фосфатом натрия поз­воляет повысить прочность затвердевшего материала до 40,2 МПа.

В результате испытаний выбраны три композиции (табл. 2), которые могут использоваться в качестве основания дорог [10, см. табл. 5.7, с. 133].

Физико-химические исследования структуры и свойств композиции 6 проводили в возрасте 4 мес.

Дифференциально-термический и термо­гравиметрический анализ образцов (рис. 4) поз­волил выявить следующие термические эффекты:

⋅ эндотермический пик с максимумом при 183,5 °C, связанный с дегидратацией двуводного гипса и гидросиликатных образований, в частности гидроалюмосиликатов кальция. Потери массы образца в температурном интервале 100—350 °C равны 5,6 %;

⋅ слабый экзотермический эффект при температуре 409 °C, связанный с перестройкой кристаллической решетки сульфата кальция с образованием нерастворимого ангидрита;

⋅ эндотермический эффект при температуре 575 °C, обусловленный полиморфным превращением диоксида кремния;

⋅ эндотермический эффект с пиком при температуре 775 °C, связанный с дегидратацией гидросиликатов кальция и гидроалюмосиликатов калия, а также с декарбонизацией карбоната кальция. Потеря массы образцов составила 1,8 %;

⋅ эндотермический эффект при температуре 960,5 °C, который, возможно, связан с разрушением кристаллической решетки минералов.

Рис. 4. Результаты дифференциально-термического и термогравиметрического анализов образца 6

Рентгенофазовый анализ композиции (рис. 5) показал наличие ангидрита (d_α = 3,50; 2,85; 2,08 Å). За счет его активации фосфатом натрия образовался двуводный сульфат кальция (d_α = 7,55; 4,27; 3,79; 2,68; 2,11; 2,08 Å). Присутствуют линии отражения, соответствующие кварцу (d_α = 3,34 Å), карбонату кальция (d_α = 3,88; 3,06; 2,08; 1,87 Å), каолиниту Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O (d_α = 3,50; 2,50; 2,32; 1,49 Å) и эттрингиту 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 32H₂O (d_α= 9,64; 5,61; 4,69; 3,88; 2,77; 2,21 Å) [11].

Рис. 5. Дифрактограмма образца 6

ИК‑спектральный анализ (рис. 6) подтвердил наличие в составе композиции двуводного гипса (полосы поглощения 580,87; 1145,72; 1118,71; 1622,13; 3404,36 и 3545,18 см^–1), ангидрита (1145,72; 611,43; 1400 см^–1), эттрингита (1118,71 см^–1, в области 1675 см^–1, 3404,36см^–1); присутствуют также полосы поглощения 1429,25 см^–1 и около 874 см^–1, соответствующие карбонату кальция.

Рис. 6. ИК‑спектр композиции 6

При исследовании микроструктуры образца 6 отмечена высокая плотность композиции (рис. 7, а, б), обеспечиваемая гидратацией фторангидрита и формированием новообразований на основе кристаллов двуводного гипса призматической (рис. 7, б) и игольчатой структуры (рис. 8, а).

Рис. 7. Общий вид композиции 6 (а) и призматические кристаллы на основе двуводного гипса, образовавшиеся между частицами суглинка (б)

Рис. 8. Кристаллогидраты двуводного гипса игольчатой струк­туры (а) и уплотнение гипсовых кристаллов 1 ново­образованиями 2 при взаимодействии с минералами суглинка в композиции 6

При этом отмечено взаимодействие гипсовой матрицы с минералами суглинка, которые формируют в структуре композиции гидросульфоалюминаты кальция, дополнительно уплотняющие композицию (рис. 9, а, б) и придающие ей повышенную водостойкость.

Рис. 9. Гидросульфоалюминаты кальция, сформировавшиеся в контактной зоне между кристаллами гипса и глинистыми минералами (а), и фрагмент контактной зоны (б) в композиции 6

Результаты энергодисперсионного анализа (рис. 10) согласуются с данными о формировании гидросульфоалюминатов кальция в контактной зоне между минералами суглинка и фторангидритом: видно, что в этой зоне присутствуют кальций, сера, алюминий и кислород, входящие в состав гидросульфоалюмината кальция (эттрингита 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 32H₂O).

Рис. 10. Результаты энергодисперсионного анализа новообразований в контактной зоне между фторангидритом и частицами суглинка в композиции 6

Таким образом, на основании проведенных физико-химических исследований композиции 6 можно утверждать, что ее физико-механические свойства обеспечиваются не только физическим сцеплением между исходными компонентами, но в значительной степени химическим взаимодействием между ними.

Выводы

Разработан композиционный состав для усиления основания дорог, содержащий фторангидрит и суглинок, затворенный 3 %-ным раствором фосфата натрия. Показано, что фторангидрит можно использовать в качестве вяжущего для стабилизации грунтов. Благодаря этому можно снизить стоимость соответствую­щих работ, а также обеспечить утилизацию фторангидрита и снизить экологическую нагрузку в местах складирования отходов производства плавиковой кислоты.

Прочность на сжатие композиции при соотношении 40 % грунта — ​60 % фторангидрита на 28-е сутки составляет 8,9 МПа (после насыщения водой — ​7,3 МПа), водопоглощение — ​6,82 %, коэффициент размягчения — ​0,82.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бехтерев Р.А., Юркин Ю.В., Авдонин В.В., Басалаев А.А. Обзор методов стабилизации пучинистых грунтов Кировской области // Инженерный вестник Дона. 2022. № 6 (90). С. 356—374.

2. Парфенов Р.Н. Современные методы стабилизации слабонесущих грунтов // Молодой ученый. 2020. № 49 (339). С. 49—51.

3. Игнатова О.А., Дятчина А.А. Комплексные методы стабилизации грунтов // Современные ресурсосберегающие материалы и технологии: перспективы и применение: матер. Междунар. симп. Новосибирск, 15—17 декабря 2020 г. С. 44—49.

4. Салахов Р.Р. Химические методы стабилизации глинистых грунтов // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2023. № 3. С. 59—64.

5. Chang I., et al. Review on biopolymer-based soil treatment (BPST) technology on geotechnical engineering practices // Transportation Geotechnics. 2020. N 24. P. 1—22.

6. Никифоров М.В. Методы стабилизации грунтов // Новые вызовы новой науки: опыт теоретического и эмпирического анализа. Сб. статей V междунар. науч.-практ. конф. Петрозаводск, 16 января 2023 года. С. 213—217.

7. Иванков С.И., Скобелев К.Д., Шубов Л.Я., Доронкина И.Г. Систематизация многотоннажных отходов и запатентованные технологии их утилизации и переработки // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. 2020. № 1. С. 2—118.

8. Волков Д.Л., Сагитов К.В., Плеханова Т.А. Перспективы использования фторангидрита в составе строительных материалов // Молодые ученые — ​ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: сб. матер. IV всеросс. науч.-техн. конф. аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием. Ижевск, 20—21 апреля 2016 года. С. 698—703.

9. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Гуменюк А.Н. и др. Неавтоклавный газобетон на основе сульфатсодержащего техногенного отхода // Строительные материалы. 2023. № 10. С. 42—46.

10. Горелышев Н.В., Гурячков И.Л., Пинус Э.Р. и др. Материалы и изделия для строительства дорог. Справочник / Под ред. Н.В. Горелышева. М.: Транспорт, 1986. 288 с.

11. Горшков В.С., Савельев В.Г., Абакумов А.В. Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы: структура и свойства. Справ. пособие М.: Стройиздат, 1994. 584 с.