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

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ]/; СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правам рукописи МЕРКУЛОВА Светлана Александровна

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ И ШЛАКОВЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель к. т. н. „ доцент С. К. Илиополов

Ростов-на-Дону

СОДЕ Р Ж А Н И Е

Введение ........................... .... .....-.....- .......................................- ........... _ .............~ 5 ...

Глава Состояние вопроса, цель и задачи исследования .......- ... -22 _

1-Í, Опыт использования и перспективы применения в дорожном строительстве местный материалов и отходов промышленности „ „ ...... „ _ „ _ _ ..„ _ .......... 12_

1.2. Металлургические шлаки и материалы из них ........ ... .......19

1.3. доменные отвальные шлаки м ик вяжущие свой-

CTBcí ...... .... .............. — ........ ......... ........ — —. — _ — — — —. ¿.'-«С-..

1.4. Теоретические основы укрепления грунтов вяжущими материалами ... ............... ............. ..2............... ... .... .............. 25._

1. 5, Цель и задачи исследований ............. .. ..................... -........... 29_

Глаза 2. Характеристика исходным материалов и мато-

дмка исследований .... .............. .............................. ............. .... .......32

2,1. Характеристика исходных материалов. ..................... 32_

2.1.1. Отвальный доменный шлак _ ._ ......... ............ ... ...............32

2.1.2. Карбидный ил ........ ................... _ ......... ....... -........-.............. 32...

2.1, 3. Отход литейного производства с ОРОФО ............ .... _38

2.. 1.4. Зола уноса .... ....... _ ..... _ ............................. _ ................ _ 40......

2.1.5. Фосфогмпс _ .... _ _................ .„ ________ ____________ „ .... ... .... _ :..41.....

2.1. 6. лессовые грунты ____________ _______ ... .. „ _........ ............... ...42 .....

2.2. Методика исследований ... ... _ _ ............. .... .... _______ ... ... ........46

2. 3. Физико-мимические исследования ......... .... ............... ... ... _ 48... ...

Слава 3. Влияние состава шлакового вяжущего на свойства композиционных материалов на основа

лессовый грунтов „ ........... _ ... ....... .... ..... _ ................. ................ 52.. ....

3.1.. Экспериментально-статистическое моделиро-

ю_

^ . . ........ „ ...... .... .„ _ .„ ... .. . . ........ . ....... - , - ,----. ,. _ ."г

. , . ЧГ^гс- .. .....- - .... ................ __ оо_ _

3.3.1. Роль карбидного ила при укреплении

грунтов _ _________________ .. _____________ _____ _________________ _ 73_ _

3.3.2. Роль ОРОФС в Формировании кристаллизаци-онночшагуляционной структуры компози

цкокного материала _ _____ _.„ ............ _ .... _ ......... .........75 .....

3.4. Выводы _ ... _ _ _ _ _ ___________________________ _ _.. _ . !7<;

Глава 4- ~ г ~ - ~ г -

и..

4.1. Обоснование способа приготовления компози.......

ционного материала _ _____ _____ _ ............................. _ 73..

4.2. Влияние дисперсности грунтов на свойства композиционного материала.......... _..... _ .... ........ _ _ .„82

4.3" ^ " ~ ' " свсйст-

4.3 Зг , - " . " . — уплотнением ............... ............. ...... _ ....... ...... _ .... .................... ........... _ 35_

4.3.2. Зависимость степени уплотнения композиционного материала от влажности......... _ .............. .......37

4.3.3. Выбор режима уплотнения композиционного материала _ _ .......... ........... ....... _ ............. ..... .............. _...........9(3

4.4. Исследование процессов усадки и набухания композиционного матеиала в уплотненном состоянии _ _ _______________ _ ......... ...... .......... ....... _ _____ „.94

4. 5. Выводы_____________________ _. ______ .... ... .................. _............ ........... _ 37..

Глава 5. опытно-производственное внедрение и экономическая эффективность результатов исследовании __ ____38 _

5.1. Характеристика участков_______... _ _ ____98 „„

5.2. Технологические особенности устройства опытных слоев оснований___________________100_ -

5.3. Контроль и комплексная оценка качества___ _ ___Ю5_ _

5.4. Анализ результатов наблюдений_______._______НО _

5.4.1. Приборы и методика исследований________... НО _

5.4.2. Результаты полевых обследовании _ ... _________114 _

5.4.3. Анализ состояния экспериментальным слоев оснований________ _ _ _ _____________115___

5.5. Выбор конструкции дорожной одежды _ ______ _ __ 11? _

5.6. Экономическая эффективность______________ _ _ 118 -„

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ______________.... - - - _ _ 125 _

Литература ..... _ ______________________ ...А2?:„ _

Приложения___________________143___

ВВЕДЕНИЕ

Дефицит традиционных дорожным материалов и их высокая стоимость обращают взоры специалистов к использованию отмолов промышленности. Это позволяет уменьшить объем перевозок железнодорожным м автомобильным транспортом, повысить темпы строительства, сэкономить топливо и энергоресурсы. Попутно решается проблема утилизации отходов, хранящихся .в отвалам, загрязняющих окружающую среду. Хранение и транспортирование отходов связано с большими капитальными и эксплутационными затратами, осложняет работу предприятий и ухудшает экологическую обстановку, отчуждая большие участки земли.

В связи с этим, задачи по использованию отходов промышленности в дорожном строительстве и создание на их основе вяжущих и композиционных материалов для устройства конструктивных слоев оснований -дорожных одежд приобретают особую актуальность.

Цель диссертационной работы: разработка вяжущих и композиционных материалов на базе доменных отвальных шлаков и добавок-активаторов из отходов промышленных производств для устройства оснований дорожных одежд.

Научная новизна работы:

- разработаны составы вяжущих на базе доменным отвальных шлаков с использованием активаторов из отходов промышленных производств, обладающие высокой прочностью водо- и морозостойкостью:

- комплексом методов Физико-химического анализа с Р©А, ЯГА, ЗМ) установлен фазовый, химический и минералогический состав шлаковых вяжущих и композиционных материалов на их' основе. Выявлено

образование в системе как самого вяжущего, таге и в укрепленным композициям,, цементирующий гелевидных новообразований тобермори-тового типа, а также нерастворимых гидросульфоалюминатов кальция:

- получена зависимость между рациональным содержанием компонентов разработанных вяжущих и их качественными характеристиками;

- установлено положительное влияние активирувдих добавок, из отходов промышленности на Формирование мелкокристаллической структуры вяжущего, характеризующейся повышенной прочностью воде- и морозостойкостью, что обуславливает увеличение долговечности устраиваемых конструкций оснований автомобильных дорог из укрепленных ими грунтов;

- разработаны составы композиционных материалов из лессовым грунтов и шлаковых вяжущих для устройства оснований дорожных одежд;

- электронно-микроскопическими исследованиями показано, что грунты укрепленные шлаковым вяжущим имеют кристаллизационно-коа-гуляционную структуру;

- научная новизна работы подтверждается также 3 авторскими свидетельствами на изобретения: а. с. Но 1030333 "Вяжущее для дорожного строительства", а. с. ДСП Мо 1277858 "Композиция для устройства оснований дорожных одежд", а. с. Кю 1754833 "Композиция для. дорожного строительства".

Практическое значение работы:

- работа выполнена в рамках темы "Разработка рекомендаций по применению в дорожном строительстве неорганических вяжущих веществ на основе отходов промышленности и местных материалов"по заказу Минавтодора РСФСР (Федерального дорожного департамента РФ);

- разработаны составы шлаковых вяжущих и композиционных материалов для устройства конструктивных слоев оснований дорожных

одежд, обладающие высокой прочность, водо- и морозостойкостью.

- получены экспериментально-статистические модели прочности при сжатии и на изгиб, коэффициента морозостойкости и водоустойчивости шлакового вяжущего от основных рецептурный факторов, позволяющие управлять его свойствами;

- разработанные составы шлаковым вяжущих для устройства оснований дорожных одежд апробированны в подразделениях Ростшавто-дора, краснодаравтодора;

- рассчетный годовой экономический эффект, достигаемый при устройстве I км. оснований дорожных одежд из композиционных материалов на основе лёссовых грунтов и разработанных шлаковых вяжущих по сравнению с кондиционными вяжущими материалами составил:

в фиксированных ценах 199? года 24.72 - 46.18 млн. руб.

На защиту выносятся:

- состав шлаковых вяжущих и укрепленных ими грунтов:

- результаты комплексных исследований физико-химических процессов, протекающих при твердении шлаковых вяжущих модифицированных рекомендуемыми неорганическими добавками из отходов промышленности;

- комплексная оценка влияния рецептурных и технологических факторов на физико-механические свойства шлаковых вяжущих и композиций на их основе;

- результаты оценки прочности, водо- и морозостойкости шлаковых вяжущих и композиционных материалов на их основе;

- влияние технологичкеких факторов на свойства композиционных материалов из лессовых грунтов и шлаковых вяжущих.

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

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических, научно - практических конференциях Ростовского-на-Дону государственного строительного университета, региональным, областным, Всесоюзных, Республиканских и Международных конференциях НТО с 1980-1386 г.

Результаты проведенный исследований вошли в "Рекомендации по применению асфальтобетонных смесей на основе шлаковых материалов при строительстве и ремонта автомобильных дорог для условий центра, юга и уральской зоны РСФСР" - ГипродорНШ, Москва, 1979 год, "Рекомендации по применению в дорожном строительстве неорганических вяжущих веществ на основе отходов промышленности и местами материалов Сна основе доменных отвальных шлаков Краеносулинского металлургического завода" - ГипродорШй СРостовский-на-Дону филиал), 1981 год, "Методические рекомендации по строительству оснований дорожных одежд с использованием связных грунтов, укрепленных минеральными или органическими вяжущими с добавками ПАЗ и промышленных отходов" - еоюздорНШ, 1985 год, в "Методические рекомендации по использованию доменных отвальных шлаков и горной породы Донецкого бассейна для устройства конструктивным слоев дорожным одежд и производстве строительным материалов" Ростов-на-Дону, 1992 год.

Публикации: Тема диссертационной работы раскрыта в 28 публикациям, 3-х авторских свидетельствах, с участием соискателя разработаны и изданы 2 нормативно-техническим документа, 5 методических рекомендаций и 5 каталогов местных материалов и отходо промышленности.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 18 публикациях:

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

2. Кейдьман В. А., Бухалова Г. А., Мардиросова и. В., Меркулова С.А. Получение малоактивного вяжущего на основе отвальным доменный шлаков Краскосулинского металлургического завода //Пути повышения качества и снижения стоимости строительства и эксплуатации дорог на юге РСФСР- - Ростов н/д. РЮ1 1980. - С. 3-7.

3. Букалова Г.А., Кейдьман в. А. , Мардиросова И. В., Меркулова С.А. Вяжущее на основе доменным отвальным шлаков //Особенности строительства и эксплуатации автодорог с использованием местных материалов и отходов промышленности в региональных условиям юга страны. - Ростов н/д: РйШ, 1982. - С- 22-30.

4. Кейльман В.А., Мардиросова й. в., Меркулова с. А. Укрепление лессового грунта вяжущим, приготовленным с ипользованием отходов производств //Молодые ученые - "Продовольственной программе". - Ростов н/д: РЮ, 1383. - С. 2-5.

5. Меркулова С. А., Кочерга в. Г. Композиция для устройства оснований дорожный одежд //Ускорение научно-технического прогресса при проектировании, строительстве, ремонте и содержании а/д Ростовской области. - Ростов н/д: РМСЯ 1986. - С. 17-20.

6. Кейльман В. А., йлиополов С- К., Мардиросова ш, В., Меркулова с. А. Методические рекомендации по устройству укрепленным оснований дорожных одежд с использованием лессовых грунтов, промышленных отходов с кремнегель, нефтешлам ) и вяжущим материалов. -Ростов н/Д: РМСЙ, 1386. - 32 с.

7. Меркулова с.А., Кочерга В.Г. Укрепленные грунты - основной материал для устройства оснований дорожных одежд Калмыцкой АССР. - Ростов н/д: йзд-во СКЩ В1, 1987. _ с. 19-23.

8. Кейльман В,А.- Меркулова С.А. Комплексное использование шлаков в дорожных одеждам /уресурсосберегаквше технологии., структура и свойства дорожных бетонов. - Харьков: Изд~во ХАЛИ. 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 Буза-перестройке. - Ростов н/д: РуО, 1983. - С. 11-13.

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,. 1391. -С. 18-18»

И. Кейльман S.A., 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: Изд-во ЗПИ, 1931. - С. 106-108.

12. Меркулова O.A. Влияние степени размельчения грунтов при укреплении шлаковым вяжущим //Современные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. Суздаль: Изд-во Акад. транспорта РФ, 1994. - с. 37-38.

13. Меркулова С. А. Композиционные материалы на основе металлургических шлаков и отходов промышленности //Научно-технические достижения в области дорожных строительных материалов, строи-

тельства реконструкции и содержания исскуственнык 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 автомобильный дорог и производстве строительный материалов. Владимир: йздчво Акад. транспорта РФ, 1995. - С. 77-78.

15. Меркулова С. А., Шшополов С. К. Использование отходов промышленности в конструкциям дорожных одежд юга РФ //Материалы и технологии строительства, ремонта и содержания автомобильным до-дог. Минск: Мзд-во Белар. гос. полит. Акад, 1996, т. 2. - с. 106-107.

16. Меркулова С. А. Конструкции дорожных одежд из доменных отвальных шлаков и материалы на их основе //Проблемы дорожного строительства. Суздаль: Изд-во Акад. транспорта РФ, 1996.-- С.

>" 4 Егд

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Опыт использования и перспективы применения в дорожном строительстве местных материалов и отходов промышленности

Важным резервом снижения стоимости дорожного строительства, расширения объемов и темпов дорошо-строительных работ, экономии трудозатрат и знергоресурсов, Фондируемых минеральным вяжущих является широкое применение местный материалов и отходов промышленности.

Известно» что основные затраты С до 80% ) при строительстве автомобильных дорог приходятся на сооружение дорожной одежды и в первую очередь на два основных конструктивных слоя: покрытие и основание, для строительства которым требуется значительное количество каменным материалов [813. Поэтому одним из важнейших источников снижения стоимости дорожного строительства является замена дорогостоящих, становящимся все более .дефицитными, неорганических вяжущих, отходами промышленности. Решение этой задачи способствует так же уменьшению потребности в транспортных средствах, погрузочно-разгрузочных работах, экономии горючих и смазочных материалов.

Среди отходов и побочных продуктов различных отраслей промышленности следует указать отходы металлургической промышленности -металлургические шлаки, отходы литейных производств, топливные шлаки, золы уноса ТЭЦ и 'ВС, отходы промьшленности стройматериалов и некоторые другие. Широкому использованию местных материалов м отходов промышленности в условиях южного региона содействует проведенная по инициативе ЗДНйЛ РГАС работа по каталогизации природных каменных материалов и отходов промышленности, под руководством

В.А. Кейльмана с 1-33. Составлены каталоги, позволяющие не только определять местонахождения месторождений, зоны эффективного использования того или иного местного материала или отхода промышленности, но и рационально применять эти материалы в конструкциях дорожных одежд. Данные об обеспеченности каменными, песчанными и местными материалами, взятые в качестве примера для районов Краснодарского, Ставропольского краев, а так же Ростовской области приведены в таблице 1.1. Приведенные данные указывают на довольно значительное количество районов не располагающих ни какими С за исключением грунтов) дорожно-строительными материалами: в Ростовской области 18 из 42 С 38%), в Краснодарском крае 13 из 43 (30%) и в Ставропольском крае 12 мз 34 С 35%). К тому же не все районы, располагающие запасами местных материалов, имеют их в количествах, достаточных для обеспечения собственных потребностей.

Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что распределение их по отдельным районам весьма неравномерное. Это значительно сокращает т�