Усиление оснований дисперсным армированием из пластиковых отходов

Полный текст

В начале XX в. со стремительным ростом индустриализации резко выросло потребление бумаги. Бумага начала использоваться не только в отраслях промышленности, но и в других сферах, вплоть до упаковки продуктов питания в магазинах. Несколько десятков лет бумага была необоротным ресурсом, и уже к середине 50-х гг. прошлого века вырубка лесов достигла критического масштаба и планета впервые оказалась на грани экологической катастрофы. Параллельно с ростом потребления бумаги развивалась и химическая отрасль, которая имела к тому времени накопленный опыт в синтезировании полиэтилена. Многочисленные исследования показывали абсолютную безвредность полиэтилена для человека. И, как казалось, тогда был найден относительно дешёвый способ спасти леса от вырубки, а бумагу, которую использовали для упаковки продуктов питания, заменили на полиэтилен. С годами упаковочный материал постоянно модернизировался и полиэтилен был частично заменён схожими по свойствам пластиками. Простота, дешевизна и высокие эксплуатационные характеристики сделали пластиковую упаковку продуктов питания самой производимой в мире. По статистике в мире ежеминутно производится один миллион только пластиковых бутылок и уже для упаковки не только продуктов питания, но и для упаковки различных непищевых (технических) жидкостей. На сегодняшний день большинство стран мира оказались не готовыми к переработке или безвредной для экологии утилизации такого объёма пластика, что привело к загрязнению им значительных сухопутных территорий, а также мирового океана. Около пятнадцати миллионов тонн пластика ежегодно засоряют реки, озера, моря и океаны, пагубно влияя на флору и фауну последних. В связи с вышеописанным возникает актуальный вопрос о применимости пластиковых отходов, с минимальной их переработкой, в других производственных отраслях.

В строительстве отходы пластика могут применяться в виде тонких полос для дисперсного армирования искусственных оснований, которые частично заменяют толщи слабых природных грунтов, обладающих низкими по величине показателями физико-механических характеристик, или при выполнении отсыпок территорий с целью поднятия рельефа до проектных отметок [1, 2]. При этом следует отметить, что армирование искусственных оснований в нашей стране осуществляется уже более тридцати лет, для чего в большинстве случаев используют произведённые специально для этих целей геотекстили или геосетки, т. е. используются либо рулонные материалы, либо плоские каркасы [3, 4]. Как таковых попыток произвести дисперсное армирование грунтов отмечено не было, соответственно по этому поводу и была проведена серия экспериментов.

Эксперимент проводился в грунтовом лабораторном лотке, имеющем в поперечном сечении форму трубы с величиной внутреннего диаметра 410 мм, к верхнему краю которого прикреплена рычажная система для проведения штамповых испытаний (рис.1). Грунтом, который подвергался армированию, являлся песок мелкий маловлажный. В качестве армирующих элементов применялись полоски размером 5,0х70,0 мм из полиэтилентерефталата, полученные путем нарезки бутылок из-под пищевых жидкостей. Толщина слоя грунта была принята 300 мм. Всего было проведено две серии экспериментов. Первая серия экспериментов проводилась на грунте плотностью 1,73 г/см³, во второй плотность грунта была повышена до 1,82 г/см³ [5]. В каждой серии было проведено по четыре эксперимента, в результате которых производились штамповые испытания грунтов. В первых трёх экспериментах был испытан грунт с процентом армирования фиброй 10, 20 и 30 % от первоначального объёма (рис. 2). Четвёртый эксперимент был проведен на слое грунта без армирования.

 

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки штамповых испытаний грунтов

 

Рис. 2. Процесс смешивания грунта с полосками полиэтилентерефталата

 

Давление на экспериментальный грунт передавалось круглым металлическим штампом, имеющим площадь 60 см², ступенями путем укладки грузов весом 3 кг на вертикальную подвеску рычажной системы, создавая давление под штампом, равным по 0,01 МПа [6]. Приложение каждой последующей ступени нагрузки осуществлялось после полного затухания осадок от предыдущей ступени. Увеличение нагрузки продолжалось до тех пор, пока приращение деформаций грунта от вновь приложенной нагрузки, превышало более чем в пять раз величину деформации от предыдущей ступени. Величины деформаций грунта фиксировались с помощью индикатора часового типа (прогибомер) с ценой деления 0,01 мм.            

   Результаты экспериментов и построенные графики зависимости осадки штампа от нагрузки приведены в табл. 1 – 8 и рис. 3 – 10.

 

Первая серия экспериментов, плотность грунта – 1,73 г/см³.

                                                          

Таблица 1

Штамповые испытания грунта без армирования

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	сум-марное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
0	N1=6,0	42,0	P1=0,01	0,07	0,54	0,54	6,16
	N2=6,0		P2=0,01		1,10	0,56
	N3=6,0		P3=0,01		1,67	0,57
	N4=6,0		P4=0,01		2,53	0,86
	N5=6,0		P5=0,01		3,62	1,09
	N6=6,0		P6=0,01		5,15	1,53
	N7=6,0		P7=0,01		6,16	1,01

 

Рис. 3. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта без армирования

 

Таблица 2

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 10 %

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
10	N1=6,0	48,0	P1=0,01	0,08	0,34	0,34	3,38
	N2=6,0		P2=0,01		0,61	0,27
	N3=6,0		P3=0,01		0,88	0,27
	N4=6,0		P4=0,01		1,27	0,39
	N5=6,0		P5=0,01		1,69	0,42
	N6=6,0		P6=0,01		2,27	0,58
	N7=6,0		P7=0,01		2,63	0,36
	N8=6,0		P8=0,01		3,38	0,75

 

Рис. 4. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 10 %

 

Таблица 3

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 20 %

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
20	N1=6,0	42,0	P1=0,01	0,07	0,17	0,17	2,30
	N2=6,0		P2=0,01		0,33	0,16
	N3=6,0		P3=0,01		0,54	0,21
	N4=6,0		P4=0,01		0,86	0,32
	N5=6,0		P5=0,01		1,13	0,27
	N6=6,0		P6=0,01		1,59	0,46
	N7=6,0		P7=0,01		2,30	0,71

                                                          

Рис. 5. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 20 %

 

Таблица 4

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 30 %

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
30	N1=6,0	54,0	P1=0,01	0,09	0,17	0,17	4,59
	N2=6,0		P2=0,01		0,31	0,14
	N3=6,0		P3=0,01		0,47	0,16
	N4=6,0		P4=0,01		0,64	0,17
	N5=6,0		P5=0,01		1,02	0,38
	N6=6,0		P6=0,01		1,57	0,55
	N7=6,0		P7=0,01		2,25	0,68
	N8=6,0		P8=0,01		3,14	0,89
	N9=6,0		P9=0,01		4,59	1,45

 

Рис. 6. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 30 %

 

По результатам проведённых штамповых испытаний был вычислен модуль деформации для каждого варианта армирования грунта:

$E_0=\left(1-{\nu }^2\right)\cdot K_p\cdot K_1\cdot D\frac{\Delta p}{\Delta S}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{1,67}}=\mathrm{0,111}\text{ МПа.}$

$E_{10}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,88}}=\mathrm{0,21}\text{1 МПа.}$

$E_{10}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,88}}=\mathrm{0,21}\text{1 МПа.}$
$E_{20}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,54}}=\mathrm{0,34}\text{4 МПа.}$

$E_{30}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,64}}=\mathrm{0,38}\text{6 МПа.}$

Вторая серия экспериментов, плотность грунта – 1,82 г/см³.

 

Таблица 5

Штамповые испытания грунта без армирования

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
0	N1=6,0	42,0	P1=0,01	0,07	0,41	0,41	5,72
	N2=6,0		P2=0,01		0,84	0,43
	N3=6,0		P3=0,01		1,52	0,68
	N4=6,0		P4=0,01		2,34	0,82
	N5=6,0		P5=0,01		3,30	0,96
	N6=6,0		P6=0,01		4,43	1,13
	N7=6,0		P7=0,01		5,72	1,29

 

Рис. 7. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта без армирования

 

Таблица 6

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 10 %

Процент армирован грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
10	N1=6,0	42,0	P1=0,01	0,07	0,30	0,30	2,34
	N2=6,0		P2=0,01		0,54	0,24
	N3=6,0		P3=0,01		0,72	0,18
	N4=6,0		P4=0,01		1,12	0,40
	N5=6,0		P5=0,01		1,36	0,24
	N6=6,0		P6=0,01		1,72	0,36
	N7=6,0		P7=0,01		2,34	0,62

 

Рис. 8. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 10 %

 

Таблица 7

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 20 %

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
20	N1=6,0	60,0	P1=0,01	0,10	0,10	0,10	5,46
	N2=6,0		P2=0,01		0,29	0,19
	N3=6,0		P3=0,01		0,42	0,13
	N4=6,0		P4=0,01		0,76	0,34
	N5=6,0		P5=0,01		0,95	0,19
	N6=6,0		P6=0,01		1,34	0,39
	N7=6,0		P7=0,01		1,92	0,58
	N8=6,0		P8=0,01		2,56	0,64
	N9=6,0		P9=0,01		3,56	1,0
	N10=6,0		P10=0,01		5,46	1,90

 

Рис. 9. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 20 %

 

Таблица 8

Штамповые испытания. Процент армирования грунта 30 %

Процент армирования грунта, %	Нагрузка на штамп N, кг		Давление от штампа на грунт, P, МПа		Отсчёты по индикатору hi, мм	Осадка штампа S, мм
	ступень Ni, кг	суммарная нагрузка $\sum N_i$, кг	ступень Pi, МПа	суммарное давление $\sum P_i$, МПа		за ступень Si, мм	суммарная $\sum S_i$, мм
30	N1=6,0	48,0	P1=0,01	0,08	0,10	0,10	3,11
	N2=6,0		P2=0,01		0,22	0,12
	N3=6,0		P3=0,01		0,31	0,09
	N4=6,0		P4=0,01		0,54	0,23
	N5=6,0		P5=0,01		0,82	0,28
	N6=6,0		P6=0,01		1,16	0,34
	N7=6,0		P7=0,01		1,67	0,51
	N8=6,0		P8=0,01		3,11	1,44

 

Рис. 10. График зависимости осадки штампа от нагрузки при испытании грунта с армированием 30 %

 

По результатам проведённых штамповых испытаний был вычислен модуль деформации для каждого варианта армирования грунта:

$E_0=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,84}}=\mathrm{0,14}\text{7 МПа.}$

$E_{10}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,72}}=\mathrm{0,25}\text{8 МПа.}$

$E_{20}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,42}}=\mathrm{0,44}\text{1 МПа.}$

$E_{30}=\left(1-{\mathrm{0,3}}^2\right)\cdot 1\cdot \mathrm{0,79}\cdot \mathrm{8,6}\frac{\mathrm{0,03}}{\mathrm{0,31}}=\mathrm{0,59}\text{8 МПа.}$

 

Результаты выполненных лабораторных исследований показывают, что армирование песчаного грунта фиброй, изготовленной из отходов пластика, значительно повышает такой прочностной показатель, как модуль деформации. Следует отметить, что чем выше процент армирования грунта, тем выше в итоге общий модуль деформации. Так, у грунта с плотностью 1,73 г/см³ при армировании 10, 20 и 30 % модуль деформации становится соответственно в 1,90, 3,10 и 3,47 раза больше. У грунта с плотностью 1,82 г/см³ также при армировании в 10, 20 и 30 % модуль деформации повышается в 1,75, 3,0 и 4,06 раза. Более высокие показатели модуля деформации у грунта плотностью 1,82 г/см³ объясняется еще тем, что у данного грунта объем пор намного меньше, а соответственно, ниже его деформативность. Отходы пищевого пластика не подвержены коррозии, имеют долгий по времени процесс разложения в грунте и стойкость к большинству химических соединений. Использование пластиковых отходов при усилении оснований позволит снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду, уменьшить расходы на переработку или утилизацию пищевой упаковки. При этом следует отметить, что нарезка полосок (фибры) из бутылок является не очень дорогой операцией, а это в свою очередь ведет к общему снижению затрат на устройство искусственных оснований. На сегодняшний день можно сделать предварительные выводы о том, что отходы пластика могут быть использованы в качестве армирования искусственных оснований, но необходимо продолжить исследования в этом направлении.      

Об авторах

Дмитрий Валериевич Попов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: popov38@yandex.ru

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

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Валерий Петрович Попов

Самарский государственный университет путей сообщения

Email: npc-ria@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительства

Россия, 443066, г. Самара, ул. Свободы, 2В

Список литературы

Дополнительные файлы