автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Механические свойства грунтов, укрепленных известью с добавками-ускорителями

а н • 1 '

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ «КРАЙНИ ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОШИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ'

На правах рукописи

ИА АЙМИНЬ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ. УКРЕПЛЕННЫХ ИЗВЕСТЬЮ С ДОБАВКАМИ-УСКОРИТЕЛЯМИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и

изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1995

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии строительства автомобильных дорог Сианьского автомобильно-дороаноп транспортного университета Китая и на кафедре технологии дорожно-строительных материалов Харьковского государственного автомо-бильно-дороаного технического университета Нкраины.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Ольгинский А.Г.

Официальные оппоненты - профессор, доктор технических на-

Защита диссертации состоится " ^ "С£Я1 1 Д. 1995 г. в часов на заседании специализированного совета К 02.17.01 по специальности 05.23.05 "Строительные материалы и изделия" Харьковского государственного автомобильно-дороаного технического университета по адресу: 310078,г.Харьков - 78, ул. Петровского. 25 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ХГАДТ9. Автореферат разослан " "---------- 1995 г.

ук.чл. корр. АН Грузии, Заслуаенный деятель науки, заслуженный изобретатель, лауреат государственной премии Украины

Нчедлов-Петросян О.П.

профессор, заслуаенный работник народного образования Нкраины

Михович С.И.

Ведущая организации - " Харагропромдорстрой "

Эченый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

Космин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Р&БОТН

Актуальность работы. В связи с увеличением темпа развития народного хозяйства в Китае, в настоящее время автомобильные перевозки осуществляются с высокой скоростью и в больиих объемах. Большое значение приобретают улучшение технического состояния дорог и ускорение темпов их строительства. Поэтому предусматривается иирокое использование прогрессивных технологий строительства:дорог. эффективных нетрадиционных дорожных конструкций, местных материалов и побочных продуктов производства. Больвой резерв ускоре-4ия дорожного строительства заложен в использовании малопрочных {аменных материалов и минеральных побочных продуктов производства. 1 также в применении различных нетрадиционных вяжущих.

Техническая целесообразность и больвой экономический эффект )т использования различных укрепленных материалов при строительств >е автомобильных дорог и аэродромов подтвержден вирокими научными [сследованиями и много летней производственной практикой. Наиболее 1аспространенными являются грунты.укрепленные известью. Укрепление рунтов известью характеризуется сравнительно простой технологией (роизводства, высоким техническим эффектом и широкой областью применения. Известь широко применяется в Китае в качестве вяжущего ,ля производства конструктивных слоев дорожных одежд из укреплен-ых грунтов. Однако некоторое ограничение применения извести свя-ано с медленным твердением укрепленных грунтов, высоким трещино-бразованием и т.п.

Цель работы состоит в разработке и исследовании составов рунтов. укрепленных известью с добавками для улучшения прочностью, деформативных свойств оснований автомобильных дорог.

Научная новизна работы:

1. Предложены активные ускорители твердения укрепленных грун-

тов для оснований дорожных одежд, которые эффективны не только п обычных температурах, а и в зимний период.

2. Изучены физико-механические показатели укрепленных.грунт с различными ускорителями твердения, которые использованы при пр ектировании и строительстве доро!ных одежд.

3. Выявлен механизм действия ускорителей твердения при укре| лении грунтов. Показано, что основная роль в формировании структ! ры таких грунтов принадлежит регулировании физико-химических пр< цессов и усилении структурных связей в грунтах в ранние сро! твердения.

4. Установлены закономерности изменения температурно-усадо< ной деформации укрепленных грунтов в зависимости от их состава температуры.

5. Установлено влияние особенностей структуры на выносливой укрепленных грунтов. Получена зависимость относительной деформац* от цикла нагружений и уровня напряжения. Предложены три вида де формативных особенностей укрепленных грунтов при циклическом наг ружении.

Практическая ценность работы. В результате выполненных рабо предложены способы использования добавок-ускорителей в дорокно строительстве для повыиения прочности оснований из укрепленны грунтов в ранние сроки, как при нормальных температурах, так и пр отрицательных температурах. Это послужило дополнением к "Инструк ции по производственной технологии применения укрепленных известь грунтов для устройства оснований автомобильных дорог (ЗТ 031-82)". Позволило расширить методы повыиения прочности укреплен ных грунтов в ранние сроки, что способствовало досрочному открыти движения автомобилей.

Рекомендованы грунтовые смеси для уменьшения температурно! усадочной деформации укрепленных грунтов.

Результаты исследований представляют собой рекомендации для /чета усталостных свойства укрепленных грунтов, и используются при гереработке действующей "Инструкции по проектированию дорожных )дежд нежесткого .типа (ЛЛ 14-86)". -

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в системе <интранстроя КНР. Построены опытные участки дорожных одежд в Ха-*аньской провинции. Экономический эффект составляет 0,2...0,5 тыс цол на 1 км дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на министерской конференции "Использование оснований из укрепленных материалов и покрытий из бигукоиинеральных сиесвй з автомобильных дорогах высвих категорий" (Шанхай,1988); научно-технической конференции "Укрепление грунтов известью и золой в дорожном строительстве" (Чжэнчжоу,1989); министерской конференции "Переработка действующей инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа" (Тайвань,1991); научно-технической конференции "Использование гравийных грунтов, укрепленных известью в дорожном строительстве" (Пекин,1992); .научно-техническом семинаре кафедры технологии дорожно-строительных материалов (ХГАДТУ, Харьков. 1994); научно-технической конференции дорожно-строительного факультета (ХГАДТУ. Харьков. 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано ? работ.

Объем работы. Диссертационная,работа состоит из введения, пяти глав, обеих выводов и списка литературы. Работа изложена на 131 странице, включая 119 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 24 таблицы, списка используемой литературы из 131 наименования.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и задачи исследования. Во многих странах

одним из.главных дорожных строительных материалов являются укрепленные известью грунты. Как традиционные строительные материалы они жироко используются в конструктивных слоях дорожных одеи Китая.

Из приведенного литературного обзора следует, что взаимодействию между известью и тонкодисперсной частью грунта при струк-турообразовании укрепленных известью грунтов посвящено большое число работ ( Безрук В.П.,Борисова Е.Г.,Ван Л.,Гончарова Л.В..Дэвидсон Д.Т.,Иде 1.Л..Иерусалимская М.Ф., Левчановский Г.Н., Орксби В.С.,0хотин В.В..Филатов K.M.,Чжан Д.). Установлено влияние минерального и гранулометрического состава грунта, извести и условий выдерживания на эффективность укрепления грунтов ( Безрук В.М., Гедройц К.К.. Егоров И.В., Иерусалимская М.Ф., Инглес О.Г., Лев-чанровский Г.Н., Морозов C.fl., Сасько Н.Ф., Филатов М.М., Чжан Д., Вервуд П.Т.); Показано, что повышение эффективности укрепления грунтов известью достигается в комплексе с активными добавками (Безрук В.М., Давидсон Д.Т. .Леувгин Й.И., Лэмб Т.В., Попандопуло Г.А.. Путилин Е.И.,. Сюй Ю.. Ястребова Л.Н.). Однако, большинства

авторов уделяют недостаточное вникание исследованию укрепленных

\

известью грунтов, в качестве конструктивных слоев дорожных одежд, а следовательно, недостаточно изучены технические свойства таких слоев.

Медленное твердение укрепленных известью грунтов серьезно снижает производственную эффективность их использования при высоких темпах дорожного строительства. Исследования Дэвидсона Д.Т., Лэмба Т.В., Сюй В., Ханда Р.Л., Чжамса В. явились основанием*для систематического изучения способов повышения прочности укрепленных грунтов в ранние сроки твердения путем использования химических добавок.

Температурно-цеадочное треиинообразование оснований из укреп-

иных грунтов ухудиает их эксплуатационные свойства. Исследования адочной деформации укрепленных грунтов в настоящее время нахо-тся на начальной стадии ( Васильев Ю.М., Надежно A.A., Чжан Д., н С.). Главным является установление особенности температур--усадочной деформации укрепленных грунтов.

Для оценки выносливости дорожной одежды необходимо установить кономерности усталостных деформаций оснований, конструктивных оев дорожных одежд при повторявшемся нагружении. К настоящему емени крайне недостаточно исследованы эти свойства для укреплен-х известью грунтов ( Фань Ф.).

Анализ состояния вопроса позволил наметить следующие задачи следования:

1. Предложить ускорители твердения для укрепления грунтов, эспечивавщие повышение прочности в ранние сроки при отрицатель-ä ( до -5°С ) и нормальной температуре, приемлемые в техническом юаениях.

2. Установить оптимальные количества добавок-ускорителей, эспечиваищих формирование прочной структуры укрепленных грунтов.

3. Исследовать основные физико-механические свойства укреп-шых грунтов с использованием ускорителей твердения.

4. Изучить процессы структурообразования укрепленных грунтов различными ускорителями твердения путем анализа фазового соста-

5. Исследовать закономерности температурно-усадочной деформа-[ укрепленных грунтов при понижении окружающей температуры.

6. Исследовать усталостнув прочность и развитие деформаций (епленных грунтов при многократно повторяющемся нагружении.

7. Провести опытно-производственную проверку результатов ла-аторных исследований.

8. Оценить экономическую эффективность применения доба-

вок-ускорителей в укрепленных основаниях автомобильных дорог.

Теоретические предпосылки исследований. При укреплении грунтов известью протекают слоЕные и взаимосвязанные процессы. Наличие определенной концентрации гидрооксида кальция в грунте обеспечивает возникновение различных процессов при твердении укрепленных грунтов. Ионный обмен и коагуляция обеспечивают начальную прочность грунта. Супественное улучшение прочности и устойчивости грунтов получено за счет пуццолановых реакций. Дальнейшему повышению прочности способствуют реакции карбонатизации и перекристаллизации гидратов.

В результате различных химических й физико-химических процессов грунты. укрепленные известью, характеризуются преимущественно кристаллизационным типом микроструктуры с локальным наличием конденсационных и коагуляционных структур. Структурный характер укрепленных грунтов предопределяет их свойства.

Прочность укрепленных грунтов, помимо прочности зерен твердой Фазы, определяется сцеплением и внутренним трением частиц грунта.

Введение химических добавок в укрепленные грунты может регулировать различные процессы твердения, прежде всего изменять структурные связи между частицами грунта. В результате этого возрастает сцепление, вызванное значительным проявлением кристаллизационных связей. Среди различных процессов твердения укрепленных грунтов, пуццолановые реакции, протекающие между активными минеральными ' частицами грунта и вяжущим веществом, интенсифицируемые вводимыми добавками, в виде ИаОН, Ыа^СОз, Иа^О^и т.п.. выполняют основную роль. Они формируют кристаллизационные структурные связи в укрепленных грунтах.

Глинистые минералы к стеклофаза золы характеризуются сравнительно слабыми связями между структурными элементами - кремне-кислородшши тетраэдрам. Под действием щелочи зти связи наруша-

ются и кремнекислородные тетраэдры переходят в грунтовый раствор. В связи с повыаением концентрации ионов кремнезема интенсивность пуццолановых реакций возрастает.

Различные электролиты имеют способность реагировать с известью с образованием труднорастворимых или малодиссоциирующих соединений. И ним относятся, в первую очередь, натрийсодержащие электролиты. Некоторые подобные электролиты могут взаимодействовать с известью с образованием различных солей кальция, имеющих слабую растворимость. Сульфаты, связываясь со свободным гидратом окиси кальция, образуют сульфат кальция, а с гидроалюминатами кальция ( продуктами пуццолановых реакций ) - нерастворимый суль-фоалшминат кальция. Вышеперечисленные труднорастворимые или мало-диссоциирующие соединения образуются между частицами грунта, либо заполняют поры, что увеличивает сцепление или внутренее трение укрепленных грунтов. Вновь образованные соединения могут выполнять роль кристаллических затравок, эффективность которых обусловлена их дисперсностью.

Температурно-усадочная деформация укрепленных грунтов определяется изменением объема составляющих минералов и новообразований, а также действием разнообразной влаги, находящейся в порах укрепленных материалов.

Поры в укрепленных грунтах частично или полностью заполнены воды. Состояние воды в порах изменяется в зависимости от параметров окружающей среды ( относительная влажность, давление и температура воздуха ), что оказывает существенное влияние на усадочную деформацию цкрепленных грунтов, поскольку вода сама обладает больной температурной деформацией. В диапазоне положительных температур коэффициент линейного расширения у воды в 4...7 раз выне, чем у твердых частиц в укрепленных грунтах. С понижением температуры окружающей среды объем воды в порах уменьиается существенней, чем

у твердых частиц. Вода в порах замерзает при температуре ниже О и вследствие увеличения объема на 37. оказывает отрицательное вли ние на усадку укрепленных грантов.

Скрепленные грунты характеризуются структурной и физическ! неоднородностью. Действие нагрузки вызывает локальные концентрат напряжений. При воздействии многократных вибрационных нагрузок укрепленных грунтах может проявляться своеобразный эффект разжиж! ния,-когда под действием вибрации укрепленные грунты в первую 041 редь тонкозернистые, тиксотропно разжижаются. В связи с этим щ длительном циклическом нагружении коагуляционные связи постепеш наруиаются. Следовательно, при длительном циклическом нагружеш сопротивление нагрузке могут оказывать лииь упругие кристаллизащ онные связи в структуре.

Усталостная прочность укрепленных грунтов в значительной стс пени обусловлена их структурой, в первую очередь микроструктурно* Изменения .свойств микроструктуры, например, однородности, характе ра, структурных связей и т.д..могут отразиться на усталостнс прочности укрепленных материалов.

Результаты исследований. При исследованиях были использован типичные для Китая лессовые (глинистые) грунты и гравийные грунты Лессовый грунт Хэнаньской области характеризуется высоким содержа нием пылеватых частиц. По числу пластичности ( 13.44 ) и содержа нию песчаных частиц ( 10.82% ) он относится к пылеватому суглинку Сравнительно высокие значения рН ( 8,16 ) данного грунта отражаю относительное больнее содержание катиона Са в грунтовом раство ре. Из двух видов гравийных грунтов, гравийный грунт Сианьской об ласти содержит больве мелких частиц ( размерами < 2 ва ). чем гра вийный грунт Пекинской области. По своей минеральной характеристи ке, . гравий Сианьской области является кварцитовым, а гравий Пе кинской области - кальцитовым.

В качестве вяжущих, применяли гашеную известь. По содержанию активного МеО известь относится к кальциевой. По активности известь является гашеной известью 1-го сорта, содержащей СаО + М^О > 50 г.

8 качестве активных компонентов, смешанных с известью при укреплении грунтов, применялись золы гидроудаления. По химическом составу эти золы содержат преимущественно ЯЮдС до 50 У. ) и Й^Оз С около 31 У. ). .

Ускорителями твердения укрепленных грунтов служили чистые химические реактивы или различные виды химического промышленного сырья.

Применялись смеси грунта, укрепленного известью и золой в среднем состоящие из 50 У. глинистого грунта, 40 У. золы и 10 У. извести от массы смеси; смеси гравийного грунта, укрепленного известью и золой с различным количеством гравийного грунта ( от 50 до 90 У. по массе) и с различным отношением извести к золе ( от 1:2 до 1:5 по массе); смеси укрепленного известью гравийного грунта с отношением извести к гравийному грунту 5:95 и 7:93 по массе.

Для лабораторных испытаний использовались образцы различного размера в зависимости от вида грунта и характера испытаний. Глинистые грунты формовались в цилиндрические образцы 50 х 50 ии и в балочки 240 х 50 х 50 ив. Гравийные грунты с зернами < 15 ва - 240 х 50 х 50 шш, а гравийные с зернами < 32 аш - 400 х 100 х 100 шш соответственно.

Приготовление смесей, выбор условий твердения и испытания укрепленных грунтов осуществлялись в соответствии с ГОСТ.

Изученение структурных особенностей и фазового состава укрепленных грунтов выполнено с помощью растровой электронной микроскопии, и также рентгеновского. ИИ - спектроскопического и термографического анализов I Производилось определение дзега-потенцша

- 10 - . компонентов грунта. Определение усадочной деформации укрепленных грунтов производилось на специально созданном приборе. Испытания на усталость проводили на установке MTS - 810.

На основе теоретических исследований было опробовано 11 распространенных неорганических соединений, используемых в виде химических добавок для укрепления грунта. Результаты показали, что добавки НаОИ, Иа2С0з .Na^SO-j. Na2S103, а также Na3PQ4отличаются высокой эффективностью, способствуя ускорению твердения укрепленного грунта, при нормальной температуре.

На основе анализа зависимости прочности укрепленного грунта от концентрации различных ускорителей твердения было выделено две группы добавок. В первую группу воили добавки NaOH, Na2C03, и Na2S04, способные обеспечивать максимальную прочность укрепленного грунта прн оптимальном количестве. Вторая группа объединял добавки Na2S i 03 и Na3P04, обеспечивающие равномерное нарастание прочности только при увеличении их концентрации. Полученные данные позволяют рекомендовать рациональное количество различных ускорителей твердения при укреплении грунта известью и золой . Оптимальное количество Na2S04составляет 2-5 * от массы смеси, а для NaOH и Na2C03-по 2 У. и 1.5 У. соответственно. Допускается применение Na2Si03b количестве Г2.5 У., и Na3P04- 2 У..

■ Исследования кинетики твердения грунта, укрепленного известью и золой с различными добавками-ускорителями были проведены на образцах, выдержанных при нормальной температуре 20 ± 2°С и отрицательной температуре -5 + 2°С. Результаты показали, что при нормальной температуре ускорители значительно ускоряют твердение укрепленного грунта (рис.1). В 7 сут возрасте прочность при сжатии у грунта с добавкой Na2S04увеличилась на 104 У.; с NazC03- на 100 У.; с НаОН - на 93 X; с Na2S103- на 91 У.; с Na3PQ4~ на 44 У. выше, чем у грунта без добаьки, При отрицательной температуре добавки NaOH,

Едс.1 Кинетика твердения при нормальной температуре (20 + 2*С) "грунта, укрепленного известью и золой:

1 ~ баз добаъки; и с добавкой

2 - 1,5% №гОН ; 3-2,5% N0^4 ;

4 - 2% МааС0з '

5 - 2,5% Ыа2§03 .

6 - 2% Ма3Р04 .

4-7 Й 28 50 130

Возраст образцов, сут

На2С03, Иа^Юз, и Ка3Р04 могут повывать прочность при сжатии образцов в возрасте 28 сут на 40...90 У. (табл.1).

В результате математической обработки результатов получены уравнения регрессии, которые отражает математическую модель зависимости между пределом прочности при сжатии Яг и возрастом твердения Т :

= а Т Ь .

где а,Ь - постоянные числовые коэффициенты. Введение различных добавок-ускорителей увеличивает главным образом величину а .

Наряду с повывением прочности при сжатии, используемые добавки-ускорители оказывают положительное действие на прочность и модуль упругости при изгибе укрепленного грунта. Они повывают прочность при изгибе на 20...80 У. и модуль упругости на 10...30 У. в возрасте 28 сут. Кроме ЫаОН остальные добавки незначительно умень-вают морозостойкость укрепленного грунта, но коэффициент морозостойкости удовлетворяет требованиям.

- 12 - .

Таблица 1

Кинетика твердения гранта, укрепленного известью и золой, при отрицательной температуре ( -5 + 2°С )

Количество и вид ускорителя ■ твердения" Предел прочности при сжатии водонасыщен-ных образцов, КПа, в возрасте, сут

.4 ., . ? 14 28

без добавки 0.59 0.68 0.70 0.78

1.5 У. НаОН 0.94 1.11 ' 1.22 1.42

2 У. На2С03 0.96 1.13 1.20 1.41

■ 2.5 У. На25103 1.10 1.12 1.18 1.31

2У. На3Р04 0.79 0.82 0.91 1.11

Ускорители твердения оказывают влияние на процессы структуро-образования укрепленного грунта. Это проявляется в изменении прочности укрепленного грунта в зависимости от разрыва между началом увлажнения смеси и началом ее уплотнения. Без разрыва укрепленные грунты с ускорителем НаОН, На2С0з,или На2510з обладают самыми высокими пределами прочности при сжатии в возрасте ? сут. Когда разрыв достигает 24 ч, прочность укрепленного грунта с НаОН, Иа2С0зИ Иа2$10з снижается на 35 У., 11 У. и 34 У. соответственно.При применении На25%, с увеличением времени разрыва прочность укрепленного грунта повышается. Когда разрыв достигает 24 ч, предел прочности при сжатий образцов с Ка^^в возрасте ? сут возрастает на 61 У. по сравнению с прочностью образцов приготовленных без разрыва; При использовании КазРО^ в смеси, разрыв незначительно влияет на прочность укрепленного грунта. Таким образом, уплотнение смеси грунта с добавкой НаОН, ИагС0з или На^Ю^ необходимо производить не-

посредственно после перемешивания: а с добавкой Иа^СЦ через сутки после перемешивания.

1идкая Фаза укрепленного грунта является основной средой, в которой протекают различные взаимодействия между растворенными добавками и частицами грунта при их укреплении. Вследствие катионно-го обмена происходит взаимное изменение свойств жидкой фазы и частиц грунта (преимуцественно глинистых ).

Величина и знак дзета-потенциала отражает форму адсорбции и количество катионов в двойном электрическом поле. Добавка извести значительно изменяет значение дзета-потенциала и его знак. Результаты измерения потенциала протекания показывают, что лессовый грунт и зола характеризуются отрицательным дзета-потенциалом в пределах -1,8, и -7,1 мв соответственно. Значение дзета-потенциала золы в четыре раз выше, чем у грунта, й известково-грунтовая смесь, как и известкого-золо-грунтовая смесь характеризуются положительным дзета-потенциалом в пределах 2,0, и 2,1 мв.

При укреплении грунта известью, кислотность жидкой фазы грунта определяется количеством гидрата окиси кальция. Изменение концентрации гидрата окиси кальция также отражается на изменении величины рН жидкой фазы грунта. Результаты измерения рН показывают, что несмотря на сохранение в жидкой Фазе грунтов определенной че-лочности, с увеличением времени твердения величина рН постепенно уменьшается. И по отношению к грунту без добавки-ускорителя, грунты с различными ускорителями характеризуются меньшими величинами рН в раннем возрасте ( ? сут). Эти результаты свидетельствуют о том,'что при укреплении грунтов химические взаимодействия протекают в процессе твердения, а добавки оказывают воздействие в раннего возрасте.

На рентгенограмме укрепленного грунта без ускорителя твердения отсутствуют линии, как высокосульфатной формы гидросульфоалю-

- 14 - ..

в

мината кальция ( б = 9,80; 5,60; 3,85: 2,55 й ), так и низкосульфатной ((1 = 8,90; 4,50; 3,99; 2,42 й). При укреплении грунта с ускорителем Иа^О^ происходит образование высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция в возрасте 7 сут, которая переходит в низкосульфатнуи форму к 28 сут (рис.2).

о

В возрасте 7 и 28 сут интенсивность главной линии 3,04 й значительно возрастает в грунте с добавкой На2С03, что свидетельствует о появлении в ранние сроки вторичного кальцита образовавшегося при взаимодействии Ма2С03 с известью.

Для всех видов укрепленных грунтов с добавками-ускорителями в одинаковом возрасте ренгенографически фиксируется повышение ин-

' о

тенсивности линий 3,05 й, к тому же она становится широкой и диффузионной, что указывает на возможное образование гидросиликатов кальция.

Учитывая возможность образования нйзкоосновных гидросиликатов кальция в исследуемых системах, по соотношению полос поглощения при 1430 и 1000 см"1 на ИК-спектрах (рис.З), оценивалось изменение их основности в зависимости от характера применяемых добавок. Результаты показали, что в укрепленных грунтах ускорители НаОН и Ма2С03 обеспечивают практически одинаковую основность гидросиликатов. Однако, в первом случае это более закономерно и объясняется интенсивным насыщением системы ионами Б!4* В результате повышения рН системы происходит активное растворение кварцевых зерен грунта, подтверждаемое исчезновением на ИК-спектре, характерного кварцевого дублета при 800 и 780 см"1. Гидросиликаты кальция в грунте с ускорителем Ка2С03 в возрасте 7 сут и в бездобавочном грунте в возрасте 90 сут имеют близкую основность. Этот факт подтверждает вывод об ускорении процессов структурообразования укрепляемых грунтов натрийсодержащими добавками, которые завершаются к возрасту 7 сут.

Р)

8311 №й

3 3 ^ ^чК

та § £

-г* <т> о

°5

3 »^Л^А-»^4

од §

ю -г 1-

4

,5 Ю 15 20 25 50 35 40 45

26

Рис. 2 Рестенограммы грунта, укрепленного

"зеестью и золой •б.ез- доЙаы-31: й т-озрасте 1-7 сут; 2-28 су?; с добавкой. Ма^О^в ьозрасте 3 - ? сут; 4-28 сут.

4000 5000 2000 m 1Z00 800 400 200 crf1

i_i_i_i_i i i_i_i

15 3,3 5,25 &J3 12,5 25 60 ы

Еис.З Ж-спектры грунта, укрепленного

известью и золей: I - без добавки, 7 сут;. 2 - то же, 90 сут; 3-е добавкой Nq¿S04 f 7 сут; 4-е МайСрз, 7 с/т; 5 - с НаОН , 7 сут.

На ОТ-кривой укрепленного грунта без добавки в возрасте 7 сут наблюдается больной эндотермический эффект при 500 °С. который указывает на дегидратацию Са(0Н)г. Однако, на кривых нагревания грунтов одного и того ве возраста при раздельном использовании N825 04 и НаОН, 'данный эндозффект незначителен и даже исчезает. Это свидетельствует об интенсификации химических реакций, в которых участвуют известь и добавки-ускорители.

Исследования микроструктурных особенностей укрепленного грунта показали, что в бездобавочном грунте раннего возраста ( 7 сут ) вне агрегатов не происходит образование кристаллических или геле-образных фаз. Однако, в грунте с различными ускорителями грунтовые композиции характеризуются крупнозернистой структурой, в которой равномерно расположены различные кристаллические новообразовании, включающие игольчатые кристаллы высокосульфатной формы гидросуль-фоалюмината. мелкие ромбовидные- карбонатов, и аморфные гелеобра-зованные формы гидросиликатов кальция. Именно эти новообразования связывают отдельные частицы грунта в монолитный плотный агрегат, обусловливая повышение его прочности.

Укрепленные грунты представляют собой многофазные тела, для которых .кривые деформаций при охлаждении в зависимости от содержания гравийного грунта или от различных отношений извести к золе И/3 характеризуются двумя точками перегиба. В температурных пределах 10 ...0°С и -10 ...-15°С значение усадочной деформации укрепленного грунта увеличивается в прямой зависимости от температуры. Однако, в связи с расширением объема, вызванным замораживанием капиллярной воды, в пределах от 0 до -10"С усадка значительно замедляется и даже прекращается (рис.4).

Увеличение количества гравийного грунта в смеси способствует снижению усадочной деформации образцов, поскольку гравий имеет кенмий коэффициент линейного расширения чем новообразования. Этот

о в-

и 1

о

3

3 •о С'."1

со ¿1

'ь'

о Л

о

е. о

5!

х. Й1

о .;

:! О

О

^ Л (Г1

С'

О

-- - н

ГГ

О п-

О О

С.) ' ►с. О

Р

•д

в с

£

•л

=3 «<

-

X Ч

о Р5

о ^ ■■

»С

и

гз II

у 1—1

гг-

о

2 ^

о

о

О.

1! ,

^ О Я

•о

к

'"О

• »3

И

к

£

о

ло&г^игкенТ лине«кого расширения, >; 1б*£

'Ъ

•о

5

V \ \ / X ' ^ .4

ч \ о

\ \ Ся

\

\ Р • ¿Г ^

\ 7% . / 7* /

N ч 1 сл

' ' чА 1

/ \/

и*

о

х-

ш

со •о №

•О Р5

О

£ £ £ £ о"

Коэффициент линейного расширения,

х Юч/'С

эффект значителен только, когда укрепленный грунт характеризуется базальной структурой, т.е. содержание гравия не превышает 50 У. по массе.

С увеличением содержания золы повышаются теплозащитные свойства. Изменения отношения извести к золе (И/3) в смеси сопровождается значительной температурно-усадочной деформацией. Чем меньже отновение И/3, тем меньве температурная усадка.

Исследование усталостной прочности укрепленного грунта при многократно повторяющихся нагрузках, выполненное на базе испытаний до 1 млн циклов, показывает существование прямолинейной зависимости между приложенным уровнем напряжения БГ/Э ( отношение повторяющегося напряжения к прочности на изгиб при однократном наг-ружении Б ) и логарифмом числа циклов нагружения 1дЫ в' пределах К = 103...106:

/ Б = к Ы ?

Для укрепленных гравийных грунтов к = 1. п < 0,05. Это означает, что усталостная прочность данного вида материалов очень чувствительна к уровню напряжения. В результате изменения состава компонентов ( введение цемента и золы ) структура укрепленного гравийного грунта соответственно изменяется.' В отличие от статической прочности, выносливость укрепленного грунта ухудшается при наличии цемента или золы. При замене 15 У. гравийного грунта золой, прочность и модуль упругости при изгибе образцов соответственно повиваются в 1,1 и 0,6 раз, а величина п изменяется с 0,0248 до 0,0496.

При циклическом нагружении предел относительной деформации £ образцов повышается с увеличением числа циклического нагружения N. Зависимость между £ и N до разрушения образцов хорошо описываются Формулой:

8 = £; + а к ,

где £; характеризуется начальной относительной деформацией, которая связана со значением уровня напряжения и с модулем упругости самого материала; & - скорость изменения относительной деформации ( СХ = d £ / dN ). Чем выге уровень напряжения,тем боль-ие значение Ot .

Скорость изменения деформации при различных уровнях напряжения характеризуется тремя случаями. При уровнях напряжения Sf/S ниже критического уровня SLj, скорость сх стремится к нулю. При этом объемы зон наруиенных связей под действием нагрузки очень малы. Макротрещины вообще не возникают и образец не разруиается. Если уровень Sf/S больше критического уровня SLi и меньве SLa. то скорость ос постепенно изменяется в зависимости от напряжения. Относительная деформация развивается задолго до разрушения. В условиях Sf/S выше SLg скорость а резко возрастает. В образце проявляется характерная деформация подобная той, которая фиксируется при однократном нагружении.

При длительном циклическом нагружении скорости изменения деформации образцов при различных уровнях напряжения отличаются друг от друга, но образцы одной и той же смеси характеризуются одинаковым максимальным пределом деформации при растявении до разруиения &тах . Для данных видов укрепленных гравийных грунтов £тах составляет около 250 х 10*е.

Опытно-производственная проверка результатов исследований. На основании результатов исследований проводилось укрепление грунтов известью и золой с использованием ускорителя при строительстве автодорог у. Хуэй - у. Цзяо в Хэнаньской провинции. Дорожная одежда на опытных участках "дорог состоит из покрытия в виде однослойного черного щебня толщиной 6.5 см и основания, состоящего из лессового грунта толщиной 22 см, укрепленного известью (102) и золой (40/П; с добавкой НаОН (1,52). При постройке основания температура окру-

жанщего воздуха колебалась между -3 и 5°С. В течении первых тре> месяцев после устройства основания температура составляла от -5 до 5°С. Результаты определения прочности образцов, изготовленных из производственных смесей, и модуля упругости конструкций в опытных участках,подтвердили результаты лабораторных исследований об ускорении твердения укрепленных грунтов при отрицательной температуре после введения добавки НаОН. Модуль упругости основания с добавкой в. 1,31...1,38 раз выве чем без добавки, что обеспечивало хорошее состояние дороги.

Применение ускорителей твердения при укреплении грунтов в до-ровных основаниях будет способствовать повышению качества дорожной одежды; сокращению продолжительности строительства дороги; досрочному открытию двиаения транспорта. В результате достигается значительная экономическая эффективность. Общий экономический эффект на 1 км дороги достигает 0.2...О,5 тыс. дол. ( 20...50 млн. крб. в ценах 1994 года ).

выводы

1. Показано, что путем ускорения твердения вяжущего и улучшения деформативных характеристик укрепленных грунтов, возможно улучшить качество дорожных оснований.

2. Теоретически обосновано влияние структурных особенностей на прочностные и деформативные свойства грунтов, укрепленных известью и золой с натрийсодеряащими добавками.

3. Установлено, что для укрепления лессовых грунтов известью и золой при нормальных температурах, наиболее эффективными являются натрийсодержащие добавки-ускорители в виде МаОН , Иа2С03, На2504, На25Юз, и ИазР04. Все они, кроме Иа2$04, эффективны при

отрицательно температурах.

• - 21 -

4. Показано, что при нормальной температуре выбранные добавки-ускорители повышают прочность при сшатии укрепленного грунта на 44...1042 (в 7 сут возрасте), прочность при изгибе на 20...802 и модуль упругости при изгибе на 10...302 (в 28 сут возрасте). Изменение во времени прочности при сжатии подчиняется степенной функ-

и

ции й = а Т . причем ускорители твердения изменяют только числовые значения параметра а.

5. Рекомендовано уплотнять грунт с добавками йаОН, Иагс0зили ^¿ЯЮзнепосредственно после перемешивания, а с Иа^О^через сутки после перемешивания. Такой разрыв повывает эффективность использования добавок-ускорителей.

6. Комплексными методами физико-химического анализа установлено увеличение растворимости кварцевых зерен при использовании ускорителей твердения. Образуются труднорастворимые и слабодиссо-циирующие соединения, гидросиликаты кальция с различной основностью, ускоряющие переход коагуляционной структуры в кристаллизационную и'повышающие прочностные характеристики укрепленного грунта.

7. Установлено прямолинейное увеличение температурно-усадоч-яой деформации укрепленного гравийного грунта в интервале 10...0 °С к -Ю...-15°С, а от 0 до -10°С затухание деформационных процессов. 5ведение золы снижает усадочные деформации.

8. Однородность структуры в большей степени влияет на вы-юсливость укрепленного грунта, чем на его статические свойства. !величение относительной деформации укрепленного гравийного грунта ¡ри циклическом нагружении описывается выражением £ = + ос Н, [ричем изменение <У тесно связано с уровнем напряжения. Укреплений грунт обладает одним из трех видов деформационных особен-остей в зависимости от уровня напряжения.

9. Опытно-производственяая проверка подтвердила эффективность

- 22 - . использования ускорителей твердения глинистых укрепленных грунтов при температурах зимнего периода. Результаты исследований использованы в качестве дополнения к "Инструкции производственной технологии применения укрепленных известью грунтов для устройства оснований автомобильных дорог (ЗТД 031-82)" и при переработке "Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа (ЛЗ 14-86)".

10. Эффективность использования ускорителей твердения проявляется в сокращении продолжительности строительства дорог и досрочном открытии движения транспорта . Общий технологический эффект на 1 км дороги достигает 0.2...0,5 тыс. дол. (20...50 млн.крб. в ценах 1994 года).

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Ольгинский А.Г., Редкозубое А.А., На Айминь. Электрохимические эффекты при укреплении лессового грунта. - Б кн.: Труды международного семинара "Теория и практика строительства и строительных материалов ". Сумы. ССХИ. 1994. - с.57

2. Чжан Денлян. Сюй Внмин, На Айминь. Исследование ускорения твердения укрепленных известью и золой грунтов. - Сианьский АДИ журнал, 1988. Н 3, - с.8-20 ( на китайском языке )

3. На Айминь, Чжан Денлян. Температурная трещиностойкость оснований из укрепленных грунтов. - Строительство автомобильных дорог в Иэнсиньской провинции: докл. Сиань,1993. -с.1-14 ( на китайском языке )

4. 1а Айминь, Чжан Денлян, Сюй Внмин. Нсталостные свойства укрепленных гравийных грунтов неорганическими вяжущими. - Китайский шдрнал строительных работ, 1993, N1, -с.68-73 .( на китайской языке )

5. 1а Айминь, Чжан Денлян. Исследование термодинамических свойств и их использованиях для пуццолановой реакции в укрепленных известью грунтах. - Китайский журнал горных и грунтовых работ, 1994. N 4,-с.32-36 ( на китайском языке )

6. На Айминь* Чжан Денлян. Состав и характеристики катионной емкости обмена лессовых грунтов. - Сианьский АДИ журнал. 1994, N 4. -с.1-5 ( на китайском языке )

7. Ольгинский А.Г.. Иа Айминь, Чжан Денлян. Особенности жидкой Фазы в укрепленных грунтах. - В кн.: Труды ХГАДТ9, Харьков, 1995 ( в печати )

Анотац1я

- 1а Айм1нь "Механ1чн1 властивост1 грунт!в, жо укршлен! вапном з добавками - прискорввачами".

Дисертац1я на здобуттй вченого ступеня кандидата техн1чних наук за ' спещальшств 05.23.05., Харк1вський Державний Автомобиьно-Дорожн1й ТехнДчний Ун1верситет.

Для п1двичення мщностних та деформативних властивостей дорожн1х основ з грунг1в, мо укр1плен1 вапном, розроблен! склади, досл1джено IX вплив на властивост1 грунг1В. Запроронован1 активн1 прискорввачи тверднення при звичайних та негативних температурах. Вивчен1 меха-н!чн1 показники укртлених грунпв з дом!жками. Встановлен! законом1рносп зм1нення температурно-усадочнш' деформацИ" в залежносп В1д Гх складу 1 температуря. Внйвдет особливост! утомлен1сно1 м1цност1 та деформативност1 при цикличному навантаженн1.

Клочов! слова: укреплений вапном грунт, механ!чн1 властивост1;

прискорввачи деформацИ, утомлен1сна мДцн!сть.

-24-Annotation

Sha fiiain: " Mechanical Properties of Line-stabilized Soil ulth Additives - accelerators ".

Thesis for Ph.D. on speciality 05.23.05., Kharkov 'State Automobile and Highway Technical University.

In order to improve strength and deformation properties of base course from lime-stabilized soil, analysis and investigation into influences of mixture compositions under soil stabilization with line and other additives were carried on. Soae additives for accelerating harding not only under normal temperature but also under negative temperature, and mechanical indexes of lime-soil with those additives uere presented. The law of thermal compactive deformation depanding on compositions and temperatures were arranged. The strenpth and deformation characteristics under repeating load were determined.

Key words: lime-stabilized soil, mechanical properties, additives for accelerating harding, compactive deformation, fatigue strength.

Подп. к печ. Формат Аб

Бумага f^ J^TMfift * Отпечатано на ризографе

Усл.печ.л. ' S

Тир. 400 экзi Зак. 1НЧ ,

ХГАДТУ, 310078, Харьков, ул.Петровского, 25

Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, РИО.