Инновационные способы подготовки основания транспортных магистралей c использованием техногенных образований металлургического производства

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Для создания эффективного дорожного покрытия требуется тщательная подготовка основания. В истории строительных технологий в качестве основания использовались и используются до настоящего времени грунты природного происхождения (пески, супеси, суглинки, глины, скальные и крупнообломочные породы, и др.), залегающие непосредственно в районе строительства, а также используются техногенные грунты, такие как асфальтогранулят, щебень, искусственные почвосмеси и др.). Однако ни те, ни другие не могут обеспечить необходимую прочность в естественном или первоначальном виде, в котором они находятся. В связи с этим применяют различные способы стабилизации и укрепления грунтов [1–3].

На сегодняшний день для укрепления грунтов широко применяются различные составы на основе цемента: портландцемента, шлакопортландцемента, известково-шлакового цемента, а также других видов цемента марок не ниже 300 [4, 5]. Недостатком данного способа является высокая стоимость данных материалов. Поэтому особую актуальность приобретает поиск новых материалов, продуктов или отходов, которые позволили бы эффективно повысить прочность оснований природно-техногенных объектов для автомобильных и железных дорог.

Для повышения эколого-экономической эффективности при строительстве транспортных объектов целесообразно использовать различные виды техногенных образований [6-8].

Одним из направлений может быть рассмотрено металлургическое производство, где происходит образование значительного количества отходов, большую часть которых составляют металлургические шлаки, накопленные в отвалах. В Российской Федерации, по некоторым оценкам [9], только сталеплавильных шлаков накоплено свыше 250 миллионов тонн. Они занимают площадь около 1,3 тысяч гектаров. Кроме этого, в отвалы ежегодно сваливается более 5 миллионов тонн шлаков. Подобные отходы представляют собой огромную экологическую проблему, учитывая их химический и минералогический состав, который в большинстве случаев представляет твердый раствор, конечными продуктами которого являются геленит 2СаО·SiO₂·А1₂О₃ и окерманит 2СаО·MgО·2SiO₂. Можно предположить, что данные минералы являются ценным сырьем в области строительства, особенно в области дорожного строительства, при определенной целенаправленной их активации, например, при помощи химических добавок определенной природы.

Целенаправленное использование многотоннажных шлаков разной природы с целью создания эффективных бетонов или высокоэффективной подготовки оснований при создании дорожного покрытия путем высококачественного укрепления грунтов является важной и актуальной задачей настоящего времени [10–13], решение которой представлено в данном научно-экспериментальном исследовании.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве основного объекта исследований рассматривались грунты, которые представлены природными и техногенными материалами:

• глинами;
• песком;
• асфальтогранулятом.

1. Глинистые грунты, как правило, характеризуются слоистой структурой, они хорошо поглощают влагу и достаточно хорошо удерживают ее в своей структуре, т.е. характеризуются пониженным коэффициентом фильтрации. Способность глинистого грунта удерживать влагу в повышенном количестве и достаточно долгое время является негативной характеристикой глинистого грунта, так как в зимний период, при пониженных отрицательных температурах, вода, удержанная глиной, замерзает, превращается в лед и значительно увеличивается в объеме, что приводит к пучению глинистого грунта, и, следовательно, к понижению его устойчивости, что оказывает отрицательное влияние на устойчивость верхнего дорожного покрытия [14, 15].

Основные физико-механические характеристики глинистого грунта, используемого в работе, следующие:

• влажность грунта в естественном состоянии – 21,3 %;
• насыпная плотность грунта в естественном состоянии – 1760 кг/м³;
• насыпная плотность грунта в сухом состоянии – 1367 кг/м³;
• число пластичности, t_p. – 14,7;
• максимальная плотность грунта – 1,47 г/м³;
• коэффициент фильтрации – 0,0001 м/сут;
• содержание частиц < 0,005 мм – 73,2 %.

2. В данном научном исследовании рассматриваем грунт на основе песка мелкого, который относится к проблемным в естественном виде и без дополнительной эффективной активации не может быть использован в качестве надежного основания при строительстве транспортных магистралей.

При проведении физико-механических исследований песка по ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»; ГОСТ 25584-2016 «Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации» установлены следующие физико-механические характеристики:

• модуль крупности, М_к – 0,93;
• полный остаток на сите – 5,7 %;
• содержание пылевидных и глинистых частиц – 4,1 %;
• содержание глины в комках – 0,3%;
• насыпная плотность грунта в состоянии естественной влажности – 1570 кг/м³;
• насыпная плотность грунта в сухом состоянии – 1410 кг/м³;
• естественная влажность грунта – 7,6 %;
• коэффициент фильтрации – 0,03 м/сут.

Данный песок в соответствии с ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» соответствует песку пылеватому.

3. В качестве техногенного грунта рассматривали разрушенное асфальтобетонное покрытие, которое, в большинстве случаев, после эксплуатации измельчается путем фрезерования и используется в качестве эффективного материала при создании надежного основания в процессе строительства транспортных магистралей. При проведении научно-экспериментальных исследований использован асфальтобетон, физико-механические характеристики которого определены по ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний»; ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»: зерновой состав асфальтобетона (представлен в Табл. 1);

 

Таблица 1. Зерновой состав минеральной части асфальтобетона

Полные остатки на ситах, маc. %	Диаметр отверстий контрольных сит, мм
	25	20	15	10	5	2,5	1,25	0,65	0,16	0,05	<0,05
	4,6	7,3	11,8	33,7	51,2	65,6	79,6	93,7	98,1	99,3	0,7

Источник: составлено автором по результатам исследований

 

• коэффициент фильтрации – 3,1 м/сут;
• естественная влажность грунта – 1,7 %;
• содержание пылевидных и глинистых частиц – 3,7 %;
• содержание глины в комках – нет;
• насыпная плотность грунта в состоянии естественной влажности – 1476 кг/м³;
• насыпная плотность грунта в сухом состоянии – 1398 кг/м³.

4. В качестве вяжущего материала для укрепления грунтов разной природы рассматривали минеральное вяжущее – портландцемент ПЦ500-Д20 по ГОСТ 10178-85 со следующими физико-механическими характеристиками:

• нормальная густота цементного теста – 26,5 %;
• начало схватывания, мин. – 160;
• конец схватывания, мин. – 265;
• прочность на сжатие в возрасте 28 сут., МПа – 51,3;
• прочность при изгибе, МПа – 6,4.

5. Дополнительно к минеральному вяжущему для укрепления и уплотнения грунтов разной природы рассматривали побочные продукты металлургического производства.

В зависимости от технологических процессов (извлечение, рафинирование и легирование металлов) образуется несколько видов шлаков: гранулированный доменный шлак, тонкомолотый доменный шлак, а также шлак внепечной обработки стали.

Доменный шлак по своему составу близок к цементу и отличается от состава обыкновенного цемента меньшим содержанием CaO и большим содержанием SiO₂ и A1₂O₃. Основной фазой доменного шлака является двухкальциевый силикат 2СаО·SiO₂, который обладает вяжущими свойствами, но для этого требуется интенсивное энергетическое воздействие [16]. Также в состав шлака входят сложные кристаллогидраты типа геленита 2СаО·SiO₂·А1₂О₃, тоже способного проявлять вяжущие свойства [17]. В результате резкого охлаждения (грануляции) жидкого доменного шлака получается гранулированный шлак, который, кроме указанных соединений, входящих в состав кристаллической фазы, содержит алюмосиликатное стекло, обладающее химической активностью.

Кроме доменных металлургических шлаков, гранулированных и тонкомолотых, побочным продуктом при производстве стали является шлак внепечной обработки.

По данным рентгенофазового анализа (Рис.) установлено, что в пробе шлака внепечной обработки присутствует в большом количестве кальциевый алюминат, представленный майенитом, 12СаО·7Al₂O₃ для которого основные дифракционные максимумы обнаружены при d/n=(4,89; 2,68; 2,45)10^-10 м, в качестве второго компонента обнаружен гамма-двухкальциевый силикат, 2СаО·SiO₂, для которого d/n=(3,01; 2,74; 1,91)10^-10 м и в качестве третьего компонента, в наименьшем количестве присутствует оксид железа с примесью лития (Li, Fe) для которого d/n=(2,54; 2,10)10^-10 м.

 

Рис. Рентгенограмма шлака внепечной обработки стали

 

Основная фаза шлака внепечной обработки – алюминат кальция 12СаО·7Al₂O₃ – майенит, в большинстве случаев содержит небольшое количество (0-1) молекул структурной воды. Майенит характеризуется повышенной твердостью, которая имеет значение, равное 5 по шкале Мооса.

При проведении соответствующей активации использование металлургических шлаков позволит одновременно решить две важные задачи: оказать эффективное действие на улучшение параметров качества грунта при его укреплении при одновременной его утилизации в достаточно больших объемах.

6. В качестве активатора твердения использовали высокоэффективную комплексную химическую добавку «наноактив-М», которая выпускается по ТУ 5743-009-56147703-2013. Добавка представлена водным раствором поликарбоксилатных полимеров, модифицированных веществами органической и неорганической природы по ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия», плотность водного раствора добавки ƿ=1,035 г/см³ и значение водородного показателя pH = 6,5.
7. Оценку эффективности укрепления грунта осуществляли по изменению прочности на сжатие и прочности на растяжение при изгибе, а также по изменению степени уплотнения грунта, которое оценивали по величине водопоглощения по массе, W_m, %.

Для этого изготавливали образцы – балочки размером (40˟40˟160) мм методом прессования под давлением 20 МПа в соответствии с ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» и рекомендаций, представленных в документе «Пособие по строительству покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов из грунтов, укрепленных вяжущими материалами к СНИП 3.06.03-85 и СНИП 3.06-88».

Твердение образцов осуществлялось в нормальных условиях: t = (20±2) ºC и влажность воздуха W ≥ 95 %.

Испытание затвердевших образцов осуществлялось в водонасыщенном состоянии по ГОСТ 10180-20125 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Определение величины водопоглощения по массе укрепленного грунта производилось по ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Методы определения водопоглощения».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На первом этапе научно-экспериментального исследования проведено традиционное укрепление грунтов разной природы при помощи портландцемента, количество которого использовали в пределах (6-12) мас.% от массы грунта. Результаты по изменению показателей прочности на сжатие и на растяжение при изгибе и изменения показателей водопоглощения представлены в Табл. 2.

 

Таблица 2. Оценка эффективности действия портландцемента при укреплении грунтов разной природы

№ п/п	Наименование грунта	Количество портландцемента ПЦ500 Д20, мас.% от массы грунта	Прочность в возрасте 28 суток укрепленного грунта, МПа		Водопоглощение по массе укрепленного грунта, Wm%
			На сжатие	На растяжение при изгибе
1	2	3	4	5	6
1	Глинистый грунт	3,0	0,9	0,12	11,2
2		6,0	1,6	0,24	10,4
3		9,0	1,6	0,23	10,3
4		12,0	1,3	0,21	10,7
5	Песок пылеватый	3,0	1,10	0,09	10,2
6		6,0	1,74	0,15	9,4
7		9,0	2,13	0,28	8,7
8		12,0	2,81	0,45	7,3
9	Грунт на основе асфальтобе-тона	3,0	2,78	0,46	4,1
10		6,0	4,76	0,81	3,7
11		9,0	6,83	1,12	3,2
12		12,0	6,96	1,18	3,1

Источник: составлено автором по результатам исследований

 

Анализ данных представленных в Табл. 2 показывает:

1. Сочетание глинистого грунта с портландцементом является не эффективным. Максимальное количество портландцемента составляет 6,0 мас.% от массы грунта, дальнейшее увеличение портландцемента является нецелесообразным, так как ни один из исследуемых параметров не улучшается. Глинистый грунт в присутствии рационального количества цемента не отличается уплотненной структурой, т.к минимальное значение величины водопоглощения составляет 10,4 % – это достаточно высокое значение. Для укрепления глинистого грунта недостаточно использовать только портландцемент.
2. Пески пылеватые в присутствии портландцемента в количестве 12 мас.% от массы грунта укрепляют грунт до марки М20, но при этом структура грунта также является недостаточно плотной, наименьшее значение величины водопоглощения, W_m ≥ 7,0 %.
3. Наилучшие результаты по всем показателям достигаются при укреплении техногенного грунта на основе асфальтобетона. При максимальном расходе цемента, равном 12 мас.% от массы грунта, укрепленный грунт соответствует М60, но при этом укрепленный грунт по-прежнему обладает повышенной величиной водопоглощения, W_m=3,1 %, что не обеспечит грунту достаточную морозостойкость и долговечность.

Для эффективного уплотнения структуры укрепляемого грунта рассматривали его предварительную стабилизацию при помощи доменного гранулированного шлака с последующим укреплением грунта при помощи тонкомолотого шлака в сочетании с портландцементом, комплексной химической добавкой, а также дополнительным использованием шлака внепечной обработки стали.

Результаты по стабилизации и укреплению грунта на основе глины представлены в Табл. 3. Анализ данных, представленных в Табл. 3 показывает, что для укрепления глинистого грунта принципиальное значение имеет его стабилизация при помощи гранулированного доменного шлака, что обеспечивает значительное уплотнение глины, до величины водопоглощения, W_m=8,8 %. Рациональное количество гранулированного шлака составляет 25 % от массы грунта, дальнейшее увеличение шлака не улучшает характеристики грунта на основе глины.

По предварительным исследованиям (Табл. 2) установлено, что портландцемент в небольшом количестве ≈ 6 мас.% от массы грунта оказывает положительное влияние на свойства глинистого грунта, а в сочетании с гранулированным доменным шлаком, комплексной химической добавкой «Наноактив-М» и портландцементом, в том же рациональном количестве 6 мас.% от массы грунта, обеспечивает достаточно эффективное укрепление глинистого грунта [18]. По полученным показателям прочности и в соответствии с ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия» комплексно укрепленный грунт на основе глины соответствует ≈ марке М40.

Предварительными экспериментальными исследованиями установлено, что шлак внепечной обработки стали (ВОС), абсолютно, не совместим с портландцементом, поэтому использование шлака ВОС рассматривали взамен использования портландцемента, также в сочетании с тонкомолотым доменным шлаком в сочетании с комплексной химической добавкой.

Полученные результаты, представленные в Табл. 3, показали, что шлак ВОС, в сочетании с указанными компонентами, по эффективности действия является аналогичным портландцементу, а также обеспечивает получение укрепленного грунта М40 с величиной водопоглощения W_m=3,6 %.

 

Таблица 3. Физико-механические характеристики стабилизированного и укрепленного грунта на основе глины.

№ п/п	Наименование активатора					Прочность в возрасте 28 суток укрепленного грунта, МПа		Водопоглощение по массе укрепленного грунта, Wm,%
	Гранулированный доменный шлак, мас.% от массы грунта	ПЦ 500 Д20, мас.% от массы грунта	Комплексная химическая добавка «Наноактив-М» мас.% от массы цемента	Тонкомолотый доменный шлак, мас.% от массы грунта	Шлак внепечной обработки стали, (ВОС), мас.% от массы грунта	На сжатие	На растяжение при изгибе
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	15	–	–	–	–	0,8	0,11	9,2
2	20	–	–	–	–	1,0	0,19	8,9
3	25	–	–	–	–	1,3	0,23	8,8
4	30	–	–	–	–	1,2	0,21	9,0
5	25	6,0	0,8	–	–	3,8	0,69	4,4
6	25	6,0	1,0	–	–	4,0	0,73	4,3
7	25	6,0	1,2	–	–	3,9	0,71	4,4
8	25	6,0	1,0	5,0	–	4,1	0,76	4,2
9	25	6,0	1,0	10,0	–	4,3	0,81	4,1
10	25	6,0	1,0	15,0	–	4,6	0,92	3,9
11	25	6,0	1,0	20,0	–	4,5	0,91	3,9
12	25	–	1,0	15,0	5,0	3,9	0,88	3,8
13	25	–	1,0	15,0	10,0	4,1	0,95	3,8
14	25	–	1,0	15,0	15,0	4,4	0,98	3,7
15	25	–	1,0	15,0	20,0	4,8	1,10	3,6
16	25	-	1,0	15,0	25,0	4,7	1,05	3,6

Источник: составлено автором по результатам исследований

 

Для улучшения параметров укрепленного грунта на основе песка пылеватого в соответствии с его природной тонкостью и формирующейся структурой рассмотрели его предварительную стабилизацию при помощи гранулированного доменного шлака и дополнительную активацию при помощи комплексной химической добавки и тонкомолотого доменного шлака. Полученные результаты представлены в Табл. 4.

 

Таблица 4. Физико-механические характеристики стабилизированного и укрепленного грунта на основе песка пылеватого

№ п/п	Наименование активатора				Прочность в возрасте 28 суток укрепленного грунта, МПа		Водопоглощение по массе укрепленного грунта, Wm,%
	Гранулированный доменный шлак, мас.% от массы грунта	ПЦ 500 Д20, мас.% от массы грунта	Комплексная химическая добавка «Наноактив-М» мас.% от массы цемента	Тонкомолотый доменный шлак, мас.% от массы грунта	На сжатие	На растяжение при изгибе
1	2	3	4	5	7	8	9
1	15	–	–	–	1,54	0,26	6,9
2	20	–	–	–	1,71	0,28	6,4
3	25	–	–	–	1,96	0,35	6,2
4	30	–	–	–	1,95	0,34	6,3
5	25	7	1,0	–	6,64	1,26	3,1
6	25	9	1,0	–	7,86	1,49	2,9
7	25	7	1,0	15	7,92	1,61	2,8
8	25	9	1,0	15	9,41	1,98	2,6

Источник: составлено автором по результатам исследований

 

Анализ данных, представленных в Табл. 4, показывает очевидную эффективность стабилизации пылеватого песка гранулированным доменным шлаком с последующей его активацией при помощи портландцемента, комплексной химической добавки «Наноактив-М» и дополнительного использования тонкомолотого доменного шлака. Результаты, представленные в Табл. 4, показывают, что грунт на основе мелкого пылеватого песка может быть укреплен до показателей прочности, которые подтверждают образование основания М75 с величиной водопоглощения W_m=2,8 % при использовании портландцемента в количестве 7,0 мас.% от массы грунта в сочетании с комплексной химической добавкой и тонкомолотым доменным шлаком.

Наилучшие результаты по укреплению исследуемых грунтов получены при использовании техногенного асфальтобетонного материала. Для улучшения достигнутых характеристик рассмотрели дополнительное использование комплексной химической добавки «Наноактив-М» и тонкомолотого доменного шлака. Использовать гранулированный доменный шлак не целесообразно, т.к. зерна асфальтобетона имеют размер от 5 до 25 мм. Результаты проведенных исследований представлены в Табл. 5.

 

Таблица 5. Физико-механические характеристики укрепленного грунта на основе техногенного асфальтобетонного материала

№ п/п	Наименование активатора			Прочность в возрасте 28 суток укрепленного грунта, МПа		Водопоглощение по массе укрепленного грунта, Wm,%
	ПЦ 500 Д20, мас.% от массы грунта	Комплексная химическая добавка «Наноактив-М» мас.% от массы цемента	Тонкомолотый доменный шлак, мас.% от массы грунта	На сжатие	На растяжение при изгибе
1	2	3	4	5	6	7
1	6,0	–	–	4,76	0,81	3,7
2	9,0	–	–	6,83	1,12	3,2
3	6,0	1,0	–	6,0	1,16	2,7
4	9,0	1,0	–	8,6	1,,64	2,3
5	6,0	1,0	15	7,6	1,57	1,4
6	9,0	1,0	15	11,0	2,31	1,1

Источник: составлено автором по результатам исследований

 

При проведении комплексной модификации техногенного асфальтобетонного материала обеспечивается создание достаточно плотного грунта с повышенной прочностью на сжатие и на растяжение при изгибе при пониженном расходе цемента. При расходе цемента, равного 6,0 мас.% от массы грунта, формируется грунт М75, а при расходе цемента в количестве 9,0 мас.% от массы грунта, укрепленный грунт соответствует М100.

С достигнутыми показателями по прочности укрепленные грунты могут быть рекомендованы для устройства надежного дорожного покрытия федерального значения.

ВЫВОДЫ

1. Научно-экспериментальные исследования показали, что проблемные глинистые грунты и грунты на основе мелкого пылеватого песка способны формировать прочную и плотную структуру в результате их эффективной стабилизации гранулированным доменным шлаком с последующей активацией портландцементом в сочетании с комплексной химической добавкой «Наноактив-М» и тонкомолотым доменным шлаком.
2. Комплексная стабилизация и последующая модификация обеспечивает создание грунта на основе глины М40, а на основе мелкого пылеватого песка – М75.
3. Техногенный асфальтобетонный грунт при пониженном расходе цемента (6–9) мас.% от массы грунта в присутствии комплексной химической добавки «Наноактив-М» и тонкомолотого доменного шлака формирует прочное основание М75 и М100, соответственно.
4. Установлено, что использование металлургических шлаков различного вида эффективно с технологической, экономической и экологической точек зрения:

• уменьшается расход дорогостоящего портландцемента;
• повышается эффективность укрепления проблемных грунтов;
• осуществляется целенаправленная утилизация больших объемов техногенного продукта металлургического производства.

 

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов.
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

Об авторах

Валентина Яковлевна Соловьева

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: 9046185117@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2468-2128
SPIN-код: 1571-2027

д.т.н., профессор

Россия, Санкт-Петербург

Антонина Сергеевна Сахарова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: assakharova@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-0735-1271
SPIN-код: 9047-0013

к.т.н.

Россия, Санкт-Петербург

Егор Георгиевич Еремеев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: eremeevegor@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1713-7973
SPIN-код: 5926-5905
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы