автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Грунт, укрепленный известью, гидрофобизированной отходом электродной промышленности

На правах рукописи УДК 625.731.1

Таскаев Олег Геннадьевич

ГРУНТ,УКРЕПЛЁННЫЙ ИЗВЕСТЬЮ, ГИДРОФОБИЗИРОВАННОЙ ОТХОДОМ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2004

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения (СГУПС)

Научный руководитель: -

к. т. н. доцент В.С. Матвиенко

Официальные оппоненты: -

Д. т. н. профессор А.П.Пичугин к. т. н. доцент А.К.Эфа

Ведущая организация: -

Государственное учреждение Федеральное управление автомобильных дорог «Сибирь», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «:_££_.» ^/оУ 2004 г. в 'часов ¿?£?мин. На заседании диссертационного совета Д 218.012.02 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049 г. Новосибирск, ул.Д.Ковальчук, 191, Зал заседаний, ауд.226.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан« » . 2004 г.

диссертационного совета

Учёный секретарь

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

За последние годы в дорожной отрасли Российской федерации наблюдаются тенденции устойчивого роста сети дорог, при этом общее состояние дорог в целом находится на недопустимом уровне. Установлено, что три четверти дорог страны требуют срочного ремонта, свыше 70 % автодорог не приспособлены к движению современных большегрузных автомобилей. Из-за дефектов дорожной одежды и, как следствие, малой скорости автоперевозок объем упущенной выгоды оценивается в 10 млрд. долларов США ежегодно. Выявлено, что разрушения дорожных покрытий связаны с процессами, происходящими в грунтовом основании автомобильной дороги, сооруженном из местных грунтов.

В дорожной отрасли в последние годы наметилась следующая тенденция: наиболее энергоемкое производство сокращается, а затраты энергии повышаются. В условиях Сибирского региона, в частности Новосибирской области (НСО), проблема энергосбережения стоит особенно остро. Одним из способов решения названных проблем является переход на использование новых, менее энергоёмких материалов, в том числе и укреплённых грунтов.

Укреплением грунтов занимаются давно и в различных странах: Германия, США, Япония, Англия, Китай, Россия и страны бывшего СССР. Использование различных типов исходных компонентов и методов оценки полученных результатов создаёт затруднения, а в отдельных случаях делает невозможным сопоставление результатов, полученных разными исследователями. В связи с этим необходима разработка достаточно надёжного и обоснованного способа укрепления грунта известью, гидрофобизи-рованной отходами производства угольных электродов, применительно к климатическим условиям НСО И оценка ТП чффрк-гиинпггг.и ^п^утргтцяст

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА | СПегср«]

» ОЭ МО

смола в сочетании с традиционной известью, по нашему предположению, способствуют образованию прочных и водостойких соединений.

Выполненная работа входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта в 2001-2002 г (Указание М 2775у от 17 ноября 2000 г.). Создание материалов для стабилизации и упрочнения местных грунтов для возможности их использования при сооружении земляного полотна и основания дорожной одежды отнесено к разряду приоритетных, согласно «Концепции Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025года», утверждённой в 2004 году.

Цель работы. Разработка составов из грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной эффективным поверхностно-активным веществом - отходом электродного производства.

Задачи- исследования. Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ составов и свойств материалов, применяемых для укрепления грунтов основания автомобильных дорог.

2. Разработать составы извести, гидрофобизированной электродной смолой и технологию их получения.

3. Оптимизировать составы грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой.

4. Определить свойства гидрофобизированного известкового вяжущего и укреплённого им грунта.

5. Оценить изменение прочностных и деформационных свойств, грунта укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой.

6. Оценить технико-экономическую эффективность работы.

Объекты исследования. Отход производства угольных электродов

- электродная смола; известь, гидрофобизированная электродной смолой;

суглинок, укреплённый гидрофобизированной известью. Научная новизна.

1. Впервые показана возможность укрепления суглинков известью, гидрофобизированной смолистыми отходами электродного производства, содержащими углеводороды ароматического характера, а также гетероциклические (азот, серу и кислородсодержащие) соединения.

2. Установлено, что обработка извести поверхностно-активным веществом (ПАВ) - электродной смолой, способствует образованию на поверхности зёрен молотой негашёной извести перфорированной гидрофобной плёнки, регулирующей процессы воздушного и гидравлического твердения.

3. Получены данные об укреплении переувлажнённых суглинков гид-рофобизированной известью с увеличением в 1,5-2 раза показателей прочности при сжатии и на растяжение в водонасыщенном состоянии, математические зависимости, позволяющие оценивать модуль деформации укреплённого грунта.

4. Определено, что гидрофобизирующая добавка электродной смолы в укреплённом грунте увеличивает временной интервал кристаллообразования, что способствует повышению прочностных и деформационных характеристик грунта.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны составы и технология гидрофобизации извести отходами производства угольных электродов (электродной смолы).

2. Разработаны составы грунтов основания дорог (заявка на патент РФ), укреплённых известью, гидрофобизированной электродной смолой, и технология их получения.

3. Предложен вариант утилизации отходов электродной промышленности (электродной смолы).

4. Разработан алгоритм по реализации оценки эффектов укрепления грунта с использованием метода конечных элементов. Защищаемые положения.

1. Технология и составы гидрофобизированной извести, полученной с использованием электродной смолы.

2. Экспериментальные данные по свойствам грунтов, укреплённых разработанным вяжущим, обладающим гидрофобно-пластифицирующими свойствами.

3. Методы оценки полученных эффектов с помощью программного комплекса на основе метода конечных элементов.

Достоверность основных результатов работы подтверждена использованием стандартных методов исследования, проведением экспериментальных измерений с контролируемой точностью, статистической обработкой результатов экспериментов, использованием современных компьютерных технологий, обеспечивающих заданный уровень надёжности результатов расчётов.

Апробация результатов работы осуществлена на совещаниях, научных и научно-практических конференциях территориального, регионального и федерального уровней: на Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» в г. Барнауле (2001г.); на экологическом семинаре «Со-

циально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона» в г. Новосибирске (2002 г.); на региональной научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития» в г. Новосибирске (2002 г.) и др.

Результаты исследований опубликованы в 5 статьях и использованы в дипломном проекте «Реконструкция автомобильной дороги на участке Северное-Биаза». По материалам исследований составлена заявка на патент РФ (имеется положительное решение о выдаче патента от 03.06.03), предусмотрено практическое внедрение в 2004г. на автомобильной дороге А-166 Чита-Забайкальск км 374+375 - км 401+402.

Методы исследований. В Сибирском государственном университете путей сообщения (СГУПС) в лаборатории кафедры «Строительные материалы» осуществлено изготовление, хранение гидрофобизированной извести и образцов из укреплённого грунта, проведены исследования физико-механических показателей. При консультационной поддержке кафедры «Строительная механика» разработан алгоритм по реализации оценки эффектов укрепления грунта с использованием метода конечных элементов.

В лаборатории ОАО «Новосибирского сельского строительного комбината» (НССК) определена удельная поверхность вяжущего. В сибирском научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИ'ГиМС) произволен микроагрегатный анализ исходного грунта и проведены микроскопические исследования структуры вяжущего. В объединённом институте геологии, геофизики и минералогии (СО РАН ОИГГМ) осуществлён рентгеноструктурный микроанализ исходного грунта, вяжущего и укреплённого грунта. В институте химии твёрдого тела и механохимии (СО РАН ИХТТМ) при помощи ренттенофа-зового анализа исследован укреплённый грунт.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 23 рисунка, приложения занимают 23 страницы. В списке литературы 116 источников, в том числе 10 наименований на иностранных языках.

Автор выражает благодарность коллективам кафедр СГУПСа «Строительные материалы», «Строительная механика», «ИППЖАД», лаборатории «НССК», лабораториям СНИИГТиМСа, лаборатории СО РАН ОИГТМ и лаборатории СО РАН ИХТТМ.

Содержание работы

Во введении, обоснована актуальность работ, сформулирована цель исследований и научная новизна, практическое значение и направление реализации научных результатов при укреплении грунтов,

В первой главе приведён обзор исследований процессов, происходящих в грунтах, в том числе и укреплённых.

В эти исследования внесли значительный вклад такие учёные как В.В.Охотин, ПА.Ребиндер, В.М.Безрук, М.И.Хигерович, Г.А.Попандопуло, А.Н.Ахвердов, Н.А.Цытович, Н.Н.Маслов, В.Д.Глуховский, М.Ф. Иерусалимская, М.М.Сычёв, Л.В.Гончарова, Г.Н.Левчановский, З.Ф.Егорова, Л.А.Марков, П.Ю.Бутягин.

Из зарубежных представляют интерес работы П.Т.Шервуда, В.К.Ормсби, Л.Х.Больца, Ж.Х.Хилта, И.Г.Швендта, ЖЛ.Идса, ФЛ.Николса, Р.Е.Грима, Д.Т.Дэвидсона, Х.Ф.Тейлора, В.Брандта, и др.

Значительная часть этих исследований ограничивается изучением процессов, происходящих в укреплённом грунте в период становления его структуры, и направлены на выработку мер технологического характера для получения высоких прочностных показателей.

Анализ существующих способов укрепления грунтов показал, что к числу перспективных следует отнести методы, уменьшающие чувствительность грунта к действию влаги. Исследователи отмечают, что при использовании извести (преимущественно негашеной) возникает возможность получения укрепленного грунта, обладающего повышенными показателями физико-механических свойств, а также высокой водостойкостью, морозостойкостью, деформативностью и малой истираемостью. Использование негашеной - извести связано с некоторыми технологическими проблемами. Для их устранения применяется метод гидрофобизации битумом молотой негашёной извести в парогазовой среде, который позволяет

уменьшить реакционную способность извести по отношению к воде и воздуху.

Применение парогазовой среды в традиционных технологиях гид-рофобизации требует сложного оборудования, способного выдержать создающееся давление при нагреве и перемешивании частично гидрофобизи-рованной извести и битума. Использование для гидрофобизации дорожного битума экономически мало оправдано. Поскольку достижение полной гидрофобизации - не является основной задачей, в зависимости от решаемой проблемы экономически целесообразно применение частичной гид-рофобизации. Поэтому наиболее перспективным направлением представляется гидрофобизация с применением ПАВ, поскольку при этом не требуется создание парогазовой среды. При этом роль эффективных ПАВ могут выполнять и отходы промышленных производств. Например, отход электродного производства - электродная смола. Что и является основной научной идеей работы.

В Западно-Сибирском регионе грунты достаточно широко представлены суглинками. При введении в суглинок гидрофобизированной извести появляется возможность регулирования структурообразующих процессов, происходящих при укреплении грунта, что даёт возможность использовать его в данном регионе. Поэтому целью работы явилась разработка составов для укрепления грунтов на основе известкового вяжущего, гидрофобизированного эффективным ПАВ- отходом • электродного производства.

Вторая глава посвящена материалам и методам исследования. В качестве основных материалов использовалась традиционная молотая негашёная известь, а также гидрофобизированная электродной смолой.

В работе рассматривается процесс функционирования укреплённого грунта как системы, зависящей от состава исходных компонентов и технологии, от условий получения экспериментальных данных. Априорной

информации для решения вопроса приоритетности параметров недостаточно, поэтому принято на начальном этапе исследований считать все характеристики одинаково значимыми.

Прежде всего, это прочностные характеристики (прочность на сжатие и прочность на растяжение при изгибе), которые в большей степени формируют потребительские свойства укреплённого грунта.

Важное значение имеют также деформационные свойства-укреп-лённого грунта, которые предопределяют его работу в составе конструкции дорожной одежды. Необходимо отметить, что в существующих исследованиях укреплённых грунтов исследователи уделяли деформационным свойствам недостаточное внимание. В рамках данной работы эти свойства характеризуют модуль деформации и предельная относительная деформация растяжения при изгибе. Для повышения точности измерений предела прочности на растяжение при изгибе и деформационных характеристик было разработано специальное приспособление к машине FM-500, имеющей пределы нагружения до 100 кг.

Укреплённый грунт в процессе эксплуатации подвергается систематическому увлажнению, а также циклическому замораживанию и оттаиванию, поэтому стабильность материала определяется свойствами, характеризующими отношение к влажности: коэффициентом водостойкости, водонасыщением, набуханием, морозостойкостью.

В качестве технологических параметров определялись: число пластичности, оптимальная влажность, максимальная плотность скелета грунта. В работе использовались методики, регламентированными действующими ГОСТами, что снижает вероятность ошибок при определении их значений.

Для анализа структуры гидрофобизированной извести и укреплённого грунта применялись современные физико-химические методы: рент-геноструктурный микроанализ (электронный микроскоп JSM-35

снабжённый полупроводниковым детектором Link) и рентгенофазовый анализ (дифрактометр ДРОН-3).

Задача исследования предполагала оптимизацию составов, поэтому изучение свойств экспериментальных образцов производили в сопоставлении с аналогичными, имеющими в своём составе обычную молотую негашёную известь.

Третья глава содержит результаты исследований процессов гидрофобизации извести электродной смолой и свойств укреплённых грунтов.

Отход электродного производства - электродная смола представляет собой продукт пиролиза каменноугольного пека, используемого в качестве связующего при изготовлении электродных изделий. Смола содержит, в основном углеводороды ароматического характера, а также гетероциклические (азот, серу и кислородсодержащие) соединения, по ИК-спектрам близка к каменноугольному пеку.

Приготовление вяжущего осуществлялось путём смешения в соответствующих пропорциях комовой извести и электродной смолы, которая предварительно обезвоживалась в сушильном шкафу. Количество электродной смолы принималось 1, 2 и 3 % от массы извести. Совмещение и смешивание отхода, нагретого до температуры 50-60 °С, и комовой извести, предварительно нагретой до температуры 90-100 °С, осуществлялось в лабораторной мешалке. Далее производился помол в шаровой мельнице. Комплекс проведённых исследований выявил зависимость толщины плёнки на частицах извести от количества смолы.

Статистический анализ подтвердил значимость различий между характеристиками грунта, укреплённого гидрофобизированной известью, в сравнении с негашёной. По экспериментальным данным, используя ортогональное композиционное планирование, для образцов в 7-суточном возрасте получены двухфакторные модели второго порядка (рисунок 1).

Количество электродной смолы

Рисунок 1 - Геометрический образ поверхности отклика предела прочности на растяжение при изгибе Для дальнейшей оптимизации с целью получения более информативных прочностных характеристик было принято решение исследовать образцы в возрасте 28 суток с 3% содержанием смолы и с количеством вяжущего в интервале 4 - 7%. Анализ полученных данных показал, что все функции, кроме кривой прочности при сжатии неводонасыщенных образцов, обладали экстремумами. Суглинок тяжёлый, укрепленный 6% извести гидрофобизированной 3% смолы, показал оптимальные характеристики прочности и водостойкости (таблица 1).

На основании полученных данных, максимальной плотности и оптимальной влажности была построена поверхность отклика (рисунок 2), подтверждающая пластифицирующие свойства гидрофобизированной извести и возможность укрепления переувлажнённых грунтов.

Испытанный по ГОСТ 30491-97 укреплённый грунт выдерживает 10 циклов замораживания - оттаивания. Разрушение образцов происходило по классической схеме: до 5 циклов возникают напряжения,

вызывающие деструкцию материала, после 5 циклов начинается период интенсивных изменений свойств.

Таблица 1 - Физико-механические показатели укреплённого грунта

Наименование показателей Значения для укрепленных грунтов

с жидкими или эмульгированными органическими вяжущими совместно с минеральными (ГОСТ 30491-97) с гидрофобизи-рованной известью

Предел прочности на сжатие при температуре 20 °С, МПа 1,50 5,02-18,43

Предел прочности на сжатие водонасыщенных образцов при 20 "С, МПа не менее 1,00 2,64-12,03

Предел прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при 20 °С, МПа не менее 0,40 0,57-1,74

Морозостойкость, число циклов 10,15,25,50 10

Водонасыщение, % по объёму, не более 12,00 6,71-8,92

Набухание, % по объёму, не более 2,00 0,84-1.24

Модуль деформации неводонасыщенных образцов, МПа — 860-1126

Относительная деформация неводонасыщенных образцов 0,0010-0,0013

Модуль деформации водонасыщенных образцов, МПа 962-1239

Относительная деформация водонасыщенных образцов _ 0,0012-0,0013

Характеристики свойств лабораторных образцов укреплённого грунта определялись в возрасте 7, 28, 90, 365, 545 и 730 суток. Образцы в

водонасыщенном и неводонасыщенном состоянии характеризуются падением отношения предела прочности на растяжение при изгибе к сжатию, что свидетельствует о повышении потребительских качеств полученного материала при использовании в конструкции дорожной одежды. До 180 суток наблюдался интенсивный набор пределов прочности на сжатие и растяжение при изгибе, далее процесс замедлился, но не прекратился.

Анализ полученных данных свидетельствует, что укреплённый грунт обладает способностью к самоупрочнению во времени.

Рисунок 2 - Поверхность плотности-влажности при разном количестве вяжущего, применительно к извести, обработанной 3% электродной смолы Несмотря на длительное нарастание прочности, полученный материал- в -возрасте 28 суток соответствует нормативным требованиям;

Коэффициент водостойкости на сжатие и при изгибе описывается во времени двумя ветвями. Первая ветвь (возраст до 180 суток)-это интенсивное возрастание, описываемое полиномиальной кривой, вторая ветвь (возраст от 180 до 730 суток) - это падение описываемое логарифмической кривой. Следует отметить, что коэффициент водостойкости при изгибе (в возрасте 180 суток и более) превышает 1. Набухание образцов грунта в возрасте до 28 суток сопровождалось наблюдаемыми визуально сколами трёхгранных углов (после водонасыщения), после 90 суток сколы визуально не наблюдались. Следовательно, укреплённый грунт становится менее восприимчив к разрушительному воздействию воды. С достаточной. степенью надёжности можно утверждать, что процесс водонасыщения образцов из укреплённого грунта в возрасте 730 суток стабилизируется.

Анализ деформационных характеристик свидетельствует о том, что в укреплённом грунте в возрасте 90 суток имели место пластические

деформации, описываемые полиномиальной кривой. В возрасте 180 суток и более деформационные характеристики с достаточной степенью надёжности описываются линейной зависимостью, следовательно, материал начинает работать более упруго (рисунок 3).

0,00007 0,00006 «Г 0,00005

(О '

s

и,

I1 0,00004 «з

X X

£ о.ооооз

I

0j00002 0,00001 о

к.

г/ f У *

V • Неводе насыщен ■ные обр азцыу- ?Е-06х

А 1 Водонасыщенные образцы у « 8Е-06х -\-1-j-,-,

012345678 Величина нагрузки, МПа

Рисунок 3 - Деформационные свойства укреплённого грунта (в возрасте 180сут)

Все это подтверждает предположение, что электродная смола - эффективное ПАВ, придающее гидрофобно-пластифицирующие свойства извести при укреплении грунтов в дорожном строительстве.

В четвёртой главе приводятся результаты исследований процессов, происходящих в суглинке при обработке его известью, гидрофобизи-рованной электродной смолой, и технология производства гидрофобизированной извести.

Известно что, при помоле извести в присутствии ПАВ происходят физико-химические взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз. В нашем случае, по всей видимости, смола адсорбируется поверхностью частиц извести, образуя перфорированную

плёнку. В результате гидрофобизированная известь становится менее реакционно-способной по отношению к воде и воздуху и хорошо взаимодействует с жирами и маслами. При этом известь выполняет помимо вяжущей функции и функцию носителя добавки. У извести повышается срок хранения (до Змее), сокращается энергопотребление при помоле, снижается пыление и риск профессиональных заболеваний у рабочих.

Согласно методологии Г.Н.Левчановского, процессы, происходящие в грунте, можно условно разделить на три периода: стадия геля, начальная и конечная стадии кристаллизации. На стадии геля происходит механическое нарушение целостности перфорированных плёнок на поверхности частиц и распределение гидрофобизированной извести по всей массе грунта с последующим затворением водой. При этом создаются условия для образования кремнегеля и алюмогеля.

На начальной стадии кристаллизации согласно В.Д. Глуховскму, молекулы или мицеллы безводного вещества биотита КОНДОг и альбита ЫагО ЗАЪОзбБЮг вступают во взаимодействие с раствором щелочи, изменяют свой состав, объём твёрдой фазы и структуру, возникают новообразования, которые силами взаимного притяжения конденсируются в мицеллы. Параллельно, в соответствие с исследованиями М.М. Сычёва, в результате выщелачивания процесс может идти по схеме растворение полимеризация связывание ионов образование заро-

дышей С8И-геля —»выделения из раствора С8И-фазы.

На стадии кристаллизации по мере углубления процесса гидратации растёт объём новообразований. В следствие отжатия воды и уплотнения гелевидной фазы могут появляются кристаллические сростки: цеолита, продуктом твердения которого является нерастворимые гидроалюмосиликаты типа анальцима ИагО А^С^БЮг пНгО; а также С8И-фазы, характеризуемой такими соединениями, как гелеобразный двухкальциевый гидросиликат 2СаО БЮг 2НгО, гидросиликат Флинта СаО БЮг ЦО

и 13-водный четырёхкальциевый гидроалюминат

имеющий метастабильную структуру. В дальнейшем развитие кристаллизации обычно приводит к синтезу щелочно-земельных водостойких кристаллических новообразований и формированию конденсационно-кристаллизационной структуры.

Как показали наши исследования, наличие гидрофобизирующей добавки из электродной смолы замедляет процесс гашения извести, что позволяет избежать перекристаллизации в укреплённых грунтах.

По аналогии с исследованиями С.П.Мухматгалеевой и С.В.Шестопёрова можно предположить, что в укреплённом гидрофобизи-рованной известью грунте также будут отсутствовать скачкообразные расширения укреплённого грунта при замораживании, так как щелочь придает грунту способность к постепенному вымораживанию льда, а электродная смола может служить амортизатором критических напряжений.

За основу при совершенствовании технологии принято производство гидрофобизированной извести на Курдайском заводе (Казахстан). Процесс производства гидрофобизированной извести состоит из следующих технологических операций (рисунок 4). Дроблённый известняк загружается в агрегат питания 1, бункеры которого имеют питатели для непрерывного грубого дозирования. По транспортеру 2 через, загрузочное устройство 3 известняк загружается во вращающуюся печь 4, где при температуре-1000-1200 °С происходит его обжиг. Обожженный известняк - комовая известь из печи поступает в холодильник трубного типа 5, в котором охлаждается до рабочей температуры 90-100 °С за счёт воздушного потока, поступающего в печь. С помощью ковшового элеватора 6 комовая известь поступает в промежуточный бункер 7 и далее в сортировочный агрегат 8, где с помощью грохота осуществляется сортировка.

Рисунок 4 - Вариант технологического процесса производства-

гидрофобизированной извести- для Курдайского завода Фракционированная известь 10-40 мм подаётся в горячий бункер 9 и далее в весовой бункер 10 дозировочного отделения. Отдозированная комовая известь поступает в смеситель 12, где обрабатывается обезвоженным гидрофобизатором - электродной смолой массовой долей 3 %, разогретым до рабочей температуры 50-60 °С и распыляемым механической форсункой. Гидрофобизатор из склада 17, подогретый до температуры 5060 °С, подаётся шестерёнчатым насосом 18 по обогреваемому трубопроводу в битумонагревательную установку 19, где обезвоживается и подаётся в смеситель. После этого все компоненты тщательно перемешиваются, и обработанные гидрофобизатором комки загружаются в шаровые мельницы 13, где происходит одновременно помол комовой извести и обработка гидрофобизатором свежеобразованной поверхности. Из мельниц известь транспортируется на склад 20. Дымовые газы, частицы пыли и сажи из печи поступают в сухие циклоны первой ступени очистки 15. Уловленная циклонами крупная пыль направляется в бункер отходов 16, очищенные

дымовые газы подаются в пылеуловитель мокрой очистки 14 (вторая ступень).

Пятая глава посвящена технико-экономическим расчётам.

Отечественный подход к конструированию нежёстких дорожных одежд можно назвать эмпирико-механическим. Поэтому параллельно типовому расчёту по ОДН 218.046 для оценки эффективности использования укреплённого грунта использовался программный комплекс COSMOS/M, в основу которого положен метод конечных элементов. Отличительной особенностью расчёта с помощью COSMOS/M от нормативного является рассмотрение всего поперечного профиля земляного полотна и дорожной одежды с учётом нагрузки от соседних колёс, и в результате могут быть получены напряжения, деформации и др. характеристики в любом узле конструкции. Расчёт с помощью COSMOS/M осуществлялся для изотропного тела в плоско-деформированном состоянии с учётом собственного веса конструкции.

К расчёту была принята типовая конструкция дорожной одежды (вариант 1) участка «Вьюны-Кандаурово» автомобильной дороги «Новосибирск-Томск». Для сравнения рассчитаны ещё два варианта (2 и 3 вариант) нежёсткой дорожной одежды, в которых технологический слой из песка, укреплённого цементом толщиной 16 см, а также щебне-песчаная смесь на обочинах толщиной 10 см заменялись на грунт, укреплённый гидрофобизированной известью, толщиной 20 см и 10 см соответственно.

Замена в технологическом слое песка, укреплённого цементом, грунтом, укреплённым гидрофобизированной известью, позволило снизить в целом напряжения и деформации дорожных одежд по всем критериям оценки. Нормальные напряжения снизились до 23%, касательные - до 16%, вертикальные перемещения - до 25%. Следует отметить, что вертикальные перемещения уменьшается во всех случаях. Следовательно, учитывая способность укреплённого грунта к самоупрочнению, можно пред-

положить, что использование слоя из укреплённого грунта приведёт к увеличению долговечности конструкции в 1,5 - 2,0 раза.

Технико-экономическая оценка эффективности укрепления грунтов дорожных одежд гидрофобизированной известью проводилось с учётом прочностных показателей одежд и соответствующих затрат на усиление в виде капитальных вложений и текущих расходов. Экономико-математическая модель, описывающая состояние и работу дорожной одежды во времени, представлена в виде суммарных приведённых затрат (таблица 2).

На основе технико-экономических показателей таблицы 2 можно сделать вывод о том, что использование грунта, укреплённого предлагаемой гидрофобизированной. известью, сократит стоимость строительства одного километра дорожной одежды за счёт использования местных материалов на 1119,4 тыс. руб.

Таблица 2 - Технико-экономическое обоснование использования укреп-

лённого грунта в конструкции дорожной одежды автомобильных дорог

Технико-экономические показатели Единица измерения Варианты

базовый предлагаемый

Срок между капитальными ремонтами лет 15 22

Стоимость строительства одного километра дорожной одежды тыс.руб. 3837,5 2718,1

Приведённые капиталовложения тыс.руб. 4016,9 2789,4

Расходы на содержание и текущий ремонт дорожной одежды тыс.руб. 387,6 264,3

Суммарные транспортные расходы тыс.руб. 26170,2 25814,8

Суммарные потери, связанные с пребыванием пассажиров в пути тыс.руб. 7235,2 7008,3

Суммарные приведённые затраты тыс.руб. 39818,5 37271,6

Примечание - Таблица составлена в ценах 2002 г.

Увеличение межремонтного срока до 22 лет приведёт к экономии 705,7 тыс. руб. всех затрат, связанных с содержанием с каждого километра построенной автомобильной дороги. Таким образом, при замене технологического слоя из песка, укреплённого цементом, и слоя щебне-песчаной

смеси на обочинах в конструкции дорожной одежды на грунт, укреплённый гидрофобизированной известью, суммарные приведённые затраты сократятся на 2546,9 тыс. руб. с километра.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ составов и свойств материалов, применяемых для укрепления грунтов рабочего слоя земляного полотна и дорожных одежд, показывает, что наиболее эффективным материалом является гидрофобная известь. Используемые в настоящее время гидрофобизи-рующие добавки на основе битума не в полной мере выполняют эту роль, это связано с большим расходом гидрофобизатора и усложнением технологии для получения оптимальной дозировки.

2. Разработан состав гидрофобизации негашёной извести поверхностно-активным веществом - смолистым отходом электродного производства, представляющим собой продукт пиролиза каменноугольного пека (массовая доля 2,5-3 %), и упрощённый способ его изготовления.

3. Установлено, что гидрофобизация извести электродной смолой способствует снижению в 1,5-2 раза реакционной способности негашёной извести в условиях действия атмосферной влаги. При этом повышаются гидрофобно-пластифицирующие свойства вяжущего, что очень важно при укреплении переувлажнённых грунтов.

4. Определено методами математического моделирования оптимальное количество гидрофобизирующего вяжущего (массовая доля 5-6 %)для укрепления тяжёлого пылеватого суглинка.

5. Экспериментально доказана высокая эффективность применения электродной смолы а качестве гидрофобизируюшей добавки по

сравнению с битумом. Грунт, укреплённый известью, гидрофоби-зированной электродной смолой, выдерживает 10 циклов замораживания-оттаивания, в 2-5 раза увеличиваются показатели прочности при сжатии и растяжении в водонасыщенном состоянии, в 1,5 раза снижаются водонасыщение и объемное набухание.

6. Установлено, что образующаяся перфорированная плёнка электродной смолы на поверхности частиц извести замедляет процессы её гашения, поэтому кристаллообразование в грунте протекает более медленно, чем у негашёной извести, что снижает вероятность концентрации напряжений и образования дефектов структуры укреплённого грунта на начальных этапах твердения. Это позволяет за счёт ранее сформировавшихся кристаллических сростков создать своеобразный вектор направления в пространстве для роста, следующих кристаллов.

7. При укреплении суглинков гидрофобизированной известью методами структурного анализа установлено взаимодействие кремнеге-ля и алюмогеля с водным раствором щелочноземельных металлов, приводящее к образованию водостойких гидросиликатов и гидроалюминатов.

8. Разработан вариант усовершенствованной технологии получения гидрофобизированной извести для Курдайского известкового завода, предусматривающий замену битума предварительно обезвоженной электродной смолой, последующим перемешиванием комовой извести с электродной смолой и помолом.

9. Установлено, что при замене песка, укреплённого цементом (технологический слой), на грунт, укреплённый гидрофобизированной известью, согласно расчётным данным, полученным с использовани-

ем программного комплекса COSMOS/M, в основу которого положен метод конечных элементов, что нормальные напряжения снизились до 23 %, касательные - до 16 %, вертикальные перемещения - до 25 %. Прогнозируемое увеличение долговечности конструкции дорожных одежд составляет 1,5-2,0 раза.

10. Посредством применения экономико-математического моделирования определена технико-экономическая эффективность использования грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой, в конструктивном слое дорожной одежды. При этом расчётный экономический эффект строительных затрат в результате повышения в 1,5 раза межремонтного срока эксплуатации составил около 2,5 млн.руб. на 1 км дороги.

Список опубликованных по теме диссертации работ:

1. Левчановский Г.Н., Капустин Ю.Е., Таскаев О.Г. Состав для создания оснований и способ его изготовления// Заявка на авторское свидетельство №2000122381 от24 августа 2000г. 12с.

2. Матвиенко B.C., Таскаев О.Г. Исследования прочностных и дефор-мативных свойств грунтов земляного полотна автомобильных дорог укреплённых комплексными вяжущими на основе гидрофобной извести// Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития: Сб. науч. трудов. Новосибирск.: Изд-во СГУПСа, 2002. С.115.

3. Некоторые результаты исследования структуры естественных. и укреплённых известью грунтов/ Левчановский Г.Н., Матвиенко

B.C., Капустин Ю.Е., Таскаев О.Г.// Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них: Сб. науч. трудов. Барнаул.: Изд-во АлтГТУ, 2001.340 с.

4. Таскаев О.Г. Использование отходов промышленности в дорожной отрасли// Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири: Сб. науч. тр. Новосибирск.: Изд-во СГУПСа, 2003. С.77-84.

5. Таскаев О.Г. Утилизация некоторых видов отходов при укреплении грунтов // Социально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона: Тр. эколог, сем. Новосибирск, 2002.

C.99-104.

Подписано в печать 25.03.2004 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1224 Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191

üe -92 0 1

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Известь и её использование при укреплении грунтов

1.2 Современные представления о характеристиках компонентов грунта и взаимодействиях между ними в условиях укрепления известью

1.2.1 Свойства компонентов грунта

1.2.2 Свойства извести.

1.2.3 Современное представление о свойствах воды

1.2.4 Механизм взаимодействия компонентов грунта между собой

1.3 Механизмы взаимодействия укреплённого грунта.

1.3.1 Механизм взаимодействия негашёной извести и грунта

1.3.2 Роль гидрофобизатора при укреплении грунта гидрофобной известью.

1.4 Современные представления о механизме образования гидрофобизированной извести.

1.5 Рабочая гипотеза и задачи исследования.

ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Свойства исходных материалов.

2.1.1 Свойства смолы - отхода электродного производства.

2.1.2 Свойства исходной извести и грунта.

2.2 Схема причинно-следственных связей проведения экспериментов

2.3 Структурно-логическая схема исследований.

2.4 Математическое планирование эксперимента.

2.5 Методика исследований и приборы.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ СМОЛЫ НА СВОЙСТВА ИЗВЕСТИ И ГРУНТА.

3.1 Технология получения гидрофобизированной извести.

3.2 Свойства полученной извести

3.3 Влияние извести на физико-механические свойства грунта

3.3.1 Влияние извести на технологические свойства грунта

3.3.2 Влияние извести на прочностные свойства грунта.

3.3.3 Морозостойкость укреплённых грунтов.

3.3.4 Изменения во времени физико-механических свойств укреплённого грунта.

3.4 Влияние гидрофобизированной извести на деформационные свойства грунта.

ГЛАВА IV. ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ УКРЕПЛЕНИИ СУГЛИНКА ГИДРОФОБИЗИРОВАННОЙ ИЗВЕСТЬЮ.

4.1 Процессы, происходящие при помоле извести в присутствии электродной смолы.

4.2 Процессы, происходящие при укреплении суглинка гидрофобизированной известью.

4.3 Промышленное производство гидрофобизированной извести.

4.4 Технология производства работ.

4.5 Контроль качества.

ГЛАВА V. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.

5.1 Расчёт эффектов от применения грунта, укреплённого полученным вяжущим в конструкциях нежёстких дорожных одежд.

5.2 Технико-экономическое обоснование использования укреплённого грунта в конструкции дорожной одежды автомобильных дорог

Объём мирового строительства достигает 3 триллионов долларов, что выше общемировых затрат в других сферах деятельности, в том числе и на военные цели. В странах Европейского Союза (ЕС) на строительный сектор приходится 11 % валового внутреннего продукта, а на все промышленные отрасли стран ЕС — 40 %. В целом строительный сектор составляет четверть общего промышленного потенциала. Учитывая это, международный конгресс "Строительство и окружающая среда" (1998 г.) постановил считать важнейшими задачами на ближайшие 20-25 лет снижение энергоемкости строительства и уменьшение количества отходов и загрязнений окружающей среды на 50 % [16].

Особенностями дорожного хозяйства России как отрасли народного хозяйства в настоящее время являются [63, 77, 98]:

- Расширение сети автомобильных дорог, что требует значительных дополнительных затрат энергоресурсов на строительство дорог. В соответствии с "Концепцией государственной транспортной политики РФ" объем работ по строительству и коренной реконструкции магистральных федеральных дорог должен быть доведен до 1 300-1 500 км в год, территориальных дорог- до 13-15 тыс. км в год с последующим ростом до 20-30 тыс. км в год.

- Расширение работ по содержанию и ремонту автомобильных дорог: объем работ по модернизации и ремонту федеральных дорог должен быть доведен до 6-7 тыс. км в год, территориальных дорог - до 60-70 тыс. км.

- Необходимость резкого повышения качества строительства, ремонта и содержания, автомобильных дорог, что требует использования новых, современных материалов, обладающих высокими потребительскими качествами.

Следовательно, объем потребления топливно-энергетических ресурсов в отрасли должен и будет из года в год возрастать. Вместе с тем, дорожное хозяйство должно развиваться в русле государственной энергетической политики, требующей значительного сокращения потребления топливно-энергетических ресурсов. С целью выполнения поставленных перед отраслью задач по энергосбережению и разрешения сложившейся конфликтной ситуации Министерство транспорта Российской Федерации разработало проект, сформулированный в Указе Президента РФ от 7 мая 1995 г. №472 и Федеральной целевой программе "Энергосбережение России", утвержденной постановлением Правительства РФ от 24 января 1998 г. №80 [98].

За последние годы в дорожной отрасли Российской федерации наблюдаются тенденции устойчивого роста сети дорог, при этом общее состояние дорог в целом находится на достаточно низком уровне. Установлено, что три четверти дорог страны требуют срочного ремонта, свыше 70 % автодорог не приспособлены к движению современных большегрузных автомобилей. Из-за дефектов дорожной одежды и, как следствие, малой скорости автоперевозок объем упущенной выгоды оценивается в 10 млрд. долларов США ежегодно. Выявлено, что разрушения дорожных покрытий связаны с процессами, происходящими в грунтовом основании автомобильной дороги, сооруженном из местных грунтов. Влага, находящаяся в порах и пустотах, замерзая, сильно увеличивается в объеме. В результате поверхность покрытия подвергается морозному пучению[11, 114].

Весной ледяные линзы под дорожной одеждой тают. Происходит резкое обводнение верхнего слоя грунтового основания. Грунт под дорожной одеждой теряет несущую способность. В большинстве случаев именно поэтому и происходят неравномерные просадки дорожного покрытия. Под колесами движущегося транспорта просадки быстро увеличиваются, усиливая разрушение полотна. Несмотря на то, что в стране велась довольно интенсивная деятельность по разработке новых технологий, внедрение перспективных разработок было и остается крайне ограниченным и происходит, как правило, лишь на уровне отдельных хозяйств, но не отрасли в целом.

Такое же положение сложилось и в дорожной отрасли Новосибирской области (НСО). За последние пять лет в НСО сеть территориальных дорог увеличилась на 3,2 %, а с твёрдым покрытием - на 9,5 %. В области имеются также ведомственные дороги общей протяжённостью 4886 км, в том числе сельские внутрихозяйственные автодороги с общей протяжённостью свыше 2990 км. Согласно программе совершенствования и развития автомобильных дорог Новосибирской области на период до 2010 года, подготовленной рабочей группой специалистов-дорожников на основании поручения Администрации НСО, в дорожной сети автомобильных дорог произойдут качественные изменения (таблица 1). Темпы строительства будут возрастать, при этом доля автомобильных дорог низших категорий будет снижаться [77].

Таблица 1 - Объёмы работ по строительству и реконструкции дорог Новосибирской области

Автомобильные дороги Общее протяжение, км Намечено к строительству и реконструкции, км

Всего В том числе по периодам

2001-2005 г. 2006-2010 г. 2011-2020 г.

Федеральные дороги 918 529 219 163 147

Территориальные дороги 13641 7317 586 1421 5310

Итого 14559 7846 805 1584 5457

Сеть дорог НСО, как и всей России, может стать крупным потребителем отходов (объёмы потребления укреплённого грунта, без учёта реконструкции, строительства обочин, а также объёмов работ на ведомственных дорогах НСО составляет около 19,5 млн. т ( таблица 2)).

Таблица 2 - Объёмы возможного потребления грунта

Автомобильные дороги Объём возможного потребления грунта, тыс.т

Всего В том числе по периодам

2001-2005 г. || 2006-2010 г. 2011-2020 г.

Федеральные дороги 746 350 |j 62 334

Территориальные дороги 18764 1421 I 3570 13773

Итого 19510 1771 | 3632 14107

Использование традиционной конструкции дорожной одежды ведет к значительному увеличению потребления топливно-энергетических ресурсов и, как следствие, к их истощению. К числу недостатков несвязных каменных материалов следует отнести то, что они наиболее подвержены накоплению остаточных деформаций за счет истирания и доуплотнения [80].

Следует отметить, что только ограниченная часть щебеня в карьерах НСО, удовлетворяет требованиям дорожных норм [77]. Для повышения качества щебня необходимо обновление имеющегося и в ряде случаев приобретение специального оборудования. При сложившейся ситуации рассчитывать на повышение качества не приходится, поскольку имеется достаточный сбыт продукции, а перевооружение потребует больших капитальных затрат. Кроме этого, карьеры щебня расположены преимущественно в окрестностях г. Новосибирска, что приводит к значительным затратам энергии на транспортировку прочных каменных материалов и последующий ремонт дорог, по которым осуществляется транспортировка для отдалённых районов (Кыштовский, Татарский и т.д.).

Согласно оценкам территориального управления автомобильных дорог, техническое состояние территориальных автомобильных дорог Новосибирской области может расцениваться как критическое [77], что вызвано прежде всего повышением интенсивности воздействия временной вертикальной нагрузки.

Обследования дорог НСО показывают, что наиболее характерными являются такие разрушения полотна:

- просадки, появляющиеся в результате недостаточного уплотнения при строительстве и переувлажнения грунтов в процессе эксплуатации дорог;

- сползание откосов насыпей вследствие нарушения технологии их сооружения, плохого водоотвода с поверхности земляного полотна и недостаточного укрепления откосов, чувствительностью грунта к воздействию влаги;

- колеи и выбоины на проезжей части и обочинах, появляющиеся в результате недостаточной несущей способности земляного полотна и заездов транспортных средств на неукрепленные обочины [77].

Дороги НСО дорогие и затратные прежде всего потому, что уже на стадии проектно-изыскательских работ закладываются решения, часто неприемлемые для районов НСО; это приводит к использованию в рабочем слое земляного полотна смешанного, переувлажнённого или пучинистого грунта. Свое негативное действие оказывает также короткий сезон для дорожных работ.

Объём уже построенных и эксплуатируемых дорог растёт (таблица 1), на содержании находятся также и 3 ООО км грунтовых дорог. Соответственно возрастает и объём ремонтно-восстановительных работ, требующий вложения значительных средств в содержание дороги. В этих условиях особенно значительным может быть влияние пучинистого грунта, неблагоприятное воздействие которого должно быть по возможности снижено, особенно на дорогах НСО, находящихся преимущественно в II и III дорожно-климатической зоне, использованием грунта, укреплённого известью.

Энергоёмкость строительства автомобильных дорог может быть существенно снижена [72, 98, 115]:

- массовым использованием в конструктивных слоях менее энергоёмких материалов, например, укреплённых грунтов;

- использованием для укрепления грунтов из возможных вяжущих материалов наименее энергоёмких;

- более широким использованием в дорожном строительстве отходов промышленного производства.

Изучению процессов, происходящих в укреплённом известью грунте, посвящено большое число различных исследований [96, 97, 116] ив различных странах: Германия, США, Япония, Англия, Китай, в том числе и страны бывшего СССР. Имеется положительный опыт укрепления грунта известью, например, в Англии, есть и отрицательный - Япония. Последнее связано с конкретными климатическими условиями применения укреплённого грунта. Как правило, суждения о пригодности того или иного метода укрепления основаны на опыте использования опытных участков. При этом для дальнейшего применения используют эмпирические зависимости [5]. Значительная часть этих исследований ограничивается изучением процессов, происходящих в укреплённом грунте в период становления его структуры, и направлена на выработку мер технологического характера для получения высоких прочностных показателей [97, 98]. Использование различных типов исходных компонентов и методов оценки полученных результатов создаёт затруднения, а в отдельных случаях - делает невозможным сопоставление результатов, полученных разными исследователями.

В связи с этим, необходима разработка достаточно надёжного и обоснованного способа получения материала (укреплённый грунт) применительно к климатическим условиям Новосибирской области. В этом отношении наименее изученным является укрепление грунтов известью, предварительно обработанной отходом промышленного производства для придания ей гидрофобных и пластифицирующих свойств. Недостаточно исследован вопрос о процессах, происходящих в структуре укреплённого грунта с течением времени. До настоящего времени нет единой точки зрения о том, какие прочностные свойства укреплённого грунта являются определяющими при расчёте дорожной одежды. Так, общепринятые нормативные документы [18, 19, 67], рекомендуют к использованию местные материалы, используя усреднённые характеристики, что в ряде случаев может оказаться малоэффективным (особенно если использовать для укрепления смешанные грунты с изменяющимися во времени характеристиками вяжущего).

Решение поставленных вопросов важно как в научном, так и в практическом отношении. Актуальность проблемы особенно возросла в последние годы, в связи с ростом количества отходов - к 2005 году прогнозируется увеличение количества промышленных отходов по Новосибирской области в 2,6 раза по сравнению с 1998 годом [94].

В этих условиях в НСО возможность использования отходов для создания материала, обладающего свойствами, изменяющимися во времени в заданном направлении, приобретает актуальность и служит решению проблемы рационального использования материальных ресурсов и утилизации отходов.

Выполненная работа входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта в 2001-2002 г (Указание

М 2775у от 17 ноября 2000 г.). Создание материалов для стабилизации и упрочнения местных грунтов для возможности их использования при сооружении земляного полотна и основания дорожной одежды отнесено к разряду приоритетных, согласно «Концепции Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025года» утверждённой в 2004 году.

Цель работы. Разработка составов из грунта, укреплённого известью, гид-рофобизированной эффективным поверхностно-активным веществом - отходом электродного производства.

Объекты исследования - отход производства угольных электродов — электродная смола; известь, гидрофобизированная электродной смолой; суглинок, укреплённый гидрофобизированной известью.

Научная новизна работы заключатся в следующем:

- Впервые показана возможность укрепления суглинков известью, гидрофобизированной смолистыми отходами электродного производства, содержащими углеводороды ароматического характера, а также гетероциклические (азот, серу и кислородсодержащие) соединения.

- Установлено, что обработка извести поверхностно-активным веществом (ПАВ) - электродной смолой, способствует образованию на поверхности зёрен молотой негашёной извести перфорированной гидрофобной плёнки, регулирующей процессы воздушного и гидравлического твердения.

- Получены данные, об укреплении переувлажнённых суглинков гидрофобизированной известью с увеличением в 1,5-2 раза показателей прочности при сжатии и на растяжении в водонасыщенном состоянии, математические зависимости, позволяющие оценивать модуль деформации укреплённого грунта.

- Определено, что гидрофобизирующая добавка электродной смолы в укреплённом грунте увеличивает временной интервал кристаллообразования, что способствует повышению прочностных и деформационных характеристик грунта.

Практическая значимость работы определяется следующим:

- Разработаны составы и технология гидрофобизации извести отходами производства угольных электродов (электродной смолы).

- Разработаны составы грунтов основания дорог (заявка на патент РФ), укреплённых известью, гидрофобизированной электродной смолой, и технология их получения.

- Предложен вариант утилизации отходов электродной промышленности (электродной смолы).

- Разработан алгоритм по реализации оценки эффектов укрепления грунта с использованием метода конечных элементов.

В представленной работе автор защищает:

- Технологию и составы гидрофобизированной извести, полученной с использованием электродной смолы.

- Экспериментальные данные по свойствам грунтов, укреплённых разработанным вяжущим, обладающим гидрофобно-пластифицирующими гпойстлами. ь

- Методы оценки полученных эффектов с помощью программного комплекса на основе метода конечных элементов.

Особенностью работы является комплексность изучения свойств укреплённого грунта и оценка их относительной информативности с позиций работы грунта в условиях приближённых к реальной ситуации.

Достоверность основных результатов работы подтверждена использованием стандартных методов исследования, проведением экспериментальных измерений с контролируемой точностью, статистической обработкой экспериментальных результатов, использованием современных компьютерных технологий, обеспечивающих заданный уровень надёжности результатов расчётов.

Апробация результатов работы осуществлена на совещаниях, научных и научно-практических конференциях территориального, регионального и федерального уровней:

- на Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» в г. Барнауле (2001г.) [62];

- на экологическом семинаре «Социально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона» в г. Новосибирске (2002 г.) [94];

- на региональной научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития» в г. Новосибирске (2002 г.) [93].

Результаты исследований опубликованы в 6 статьях и использованы в дипломном проекте «Реконструкция автомобильной дороги на участке Северное-Биаза». По материалам исследований составлена заявка на патент РФ (имеется положительное решение о выдаче патента от 03.06.03) [54], предусмотрено практическое внедрение в 2004г. на автомобильной дороге А-166 Чита-Забайкальск км 374+375 - км 401+402 (Приложение А).

Исследования проводились в лабораториях кафедр сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) «Строительные материалы», «Строительная механика», дополнительные исследования проводились в лабораториях ОАО «Новосибирского сельского строительного комбината» (НССК), сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС), объединённого института геологии, геофизики и минералогии (СО РАН ОИГГМ), института химии твёрдого тела и механохимии (СО РАН ИХТТМ).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ составов и свойств материалов, применяемых для укрепления грунтов рабочего слоя земляного полотна и дорожных одежд, показывает, что наиболее эффективным материалом является гидрофобная известь. Используемые в настоящее время гидрофобизирующие добавки на основе битума не в полной мере выполняют эту роль, это связано с большим расходом гидрофобизатора и усложнением технологии для получения оптимальной дозировки.

2. Разработан состав гидрофобизации негашёной извести поверхностно-активным веществом - смолистым отходом электродного производства, представляющим собой продукт пиролиза каменноугольного пека массовой долей 2,5-3 %, и упрощённый способ его изготовления.

3. Установлено, что гидрофобизация извести электродной смолой способствует снижению в 1,5-2 раза реакционной способности негашёной извести в условиях действия атмосферной влаги. При этом повышаются гидрофоб-но-пластифицирующие свойства вяжущего, что очень важно при укреплении переувлажнённых грунтов.

4. Определено методами математического моделирования оптимальное количество гидрофобизирующего вяжущего массовая доля 5-6 % для укрепления тяжёлого пылеватого суглинка.

5. Экспериментально доказана высокая эффективность применения электродной смолы в качестве гидрофобизирующей добавки по сравнению с битумом. Грунт, укреплённый известью, гидрофобизированной электродной смолой, выдерживает 10 циклов замораживания-оттаивания, в 2-5 раза увеличиваются показатели прочности при сжатии и растяжении в водона-сыщенном состоянии, в 1,5 раза снижаются водонасыщение и объёмное набухание.

6. Установлено, что образующаяся перфорированная плёнка электродной смолы на поверхности частиц извести замедляет процессы её гашения, поэтому кристаллообразование в грунте протекает более медленно, чем у негашёной извести, что снижает вероятность концентрации напряжений и образования дефектов структуры укреплённого грунта на начальных этапах твердения. Это позволяет за счёт ранее сформировавшихся кристаллических сростков создать своеобразный вектор направления в пространстве для роста следующих кристаллов.

7. При укреплении суглинков гидрофобизированной известью, методами структурного анализа установлено взаимодействие кремнегеля и алюмоге-ля с водным раствором щелочноземельных металлов, приводящее к образованию водостойких гидросиликатов и гидроалюминатов.

8. Разработан вариант усовершенствованной технологии получения гидрофобизированной извести для Курдайского известкового завода, предусматривающий замену битума предварительно обезвоженной электродной смолой с последующим перемешиванием комовой извести и электродной смолой и помолом.

9. Установлено, что при замене песка, укреплённого цементом (технологический слой), на грунт, укреплённый гидрофобизированной известью, согласно расчётным данным, полученным с использованием программного комплекса COSMOS/M, в основу которого положен метод конечных элементов, что нормальные напряжения снизились до 23 %, касательные - до 16 %, вертикальные перемещения - до 25 %. Прогнозируемое увеличение долговечности конструкции дорожных одежд составляет 1,5-2,0 раза.

10. Посредством применения экономико-математического моделирования определена технико-экономическая эффективность использования грунта, укреплённого известью, гидрофобизированной электродной смолой, в конструктивном слое дорожной одежды. При этом расчётный экономический эффект строительных затрат в результате повышения в 1,5 раза межремонтного срока эксплуатации составил около 2,5 млн.руб. на 1 км дороги.

1. Адлер Ю.П., Маркова В.Е., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., 1976. 234с.

2. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. 464с.

3. Бабаев В. И., Королев И. В. Технические поверхностно-активные вещества из вторичных ресурсов в дорожном строительстве./Под ред. Королева И. В. М.: Транспорт. 1991.144с.

4. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М.,1986. 328с

5. Бахрах Г.С. Модель оценки срока службы дорожной одежды нежёсткого типа // Наука и техника в дорожной отрасли. 2002. №2. С. 17-20.

6. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. М., 1956. 180с.

7. Безрук В.М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. М., 1971.280с.

8. Белоусов Б.В. Совершенствование норм проектирования долговечных дорожных одежд// Пути повышения надёжности и прочности автомобильных дорог в условиях Западной Сибири: Тез.докл. науч.-практич. конф. Тюмень., 2002. С. 22-25.

9. Борисова Е.Г. Основы методики лабораторных исследований при искусственном укреплении грунтов. М., 1954, 254с.

10. Борисова Е.Г. Теоретические основы цементации грунтов известью// Сб. Грунтоведение/ МГУ. 1953, Кн.З. С. 102-144.

11. Васильев С.А. Экологическая экспертиза: десять лет практики// Экологический вестник Москвы. 1998. №9. С. 25-30.

12. Вознесенский В.А. Статистические решения в технологических задачах. Кишинёв.: 1969. 234 с.

13. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М., 1974.194с.

14. Вопросы производства и качества нефтяных битумов/ Фрязинов В.В., Печёный Б.Г., Махов А.Ф., Кушнир И.Л., Железко Е.П., Губка В.М., Горыш-кин И.С. // Сб. науч. тр. Баш НИИНП / Уфа.: Башкнигоиздат, 1976. Вып. 15, С. 61-67.

15. Вопросы уточнения норм проектирования и строительства земляного по-лотна«Наука и техника в дорожной отрасли»,№1 1999 г., Москва, Издательство «Дороги», 1999 г. С.13-15.

16. Всемирный банк: Справочное пособие по экологической оценке. Вашингтон., 1991. Т. 1-3.

17. ВСН 21 83. Указания по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1985. 26с.

18. ВСН 158-69. Технические указания по комплексным методам укрепления грунтов цементом с применением добавок химических веществ при устройстве дорожных и аэродромных оснований и покрытий. М., 1969. 26 с.

19. ВСН 185-75. Технические указания по использованию зол уноса и золош-лаковых смесей от сжигания различных видов твёрдого топлива для сооружения земляного полотна и устройства дорожных оснований и покрытий автомобильных дорог. М.,1975. 26 с.

20. ВСН 197-91. Инструкция по проектированию жёстких дорожных одежд. М.,1992. 86с.

21. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 25-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1986. 704с.

22. Глубокая переработка углеводородного сырья/ Хайрудинов И.Р., Кутьин Ю.А., Каракуц В.Н., Сайфуллин Н.Р., Мингараев С.С., Бикбулатов М.С., Султанов Ф.М.// Сб. науч. тр. ХНИЛ УНИ ФОХ / М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1993. С.91-94.

23. Глуховский В.Д. Щелочные и щелочно-щелочноземельные гидравлические вяжущие и бетоны. Киев., 1979. 232с.

24. Глуховский В.Д. Вяжущие и композиционные материалы контактного твердения. М.,1991. 288с.

25. Гончарова JI.B. Основы искусственного улучшения грунтов. М.,1973. 375с.

26. Горшков B.C., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ: Учеб. пособие.- М.: Высш. школа, 1981. 335с.

27. ГОСТ 21.511-83. Система проектной документации для строительства: Автомобильные дороги. Земляное полотно и дорожная одежда. Рабочие чертежи. М., 1984. 26 с.

28. ГОСТ 310.2-76. Цементы. Методы определения тонкости помола. М.,1978. 5с.

29. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.,1984. 23с.

30. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний. М., 1989. 21с.

31. ГОСТ 12784-78. Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей. Методы испытаний. М.,1980. 13с.

32. ГОСТ 12801-98.Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. М., 1999. 30с.

33. ГОСТ22688-77.Известь строительная. Методы испытаний. М., 1979. 15с.

34. ГОСТ 22733-77. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности. М., 1978. 10с.

35. ГОСТ 23558-94. Смеси щебёночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. М.,1995.15с.

36. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.,1995. 27с.

37. ГОСТ 30491-97. Смеси оргаиоминеральные и грунты, укреплённые органическим вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. М., 1997. 20с.

38. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М.: Химия, 1989. 432с.

39. Денисов Н.Я., Ребиндер П.А. О коллоидно-химической природе связности глинистых пород//Доклады АН СССР, М., 1946., т.6.

40. Добшиц JI.M. Пути получения морозостойких бетонов транспортных сооружений// Ж. -д. транспорт. Сер. Строительство. Проектирование:/ М., 2000. Вып. 1.С. 138.

41. Добшиц J1.M. Ресурсосберегающий способ подбора состава цементных бетонов// Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте/ Тез. док. научно-практической конф. М.: Изд-во МИИТа, 1998, С. 1-5.

42. Дорожный асфальтобетон/JI.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, А.М.Богуславский, И.В.Королёв. Под.ред. Л.Б.Гезенцвея.-2-е изд.,перераб. и доп.-М.:Транспорт, 1985. 350с.

43. Дружинин Г.В. Методы оценки и прогнозирования качества. М.: Радио и связь, 1982, с.26-27.

44. Индексы цен в строительстве/ Новосибирск., 2002.Вып. 24. 34с.

45. Иерусалимская М.Ф. Гидрофобная известь и её применение при строительстве дорожных одежд// Тр. Союздорнии. 1966, Вып. 14, С.39 59.

46. Иерусалимская М.Ф., Барам М.Е. Укрепление несвязных грунтов битумными эмульсиями// Тр. Союздорнии. 1968, Вып.24, С.24 30.

47. Инструкция по применению грунтов, укреплённых вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дороги аэродромов СН 25-74/ Стройиздат. М., 1975. 130с.

48. Информационно-аналитический бюллетень стоимости ресурсов в строительстве/ Новосибирск., 2002. Вып. 41. 170с.

49. Каганович В.Е., Шакулова Н.Г. Технико-экономическое обоснование проектирования нежёстких дорожных одежд. Омск., 1986. 76с.

50. Красильников К.Г., Никитина Л.В., Скоблинская Н.Н. Физико-химия собственных деформаций цементного камня. М.: Стройиздат, 1980. 256с.

51. Кутьин Ю.А., Хайрудинов И.Р., Биктимирова Т.Г., Имашев У.Б. Рациональные направления производства дорожных битумов // Башкирский химический журнал. 1996. №3. Т.З. С.27-32.

52. Левчановский Г.Н., Капустин Ю.Е., Таскаев О.Г. Состав для создания оснований и способ его изготовления// Заявка на авторское свидетельство №2000122381 от24 августа 2000г. 12с.

53. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов.-2-е изд.,перераб. и доп. М.: Высш.шк.,1988.-239с.

54. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996.246с.

55. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии М., 1968. 634с.

56. Методические указания по применению идеи и методов математической теории эксперимента в исследованиях по технологии и материаловедению. Сост. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л. Одесса-София.: ОИ-СИ, 1984. 74с.

57. Методы исследования цементного камня и бетона. Методическое пособие по применению световой и электронной микроскопии калориметрического рентгенографического и дифференциально-термического метода/ Под ред. к.т.н. З.М.Ларионовой М., 1970. 160с.

58. Могилевич В.М., Щербакова Р.П., Тюменцева О.В. Дорожные одежды из цементогрунта. М.: Транспорт, 1973. 214с.

59. Налимов В.В., Голикова Т.Н. Логические основания планирования эксперимента. М., 1981.154с.

60. Немчинов М.В., Микрин В.И., Евгеньев Г.И. Энергосбережение в дорожном хозяйстве и программа его осуществления // Энергосбережение. 2001. №3.

61. Нерпин С.В., Петрова З.М. Физическая активация водных систем и биологических объектов// Труды по агрономической физике. Л., 1979. С. 26-32.

62. Овчаренко Г.И. Цеолиты в строительных материалах. Барнаул., 1995. Т.1-2.

63. ОДМ 2001. Руководство по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) при проектировании, строительстве, реконструкции, эксплуатации объектов дорожного хозяйства. М., 2001. 176с.

64. ОДН 218.046 01. Проектирование нежёстких дорожных одежд. М.,2001. 186с.

65. Охотин В.В. Физические и механические свойства грунтов в зависимости от их минералогического состава и степени дисперсности. М., 1937. 356с.

66. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 г.// Центр международных проектов: Государственный доклад. М.: Госко-мэкология РФ, 1997. 68с.

67. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. 257с.

68. Печёный Б.Г. Долговечность битумов и битумно-минеральных покрытий. М.: Стройиздат, 1981. 123 с.

69. Прейскурант № 10-01. Тарифы на грузовые железнодорожные перевоз-ки.М.,1994. Ч. 1-2.

70. Прейскурант № 13-01-01. Тарифы на перевозку грузов и другие услуги, выполняемые автомобильным транспортом.М.,1989. 54с.

71. Применение математических методов для исследования многокомпонентных систем. М.,1974, 178с.

72. Программа совершенствования и развития автомобильных дорог Новосибирской области на период до 2010 года (с прогнозом до 2020 года). Новосибирск 2000.90с.

73. Путилин Е.И., Ястребова JI.H. Размельчение глинистых грунтов и влияние агрегатного состава на физико-механические свойства этих грунтов, укреплённых вяжущими материалами//Тр. Союздорнии/ 1968. вып.25. 150с.

74. Радовский Б.С., Мерзликин А.Е. Определение нормативных сроков службы транспортных сооружений при проектировании//Наука и техника в дорожной отрасли. 1998. №3. С.9-12.

75. Распределение энергии воздействия движущегося транспорта в элементах системы «дорожная конструкция грунт»/ С. К. Илиополов, М.Г.Селезнёв, А.А. Ляпин, Е.В. Углова// Наука и техника в дорожной отрасли. 2001. №9. С.14-16.

76. Расчёт шаровой мельницы при производстве вяжущих/Панова В.П., Мок-ляк А.В., Панов С.А Новокузнецк.: Изд-во СибГИУ, 1999. 17с.

77. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика как основа закрепления грунтов в дорожном строительстве и производстве строительных материалов на основе грунтов//Труды Совещания по теоретическим основам технической мелиорации грунтов/МГУ. 1961. С. 11-20.

78. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966, С.3-28.

79. Сватовская Л.Б., Сычёв М.М. Активированное твердение цементов. Л.:Стройиздат, 1983. 164с.

80. Секулович М. Метод конечных элементов/Пер. с серб. Ю.Н.Зуева; Под. ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат,1993. 664с.

81. Серия 3.503-71/88. Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования. Материалы для проектирования. М., 1988. 128 с.

82. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. М., 1987. 74с.

83. СНиП 3.06.03-85. Автомобильные дороги. М., 1986. 96с.

84. СНиП 4.02-91; 4.05-91. Сборники сметных норм и расценок на строительные работы. Сборник27 Автомобильные работы. М.,1993.130с.

85. СТП ТУАД 32-03-2000. Расчётные значения глинистых грунтов земляного полотна для проектирования по условиям морозоустойчивости и прочности нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Новосибирской области. Новосибирск., 2000. 32с.

86. Сычёв M.M. Неорганические клеи. Л.: Химия, 1974. 160с.

87. Танабе К. Твёрдые кислоты и основания. М.: Мир, 1974.

88. ТаскаевО.Г. Использование отходов промышленности в дорожной отрасли//Сб. науч. тр./ Сиб. гос. ун-т путей сообщения. 2001. С.91-100.

89. Таскаев О.Г. Утилизация некоторых видов отходов при укреплении грунтов // Социально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона: Тр. эколог, сем. Новосибирск, 2002. С.99-104.

90. Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог. М., 2000. 101 с.

91. Укрепление грунтов известью в дорожном и аэродромном строительстве. Левчановский Г.Н., Марков Л.А., Попандопуло Г.А., М., «Транспорт», 1977, 149с.

92. Укреплённые грунты. (Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве)/В.М. Безрук, И.Л.Гурячков, Т.М.Луканина, Р.А.Агапова.-М.:Транспорт, 1982. 231с.

93. Федеральная целевая программа «Энергосбережение России» (1995-2000 гг.). Утверждена Постановлением Правительства РФ от 24 января 1998 г. № 80. М.: Минтопэнерго РФ, 1998.

94. Хигерович М.И. Гидрофобный цемент. М.: Промстройиздат, 1950, с. 3-43.

95. Хигерович М.И., Меркин А.П.Физико-химические и физические методы исследования строительных материалов. М.:Высшая школа,1968. 194с.

96. Цытович Н.А. Механика фунтов. М., 1973. 280с.

97. Шестопёров С.В. Технология бетона. М., 1977.436 с.

98. Эффективность применения цементобетона при строительстве автомобильных дорог/ В.П. Носов, М.С. Коганзон, Л.А. Феднер, A.M. Шейнин, С.В. Эккель// Наука и техника в дорожной отрасли. 1999. №1. С. 16-18.

99. Юнг В.Н. Теория твердения известково-пуцолановых цементов. М.:Промстройиздат, 1936, с. 4-9.

100. Ястребова Л.Н. Методы укрепления переувлажнённых грунтов органическими вяжущими. М.:Автотрансиздат, 1962. С.4-9.

101. Ястребова Л.Н., Плотникова И.Я. Процессы структурообразования грунтов с битумными эмульсиями и влияние на них природы эмульгатора// Тр.Союздорнии. 1965. Вып.5. С.70-88.

102. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures // American Associations of State Highway and Transportation Officials. Washington DC. 1993.

103. Bonde J. and Cherp A. Quality Review Package for Strategic Environmental Assessments of Land Use Plans // Impact Assessment and Project Appraisal, 2000.№3.

104. Brand W. Die Bodenstabilisierung mit Kalk/ Strassen und Autobahn. 1958, No 11, s. 73-76.

105. Eades J.L.,Nichols F.P., Grim R.E. Formation of New Minerals with Lime Stabilization as Proven by Field Experiments in Virginia. HRB., 1962. Bull. 335.

106. Hilt G.H., Davidson D.T. Isolation and Investigation of a lime Montmorilonite Crystalline Reaction Product. HRB., 1961. Bull.304.

107. Ormsby W.C., Bolz L.H. Kaolin lime - water Systems // Public Roads - journal of Higway Research. 1968 n.2. vol.32.

108. Pachowski J. Popioty lotne i ich zastosowanie w budownichwie drogowym// Wydawnietwa komunikasji i ta cznosci/ Warczawa. 1976. 238 p.

109. Proposal for a Good Practice Guide on Sustainability Appraisal of the regional Planning Guidance// DETR (Department of Environment, Transport and Regions. UK)/ London., 1999.

110. Lee, N. and George, C. (Eds.), 2000. Environmental Assessment in Developing and Transitional Countries. Wiley, Chichester. 2000.

111. Sherwood P.T. Views of the Road Research Laboratory on Soil Stabilization in the V.K. Cement, lime and gravel, vol.42, n.9, 1967.