автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Композиционные материалы на основе лессовых грунтов и шлаковых вяжущих для оснований дорожных одежд

ГОСТОЕСКЖ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

г' 1 с а

° ь • ' На правая рукописи

2 НОЯ 1ПЯ7

МЕРКУЛОВА Светлана Александровна

КОМШЗШИОНШЕ МАТЕРИАЛ* НА ОСНОВЕ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ И ШЛАКОВЫХ В-ЯЖУШИХ ДЛЯ ОСНОЕАШИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

05.23.05 - строитедъньЕ материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1397

Работа выполнена в Росто веко м-на-Дону государственном строительном университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Илиополов С. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Невский В. А.

кандидат технических наук Шевченко В. И.

Ведущая организация: управление автомобильных дорог

Ростовской области "Ростовупрдор"

Защита состоится 18 ноября 1997 года в 10 ч на засела специализированного совета К. 063.04.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ростовском-на-Дону государственном строительном университете по адресу: 344022, г.Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая 162, ауд.232

/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГСУ.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета д. т. н., профессор

Соболь Б. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуатгьнпгн-. трмы: Е нашей стране развитию автотранспорта и дорожного строительства уделяется пристальное внимание. Необходимость дальнейшей реконструкции автодорог, прокладки новых дорог с твердым покрытием обуславливается все возрасташими темпами грузоперевозок, количественным и качественным изменением транспортного парка, техническим прогрессом в дорожном деле.

Современная автодорога - сложное инженерное сооружение, для создания которого необходимо выполнять большие обгемы земляных работ, а также трудоемкие работы по устройству дорожной одежда. Поэтому ускорение темпов строительства автомобильных дорог возможно лишь при использовании передовой технологии и различных нетрадиционных материалов. К их числу следует отнести искусственные материалы, получаемые при укреплении грунтов.

В настоящее время накоплен значительный опыт применения цемента грунтов при устройстве оснований дорожных одежд. Однако возможность использования цемента дорожными организациями ограничена не только его высокой стоимостью, но и получением Спри расходе цемента более 6 Ю излишне жестких цементагрунтовых смесей, требукких укладки поверх них покрытий из органика-минеральных смесей необоснованно завыпвнной толщины.

В связи с этим задачи создания новых вяжущих материалов за счет утилизации отходов промышленности, уточнения технологических особенностей их приготовления и устройства из них слоев дорожных одежд приобретает особую актуальность.

прлып работы является разработка вяжуших и композиционных материалов на базе доменных отвальных шлаков и дабавок-акти-

ваторов из отходов промышленньш производств для устройства основ ний дорожньи одежд.

Для достижения поставленной цели решались следупдие задачи:

- исследование возможности получения вяжущих материалов на базе д менных отвальный шлаков с использованием добавок-активаторов:

- разработка и выбор добавок-активаторов, способствующих проявлен скрытых вяжущих свойств доменных отвальных шлаков:

- получение оптимально-рациональных составов композиционных матери лов на основе разработанных шлаковых вяжущих и лессовых грунтов:

- опытно-производственная проверка результатов исследований в реги нальных условиях юга России:

- определение экономической эффективности использования шлаковых в. жущих при устройстве оснований дорожных одежд:

Няучцяя нпяитна пдАптм гпгтпит в том, trrn:

- разработаны составы вяжущих на базе доменных отвальных шлаков добавок-активаторов из различных отходов промышленных прои: водсгв, обладащие высокой прочностью, водо- и морозостойкостью:

- комплексом методов Физико-химического анализа (РФА, ЯГА, ЭЮ уел новлен фазовый, химический и минералогический состав исходных ш ществ, шлаковых вяжущих и композиционных материалов на их основг Выявлено образование в системе как самого вяжущего, так и в укрег ленных композициях, цементирующих гелевидных новообразований тобе; моситового типа, а также нерастворимых гидросульфоаяшинатов кальш

- электронно-микроскопическими исследованиями показано, что грут укрепленные шлаковыми вяжущими имеюгг кристаллизационно-коагуляциоь ную структуру:

- научную новизну работы подтверждают и 3 авторских свидетельства i изобретения : A.c. Мо 1030333 "Вяжущее для дорожного строительства"

A.c. ДСП No 1277653 "Композиция для устройства оснований дорожных одежд", A.c. No 1754833 "Композиция для дорожного строительства.

Псактачрскпр -дидцонир рапптн:

- работа выполнена в рамках теш "Разработка рекомендаций по применению в дорожном строительстве неорганическим вяжуыих на основе отходов промышленности и мастных материалов" по заказу Минавтздора РСФСР С Федерального дорожного департамента РОЗ:

- разработаны составы шлаковых вяжущих и композиций для устройства ссноаания дорожных одежд, обладающие высокой прочностью, воде- и морозостойкостью :

- получены зксперишнтаяъно-статистаческие модели прочности при сжатии и изгибе, коэффициента морозостойкости и водонасыщения шлакового вяжущего от основных рецептурный факторов, позволяйте управлять его свойствами:

- расчетный годовой экономический эффект, достигаемый при устройстве 1 км оснований из композиционных материалов на базе доменных отвальных шлаков, в сравнении с композиционными материалами на цементе "М"-400, составил в фиксированных ценах 1337 года 24.72-46.13 млн. рублей.

Укрепление лессовых грунтов шлаковыми вяжущими при устройстве из них оснований дорожных одежд позволит значительно уменьшить явления усадочного трещинообразования укрепленных материалов, увеличить длину захватки до сданного темпа производства работ, повысить качество производства работ.

Утилизация исследованных доменных шлаков и отходов промышленности при создании неорганических вяжущим материалов будет способствовать не только расширению ресурсов вяжущих, но и активно содействовать очистке окружащей среды.

Ра защиту выносятся:

- составы синтезированных шлаковых вяжущих:

- результаты комплексных исследований физико-химических процессов протекаших при твердении шлаковых вяжущих, активированных неорганическими добавками из отходов промышленности:

- комплексная оценка влияния рецептурных факторов на физико-механи ческие свойства шлаковых вяжущих и композиций на их основе :

- результаты оценки водо- и морозостойкости шлаковых вяжущих и ком позиционных материалов на их основе:

- опытно-производственная проверка результатов исследований в уело никх юга России с технико-экономическим обоснованием.

Р°апнза;тия дрзультгптт исчтотианш Результаты проведенных ис следований вошли в "Рекомендации по применению асфальтобетонных смесей на основе шлаковых материалов при строительстве и ремонте авто мобильных дорог для условий центра, юга и уральской зоны РСФСР' ГипродорНИЛ. Москва, 1979 год. "Рекомендации по применению в дорож

А'

ном строительстве неорганических вяжущих вешестз на основе отходо промышленности и мастных материалов сна основе ломанных отвальны шлаков Красносулинского металлургического завода" - ГипродорШ СРостовский-на-Дону филиал), 1931 год, "Методические рекомендации п строительству оснований дорожных одежд с использованием связны грунтов, укрепленных минеральными или органическими вяжущими с до бавками ПАВ и промышленных отходов" - Союздорнш, 1935 год, в "Мето дические рекомендации по использованию доменных отвальных шлаков горной породы Донецкого бассейна для устройства конструктивных слое дорожных одежд и производстве строительных материалов" - Рос тов-на-Дону, 1992 год.

Результаты исследований внедрены в производственных управ

лениях "Ростовавтодор" при строительстве и реконструкции автодорог П категории "Шахты - Цимлянск - Суровикино", "Краснодаравтодора" - автодорога "Темрис - Краснодар - Кропоткин" II-III категории и ряде других объектов.

Апппбдния nafio-m. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-технических, научно-практических конференциях и семинарах Росговского-на-Дону инженерно-строительного института, а также на областных, региональный и Международных конференциях 1980-1936Г.: " Пути повышения качества и снижения стоимости строительства и эксплуатации дорог на юге РСФСР С 1980г.,1986г.3: "Особенности строительства и эксплуатации автодорог с использованием местных материалов и отходов промышленности з

региональный условиях юга Российской федерации " С 1932г.): "Опыт

»

проектирования и строительства дорог с использованием местных строительных материалов" С 1984г.5: "Ускорение научно-технического прогресса при проектировании, строительстве, реконструкции и содержании а/д Ростовской области" С 1586г.э: Владимирского политехнического института: "Интенсификация дорожного строительства" с 1988г.): "Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог" С1991г. У. международных конференциях "Материалы и технологии строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог" СМинск 1996г.): "Проблемы дорожного строительства" С г.Суздаль, г.Владимир 1989-199бгг.

ПуАгокяпии тема диссертационной работы раскрыта в 28 печатных работах. Основные положения диссертационной работы отражены в 16 публикациях, 3 авторских свидетельствах на изобретения. С участием соискателя разработаны и изданы 2 нормативно-технических докумената, 5 методических рекомендаций и 5 каталогов местный материалов и отхо-

дов промышленности.

Обт-рм рапптн, Диссертационная работа состоит из 5 глав, общи выводов, 38 приложений и списка литературы из 157 источников. Рал та изложена на 145 страницах, содержит 15 таблиц, 13 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В прропй глачй 'Глстянио р.ппшсз. падь_и_запачи исслрпор.а

ния" дан обзор опыта использования в дорожном строительстве метал лургических шгаков и других отходов промышленных производств. Утили зация этих отходов в значительной мэре решает проблему расширены базы местных дорожно-строительных материалов и активно способствуе очистке окружающей среды.

Вопросам использования в дорожном строительства минеральных вя жущих на основе металлургических Сдоменных) шлаков, отходов промьш ленности и четных материалов посзяиены работы: Довгопола В. И., Еод

Л'

рова в.Е., Романенко А.Г., Волженского К.В., Бурова Ю.С., Виноградо ва Б.Н., Славуцкого А.В., Самодурова с.Ж., Мымрина В.А., Ястребов Л. Н. и многие другие работы, которые послужили основой при рассмл рении поставленных задач и способствовали их реализации.

Одним из резервов снижения стоимости дорожного строительства расширения темпов и объемов строительства является замена кондицион ных каменных материалов и минеральных вяжущих ьестными материалам и отходами промышленных производств.

В качестве таких заменителей в дорожном строительстве ис пользуются шлаки черной металлургии С доменные, доменные гранулиро ванные, доменные отвальные), цветной металлургии, золы уноса, все возможные шламы. ОФС сотработанные формовочных смеси). запасы эти

отходов в районе строительства имеются в достаточном объеме для обеспечения ими в необходимых количествах.

На основании теоретических кпннргттгий сформулирована рабочая гипотеза, сущность которой заключается а следувдем: получение вяжущих материалов на базе доменных отвальных шлаков, применение которых при устройстве слоев оснований дорожных одежд позволяет получить слой дорожной одежды, способный к самотвердению в процессе Формирования его структуры и обладающий высокой прочностью, водо- и морозостойкостью.

Во йтоелй глаяр "Характеристика исходных материалов и методы исследований" изложены характеристики исходных материалов, методика экспериментальных исследований, описаны методы физико-химического анализа.

В качестве основного компонента вяжУшего применяли доменный отвальный шлак Красносулинского металлургического завода и добавки-активаторы из отходов промышленности.

Краскосулинские отвальные шлаки представлены в основном минералами: двухкальциевым силикатом, ранкинитом, мелилитами сзоллас-тонитом, псевдоволластонитом, геленитом). вяжущие свойства зтих минералов проявляются очень слабо и медленно, для усиления их применяли добавки-ативаторы.

В качестве щелочного компонента отход ацетиленового производства - карбидный ил, в качестве пуццолановой с кремнеземистой) добавки отход ГРЭС - золу уноса, для регулирования сроков твердения шлакового вяжущего отход производства фосфорной кислоты из апатитов и фосфоритов - ФосФогипс. а также отход литейных производств - ОРОФС С продукт регенерации отработанных формовочных смесей) как комплексную добавку, содержащую до 63 х кремнезема и более 15 % оксидов ще-

лочных металлов.

Физико-химические исследования исходных материалов и полученных вяжущих выполнены с привлечением дереватографического, рентп нофазового, электронно-микроскопического и химического методов.

Р, третьей гларр "Елияние состава шлакового вяжущего н< свойства композиционных материалов на основе лессовых грунтов" изложены:

- вьйор добавок-активаторов из отходов промышленности способствующих проявлению скрытых вяжущих свойств доменных отвальных шлаков:

- составы и свойства шлаковых вяжущих:

- физико-химические процессы, протекавдие при твердении шлаковых вяжущих:

- выявлены новообразования, появляющиеся при твердении шлаковых вяжущих:

-для расчета оптимальных составов и прогнозирования физико-механи ческих свойств шлаковых вяжущих, учитывая их многокомпонентность : широкий предел варьирования составляющих, выполнены зксперимен тапьно-статистические исследования с применением метода математичес кого планирования эксперимента с обработкой результатов на ЭВМ: -состав и свойства композиционных материалов на основе разработанны шлаковых вяжущих и лессовых грунтов наиболее характерных для евро пейской части юга России.

Красносулинские отвальные шлаки представлены в основном мине ралами: двухкалъциевым силикатом, ранкинитом, мелилитами Своллас тонитом, псевдоволластонитом, геленитом). Вяжущие свойства этих ми нерапов проявляются очень слабо и медленна. Так, гелэни 2С^)-А120з-5102. практически инертный в обычных условиях минерал, под воздействием добавки в виде гидрата окиси кальция приобретав

способность гияоатироваться и давать при твердении в обычным условиям, цементирующие новообразования в гедевидном состоянии типа гидрата геленита C2AS- 8Н2О. Минерал ранкинит ЗСаО- 2S102 в обычным условиях гидролизуется и гидратируется очень медленно и только при очень тонком измельчении. При добавке к нему 10-15 % СаСОЮг он проявляет способность твердеть. Поэтому для усиления вяжущих свойств доменного отвального шлака использовались добавки-активаторы. Введение щелочной добавки, а также кремнеземистых добавок в присутствии гипса резко активизирует скрытые вяжущие свойства шлака при нормальных условиях, что позволяет получить материал, обладающий гидравлическими свойствами.

Изложенные выше соображения явились теоретической основой для выбора добавок-активаторов, пробуждающих вяжущие свойства доменных отвальных шлаков при создания на им основе вяжущих материалов, введение которых в грунт, позволяет получить конструктивный слой дорожной одежды, способный к самотвердению в процессе формирования его структуры во времени.

Приготовление шлаковых вяжущим осуществлялось методом совместного пошла компонентов в шаровой вибромельнице. Хранение и испытание полученных вяжущих проводили в соответствии с существующими нормативными документами.

Твердение шлаковых вяжущих, является сложным комплексом взаимосвязанных химическим, физико-химическим процессов. С химической точки зрения ТБердение представляет собой переход безводным оинкеропо-добных минералов доменного отвального шлака в гидраты в результате реакций гидролиза и гидратации, которые начинают? сразу после затео-рения шлакового вяжущего водой в присутствии карбидного ила, золы уноса, OFüiC или же фосфогипса. Схематически эти процессы можно

представить следуплим образом:

1. Ранкинит в щелочном растзоре образует гидросиликаты.'

ЗСаО-25102 + СаС0Н)2 + Н20 =2С2СаО- БЮа- Н20)

двухкальциевья гидросиликат

2. двухкапьциевый силикат при введении активных добавок с например,-- золы уноса) и при затворении водой и хранении во влажной среде подвергается гидратации с выселением гелевидных новообразованиг очевидно^ гидросиликатов кальция".

ХС2СаО-5102) + у5Ю2 - тпН20 -> С455Нп + СйБбНш

гель тоберморит

3. Введение гидрата окиси кальция как без гипса Сфосфогипса), так и совместно с ним обеспечивает вовлечение в процесс твердени: волластонит<я

/

аСаО- Б102 + СЭС0ГО2 -> 2СаО-БЮг-Н20 СС25Ю

Однако, образующиеся гидросиликаты типа Сг5Н не придают мате риалу достаточной прочности, что позволяет рекомендовать использова ние комплексной добавки С извести и кремнеземсодержащей добавки тип золы уноса или ОРОФС). При этом реакции протекает по уравнению:

2са0-3102 - СэС0Ю2 - 25102 - 2Н20 — >ЗССаО- 5102- Н20)

4. геленит - 2C20-AL203-S102 является наиболее распространенной кристаллической фазой доменный шлаков и по данным ¡d.M. Бутта, A.A. Майера без добавок-активизаторов практически не гидратируется.

Введение гипса сфосфогипса) и извести С карбидного ила) приводит к медленному разрушению геленита. При этом глинозем связывается в труднорастворимые соединения типа зтгрингит _ гидросулъфоалжминаты кальция:

2СаО-AL203-5i Og + СаС0Н)2 + 3CaS04 •<- С31+П)К20 = ЗСаО- А1203- 3CaS04- 31К20 + 5102- n.Hf/J

При недостатке гипса Сфосфогипса) образуется моносулъфатная форма гидросульфоашсшната кальция - ЗСаО- ALsOs-CaS04- 12Н20.

Рентгеноструктурным, термографически методами подтверждается достоверность появления новообразований при твердении шлаковый вяжущих.

Кинетика твердения шлаковых вяжущих, а также влияние количества доменного отвального шлака Св составе смеси) на прочность при сжатии и изгибе, водо- и морозостойкость изучалась на образцах-ба-лочках 23 и 90 суточного твердения. Результаты исследований представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что наилучшие результата по прочности водо- и морозостойкости отмечены у образцов с содержанием доменного отвального шлака 50-65 х. С повышением количества доменного отвального шлака в вяжущем эти показатели уменьшаются, что указывает на снижение вяжущей способности материала.

Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что структура шлакового вяжущего в поздние сроки твердения по своей плотности и морфологическим особенностям очень похожа на затвердевший

> Таблица 1

Физико-механические характеристики шлаковых вяжущих

N Состав вяжущего,

п/п шлак карбид фосфо зола ОРООС

НЫЙ ил гипс уноса

1 о 3 4 5 6

1 50 25 5 20 _

о 57 20 3 20 -

3 60 20 3 17 -

4 65 15 5 15 -

5 72 15 3 10

6 80 10 5 5 -

7 50 12 - - 38

8 53 10 - - 37

9 60 15 - - 25

10 65 10 - - 25

11 72 10 - - 18

12 80 5 - т 15

1 Плотность 1

1 средняя, г/сьй

1 рыхлая 1 уплот-1

ненная|

1 7 8 I

1 910 1410 |

1 930 1450 |

1 932 1455 |

1 938 1460 |

Ь946 1480 |

1 950 1500 |

1 950 1550 |

1 958 1590 |

1 961 1620 |

1 965 1660 |

1 975 1650 |

1 980 1700 |

Прочность водонасыщенных образцов, МПа| Коэффициент

-1--¡морозостойкости

при сжатии I при изгибе I Кмрэ

сроки твердения, сутки

т

т

т

28

9

60

10

90

11

23

12

60

13

90

1 4

28

15

60

16

90

1Г

I

4.53 4.20 4.06 3.94 3.70 3.49 14.90 13.67 13.00 12. 50 11.64 9.88

5.42 4.97 5.25 4.44 4.12 4.03 18.78 17. 60 17.19 16.37 16.80 13.00

6.75

6. 30

5.89

5.30

4.97

4.48

25.4

23.0

21.9

20.9

19.80

15.83

1.55 1.50 1.34 1.27 1.20 1.17 2.62 2.60 2. 58

2.56 2. 48 2. 40

1.78 1.88 2. 02 1.65 1.48 1.33 2.91 2.81 2.94 2. 80 2.67 2.50

2.40 2. 50 2.73 1.99 1.78 1.51 3.34 3.28 3.13 2.90 2.78 2.63

0.87 0.86 0. 85 0.84 0.80 0. 78 0.90 0.90 0. 88 0.88 0.87 О. 85

90 88 89

89 84 79 98 97 94 92 92

90

0.96 0.94 0.90 0.95 0.86 0.82 1.08 1.04 1.02 1.00 0.99 0. 94

Л-

л.

г

цементный камень.

Вопросами улучшения механических свойств лессовых грунтов занимается ряд научных коллективов. Результаты этих исследований отражены в работах В.П. Ананьева, В.М. Безрука, A.n. Платонова, М.Н. Паршина, В. А. Кейльмана, с. К. Илиополова, В,П, Матуа и многих других, работы которых послужили основой при рассмотрении поставленных задач.

Для реализации поставленных_r гтиргргугзции загтач исследованы

композиционные материалы из наиболее характерных для юга европейской части России грунтов и разработанных шлаковых вяжущих. Грунты представлены 3 разновидностями: супеси легкие, суглинки легкие пылеватые и суглинки тяжелые пылеватые.

При объединении лессовых грунтов со шлаковыми вяжущими протекают сложные Физико-химические процессы, которые на основании теоретических концепций и проведенных нами исследований условно можно разделить на 3 этапа:

Перонй этап - характеризуется процессами гидролиза и гидратации клинкероподобных минералов шлакового вяжущего, идущими с образованием обычных гидратированных продуктов, повышащих pH порового пространства.

Второй этап - химическое взаимодействие продуктов гидратации вяжущего с активной составлящей грунта, т.е. с минералами глинистых фракций С глинистых частиц), обладащих свойствами пуццолановых добавок химически реагировать в присутствии влаги при обычной температуре с гидрооксидом кальция, с появлением новообразований, проявлявших вяжущие свойства, различного типа Сосновности и состава) гидросиликатов и гидросульфоалюминатов кальция. Это взаимодействие схематично южно представить следушим образом:

1. кссасоюг + 5102 + шНго = ксао-БЮг-пНго ссзн свл

акт-

2. 2С20- 5102- НйО + кБЮг + пН20 -> 2Са0- С 1+-Х)5102- аа

3. Взаимодействие псебдоволластонита с активным кремнеземом грунта на конечной стадии твердения укрепленной смеси можно представить так:

акт.

гсао-эюг + сасоюз + 2БШ2 + 2Н20 —> зссао-Бюг-нгоэ

4. Геленит в присутствии гипса Сфосфогипса) и активного кремнезема грунта образует нерастворимое комплексное соединение - зтгрингит:

акт-

2СШ-А1203-5102 + СаС0ГО2 + ЗСа504 + 5102 + С31+пЗН20 =

ЗСа0-А1203-ЗСа504-31Н20 + 25102-пН20 этрингит гель

/

Третий зтап - кристаллизация новообразований и твердение всей композиции в целом. Характеризуется он качественным перекодом коллоидно-дисперсной Фазы новообразований в монолитное состояние. Выделяющиеся микрокристаплы пронизывают гель, состоящий в основном" из гидросиликатов и гидросульфоалюминатов кальция, и срастаются.

В процессе твердения композиционного материала в нем формируется каркас пространственной кристаплизационно-коагуляционной структуры из гидратных Фаз вяжущего и продуктов их химического взаимодействия с грунтовыми минералами, который с течением времени упроч-

няется. Нарастание прочности композиционного материала во времени обеспечивается в основном обрастанием первоначального каркаса гидра-силикатными новообразованиями тоберморитового типа. В структуре укрепленного грунта наряду с микроучастками, на которых образуется жесткий скелет, имеются участки, где жесткого срастания частиц не произошло. На этих участках возможен механизм образования структуры за счет механического сцепления близко расположенных друг к другу йбросаих кристаллами новообразований грунтовых частиц. Таким образом, затвердевший композиционный материал представляет собой конгломерат. состоящий из кристаллических и коллоидных с микрокристаллических) гидратных образований, не прореагировавших зерен шлакового вяжущего и грунтовых частиц, а также тснкораспределенных в массе воды и воздуха. _

Для выявления характера новообразований были проведены рентге-коструктурные, термографические и электронно-микроскопические исследования,- подтвердившие достоверность теоретических суждений и"экспериментальных работ по созданию в исследуемых композициях кристалли-зашснно - коагуляционных структур.

Кинетика твердения композиционных материалов на основе лессовых грунтов и шлаковых вяжущих изучалась на образиах-балочках 28-720 суточного твердения. Для сопоставления результатов были проведены испытания тех же грунтов, но укрепленных цементом М-400 в количестве 12 1. Результаты этих исследований представлены в таблице 2.

Анализ поойеденннх иггярппяаниа позволяет сделать следующие выводы:

- укрепление лессовых грунтов разработанными шлаковыми вяжущими позволяет получить композиционный материал I класса прочности уже з ранние сроки твердения:

Таблица 2

Физико - механические характеристики лессового грунта укрепленного

шлаковыми вяжущими

~г

N

п/п

Содержание . %

т

т

Прочность водонасыщенных образцов, МПа

лессо

вый

грунт

шлаковое вя жущее

цемен М-400

при сжатии

при изгибе

сроки

14

28

60

90

360

твердения, т

сутки

т

720 —

14

28

60

90

1-г

360

3

11

12

13

14

15

1 2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

33

34 15 36

94 92 90 88 84 82 80 88

94 92 90 88 84 82 80 88

N1

6 8 10 12 18 18 20

N2 6 8 10 12 16 18 20

12

12

0.51 0.77 0.80 1.30 1.48

1.67

1.89 5.55

0. 82 1.27 2.20 2. 40

3.90

4.68 5.20 5. 50

0.92 1.58 2.08 2.47 2,86 3.25 3.41 6.28

1.28 2.34 3.20 3. 75 5.00 5.55 5.90 6.28

0.99 2.07 2. 53 2.69 3- П4 4.27

4.49 -6.78

1.12 1.82

3.50 3.92 5.16 5.90 6.43 6.78

1.98 2.60 3.20 3.75 4.45 4.98 5.29 7.00

2.05

3.41

4.42 5.26 6. 43 7.02 7.99 7.00

2.23 2.97 | 0.22 0. 54 0.67

2.77 3.11 I 0.33 0. 79 0. 81

3. 33 3.77 | 0.44 1. 00 1.18

4.07 4.51 | 0.47 1. 18 1.29

4,71 5,09 | 0,53 1.. 30 1.48

5.11 5.98 | 0.69 1. 32 1.49

5.86 6.06 I 0.66 1. 42 1.67

7.25 8.59 I 1.98 2. 12 2. 36

3.47 4.18 | 0.44 0.75 0. 86

4.22 5.33 1 0.78 1. 28 1.45

5.55 6.48 | 1.33 1. 65 1.86

6.40 7.12 I 1.44 1. 75 1.98

7.07 8.'29 | 1.65 2. 50 2. 78

7.99 9.73 I 1.75 2. 69 3.03

8.97 10.091 2.00 2.94 3. 33

7. 25 8.59 I 1.98 2. 12 2.46

0.78 0.90 1.38 1.41 1,54 1.67 2.93 2. 60

1.18 1.77 2.05

2. 45 3.10

3. 41 3.44 2.90

0.82 0. 98 1.44 1.46 1.67 1.81 2.24 2.69

1.30 1.98 2.37

2. 76

3. 42 3. 48 3.63 3. 09

1.47 2. 21 2.81

3.09 3.45 3.68

4.10 3.68

2

5

4

6

7

8

9

- несмотря на то, что показатели прочности при сжатии и изгибе образцов композиционных материалов на основе шлаковых вяжущих в возрасте 28 суток несколько ниже аналогичных показателей цементагрунтов, к 90 суточному сроку твердения они выравниваются, и в дальнейшем превосходят прочностные показатели цементагрунтов.

R чртр.егугой гладр "Приготовление композиционного материала на основе лессовых грунтов" - экспериментальные исследования проводились при укреплении трех разновидностей лессовых грунтов - суглинков легких и тяжелых пылеватых и супеси пьшеватой. Va числа технологических факторов выявлены наиболее значимые: выбор времени выдерживания смеси перед ее уплотнением, влияние степени размельчения грунта, качество увлажнения и уплотнения смеси.

Экспериментально ппррпрлялягь степень влияния каждого из этих Факторов на прочность укрепленных грунтов, на основании анализа этих исследований выявлены границы допустимых отклонений качества выполнения технологических операций при условии достижения требуемой прочности укрепленного материала. Так, экспериментально установлено С рис. 1), что изменение степени уплотнения оказывает значительнее влияние на прочность, водо- и морозостойкость. Повышение плотности композиционного материала на 8-10 1 увеличивает прочность при сжатии образцов в водонасщенном состоянии на 20-50 X для грунтов укрепленных цементом, и 40-60 х укрепленных шлаковым вяжущим.

Уплотнение суглинистых разновидностей лессовых грунтов эффективно производится в диапазоне работы уплотнения до 220 Дж с что соответствует 30 ударам приуплотнении материала в малом приборе СоюздорКИЮ.

Одним из существенных факторов влияицих на однородность композиционных материалов, эффективность использования вяжущего и проч-

о

я &

и Щ

О

о

ж ^

о л а

в о

Е*

к 3

а

и и

1.1

1 > аез

я..

А /

ы ш Д

Де к "VI

( \

Й а

и о з

ж п р. в а А

* о

•В к

•II

д в).

21 Я 03

о £ о

в) е! Р, о

а п

8,и

7,0 6,0 6,0 4,0 3,0 2,0 1,0

*

/1

\ »/ 1 0 г—

в\ 1 тез

\ 0

0 5* V чхг

•

хи

00

Л гП

к.и

¿и 53 40 30 бб '7д Работа, затраченная на уплотнение, количество ударов ^

-.......- лессовые грунты, укрепленные вяжущим

« _ лессовые грунты, укрепленные вяжушуш

Зависимость физико-механических характеристик уплотненных композиционных материалов от степени их уплотнения и работы, затрачиваемой на уплотнение I - суглинок тяжелый пылеватый; 2 - суглинок легкий пылеватыЯ;

3 = суяее

1,0 1,7 1,0

Плотность скелета укрепленных грунтов, г/см3

ДОШ + КИ + ЗУ + ФГ ЛОШ + ки + ПРОФС

ел

Рис. I

кость смеси является степень размельчения укрепляемого грунта перед его смешением с вяжущим. Объясняется это тем. что прочность укрепленных грунтов определяется не только свойствами "цементного камня" ("шлакового камня"), но и прочностью грунтовым агрегатов, которые участвует в создании каркаса уплотненного композиционного материала. На рисунке 2 показано, как изменяется прочность водонасшен-ных образцов из укрепленных грунтов от содержания а смеси агрегатов размером 2-5 мм, 5-10 мм, 10-20 мм. Из графика видно, что количественное содержание агрегатов различных размеров оказывает различное влияние на прочность укрепленных грунтов в зависи?дасти от вида применяемого вяжущего и типа грунта. В четвертой главе рассмотрены также объемные изменения укрепленных грунтов С усадка и набухание).

5 пятой главе "опытно-производственное внедрение и экономическая эффективность результатов исследоаний" в целях проверки и подтверждения полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований в Ростовской -Области и Краснодарском крае было осуществлено строительство опытно-экспериментальных участков дорожных одежд на автомобильных дорогах "Шахты-Цимлянск-Суровикино" и "Тем-рюк-Краснодар-Кропоткин" I1-1II технической категории.

Устройство слоев оснований из укрепленных грунтов при опытном строительстве осуществлялось в основном методом смешения на дороге, при котором шлаковое вяжущее С приготовленное без карбидного ила) доставлялось к месту строительства цементовозом, а карбидный ил вводился в грунт вместе с водой в виде суспензии.

Регулярные обследования опытных участков показали, что модули упругости приведенные к сопоставимому расчетному периоду, соответствует трубуемым значениям, а также наблюдается их рост во Бремени.

•дкпнпмипрсч-цй -зФФрк-т от применения шлаковых вяжущих взамен кон-

/

5

¡5

О-

В

^

И

о о

ж р

&

а

я

а а

я

8,0 7,0

6,0 5,0

4,0 3,0

2,0 о

у

¿г Г - —<• • —'

& — ^ —У-Ч

1

и и

V

1

±/ N ч ч / \

\ N ч • '•ч ь

ч %■ £

4 / / Ху / 1

Л

( Л

< ^

Ч I4 ч

л/ Л/ ¿4

о 20 .40 60 80 100

20 40 60 80 100 О 20 40 60 80 Ш

Содержание агрегатов в смесиь %

-----лессовые грунты, укрепленные цементом I 10 % )

- --- то исследуемым плановый вяжущим * 2 (ДОш + КИ + ОРОФС )

_ - т0 «е, исследуемым шлаковым вяжущим № I { дш + НИ + ЗУ + ФГ ) I - суглинок тяжелый пылеватыЯ; -2 - суглинок легкий пылеватый

Рис. 2. изменение прочности водонасыщенных оораэиов в зависимости от содержания в смеси агрегатов:

а)'размером 2 - 5 мм; о) размером 5 -10 мм; в) размером 10 - 20 мм

I

К

I

лишенным составляет на I км. дороги II—IX î технической категории в пересчете на иены 1997 гола 24.72 - 46,18 млн. рублей.

ОБЩЕ ВЫЕОШ

1. Проведенные теоретические, экспериментальные и опытно-производственные исследования позволили установить техническую возможность и экономическую целесообразность использования доменных отвальный шлаков и других отходов промышленных производств пру создании вяжущим материалов на их основе.

2. разработаны составы шлаковых вяжущих, в которых в качества щелочных компонентов, активизаторов твердения и пушгалачовым добавок используются отходы промышленности С карбидный ил - стход ацетиленового производства г. Новочеркасск, ОРОФС - отчод литейного производства завода "Азовсталь", фосфогипс - отход производства фосфорной кислоты НПО "Азот" г. Невиннсмысск. зола уноса - отаод Нс-всчеркасской ГРЭС).

3. Ка основе лессовых грунтов и разработанных шлаковых вяжущим получены композиционные материалы для устройства оснований дорожных одежд.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена роль компонентов шлакового вяжущего в формировании водо- и морозостойкой структуры композиционного материала.

5. Комплексом методов Физико-мимического анализа установлены фазовый и минералогический составы немодных веществ, затвердевших шлаковых вяжущих и композиционных материалов на им основе.

6. Установлен характер новообразований, которые представлены в основном соединениями гидросиликатов и гидросульфоажчинатсв кальция

различной основности, синтезируемых как в шлаковом вяжущем, так и е системе вяжущее - грунт, которые обеспечивают высокие прочностные характеристики вяжущих и композиционных материалов из укреплении) грунтов.

7. использование разработанных шлаковых вяжушщих при устройстве конструктивных слоев оснований дорожных одежд позволит:

- получить композиционный материал отвечающий I классу прочности уж* в ранние сроки твердения:

- уменьшить явления трещинообразования укрепленного материала:

- значительно увеличить С до 10.0-12.0 часов) возможную продолжительность технологического процесса и, вследствие этого, увеличить длину сменной захватки до значений, определяемых производительностью механизмов:

8. Экспериментально установлено влияние технологических факторов устройства из укрепленных грунтов конструктивных слоев дорож-

Л»

ных одежд С степень размельчения грунта, качество увлажнения, перемешивания, уплотнения смесей, продолжительность процессов) на и прочность и долговечность.

э. Проведенные в региональных условиях юга России опытно зк-

/

спериментальное строительство и наолюдения в течение ряда лет зг состоянием эксплуатируемых опытных участков позволили подтвердить достоверность равноценной замены кондиционных каменных материалов V цементогрунтов композиционными материаламми из укрепленных грунтов.

10. Утилизация рассмотренных отходов промышленности путем тщ чения на их основе вяжущих и композиционных материалов активно спс собствует расширению базы местных дорожно-строительных материалов.

11. Экономическая эффективность устройства слоя основанш С Ь=16 см) из грунтов укрепленных шлаковым вяжущим в условиях юге

Йэссии составляет в среднем на 1 км. дороги Ш категории составляет 24.72 - 46.18 млн. руб. С в ценак 1997 года).

Основные положения диссертации опубликованы в сведущих работах:

1. Мардиросова И.В., Меркулова С. А. Отвальные доменные шлаки Красносулинского металлургического завода - сырье для получения минерального порошка //Повышение качества и эффективности строительства и эксплуатации дорог южной части РОЮ3. - Ростов н/Д: РИСИ, 1979. - С 24-28.

2. Кейльман В.А..Бухалова Г.А., Мардиросова И. В., Меркулова С. А. Получение малоактивного вяжущего на основе отвальных доданных шлаков Красносулинского металлургического завода //Пути повышения качества и снижения стоимости строительства и эксплуатации дорог на юге РСФСР. - Ростов н/д: та. 1980. - С. 3-7.

3. Бухаяова Г.А., Кейльман В.А., мардиросова И.В.. Меркулова

л*

С. А. Вяжущее на основе доменных отвальных шлаков //Особенности строительства и эксплуатации автодорог с использованием местных материалов и отходов промышленности в региональных условиях вга страны. - Ростов н/Д: РЮ, 1932. - с. 22-30.

4. Кейльман В.А., Мардиросова И.В.. Меркулова С.А. Укрепление лессового грунта вяжущим, приготовленным с использованием отходов производств //Молодые ученые - ' Продовольственной программе". - Ростов н//Ь РИСИ, 1983. - С 2-5.

5. Мэрхулова С.А., Кочерга В. Г. Композит« для устройства оснований дорожных одежд //Ускорение научно-технического прогресса при проектировании, строительстве, ремонте и содержании а/а Ростовской области. - Ростов н/Д: РИСИ, 1988. - С 17-20.

6. Кейльман В. А.. Илиополов С. К., Мардиросова И. В., Меркуло-

ва С. А. Методические рекомендации по устройству укрепленных оснований дорожных одежд с использованием лессовых грунтов, промышленных отходов С кремнегель. нефтешлам } и вяжущих материалов. -Ростов н/д: ■ риал. 1986. - 32 с,

7. Меркулова СА., Кочерга в. Г. Укрепленные грунты - основной материал для устройства оснований дорожных одежд Калмыцкой АССР.- Ростов н/д: изд. СКЩ ЕШ, 1987. - С. 19-23.

8. Кейльман В. А., Меркулова с. А. Комплексное использование шлаков в дорожных одеждах //ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов. - Харьков: Мздгво ХАИ, 1989. - С. 33-35.

9. Кейльман В. А., Кочерга В. Г., Меркулова С. А. Исследование однородности композиционного материала на основе грунтов, укрепленных суспензией неорганических вяжущих //Наука &уза-перес-тройке. - Ростов н/Д: РГСИ. 1989. - с. 11-13.

А/

10. Кейльман В.А., Меркулова С. А. Основания дорожных одежд из шлакового щебня укрепленного составным шлаковым вяжущим //Опыт проектирования и строительства автомобильных дорог с использованием местных строительных материалов. - Ростов н/Д: РИСИ, 1991. -

/

С. 16-18.

11. Кейльман В.А., Меркулова с.А. Доменные отвальные шлаки и пути их комплексного использования //Международная НТК "Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог*;- Владимир: ВШ, 1991. - С. 106-108.

1 2. Меркулова с.А. Влияние степени размельчения грунтов при укреплении шлаковым вяжущим //современные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог,- Суз-

даль: Изд-во Акад. транспорта га, 1994. - С. 37-38.

13. Меркулова С. А. Композиционные материалы на основе металлургическим шлаков и отходов промышленности //Научно-технические достижения в области дорожным строительных материалов, строительства реконструкции и содержания исскуственньм сооружений. -Липецк: Управление автомоб. дорог адм. Липецкой обл., 1995. С. 95.

14.Меркулова С. А. Структурообразование в системе грунт-шлаковое вяжущее //Экономия энергии при строительстве, эксплуатации автомобильных дорог и производстве строительным материалов.- Владимир: Изв-во Акад. транспорта РФ, 1S95. - С. 77-73.

15. Меркулова С. А., 'Ляиополов С. К. Использование отходов промышленности в конструкциях дорожных одежд юга РФ //Материалы и технологии строительства, ремонта и содержания автомобильным дорог. -Минск: Изд-зо Белар. гос. полит. Акад, 1996. т. 2 - С. 10S-107.

16. Меркулова С. А. Конструкции дорожным одежд из доменным отвальным шлаков и материалы на им основа //Проблемы дорожного строительства. - Суздаль: Изд-зо Акад. транспорта РФ, 1996.- С. 54-56.

17. А.с.1030333 СССР. Вяжущее для дорожного строительства/Меркулова С. А.//Открытия и изобретения. хУЗЗ.

18. A.c. ДСП 1277653. Композиция для устройстваоснований дорожным одежд /Меркулова С.А.//Открытия и изобретения. 1956.

19. A.c. 1754833. Композиция для дорожного строительства. /Меркулова С. А.//Открытия и изобретения. 1993.

JIP № 020818 от 20.09.93. Подписано в печать 9.10.97. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. С 252

Ведакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета.

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.