автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Использование гранулированных укрепленных связных грунтов для повышения работоспособности оснований дорожных одежд

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (СОЮЗДОРНШ)

МЕДВЕДЕВ НИКОЛАЙ ВИКТОРОВИЧ

УДК 624 о131.22:624,138: 625,731

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ УКРЕПЛЕННЫХ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность 05.23.05 - "Строительные материалы

и изделия"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Москва - 1990

Работа выполнена в Государственном всесоюзном дорожном научно-исследовательском институте (Союздорнии).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Н.В.Горелышев

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор М.Н.Першин

- кандидат технических наук Ь.С.Цветков

Ведущая организация - ПРСО йосавтодор

Защита состоится декабря 1990 года в н часов

на заседании специализированного совета ВАК СССР К. 133.02.01 при Государственном всесоюзном дорожном научно-исследовательском институте (Союздорнии) по адресу: Московская область, г.Балашиха-6, аоссе Энтузиастов, 79, Союздорнии, актовый пал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Союздорнии.

Просим принять участие в работе совета или направить отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 143900, Московская область, г.Балашиха-6, Союздорнии, ученый совет.

Справки по телефону 521-22-38.

Автореферат разослан " ДЗ " X! 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., с.н.с.

.Марышев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуатьноеть работы. Государственная программа строительства я реконструкции автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РОЮР ("Дороги Нечерноземья") предусматривает ввод в действие до 1Э25 г. 175-200 тыс.км внутрихозяйственных дорог. Значительные объемы строительства требуют рационального использования каменных материалов, вяжуцих, строительной техники и транспорта. Одним из путей решения данной проблемы является более широкое использо-Еание укрепленных грунтов. Наибольшее распространение из них в практике дорожного строительства получил цементогрунт, 70-летний опыт использования которого выявил наряду с положительннми качествами материала и его недостатки, в частности слабую морозостойкость и трециностойкость, особенно это касается связных грунтов с числом пластичности более 7. Наличие многочисленных предложений, направленных на повышение качества укрепленных цементом грунтов, свидетельствует о незавершенности работы в этом направлении.

Цель работы. Повышение трещиностойкости, однородности, морозостойкости и сопротивления динамическим нагрузкам оснований дорожных одежд из связных грунтов, укрепленных портландцементом.

На защиту выносятся:

теоретические основы формирования дискретной структуры слоя из гранулированного цементогрунта;

результаты экспериментальных исследований свойств гранулированного цементогрунта.

Научная новизна. Сформулирована и экспериментально подтверждена гипотеза превращения монолитной структуры дорожных оснований из цементогрунта в дискретную с целью повысить работоспособность оснований путем исключения возможности растрескивания слоя на блоки. Новизна данного решения подтверждена авторским свидетельством Ш 1310467 (СССР) от 21 октября 1983 г.

Разработаны основы формирования дискретной структуры слоя из укрепленного грунта,вхлючаюцие:

гринцип подбора и последовательность применения вяжущих;

регулирование зернового состава гранулированного цементогрун-

та;

технологию гранулирования цементогрунтовой смеси с последующей обработкой окатышей жидким битумом;

способ изменения вида контакта зерен от точечного до поверхностного.

Обоснованы и сформулированы требования к прочности зерен гранулированного цементогрунта.

Исследованы работоспособность гранулированного цементогрунта под динамическими нагрузками и напряженно-дефэрмированное состояние песчаного подстилающего слоя, расположенного под ним.

Практическая ценность. Использование гранулированного цемен-тогрупта в качестве магериала слоя основания решает проблему трещгаюстойкости, повшгает работоспособность слоя из укрепленного материала, позволяет сире использовать связные грунты, сникает потребность в каменном материале и дает возможность упростить конструкцию дородной одежды.

Реализация работа. Результаты исследований отражены в "Рекомендациях по технологии гранулирования укрепленных цементной пылью и неокисленным гудроном грунтов ССР Молдова для оснований дородных одежд". (Союздорнии. М., 1989). Рекомендации при-'нятн рдя применения Межхозяйственнкм специализированным трестом "Агродорстроя" производственного объединения "Агропромстрой" Росагропрома ССР Молдова.

Апробация работы. Различные этапы исследований доложены на 41-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (г.Москва, 1983 г.), XI Всесоюзной научно-исследовательской конференции "Перспективные экономичные и долговечные конструкции автомобильных дорог и технология их сооружения" (г.Москва, 1987 г.), научно-технической конференции "Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР" (г.Владимир, 1987 г.), региональной научно-технической конференции "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог" (г.Суздаль, 1989 г.), научнс методическом совещании секции Ученого совета № 2 Союздорнии

[г.Балашиха, 1990 г.).

Публикации. Материалы исследований отражены в 5 опубликованных статьях и рекомендациях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 160 наименований, в том числе 12 на иностранных языках. Общий объем работы включает 107 страниц малмнописного текста, 38 иллюстраций и 46 таблиц.

СХТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования и эксперименты, проведенные в 20-50-х годах М.М.Филатовым, В.В.Охотиным, П.А.Земятченским, Н.Н.Ивановым, С.С.Морозовым, В.М.Безруком, В.Г.Самойловки, А.Я.Тулаевым, А.И.Лысихиной и др.,создали основы теории и способствовали производственному внедрении укрепленных грунтов в дорожном строительстве.

Наибольшее распространение в дорожном строительстве получил грунт, укрепленный цементом (цементогрунт), который наряду с достоинствами обладав! тем не менее рядои недостатков, такими как слабая водо-,мороэо- и трегциностойкость, что снижает модуль упругости конструкции в целом и вызывает копирование трещин на асфальтобетонном покрытии. Последний недостаток, как наиболее существенный, привел к усложнению конструкции - устройству трещи-нопрерьшащего слоя между основанием и покрытием.

Вопросам повышения качества цементогрунта были посвящены работы В.М.Безрука, А.С.Еяеновича, В.Г.Самойлова, А.И.Лысихиной, А.Я.Тулаева, М.Г.Кострико, Р.А.Коко, Н.М.Виленниной, В.А.Филатова, Е.И.Путилина, Н.Ф.Мищенко, Ю.М.Васильева и других исследователей. Однако проблема однородности и трещиностойкости особенно связных грунтов, укрепленных цементом, полностью не решена.

Ограниченное использование связных грунтов-кроме выше указанных недостатков, обусловлено также технологическими трудностями приготовления смеси. Однако эта проблема в промышленности строительных материалов успешно решена (пример, при производстве керамзита) , что указывает на целесообразность использования накопленного опыта в дорожном строительстве.

Настоящая работа выполнена в развитие исследований, направленных на решение вопросов трещиностойкости, повышения однородности, водо-, морозостойкости и работоспособности слоя из смеси связного грунта с портландцементом.

Была принята следующая рабочая гипотеза.

Для исключения возможности разрушения слоя из цементогрунта на блоки необходимо изменить монолитную структуру слоя в дискретную, подобно слою гравия или щебня, путем гранулирования цементогрунта с последующей обработкой гранул органическим материалом. Уплотнение слоя из гранулированного цементогрунта до начала твердения приводит к пластичному изменению формы гранул из шаровидной в многогранную. Плотноупакованные многогранные зерна будут контактировать совпадающими поверхностями, что позволит избежать концентрации напряжений, возникающих при точечном контактировании шаровидных гранул, а оболочка из органического' материала исключит слипание зерен цементогрунта и будет выполнять роль демпфера и гидрофобной оболочки одновременно.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Отработать процесс гранулирования связных грунтов, укрепленных цементом, с уточнением исходной сырьевой базы.

2. Исследовать физико-механические свойства гранулированного цементогрунта.

3. Исследовать напряженно-деформированное состояние гранул и слоя дискретной структуры и определить работоспособность слоя при многократном повторном нагружении.

Решение поставленных задач позволит шире использовать связные грунты, упростить конструкции дорожной одежды (отпадает необходимость в трещинопрерывалцем слое), предотвратить растрескивание основания из цементогрунта на блоки и копирование трещин основания на асфальтобетонном покрытии, повысить работоспособность конструкции дорожной одежды в целом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СЛОЯ ИЗ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЦЕМЕНТОГРУНТА

Практический опыт использования слоев оснований из цементогрунта показал, что приготовить монолитный, трещиностойкий, одно-

родный слой из цементогрунта в настоящее время невозможно и его разрушение на блоки неизбежно. Основная причина низкой морозостойкости и~ трещиностойкости оснований из монолитного цементогрунта заключается в неоднородности слоя по структуре и плотности вследствие значительной неравномерности распределения вяжущего, наличия-неукрепленных агрегатов, которые снижают прочность укрепленного материала на 20-40%. Таким образом, единственный путь, который позволит решить данную проблему,- это направленное струк-турообразояяние слоя путем придания ему организационной дискретности.

Попытки придать цементогрунтовому слою хаотичную дискретность делались еще в 70-х годах А.С.Сахновским путем разрушения затвердевшего цементогрунтового слоя на'агрегаты с последующим розливом органического материала, перемешиванием и уплотнением полученной сяеси.

В настоящей работе рассматривается направленное структурооб-разовягаге слоя за счет предварительного гранулирования еде незат-вердесзгей цементогрунтовой смеси с последующей обработкой окатышей органическим материалом и уплотнением их в период, когда они сохраняют пластичность.

Для приготовления гранулированного цементогрунта были приняты наиболее распространенные минеральные и органические вяжущие. Каждый из этих видов вяжущих при смешении с грунтом образует определенный, хорошо изученный тип структуры, а накопленный опыт является основой для направленного формирования предлагаемого дискретного укрепленного слоя.

Анализ литературных данных показывает, что смесь цементогрунта должна быть уплотнена не позднее 3-4 ч с момента ее приготовления. Следовательно, можно полагать, что в указанном временном интервале гранулы будут сохранять требуемые пластические свойства, что позволит заменить точечный вид контакта зерен, характерный для .щебня или гравия, на контакт совпадающими поверхностями.

Известно, что наиболее вероятное число контактов хаотично упакованных шаровидных тел равно 8, а при плотной упаковке - 12. Поэтому в процессе деформации пластичных гранул при уплотнении, образуются зерна с количеством боковых контактных поверхностей

от 8 (октаэдр) до 12 (додекаэдр). Проведенный теоретический расчет показал, что пластическая деформация позволяет увеличить площадь контакта между зернами при переходе от шара к многограннику в 23-100 раз при образовании октаэдра и в 14-63 раза - многогранника типа додекаэдра и одновременно получить плотноупакованный слой из одномерных зерен; при этом увеличение радиуса гранул приводит к росту соотношения размеров контактных поверхностей, что подтверждает целесообразность использования гранул размером примерно 20-30 мм.

Расчет однородности напряженно-деформированного состояния зерен дискретного слоя позволяет сделать вывод о том, что если в конструктивном слое будет использован гранулированный цементогрунт с одноразмерными гранулами (например, 20^2 мм), то требования к прочности его зерен могут быть в 16 раз ниже, чем используемого щебня или гравия.

Для того чтобы исключить слипание гранул, придать слою дискретность и создать демпферную зону между зернами, гранулы необходимо обработать жидким битумом. Портландцемент, который предназначен для создания прочной кристаллизационной структуры зерна, одновременно улучшает адгезию органического материала к поверхности окатша. Таким образом, эти вяжущие создадут на поверхности гранулы коагуляционно-кристаллизационную структуру, которая при уплотнении будет играть роль смазки, а после твердения цементо-грунга явится демпферной зоной, снижающей абразивное воздействие зерен друг на друга, уменьшит концентрацию напряжений и будет играть роль гидрофобной оболочки.

В то же время предел прочности при растяжении оболочки из органического материала на зернах из гранулированного цементо-грунта должен быть значительно меньше, чем у самих зерен, во избежание их разрушения при изгибе или растяжении конструктивного слоя.

Таким образом, чтобы создать плотную, однородную структуру дискретного цементогрунтового слоя, необходимо:

в качестве материала для гранул использовать цементогрунт 1-П класса прочности;

изменить вид контакта гранул за счет их пластической деформации в зерна в течение 3-4 ч после их изготовления;

придать слою дискретность, а между зернами создать декпфер-iyn зону путем предварительной обработки гранул жидким битумом;

гранулы, уплотняемые в слой, должны быть одного размера например, 20^2 мм).

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕРЕН И СЛОЕВ ДИСКРЕТНОГО МАТЕРИАЛА НА П0ЛЯРИЗАЦИ0НН0-ОПТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ

Фотоупругость является экспериментальным методом анализа гапряжений, основанным на поляризагионно-оптических свойствах материала, позволяющих наблюдать на экране прибора изоклины (линии завных нормальных напряжений) и изохромы (лиши равных касательных гапряжений). Рассмотрение изохром дает возможность вычислять раз-юсть главных напряжений в любой точке зерна и таким образом заявлять наиболее опасные места моделей.

Из эпоксидной смолы ЭД-20 и огвердителя - малеинового ангид-эида - были изготовлены модели зерен. Зерно щебня (гравия) имело зид цилиндра, а гранулированного материала - шестигранной призш. Течение этих моделей (рис. I) дает возможность определять концентрацию напряжений как при точечном контактировании (см. рис. [,а), так и при взаимодействии поверхностями (см. рис. 1,6).

а) б)

ш

Рис. I. Сечение моделей дискретных слоев с точечным

контактом (а), характерным для гравия или щебня, и с контактом совпадающими поверхностями (б), характерным для гранулированного цементогрунта

Модуль упругости используемого поляризационно-оптического

материа/т бнл ранен 200 МПа, что близко к этому же параметру це-кентогрунта.

В -исследовании быяи определены:

влияние вида контакта на напряженно-деформированное состояние зерен;

однородность напряженно-дефор:шрованного состояния зерен в

слое;

распрзделящся способность слоев дискретной структуры и организационной дискретной структуры.

Вря анализе кситвкшш ннпрягений расчет проводится обычно по опасной точке, и гозтоцу в исследовании бши определены макси-Егжькые кссетсльнез напряжения в опасней точке зерна.

Результата иссгсдованнй напряженно-деформированного состояния зерен в зависимости от вида контакта приведены в табл. I. Из приведенных данных видно, что за счет изменения вида контакта можно почти в 4,5 раза снизить напряжения в зерне и повысить однородность его напряаенно-дефорглфОЕгшого состояния;.путем устранения ЯЕ1Ю вырелюнной опасной точки.

Таблица I

Прилогенная нагрузка, Число полос Расстояние до опасной точки, мм Максимальное касательное напряжение в опасной точке, МПа

в цилинд- в нее- 1в ци- в шести- в цилинд- в шести-

ре тигрет-линдре гранни- ре граннике

ншге ке

200 400 600 800 4,5 7,5 9,5 11,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,726 1,028 1,250 1,450 Явно выраженной точки нет 1,755 2,925 3,705 4,485 0,390 0,585 0,780 0,975

Быта исследованы дискретные слои с плотной упаковкой зерен размером 15-20 ми. Результаты исследований напряненяо-деформиро-ванного состояния зерен, расположенных в верхнем ряду ядра уплотнения, даны в табл.2.

Проведенные испытания показали:

в слое цилиндров, моделирующих щебень или гравий, ярко выра-

жен о ядро уплотнения, где напрякенно-дефортягрованное состояние зерен различается в 4,5-5 раз, что говорит о высокой неоднородности структуры по критерию напряженно-деформированного состояния, а в слое из шестигранников напряжения распределяются равномерно;

размер одномерных зерен не влияет на напряженно-деформированное состояние слоя в целом.

Таблица 2

Размер зерен, мм Количество полос Максимальное касательное напряжение в опасной точке, Ша

максимальное минимальное наибольшее наименьшее

30 4,5 1,0 1,755 0,39

15 4,5 1.0 1,755 0,39

Таким образом, использование гранулированного цементогрун-та позволяет снизить требуемую прочность зерен по сравнению с щебнем в 20 раз: за счет изменения вида контакта - в 4,5 раза и повышения однородности напряженно-деформированного состояния зерен в слое-во столько же раз.

Полученные результаты подтверждают выводы, сделанные в теоретической главе, о возможности снизить требуемую прочность в 16 раз.

Исследование распределяющей способности слоев из шестигранников и цилиндров показало:

по напрягенно-дефортлироваяному состоянии экрана, выполняющего роль подстилающего слоя, модели практически не различаются, т.е. по данному параметру они практически равны;

при извлечении нескольких цилиндрических зерен из слоя последний теряет устойчивость полностью, что характерно для щебня;

при извлечении зерен из слоя организованной структуры его устойчивость и распределяющая способность сохраняются за счет арочного эффекта. Это указывает на превосходство гранулированного цементогрунта над щебнем по критерию сдвигоустойчивости. '

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖСЛВДОВАНИЙ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЦЕМЕН10ГРУНГА

Для приготовления гранулированного цементогрунта был сконструирован и изготовлен тарельчатый гранулятор, аналогичный применяемому при производстве керамзита.

В качестве исходного сырья были использованы подмосковные суглинки с числом пластичности Ур = 16,5 и Ур = 9, а также суглинок с У? = II из района г.Комрата ССР Молдовы. Грунты были помолоты на шаровой мельнице до удельной поверхности 2000-2500 см^/г.

В качестве вяжущих в экспериментах использовали: портландцемента с маркой 300 и 400 (ГОСТ 10178-85); цементную пыль Каменец-Подольского завода; жидкий битум, приготовленный на основе БВД 200/300 и дизельного топлива; неокисленннй гудрон с условно.! вязкостью 27 с.

Технология гранулирования отработана на искусственных смесях приготовленных на основе тяжелого подмосковного суглинка и песка с модулем крупности М* = 1,5.

В результате исследования грунтов с Ур= 6+16,5 было установлено, что оптимальная влажность, получаемая при стандартном уплотнении, обеспечивает удовлетворительное гранулирование грунта, а дозировка цемента в пределах 6-12% практически не влияет на процесс гранулирования.

Согласно принятой гипотезе гранула должна иметь форму, близкую к шару и оцениваемую.коэффициентом формы. Исследованиями было установлено, что на принятом грануляторе тарельчатого типа молено получать окатши размером 5-30 мм с коэффициентом формы от 1,18 до 1,26. Причем гранулы 10-20 мм имеют стабильный коэффициент формы 1,18-1,19, что подтверждает ранее сделанные выводы о целесообразности использования окатышей размером 20 мм.

Из литературы известно, что цементогрунг, получаемый смешением на дороге, имеет коэффициент вариации предела прочности при сжатии 27-45$. Согласно данным Б.П.Елькина разброс данных,получаемых в лабораторных условиях, в 2 раза меньше, чем на производстве.

В исследованиях использовали смеси, в которых не было неукрепленных комков крупнее 5 мм, и при этом даже в лабораторных

условиях средневзвешенный коэффициент вариации для цементогрунта составляет 14%. Однако для гранулированного цементогрунта, приготовленного из такой же смеси, данный показатель равен 4%.

Для выявления причин высокой однородности образцов из гранулированного цементогрунта был о проведено поэтапное исследование свойств гранул и образцов из обычного цементогрунта, обработанных и не обработанных жидким битумом.

Исследования показали, что существует корреляционная зависимость между вла^сностью, плотностью и размером гранул. Полученные уравнения регрессии представлены в табл. 3.

Таблица 3

Материал Показатель Уравнение регрессии

Суглинок с ?р=П+15% цементной пши, V» = 15%, _р =1,78г/с IJ.,713 + 0,0823 х

м3 , г/см3 у= 1,0976 - 5,79 -Ю-3 х

Тяжелый суглинок с УР = 16,5 + 10% портландцемента, / = I .¿г'г/см3 15,754 + 0,115 х

_р , г/см3 у= 2,0716 - 5,08-Ю"3 х

Примечание, х - диаметр гранулы,мм; у - искомый параметр.

Из представленных регрессионных уравнений видно, что увеличение размера гранулы приводит к уменьшению ее плотности и к повышению влажности. Причем плотность гранул из первой смеси размером 20 ш, а из второй - 50 мм и менее равна плотности, полученной при стандартном уплотнении, и более её.

Исследования влияния оболочки из жидкого битума на свойства гранул размером 10-30 мм показали:

при относительной влажности 34 и 60% необработанные гранулы практически высыхают, тогда как наличие оболочки позволяет сохранить воды затворения в окатшах в 2-6,5 раза больше;

предел прочности при расколе гранул, обработанных жидким-битумом, на 30% больше, чем необработанных, даже в том случае, когда они твердеют во влажной среде;

средневзвешенный коэффициент вариации предела прочности при расколе окатышей без битумной оболочки равен 15,2%, что совпадает с даншши, полученными на образцах из цементогрунта, а обработан-ныхтранул - 10,65^;водостойкость гранул с оболочкой на 20-40$ ■вше, чеы^без нее.

Однако, "помимо тидрофобизирухзцих свойств, оболочка должна играть роль демпфера. Были проведены исследования ыикротвердости гршул на ^приборе ПМГ-3. Полученные результаты показали, что окатыш* имеет следупцув слоистую структуру: прочность центрального ядра-5-8 Ша;

прочность верхнего слоя зерна толщиной 0,5 мы - 25-40 Ша. Прочность оболочки, образованной органическим материалом, определить на данном приборе не удалось ввиду её пластичности.

Пекин образом, окатыш имеет две оболочки: первая - мягкая демпферная; вторая - плотная и прочная, превосходящая в 5 раз по прочности ядро.

Исследование влияния оболочки и повышенной плотности цементогрунта на водо-и норозостойкость проводили на стандартных образцах. Для этого из смеси изготавливали образцы и делили их на две партии, одну из которых обрабатывали органическим материалом. Паргшгетхпкз испытания выявили следущее:

величины предела прочности при сжатии водонасыщенннх образцов обеих партий отличаются незначительно, что закономерно, так как смесь одна и та же и принцип формования идентичен;

. оболочка, образованная органическим материалом на повэрхнос-таобразца, шина нет коэффициент морозостойкости в 1,21 раза;

погашение плотности цементогрунта на 2% приводит к росту коэффициента морозостойкости з 1,59 раза;

средневзвешенный коэффициент вариации предела прочности при сяетии на 28-ё сутки снижается за счет обработки органическим ма-терашгш с 12,3 до 7,2% у водонасыщенннх образцов и с 15,4 до 12,055 после 25 циклов замораживания-оттаивания.

Следовательно, совместное влияние повышенной плотности периферийного слоя гранул и оболочки из органического материала дает возможность повысить коэффициент морозостойкости укрепленного грунта в 1,5-2 раза.

Приведенные выше данные позволяют характеризовать такие

свойства зерен, как морозостойкость, плотность и прочность, но не отражают свойств слоя основания из гранулированного цементогрунта, зерна которого контактируют между собой через оболочку, образованную жидким битумом с когезионной прочностью, не превыштцей 0,02 МПа. Таким образом, гранулированный цементогрунт представляет собой слабосклеенный, шготноупакованный, дискретный материал,и данные табл. 4 подтверждают целесообразность его использования.

Таблица 4

Материал Марка используемого щебня Предел пр сжатии, И при темпе очности при Па, не менее, ратуре, С

20 50

Плотный горячий и теплый асфальтобетон типа А, I' марки 1200-1000 2,4 <2,9

Холодный асфальтобетон типа Бх, I марки 1000-800 1,2 о,*

Комплексно укрепленный грунт I класса Менее 600 4-2,5 2,0

Цементогрунт I класса Менее 600 6-4 -

Цекектсбитуыогрунт, предложенный А.С.Сахновс-ким Исходный цементогрунт - 2,1 5,5 -

Гранулированный цементогрунт Исходный цементогрунт - 4,42 4,8 4,2

Таким образом, проведенные исследования гранулированного цементогрунта показали:

по пределу прочности при сжатии образцы из гранул близки к цементогруяту;

высокая однородность гранулированного цементогрунта обеспечена одноразмерностью зерен и их плотной упаковкой, наличием оболочки из органического материала, повышенной плотностью и

слоистой структурой зерна;

гранулированный цементогрунт по морозостойкости превосходит обычный цементогрунт в 1,5-2 раза при одинаковом расходе вяжущих;

предлагаемый материал имеет стабильные свойства и обеспечивает однородность материала слоя Су = 0,12;

технология гранулирования позволяет получать требуемые размеры, плотность и прочность цементогрунтовых зерен на стадии формирования окатышей, а процесс уплотнения материала в слое в данном случае сводится только к деформированию окатышей.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СЛОЕВ ИЗ УКРЕПЛЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ И СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Основание из гранулированного укрепленного грунта по структуре можно сравнить с гравийным или щебеночным слоем, а по используемому материалу - с обычным цементогрунтом. По этой причине модель основания из гранулированного цементогрунта сравнивали с моделями из монолитного цементогрунта и из щебня. Бьии исследованы:

малые модели, приготовленные из смеси суглинка с Эр = 9 и 10% портландцемента марки 300 и из смеси суглинка с Ур = II и 15% цементной пыли Каменец-Подольского завода;

большие модели - из смеси тяжелого суглинка с 16,5 и 10% портландцемента марки 400. Конструктивный слой из щебня I класса прочности фракции 20-40 мм с расклинцовкой фракцией 5-15мм,

На малых моделях (образцы /) = 19,5 см; Ь = 4 см, уложенные на резиновую плиту) предварительно была сопоставлена работоспособность гранулированного и негранулированного укреплзнных грунтов, при динамическом нагрулении, а уточнение свойств и расчетных параметров проведено на моделях, по размерам максимально приближенным к реальным конструкциям.

Было испытано 54 малых модели. При формовании малых моделей нагрузки уплотнения бьши равны 5,10 и 15 МПа. Испытание проводили на универсальной испытательной малине ЦЦМ-ПУ-Ю, предназначенной для определения усталостной прочности. Нагрузки, передаваемые на модель, составляли 0,61?сж (максимальная) и 0,06Ксж (минимальная). Частота: приложения нагрузки - 750 циклов в минуту.

йзультаты испытаний малых моделей, приведенные на рис. 2

позволяют сделать следующие выводы:

с увеличением уплотняющей нагрузки работоспособность модели из цеиентогрунта повышается, но остается значительно ниже по сравнению с гранулированным материалом;

работоспособность предлагаемого материала в 3-5 раз выше, чем традиционного, а разброс данных, характеризуемый коэффициентом вариации, в 2-3 раза меньше;

разрушение моделей из гранулированного материала происходит не по Цементогрунтовым зернам, а по оболочке, образованной органическим материалом.

Рис. 2. Зависимость между числом нагружений до разрушения и уплотняющей нагрузкой:

I - цементогрунт; 2 - укрепленный гранулированный цементогрунт с размером гранул 20-15 мм; 3 - то же, 5-10 мм

Большие модели имитировали конструкции дорожных одежд переходного типа, в которых на подстилающий слой из песка (Мк = 1,5) толщиной 70 см поочередно укладывали слои из щебня, цементсггрунта и гранулированного цементогрунта толщиной 18 см. В песчаном подстилающем слое размещали 20 датчиков ПДП-70, которые фиксировали напряженно-деформированное состояние под исследуемыми слоями.

Результаты статических испытаний приведены в табл. 5. На рис. 3 показаны чаши прогиба и напряженно-деформированное состояние песчаного'подстилающего слоя от действия статической нагрузки,передаваемой штампом диаметром 34 см.

Плавная линия прогиба 3 свидетельствует о плитном эффекте,

для слоя из гранулированного цементогрунга.

Таблица 5

Материал исследуемого слоя Модуль упругости, МПа

конструкции материала исследуемого слоя

расчетный экспериментальный расчетный экспериментальный

Щебень 182 186 350 350

Цементогрунт 178 174 330 300

Гранулированный 191 400

цементогрунт

Расстояние от центра штампа, см

Рис. 3. Зависимость упругого прогиба исследуемых

конструкций со слоями щебня (I), цементогрунта (2) и гранулированного цементогрунта (3) от воздействия нагрузки 0,5 Ша

На рис. 4 показано напряженно-деформированное состояние песчаного подстилающего слоя от действия указанной выше статической нагрузки.

Из рис. 4 видно, что конструкция со слоем из гранулированного цементогрунта занимает по рассмотренному параметру промежуточное положение между конструкциями со слоями из щебня и цементогрунта. Это свидетельствует о том, что данный слой дискретен, но благодаря плотной упаковке зерен обладает свойствами плиты.

16

Большие модели испытывали динамическими нагрузнаыи,прилагеиы-ии о частотой 0,5 Гц до их разрушения.

Рис. 4. .Распределение напряжений в песчаном подстилающем слое в зависимости от материала исследуемого слоя толщиной 18 см:

1 - гранитный щебень;

2 - гранулированный цементо-грунт; 3 - цементогрунт.

От 0 до 7 тыс. циклов нагрузка была равна 0,2 МПа; в даль -аойпшх испытаниях ее увеличивали до 0,28 Ш1а. Проведенные испытания показали следующее: конструкция с верхним слоем из щебня значительно уступает по работоспособности под воздействием динамических нагрузок моделям со слоями из укрепленных материалов, и уже через 13 тыс. циклов остаточная деформация рассматриваемой модели равна 6 мм, тогда как, со слоем из цементогрунта составляла 1,35 мм, а из : гранулированного цементогрунта - 1,09 мм;

после 1000 циклов в модели из цементогрунта появилась трещина, что подтверждается значительным разбросом в отсчетах, фиксирующих упругий прогиб ( СУ = 16,7^), а выкалывание блока под штампом в слое происходило в интервале от 7 тыс. до II тыс. циклов, при этом формирование блочной структуры слоя завершилось к 23 тыс.циклам;.

гранулированный цементогрунт в период испытания от 0 до 97 тыс.циклов работал стабильней по упругое прогибу в 5 раз, чем цементогрунт, и в 4,9 раза, чем щебень, причем величина упругого прогиба его была меньше на 6,5$ по сравнению с укрепленным цементогрунтом и на 33$ - с щебнем; разрушения на блоки не было;'

по критерию накопления остаточной деформации модель из гранулированного цементогрунта только на 3% превосходит модель из

0 10 20 30 40 50 601

23

53

83 Ь ,см

цементогрунта, однако разброс данных у предлагаемого материала в 1,57 раза меньше;

напряженно-деформированное состояние песчаного подстилающего слоя, расположенного под слоем из гранулированного цементогрунта, за период динамических испытаний изменилось на 13,86%, тогда как расположенного под слоем из цементогрунта - на 19,51% и из щебня на 39,26^;

модуль упругости слоя из гранул укрепленного грунта выше по сравнению с гранитным щебнем б 1,14 раза и с цементогрунтом, приготовленным из той же смеси - в 1,33 раза.

После испытания в модели из цементогрунта были выявлены блоки, а гранулированный материал напоминал плотноупакованный черный щебень, разрушений зерен не было. Таким образом, была подтверждена возможность использования цементогрунта П класса прочности для изготовления зерен.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность изменения монолитной структуры слоя на дискретную путем гранулирования незатвердевшей цементогрунтовой смеси с последующей обработкой гранул органическим материалом в целях устранения основных недостатков монолитной структуры.

2. Разработаны теоретические основы напряженно-деформированного состояния слоя основания дискретной структуры из многогранных цементогрунтовых зерен, контактирующих совпадающими поверхностями. Преимущество слоя из таких зерен, образованных путем пластической деформации гранул при уплотнении, перед слоем щебня или гравия, заключается в устранении концентрации напряжений в местах точечных контактов, что дает возможность снизить требования к прочности зерен предлагаемого материала в 16-20 раз по сравнению с требуемой прочностью щебня или гравия, а перед слоем из монолитного цементогрунта - в значительном повышении работоспособности.

3. Разработана технология гранулирования связных грунтов укрепленных цементом с числом пластичности от 10 до 16,5 и последующей обработки гранул жидким битумом. Технология позволяет получать гранулы заданной крупности от 2,5 до 40 мм с .коэффи-

циентом формы, равным 1,2, с заданными плотностью, прочностью и морозостойкостью, которые можно повысить по сравнению с обычным цементогрунтом в 1,59 раза благодаря повышенной плотности зерен материала.

4. Установлено, что обработка гранул жидким битумом необходима для предотвращения слипания зерен при уплотнении, придания слою дискретности, улучшает условия твердения цементогрунта, образуя демпферную зону между зернами и повышает морозостойкость материала.

'5. Использование гранулированного цементогрунта позволяет повысить качество материала по сравнению с цементогрунтом по следующим критериям:

стабильности упругого прогиба - в 5 раз;

изменению напряженно-деформированного состояния песчаного подстилающего слоя - в 1,4 раза;

расчетному модулю упругости - на 25$;

стабильности ¿[изико-механических показателей - в 3 раза.

Экономическая целесообразность применения гранулированного цементогрунта заключается в значительном повышении работоспособности дискретного основания, уменьшении толщины конструктивного слоя на 30$ по сравнению с цементогрунтом из той же смеси и сни-яении строительной стоимости на 37 тыс.руб. на I км.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Использование гранулированного связного грунта в основании дорожной одежды. - В сб.: Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. /Тезисы докладов научно-технической конференции. Владимир, 1987. - С.57.

2. Влияние вида контакта между зернами дискретного материала на напряжения в нем. - В сб.: Перспективные экономичные и долговечные конструкции автомобильных дорог и технология их сооружения. /Тезисы докладов XI Всесоюзной научно-исследовательской конференции. Москва, 1987. - С. 32-33 (соавтор Н.В.Горелышев).

3. Новая технология укрепления грунтов для оснований дорожных одежд. - В сб.: Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. /Тезисы докла-

дав региональной научно-технической конференции. Суздаль, 1989. - С. 35 (соавтор Н.В.Горелышев).

4. Гранулированный укрепленный грунт в основании дорожных одежд. - В сб.: Пути совершенствования технологии производства

и повышения качества дорожно-строительных материалов. Труды МАДИ. М. 1987. - С. 3-10 (соавтор Н.В.Горелышев).

5. Авторское свидетельство № 1310467 (СССР). Способ возведения основания дорожной одежды. /Союздорнии, соавт. изобр. Н.В.Горелышев.

Подписано н печати 20.XI.90. Формат 60x84/16.

Печать офсетная. Бумага офсетная » I. 1,0 уч.-изд.л. 1,0печ.д. Заказ 146-0. Тирая 100. Бесплатно.

Участок оперативной печати Союздорвии

143900, Московская обл., г.Бапашиха-6, п.Энтузиастов,79