Дисперсное армирование искусственного основания отходами стеклобоя

Полный текст

Освоение новых территорий под застройку из-за их экономической привлекательности в некоторых случаях требует поднятия рельефа, что достигается путем отсыпки или намыва грунта или замены структурно неустойчивых грунтов на структурно устойчивые, также путём отсыпки нового слоя. Зачастую насыпные грунты становятся основаниями, и соответственно они должны иметь соответствующие для таких целей показатели физико-механических характеристик. Улучшение свойств насыпных или намывных грунтов можно достичь путём их закрепления цементными или силикатными растворами, специальными смолами и т. д. Также искусственные основания могут быть усилены путём армирования при помощи массово производимых полотен из геотекстиля или пластиковых сеток [1]. Геосинтетики ‒ это класс строительных материалов, предназначенных для создания слоёв различного назначения, таких как армирующих, дренирующих, защитных, фильтрующих, гидроизолирующих, теплоизолирующих. При этом следует отметить, что вопрос воздействия пластика на окружающую среду, с точки зрения экологии, еще не до конца изучен. Соответственно имеется потребность в использовании сырья для изготовления армирующих грунт материалов с гарантированно минимальным или полным отсутствием негативного воздействия на окружающую среду. Следует также уделить внимание материалам, которые можно получить в процессе вторичной переработки твёрдых коммунальных отходов. Особенно важны отходы, переработка которых производится в очень малых объёмах или не производится совсем, а соответственно такие отходы складируются на мусорных полигонах, занимая значительные площади и требуя колоссальных экономических затрат.

Ежегодно в Российской Федерации изготавливается более 11 млн. т стекла в виде тары, листа, предметов интерьера, электрических изоляторов и прочего. Каждый день по всей стране на вторичную переработку сортировочные центры принимают лишь около 7 т стекла, что составляет 0,023 % от его общего объёма, производимого за год. Стекло – это твёрдый аморфный материал, полученный путём переохлаждения расплава. В состав стекла входят оксиды кремния, бора, фосфора, германия, теллура, фторида алюминия, другие соединения. По назначению стекло бывает строительным (оконное, стеклоблоки и т. д.), тарное (бутылки, аптечные пузырьки, ёмкости и т. д.), техническое (стеклянные волокна, светотехническое стекло, изоляторы и т. д.). Несмотря на то, что стекло является практически 100 % инертным материалом, т. е. не вступает во взаимодействие с другими химическими элементами, всё же представляет опасность для окружающей среды [2]. Опасность заключается в том, что стекло, находясь в поверхностном слое грунта, может служить препятствием для роста растений или передвижения мелких животных [3].

Следует также отметить, что при вторичной переработке стекла энергозатраты уменьшаются на 20 %, поскольку нет необходимости в течение длительного времени поддерживать температуру в процессе стеклообразования массы. Уменьшение энергозатрат в свою очередь ведет к уменьшению выбросов в атмосферу, а соответственно к улучшению экологической обстановки. Предлагаемый в данной статье способ применения стеклянных отходов вообще исключает использование тепловой энергетики.

Одним из способов утилизации стеклянных отходов может быть их использование в качестве армирующих элементов при устройстве искусственных оснований под зданиями или сооружениями, с целью увеличения их прочности и соответственно уменьшения деформативности [4, 5]. Основание ‒ это массив грунта, который не является растительным слоем, как и не является средой для обитания мелких животных. Кроме того, стекло является инертным материалом, а соответственно применение его в качестве армирующего элемента не будет представлять какой-либо опасности флоре и фауне и не будет наносить урон окружающей среде.

При этом следует отметить, что на сегодняшний день не было сделано попыток дисперсного армирования грунтовых искусственных массивов отходами стекла, в связи с чем и была произведена серия лабораторных экспериментов [4].

Рис. 1. Лабораторный грунтовый лоток с рычажной системой для проведения штамповых испытаний грунтов статической нагрузкой: 1 ‒ исследуемый грунт; 2 ‒ лоток; 3 ‒ жесткий штамп; 4 ‒ рычажное устройство; 5 ‒ реперная балка; 6 – индикатор; 7 ‒ подвеска для грузов; 8 – гири

Fig. 1. Laboratory soil tray with a lever system for stamping tests of soils with static load: 1 ‒ test soil; 2 ‒ tray; 3 ‒ rigid stamp; 4 ‒ lever device; 5 ‒ reference beam; 6 ‒ indicator; 7 ‒ suspension for goods; 8 ‒ weights

Проведение эксперимента осуществлялось в лабораторных условиях, в грунтовом лотке, поперечное сечение которого имеет круглую форму, диаметром 410 мм, к краю которого была смонтирована рычажная система для проведения штамповых испытаний (рис. 1). В качестве модели грунта был использован песок мелкий, маловлажный, а армирующим элементом являлась стеклянная крошка, имеющая фракцию 2‒3 мм. Армирование грунтовой толщи осуществлялось путем укладки слоя стеклянной крошки с последующей её отсыпкой слоем песка и доведением плотности при помощи трамбовки до требуемых величин (рис. 2) [6, 7].

Рис. 2. Процесс укладки стеклянной крошки на модельный грунт

Fig. 2. Process of laying glass chips on model soil

Толщина слоя грунта, подлежащего армированию, составляла 500 мм. Перемешивание грунта со стеклянной крошкой не производилось по причине отсутствия технологии и механизмов для такого перемешивания. Обычное ручное смешивание боя стекла с песчаным грунтом могло привести к неравномерному распределению крошки в массиве. В процессе проведения исследований было осуществлено пять серий экспериментов. Первая серия была проведена на грунтах с плотностью 1,60 г/см³, вторая на грунтах с плотностью 1,75 г/см³, третья – 1,80 г/см³, четвёртая – 1,85 г/см³, пятая – 1,90 г/см³. В каждой серии было проведено по четыре эксперимента. В трёх экспериментах испытывался грунт с процентным армированием стеклом в 10, 15 и 20 %, а в четвёртом эксперименте испытания проводились без армирования грунтового массива.

Приложение нагрузки на модельный грунт осуществлялось через круглый металлический штамп площадью 60 см², ступенями по 6 кг, достигая давления в 0,01 МПа (ГОСТ 20276.1–2020 «Грунты. Метод испытания штампом»). Приложение следующей ступени нагрузки осуществлялось после полного затухания вертикальных деформаций от предыдущей ступени. Приложение нагрузок на рычажную систему производилось до тех пор, пока на определённой ступени не была достигнута осадка грунта, которая превышала величину осадки от предыдущей ступени более чем в пять раз. Величина осадки грунта фиксировалась с помощью индикатора часового типа (прогибомер), цена деления которого составляла 0,01 мм.

В процессе проведения лабораторных экспериментов были получены модули деформации разноармированных, по процентному отношению, моделей грунтов, а также грунтов без армирования, которые представлены в таблице.

По результатам выполненных лабораторных исследований можно сделать вывод о том, что применение отходов стеклобоя, в данном случае в виде крошки, в качестве армирующего элемента повышает несущую способность грунта, что подтверждается численным увеличением такой механической характеристики, как модуль деформации, и соответственно последний приводит к снижению деформативности искусственного основания в целом. При этом следует отметить, что наибольший эффект увеличения численного значения модуля деформации армированного грунта, вне зависимости от его плотности, достигается при 15 % армировании толщи, при котором происходит увеличение изучаемого параметра более чем на 50 % по сравнению с грунтом такой же плотности, но не подверженного армированию.

Применение отходов стеклобоя в качестве армирующих элементов при устройстве искусственных оснований позволяет повышать не только несущую способность оснований под зданиями или сооружениями, но и снижать риски негативного экологического воздействия на окружающую среду, а также частично решать вопрос по утилизации такого твёрдого коммунального отхода, как стекло.

По предварительным данным, полученным в ходе лабораторных исследований, можно сделать вывод о том, что отходы стеклобоя могут быть использованы в качестве армирующих элементов при устройстве искусственных оснований, но при условии продолжения исследований в данном направлении.

Об авторах

Дмитрий Валериевич Попов

Автор, ответственный за переписку.
Email: popov38@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3920-3919
SPIN-код: 4128-4489
Scopus Author ID: 57192377735

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики, инженерной геологии, оснований и фундаментов

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Лабораторный грунтовый лоток с рычажной системой для проведения штамповых испытаний грунтов статической нагрузкой: 1 ‒ исследуемый грунт; 2 ‒ лоток; 3 ‒ жесткий штамп; 4 ‒ рычажное устройство; 5 ‒ реперная балка; 6 – индикатор; 7 ‒ подвеска для грузов; 8 – гири

Скачать (163KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Процесс укладки стеклянной крошки на модельный грунт

Скачать (207KB)

Метаданные