автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование технологии строительства золоминеральных оснований

министерство архитектуры, строительства и жилищно-коммунального хозяйства

российской федерации

государственный всесоюзный дорожный

научно-исследовательский институт (союздорнии)

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ Борис Павлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗОЛОМИНЕРАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЙ

«Строительство автомобильных дорог и аэродромов»

Специальность 05.23.11

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992

/

Работа выполнена в Казахском дорожном научно-исследовательском институте (Каздорнии).

Научные руководители: — кандидат технических наук, профессор

В. М. Могилевич,

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б. А. Асматулаев.

Официальные оппоненты:—доктор технических наук, профессор

В. С. Бочаров,

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник В. С. Цветков.

Ведущая организация — Главное производственно-техническое

управление Минтрансстроя Казахстана.

Защита диссертации состоится » Си^^-^Л^1992 года

в » часов на заседании специализированного совета К. 133.02.01 при

Государственном всесоюзном дорожном научно-исследовательском институте (Союздоршш) по адресу: Московская область, г. Балашиха-6, Союздор-шш, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Союздорнии.

Просим принять участие в работе совета пли направить отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 143900, Московская область, г. Балашцха-6, Союздоршш, ученый совет.

Справки по телефону 521-25-76.

Автореферат разослан « » О1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Б. С. МАРЫШЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема эффективного использования ограниченных ресурсов пои строительстве и реконструкции автомобильных дорог а нашей стране может быть решена за счет повышения качества дорожно-строительных материалов с одновременным снижением их себестоимости:.

Одним из путей решения этой проблемы является устройство дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов, местных материалов и отходов промышленности, позволяющих экономить битум, цемент и получать монолитные слои дорожных одежд.

. При строительстве дорожных одежд в Казахстане в основаниях широко применяется местные каменные материалы, обработанные известково-золь-ным вяжущим на основе кислых зол уноса ТЭС и извести-пушонки.

Натурные испытания таких одея.ц показали, что однородность} прочность, морозостойкость золоминерального материала основания и его сцепление р асфальтобетонным покрытием не .всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, что отрицательно сказывается на долговечности цорокных одетц. Зачастую на покрытиях в ранний период эксплуатации появляются деформации в виде разрывов и волн, а модуль упругости золоминеоального материала основания в ряде случаев через' 8...10 лет снижается. ' .

Исследованиями выявлены основные причины неудовлетворительного качества укрепленных неорганическими вяжущими материалов оснований, слабой устойчивости на них асфальтобетонных покрытий и разработаны рекомендации по улучшению этих показателей* Однако, для дорожных одежд с золоминеральными основаниями на основе кислых зол уноса в Казахстане исследования не проводились.

Целью работы является повышение эффективности использования золо-ыинерального материала в основаниях дородных одежд.

Научная новизна» Установлены рациональные пути применения и оптимальные дозировки отходов промышленности - подмыльного щелока и оер-нисто-щелочного стока в качестве химических добавок а золоминеральные смеси. •'

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность улучшения фиэйко-ыеханичэских свойств эолоыинерального материала при введении добавки за счет увеличения скорости растворения силикатной и элвминатной составляющей золы, снижения пересыщения раствора гидратом окиси кплъция, интенсификации в ранние сроки твердения процессов структурообразования и самоуплотнения известково-эольного камня.

Выявлено, что введение в эолошнеральную смесь подыыльного щелока ..ли сернисто-щелочного стока позволяет улучшить сцепление обработанного материала с холодным асфальтобетоном за счет повышения образования в зоне их контакта кальциевых солей нафтеновой кислоты. '

Разработана и предложена оптимальная технология строительства долговечных золоыинеральных оснований дорожных- одежд при использовании существующей дорожно-строительной техники. .

Практическая ценность. Предложенная технология устройства монолитных слоев дорожных одежа из обработанных известково-зольныы вяжущим ка- ' менных материалов позволяет более полно рг лизовать возможности медлен-- ' нотвердеющих вяжущих и повысить сцепление золоминерального основания с ' асфальтобетонным покрытием, за счет чего снизить стоимость строительства дорожных одежд на 15... Щ и получить акономический аффект от 4 до 5 ", тыс.руб. на I км дороги (в ценах 1984 г.). ■ !

Реализация работы. Материалы исследований использованы при разра- ' ботке "Инструкции по строительству слоев дорожных одежд из местных ма- : теоиалов, укрепленных вяаущим на основе зол укоса тепловых электростан- ' ций",-БСН 24-90 (взамен ВСН 24-85), применяемой при проектировании и . строительстве дорог в Казахстане. Ежегодный объем строительства и ре- ' конструкции дорог с применением золоминеральных материалов в республике составляет в среднем 400 км. !

Апробация работы. 'Основные положения диссертационной работы докла- ; вывались на 43...50 научно-технических конференциях СибАДД в 1933... 1990 гг. в г.Омске, на республиканской конференции по использованию зол , уноса в строительстве автодорог в 1985 г. в г.Караганде и на П-ом науч- : но-техническом семинаре "Научно-технический прогресс в дорожной отрасли и перспективы рвзвития сети автомобильных дорог" в 1991 г. в г.Алма-Ате!

Публикации. Материалы исследований отражены в 8 опубликованных статьях, в. двух нормативно-технических документах и в двух описаниях положительных решений по заявкам на изобретения.'

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена'на 162 страницах машинописного текста, иллюстрируется 18 рисунками и 26 таблицами, состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 202 наименований и 7 приложений.

На защиту выносятся:

- результаты исследования особенностей процессов структурообразо-вания в золоыинеральных материалах с подаыльнын щелоком и сернисто-щелочным стоком;

- составы и показатели физико-ыеханических свойств золоминеральных

материалов, обеспечивающие более полную реализацию возможностей извест-ково-зольного зяжутпего; ' ■

- показатели сцепления золоминерального материала с холодным асфальтобетоном, обеспечивающие устойчивость дородного покрытия;

— технологические параметры строительства'долговечных золомине-ральных оснований дорожных одежд.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

В первой главе приведены обзор и анализ выполненных исследований по укреплению различных грунтов неорганическими вяжугаичи, в том числе известково-зольным- на ¡основе кислых зол уноса. Намечены пути совершенствования технологии строительства дорожных.одежд с золоминеральными основаниями, обоснована цель и сформулированы задачи исследования.

Вопросам укрепления грунтов и каменных материалов в дорожном строительстве с применением зол уноса посвяшены работы В.М.Безрука, Л.В.Гончаровой, И.Л.Гурячкова, В.С.Цветкова, В.П.Володько, Н.Н.Иванова,. А.М.Мешина," Э.В.Леппа, Р.И.Петрашевского, Б.В.Белоусова, Д.И.¡парковки, В.П.Мельниченко и других ученых. В них отмечена значительная зависимость физико-механических свойств укрепленных материалов от активности, известково-зольного вяжущего и технологии производства работ по устройству слоев дорожных одежд. Установлено, что применение в качестве активиэатора кислой золы уноса извести-пушонки не всегда обеспечивает получение требуемых физико-механических свойств укрепленного материала несмотря, на большой расход извести. Кроме того, большое содержание извести в золоминеральном материале ускоряет процесс ее карбонизации, что приводит в снижению трешиностойкости и долговечности дорожной одежда. 3 связи с этим актуальной задачей является разработка методов, позьшшяих потенциальные вяжущие свойства медленно-, твердевших вяжуших на основе зол уноса.

В 1970-е годы з Казахстане были выполнены исследования по использованию в основаниях дорожных одеад крупнозернистых золочинераль-ных материалов на основе кислых зол уноса. Результаты широко применяются. При этом устройство золошшеральных оснований.осушествляется, главным образом, с приготовлением смеси на месте производства раоот ножевым смесительным агрегатом 1Ф-Ь91М типа "Эстонец".

Последующими исследованиями автора совместно со специалистами Назфилиала Союздорнии было выявлено, что применение изпести-пупгонки в качестве активиэатора кислых зол уноса и приготовление золомине-

ральной смеси ножевым смесителем с раздельным дозированием ® «ее золы и извести не обеспечивает получение однородного т качественного золоминерального материала. Последнее обусловлено пониженной активностью извести, ее малым содержанием по отношении к остальной части золоминеральной смеси (1/18.. .1/19) и гравитационным воздействием рабочих органов агрегата 1Ф-69Ш на перемешиваемую смесь; Т'акне было выявлено, что сцепление основания с .асфальтобетонным покрытием неудовлетворительно из-за наличия в золоминеральном материале непро-реагировавшей золы и в связи с этим повышенной влажностью материала (16...19$) в период эксплуатации дороги. Изложенное свидетельствует о необходимости исследований, направленных «а более полную реализацию возможности известково-зольного вяжущего, улучшение однородности золоминеральной смеси и повышение сцепления аснованая с асфальтобетонным покрытием.

Повысить оффективность золоминерального натериала в'основаниях дорожных одежд возможно путем применения .различных активирующих химических добавок и рациональным использованием технических возможностей новых или существующих дорожно-строительных машин.

В практика дорожного строительства имеется -опыт применения солей хлористого натрия, кальция, едкого натра, белитового шлама и др., улучшающих физико-механические свойства обработанных-неорганическими вяжущими материалов. Однако, они либо дефицитны>и дороги, либо на территории Казахстана их нет.

В результате поиска были выявлены следующие,, .ранее не применяемые в качестве добавок в золоминералыше см^и отходы промышленности Казахстана:

- подмыльный телок (ПЩ) ~ отход производства синтетических моющих средств, содержаний хлористый натрий - 10.,..'1555 по массе, едкий натр - 1,2..Л,7%, карбонат натрия - 0,2...0,26$, дарные кислоты -2...4% и воду - остальное; *

- сернисто-шелбчной сток.(СЩЗ) - отход производства пластмасс, содержащий едкий натр - 2,1%, карбонат натрия - 11,8%, сульфид натрия - до 0,002$, углеводы растворимые - до 0,015% и воду - остальное. Водородный показатель (рН) подмшьного щелока равен 10...11, а сернисто-щелочного стока - 12...14.

Для улучшения технологии строительства дорокных одежд с золоми— неральными основаниями учитывая дефицит новой специализ!грованной дорожно-строительной техники, возможно применение роторных бетоно-4

смесителей БАА-60 (производство бывшей ГДР) и их аналогов отечественного производства, а также дорожных фрез. Однако, опыта приготовления жестких многокомпонентных золоминеральных смесей в роторных бетон'о-■ смесителях нет, а дорожные фрезы предназначены для смешения песчаных и мелкозернистых материалов с вявушии, тогда как для приготовления золоминеральных смесей в дорожном строительстве Казахстана применяются, главным образом, крупнозернистые каменные материалы. Поэтому, должна быть отработана технология перемешивания, позволяющая получить однородный золоминеральный материал.

В покрытиях дородных одежд при строительстве и реконструкции дорог в Казахстане широкое применение получил холодный асфальтобетон. Известно; что устраивать покрытия по основанию с применением золы можно сразу после его уплотнения. Этот способ позволяет исключить работы по уходу за твердеющим основанием с применением пленкообразующих материалов или песка. Однако, изучение сцепления таких оснований с холодным.асфальтобетоном не проводилось.'

В связи с изложенным.для достижения.поставленной цели необходимо решить следующие задачи: • -

- исследовать особенности процессов структурообразования в золоминеральных материалах с применением в качестве химических добавок отходов промышленности; ' V .'

- исследовать влияние добавок на физико-механические свойства золоминеральных материалов (прочностные и деформадивнце свойства, морозостойкость);

- исследовать влияние добавок на технологические свойства золоминеральных смесей; 1 * / ■

- изучить влияние добавок и подготпки поверхности свежеуплотненного золоминерального материала на его сцепление, с холодным асфальтобетоном;

- провести опытно-производственную проверку усовершенствованной технологии, ее.экономическую оценку и разработать нормативно-техническую документацию. - ■ . ,

Во второй главе теоретически обоснованы возможности и пути улучшения физико-механических свойств известково-зольного вяжуиего, Йолоиинерального материала и технологии строительства дорожных одожд о. золоминеральными основаниями.

Проф.Глуховским В.Д. и другими исследователями установлено,что особенностью шлакоаелочных вяжущих является наличие в них более активных по сравнению с кальцием шелочных элементов. Следовательно, соединения,входящие в состав ПЩ и Clip, способны повышать гидравлическую активность извеетково-зольного вяжущего за счет улучшения растворимости и динамики процессов коагуляции, конденсации и кристаллизации его компонентов по сравнению с бездобавочными композициями.Но химические добавки, кроме желаемого, часто вызывают и нежелаемые эффекты, как, например, снижение прочности материала и т.д. Так, при введении в смесь Clip, содержащего значиг тльное количество карбоната натрия, возможно связывание воды затворения с образованием слабопрочных кристаллогидратов ( Afd-nCOyft-liiO ), что может привести к снижению прочности золоминерального материала при введении в смесь этой добавки в большом количестве.

Чеховым А.П. и др. выявлено, что при использовании подмыльного щелока в качестве пластификатора беконных смесей, жирные кислоты,содержащиеся в нем (до 4%), оказывают отрицательное влияние на процессы структурообразования бетона, создавая гидрофобную пленку на зернах бетонной смеси. Для снижения отрицательного влияния жирных кислот на процессы структурообразования в бетоне рекомендуется их плавить путем нагрева ПЩ до 60...80°С перед введением в смесь. Однако, этот способ признан малоэффективным. Для повышения эффективности ПЩ, как пластификатора бетонной смеси, разработана эмульсия иди комплексная пластифицирующая добавка, получаемая на основе отхода производства синтетических моющих средств - .порошка и разогретого подмыльного щелока. Из-за высокой стоимости эмульсии (свыше 500 руб. за I т) применять ее в золоминеральных смесях не выгодно. Поскольку в уплотняемых укаткой жестких золоминеральных смесях ПЩ важен, главным образом, как активизатор твердения и учитывая, что пастообразные включения жирных кислот в ПЩ склонны к агломерации," по-видимому, целесообразно в качестве добавки использовать жидкую фракцию отстоя (чмульсию) ПЩ после частичного удаления из него жирных кислот путем отстаивания исходного продукта.

На основе исследований механизма твердения вяжуших, выполненных U.M.Сычевым и В.Д.Глуховским представляется возможным прогнозировать процессы химического и физико-химического взаимодействия в золоминеральных материалах с д бавками ПЩ,и СЩС. Их можно подразделить на три стадии, каждая из которых по мере протекания процессов, определяющих 6

ход структурообразования, будет характеризоваться очередностью,составом новообразований в системе и их влиянием на свойства материала. На первой стадии в условиях щелочной среды, создаваемой щелочными и щелочноземельными металлами,.будет происходить интенсивный процесс самопроизвольного диспергирования частиц золы, являющийся наиболее общим коллоидно-химическим процессом и определяющим ход дальнейшего структурообразования. Причем определяющее значение, главным образом, под действием щелочного компонента будет иметь ад-сорбциснно-химическое диспергирование, происходящее о повелением ван-дср-ваальсовых сил, образованием щелочных коллоидных золей и последующим процессом их коагуляции - гелеобразованиеи.

На второй стадии будет происходить образование конденсационной 1 структуры. Основную роль в этом выполняют катионы кальция, взаимодействующие с яре,мне- и алюмогелем и участвующие в твердофазсвых реакциях путем катионного обмена со щелочными катионами. Это сопровождается интенсивным связыванием кремнезема, углублением процесса гидратации, касыаением структуры низкоосновными гидросиликатами кальция и постепенным ростом прочности зольного камня.

Третья стадия характеризуется образованием конденсационно-крис-таллпзацпошюй структуры. Ввиду наличия первичной твердой фр-зы на этой стадии начинают выкристаллизовываться низкоосновные новообразования, которые за счет кристаллизационного давления и уплотнения структуры в большей мере, чем в бездобавочной композиции склонны к формированию гребенчатых образований из отдельных пластин гидросиликатов путем их зпитаксиального срастания.

Таким образом,'изложенная теория твердения вяжущих свидетельствует о возможности улучшения физико-механических свойств известково-зольного вяжущего, а следовательно к золоминерального материала за счет введения в смесь подмнльного шелока или сернисто-щелочного стока.

Установлено, что при смешении больного количества одного компонента с малым количеством другого вероятность равномерного распределения их в объеме смеси уменьшается. Из опыта приготовления строительных смесей с двухкомпонентным вяжущим известно, что наиболее оптимальной технологией является двухстадийное или. раздельное перемешивание смеси. Следовательно, при приготовлении золоминеральной смеси в смесителе цикличного действия или же на дороге подача извести на предварительно обработанный золой каменный материал обеспечит

более равномерное распределение активизатора в массе смеси, чем при одновременном введении в смесь компонентов известково-зольного вяжущего. :

При приготовлении на дороге крупнозернистой золоминеральной смеси с раздельным дозированием ее мелко- и крупнозернистой части пере-, мешивание компонентов следует осуществлять с учетом технических возможностей дорожной фрезы и ножевого смесителя 1Ш-69Щ. Дорожной фрезой следует перемешивать мелкозернистую часть обрабатываемого материала (песок, отсев дробления и др.) с золой уноса, а полученную зо-лопесчаную смесь смешивать с известью. Приготовленную с помощью фре-. зы аолоизвестковопесчаную смесь, составляющую 45...70$ от массы всей смеси, вероятно, можно перемешать до требуемой степени однородности с крупнозернистой ее частью (шебень, гравий, отходы промышленности) ножевым смесителем.

Введение в 'золоминеральную смесь ШЦ или. Clip, обладавших пластифицирующими свойствами, позволит интенсифицировать процесс перемешивания смеси и улучшить уплбтняемость золоминерального основания за счет снижения структурного сопротивления материала действию уплотняв юией нагрузки.

Таким образом, стадийная технология приготовления крупнозернистой многокомпонентной золоминеральной смеси, особенно смешением на дороге, позволит сократить соотношение перемешиваемых компонентов и их массу, а следовательно повысить вероятность их равномерного распределения в смеси. Кроме того, при введении химической добавки в ■ смесь последняя будет подвергаться не толь..о интенсивному механическому воздействию рабочих органов смесительных устройств, но и пластифицирующему (а затем активизирующему твердение) действию добавки. . Это приведет к повшенио однородности, уплотняемое«! смеси и улучшению физико-механических свойств'укрепленного материала/

Из теории адсорбции и обмена катионов в адсорбционной слое следует, что на поверхности частиц материала, обработанного иэвестково-аольным вяжущим будут адсорбироваться катионы двух- и трехвалентных элементов, "главным образом, кальция. Это приведет к уменьшению гид-рофильности и изменению знака заряда поверхности минеральных частиц, свежеуплотненного золоминерального материала, изменению характера их взаимодействия с битумом и созданию лучших условий для образования, хемосорбционных водог-¡растворимых соединений. Причем на поверхности частиц активизированной добавкой (по сравнению с бездобавочной) зоВ

ломинеральной смеси количество адсорбированных катионов кальция будет больше за счет повышенной реакционной способности извести. Взаимодействие активной части молекул нафтеновых и асфальтеновых кислот битума с адсорбированными на поверхности частиц золоминеральной смеси катионами кальция приведет к образованию кальциевых солей нафтеновой кислоты (кальциевых мыл) не растворимых в воде: Са(0Н)2+ +2RC00H —>■ Са (RGOOJg+H^O. Последнее и должно обеспечить повышение сцепления золоминерального основания и покрытия из холодного асфальтобетона.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований свойств известково-зольного вяжущего, золоминеральных смесей и материалов, их сцепления с холодным асфальтобетоном и установлены оптимальные параметры перемешивания смеси.

Для изучения процессов структурообразования в известково-золь-ном вяжушем принимался его оптимальный состав 20:80% по массе при активности извести 60. ..65%. Добавки - ПЩ й Clip вводились а смесь в оптимальном количестве, равном 7% от массы вяжушего, с водой затво-рения. Подмыльный шелок с содержанием жирных кислот не более 1% по массе использовался после его отстаивания. Из вяжушего по стандартной методике формовались образцы - балочки размером 40x40x130 мм. Фазовый состав новообразований при твердении вяжушего определялся по химическому, петрографическому, рентгеноструктурному и термографическому анализам.

Установлено, что в начальные сроки твердения (4...5 час) в вяжушем появляются темные рыхлые гелеобразные массы, причем в образцах с химическими добавками количество геля значительно больше, чем в бездобавочном материале. Интенсивность разложения зольных составлявших с добавкой Clip более заметна, с ПЩ, что объясняется повышенным значением щелочной среды, создаваемой Clip.

Рентгеноструктурный анализ показал, что в вяжушем с добавкой ПЩ в начальные сроки твердения линии свободной извести (1,92; 2,261; 4,90А) и линии карбоната кальция (1,869; 3,0372) менее интенсивны, чем в образце без добавки. Зафиксированы также линии тоберморита -CSH(I) (1,86; 2,287$) и трехкальциевого гидроалюмината - ЗСаО -M20j •6Н20 (3,12; 5,3?Х).

На дифференциально-термической кривой (ДТА) наблюдаются четыре эндотермических эффекта при 130,510,050 и 870°С, соответствующие наличию воды, гидрата окиси кальция и карбоната кальция. Большая глу-

• о

бина эндотермического эффекта при 130°С свидетельствует о малой за-чристаллизованности новообразований. С увеличением срока твердения до трех месяцев в образцах с добавкой ПЩ содержание новообразований повышается в значительно большей мере, чем в образце без добавки^ О чем на рентгенограмме свидетельствуют дифракционные линии низкоосновного гидросиликата кальция - CaO'Si. 02*Н20 (1,817; 2,284 ; 3,0278) и трехкидьциевого гидроалюмината (2,09; 2,201А). На термограмме образцов с добавкой зафиксированы два слабых эндотермических эффекта при 100 и 790°С, соответствующие наличию воды и карбоната кальция. Характер кривых показывает на присутствие этих веществ в меньшем количестве и свидетельствует о большей закристаллизованное™ гидратных новообразований по сравнению с образцами без добавки.

Добавка СЩЗ в начальный период твердения вяжущего также уменьшает содержание в нем свободной извести (2,623; 4,90А) и карбоната кальция (2,095; 3,037А). После трехмесячного твердения в образцах с СЩС 'значительно возросло содержание низко'основного гидросиликата кальция (1,672; 1,817; 2,Ь89; 3,5бХ) и трехкальциевого гидроалюмината(2,089; 2,290; 3,183; 6,348), а на термограмме зафиксирован небольшой эндотермический эффект при 100°С, связанный с содержанием обычной воды в виде влаги.

Данные дифференциально-термического анализа свидетельствуют,что эндотермические эффект!* при 130°С, имевшие место в образцах с добавками в возрасте 4...5 час, не наблюдаются в них через 3 и 6 мес. твердения, что оуказывает на сильное самоуплотнение гидратных фаз за счет интенсификации процессов структурообразивания.

Таким образом, ПЩ и Clip повышают гидравлическую активность из-вестково-зольного вяжущего, увеличивают плотность и закристаллизо-ванность низкоосновных новообразований за счет их эпитаксиального срастания (метамиктная структура). Это позволит повысить показатели и стабильность физико-механических свойств золоминерального материала, а следовательно и долговечность дорожных одежд.

. Прочностные показатели образцов симическими добавками на 35...40$ превышают эти показатели образцов без добавок и в 90 сут. возрасте достигают 15...16 Ща,- Причем с Clip эти показатели на 3...5% выше чем с ПЩ, что можно объяснить более высоким значением водородного показателя первой добавки по сравнению со второй. Введение добавок сверх оптимального количества приводит к снижению прочности образцов: с добавкой ПЩ - за счет пассивации процессов 10

структурообразования жирными кислотами, а с добавкой Clip - за счет частичного связывания воды затворения карбонатом натрия в гидрокарбонаты.

Таким образом, высокие значения прочностных свойств вяжущего создают предпосылки получения высококачественного золоминерального материала с использованием в качестве активизатора кислых зол уноса извести с пониженной активностью.

На основе известково-зольного вяжущего были разработаны рациональные составы золоминеральных материалов и изучены их физико-механические свойства. Для обработки вяжущим использовалась песчано-ще-беночная (гравийная) смесь.

Для золоминерального материала определялись предел прочности при сжатии образцов в водонасышенном состоянии и после испытаний на замораживание-оттаивание Sjjp3), предел прочности на растя-женив ттй пясколк (R1*). плйпйл ппоиности на пастяжение гтш изгибе

лочках размером IU0xI0(Jx4UU мм и образцах-цилиндрах высотой и диаметром 100 мм после их твердения в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-79 и ВСН 46-83. Результаты испытаний образцов - балочек приведены в табл.1. По результатам испытаний образцов получены корреляционные зависимости между основными прочностными показателями золомине-рального материала: R^ = 1,09 4; = 0,29 В^; R*K , 0i0I0 ф Rj} = 0,114 Rcjr. Во всех случаях величина коэф<|ициента корреляции не ниже 0,89.

Испытаниями установлено, что образцы с химическими добавками обладают,по сравнению с бездобавочнъми, повышенной (на 20...33%) морозостойкостью за счет большей плотности материала и лучшей адгезии вяжущего к заполнителю. Коэффициент морозостойкости образцов с добавками после 15 и 25 циклов замораживания-оттаивания близок к единице или превышает ее. При содержании в золоминеральной смеси извести менее о% по массе морозостойкость образцов снижается д&тсе при введении в смесь добавки, что можно объяснить, уменьшением количества новообразований в материале.

Следовательно, введение в эоломинеральную смесь ПЩ или Clip позволяет улучшить физико-механические свойства золоминерального материала при одновременном сокращении дорогостоящей извести на 30...35$.

Влияние времени перемешивания смеси - Xj и количества химической добавки - Xg на прочностные характеристики золоминеральных материален

го

Таблица I

Результаты испытания образцов-балочек из золоминерального

материала

Состав золоминерального(Прочностные и деформативные показатели образцов, МПа, 1, % по массе ( от возраста

в зависимости

материала,

-1-»-т-г

п„с-|зола}из- |Химиче- |

3 мес. —г

ная ] сме-{ сь ,

{вяжущего, Цсис

шц {спр|

Ни \ Еу

I

6 мес. Г

! £ Ках\Ци1Еу I ?

12 мес.

-1-

! . -

ЦсхсУЦи !

24 мес. -Г

Яск\Яи\Ву

80 14 6 - - 9,3 2,5 889 12,1 3,2 1Г94 13,3 3,5 1281 13,7 3,6 1309

5 - 12,5 3,9 1107 15,5 4,5. 1563 16,2 4,7 1571 16,7 4,8 1601

8,5 - .13,7 4,3 1211 16,6 4,7 1612 16,9 4,9 1605 •17,: 2 5,0 1672

80 . к 4 - - 8,0 2,1 792 10,7 2,9 ТОП 11,7 3,2 1104 12,2 3,3 1170

• п 5 - 9,9 2,6 996 13,6 4,0 1407 14,3 4,2 1447 14,5 4,3 1481

■ «1 « 8,5 _ 10,5 3,0 1058 14,4 4,2 1459 14,6 4,3 1487 15,7 4.0 1507

80 17 3 5 - 5,4 1,6 544 6,6 1,9 665 6,6 2,2 756 ' 8,2 2,4 806

80 14 6 - 5 13,2 3,7 1262 16,0 4,5 1560. 16,6 4,7 1584 17,3 4,8 1697

60. " 16 4 . - 5 10,4 2,9 1003 14,2 4,0 1404 14,9 4,2 1432 15,4 4,3 1551

80 17 3 - 5 5,7 1,7 579 6,9 2,0 672 7,7 2,2 753 8,3. 2,3 8X1

Для сокращения числа опытов установлено с применение« теории планирования эксперимента. Факторы и уровни варьирования представлены в табл.2.

Таблица'2

■ ! | Уело в- ¡Шаг ! Уровни варьирования

' Наименование фактора l"2®,нп !-1-1-!-1-

'чение ^ !-1,414! -I ! О ! +1 1+1,414 _¡фактора} | ¡11'

Время перемешивания сме- Хт 35 25,51 40 75 ПО 124,49

си, с А

Количество добавки от Хр 3,5 0 1,5 5 8,5> 13,5 массы вяжущего, %

Рассматривалась раздельная и одновременная подача компонентов известково-зольного вяжущего в лабораторный смеситель. Количество вводимой в смесь добавки назначалось исходя из содержания в ней щелочных компонентов. Подмыльный шелок с содержанием жирных кислот не более 1% вводился в смесь с водой затворения после его отстаивания. В результате составлена матрица двухфакторного эксперимента. Реализация матрицы позволила получить математические модели второго по- . рядка влияния времени перемешивания смеси и количества добавки на прочностные характеристики золоминерального материала. Адекватность моделей была не отвергнута по критерии Фишера при 5% уровне значимости. В эксперименте использовали эоломинеральную смесь состава: пео-чано-шебеночная смесь оптимального зернового состава - 80JS; зола унос гидроудаления -.1455; известь с активностью 60$ - 6$. На рис.1 представлена одна из графических интерпретаций подученных моделей.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие вывода. . Введение в. смесь добавки П1Ц в оптимальном .количестве, равном 5...8,5$ и CUP в количестве 4...7% от массы вяжущего позволяет за счет улучшения удобообрабатываемости смеси сократить время ее перемешивания на 15...20J5 и повысить прочность материала на 35...45$ за счет более полной реализации вя&уших свойств известково-зольного вяжущего. Наиболее эффективно раздельное приготовление смеси, заключающееся з предварительном перемешивании обрабатываемого материала с золой и частью воды затворения (водного раствора добавки) с последующей подачей в смеситель извести, что позволяет повысить прочность золоминерального материала на 10..,12% пб сравнению с одновременной

1 ; 13

13,6

30 45 60 75 90 105 120 Время перемешивания, с

РисЛ. Зависимость предела прочности при сжатии золомине-рального материала от времени перемешивания смеси и дозировки подмыльного шелока при двухстадийном способе подачи компонентов известково-зольного вяжущего в смеситель. Цифры на поверхности показывают значение прочности.

подачей компонентов вяжущего в смеситель. Полученные математические модели дают возможность оптимизировать технологические параметры приготовления многокомпонентных золоминеральных смесей в смесительных установках цикличного действия.

Влияние подмыльного шелока и сернисто-щелочного стока'в оптимальном количестве на уплотняемость золоминеральных смесей изучалось по методике Совздорнии и представлено на рис.2.

Установлено, что уплотняемость смесей с добавками повышается на 2L...40?. Причем пластифицирующие свойства ПЩ лучше, чем СЩР за счет содержания в первой добавке жирных кислот, являющихся ПАВ. Также установлено, что введение добавок в смесь позволяет на 0,5...О,1% снизить ее оптимальную влажность и на 2...3% повысить плотность материала. 14

1,1

0,99

0,97

0,95

0,93

Ó J i

(М

у у

/ 6 и - .а &

, Число воздействий повторяющейся . нагрузки

Рис.2. Зависимость коэффициента уплотнения золоминерального

материала от числа воздействий повторяющейся нагрузки: . I - эоломинеральная смесб без добавки;

2,3 - то же с добавкой 5 и 8,5% ПЩ от массы вяжущего;

4 - то ае о добавкой Ъ% Clip.

Сцепление золоминерального материала с холодным асфальтобетоном определялось по методике Союздорнии на составных образцах-цилиндрах диаметром 70 мм и высотой 105 мм, включавших в себя один золоминеральный образец, расположенный в середине и два асфальтобетонных, расположенных по краям, по 35 ш высотой каждый. Составные образцы формовались с подгрунтовкой торцовых поверхностей свеяеушготненного золоминерального образца битумом СГ-70/130 и без подгрунтовки. Золо-шнеральные образцы формовались с химическими добавками в оптимальном количестве и без них. Сцепление золоминерального материала с холодным асфальтобетоном устанавливали'по результатам испытаний составных образцов в возраста 28 суг на сдвиг без приложения нагрузки вдоль образца. Полученные результаты представлены на рис.З.

0,4

О)

S

<P

t-. §

О

я f о с

ъ

о в

с «

ф

й ш

8

О,

0,1

I

>----4 T f -б-^1 >_._л

7 ""

О 20 35 50

Содержание щебня в асфальтобетоне, %

Рис.3. Зависимость сцепления золоминерального материала с

холодным асфальтобетоном от содержания химических добавок

в эоломинеральной смеси и шебня в асфальтобетоне.

1 - золоминеральный материал с добавкой 5% dip от массы

вяжущего без подгрунтовки■поверхности образца битумом; '

2 — то ж е с добавкой 8,5% ПЩ;

3 - то же, без химических добавок;

4 - золоминеральный материал с добавкой 5% СЩС с подгрун-.

товкой поверхности образца битумом;

5 - то же, с добавкой 8,5% ПИ}; .

6 - то же, без химических добавок.

Сравнительная оценка результатов испытаний (¿СДВ1>= P/F) показа^ ла, что наилучшим сцеплением (0,33...0,35 МПа) обладают составные образцы с химическими добавками без подгрунтовки битумом поверхности", золоминеральных образцов и содержанием шебня в асфальтобетоне до 50%. Это обусловлено появлением в образцах, с добавками повышенного количества кальциевых, солей нафтеновой кислоты, более 'гонкой пленки битума, которую они армируют, а также омоноличиванием материалов за счет.частичного втапливания щебня в золоминеральный материал при уплотнении ¿.^фальтобетона.

Выполненные экспериментальные исследования показали, что введение в золоминеральные смеси активирующих химических добавок раздель-

ная технология приготовления смесей, а такие укладка холодной асфальтобетонной смеси на свежеуплотненнкй золоминеральный материал без его подгрунтовки позволяют повысить эффективность их применения в дорожном строительстве.

В четвертой главе приведены результаты опытно-производственной проверки исследований.

Опытно-производственная проверка выполнена на двух опытных • участках дорожных одежд с золоминеральным основанием.

Первый участок построен на автодороге "Подъезд к Промбазе ДСУ № 5" в Алма-Атинской области. Золоминеральная смесь готовилась в бе-тоносмесительной установке цикличного действия ЕАА-60 по двух- и од, ностадийному способы перемешивания. Состав смеси был приня* из условия получения укрепленного материала с прочностью на сжатие не менее 7,5 МПа и включал в себя кислую золу гидроудаления, негашеную порошкообразную'известь с активностью 75...78$, песок и ще'бень с крупностью зерен до 40 мм. Для улучшения подачи извести из силосной банки к пшековому питателю была смонтирована дополнительная система . аэрации в нижней части банки. Время перемешивания смеси составляло 70...75 с.

Дорожное основание толщиной 20 см было построено в декабре 1982 г. при отрицательной температуре воздуха от минус 2 до минус 7°С. Готовая смесь с температурой плюс 6.,Л0°С распределялась авто-грейдеро« и уплотнялась вначале средним гладковальцовым катком за 3...4 прохода и затем тяжелым пневмокатком за 18...20 проходов по . одному следу. Последнее позволило снизить колееобразование и добиться коэффициента уплотнения слоя, равного 0,98 от' стандартной плотности. На свежеуплотненноа основание без его подгрунтовки было уложено покрытие толшинЬй 6 см из холодной асфальтобетонной смеси. Прочность на сжатие образцов нормального'твердения из смеси, приготовленной по двухстадийному способу смешения в возрасте 90 сут, составила 8...9 МПа, что на 14...15$ превышает прочность образцов из смеси, приготовленной по, одностадийному способу смешения. Коэффициент вариации прочности образцов-составил 5...б$, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 16349-85. ' •

Второй опытный участок был построен в 1985 г. на автодороге Ш технической категории "Темиртау-Киевка-гр.Карагандинской области".

золоминеральная смесь готовилась методом смешения на дороге по раздельной технологии сÍприменением дорожной фрезы ДС-74 и ножевого

смесителя 1Ф-89Б4. Дяя приготовления смеси использовалась кислая зола гидроудаления, отвальная карбидная известь-пушонка с активностью 55...58$, песок ргчной и шебень некондиционный с крупностью зерен до 40 мм. Для повышения активности известково-зольного вянущего применялся подмыльный щелок - отход Шахтинского завода СМ С в количестве от массы вяжущего. Подмыльный щелок с содержанием жирных кислот до 1% доставлялся на участок и вводился в смесь в виде водного раствора. Смесь готовилась в такой последовательности. Дорожной фрезой за два прохода перемешивался песок с золой гидроудаления, затем также за два прохода фрезы золопесчаная смесь перемешивалась с известью. Полученная золоизвестковопесчапая смесь смешивалась с крупнозернистым щебеночным материалом ножевым смесителем и автогрейдером за восемь проходов каждого мехг~шзма. В процессе перемешивания смесь увлажнялась водным раствором добавки до оптимальной влажности,равной 9$. Готовая смесь распределялась автогрейдером толщиной слоя в плотном теле, равной 15 см. Уплотнение основания осуществлялось тяжелым пневмокатком за 18...19 проходов по одному следу, что позволило достичь 'коэффициента уплотнения слоя равного 0,98...О,99. Из готовой смеси отбирались пробы, формовались, хранились в нормальных условиях и испытывэлись в возрасте 30 и 90 сут. образцы-цилиндры. Прочность на сжатие образцов в возрасте 90 суг. составила 8...9 МПа, коэффициент вариации прочности - 9...11$, что удовлетворяет требованиям,предъявляемым к материалам, обработанным неорганическим вяжущим.

По свеже.уплотненцому основанию через 1,5 ч после его уплотнения было устроено покрытие толщиной 7 см из холодной асфальтобетонной щебеночной смеси без предварительной подгрунтовки основания битумом.

Обследование н испытание опытных участков с послойны.! вскрытием дорожной одежды и отбором кернов показало, что зерна щебня асфальтобетона частично втоплены в поверхность затвердевшего золомннерально-го материала. Это привело к омоноличивашю основания и покрытия, а сцепление их доставило 0,20...О,30 МПа. Модуль упругости золомине-рального материала оснований в течение первых 2...3 лет эксплуатации участков возрос в 1,4...1,7 раза (с 800...900 МПа до 1300...1700 МПа) после чего стабилизировался. Большие значения показателей имеют материалы с добавкой ПЩ. В настоящее время опытные участки имеют коэффициент запаса прочности от 1,7 до 2,0.

В пятой главе приведены рекомендации производству и дана экономическая оценка принятых решений.

Рекомендации изложены в нормативном документе - BGH 24-90. ß нем приведены метода подбора составов смесей, основные принципы конструирования дорожных одежд с золоыинеральныш слоями, а также технология их строительства. При использовании в качестве активизато-ра кислой золы уноса низкоактивной извести-пушонки рекомендовано введение в смеси химических добавок, повышающих активность зольного вяжущего и обеспечивающих получение золоминерального материала с требуемыми физико-механическими свойствами. Рекомендована область применения эоломинеральных материалов в зависимости от их прочностных, дефориативных показателей и морозостойкости. Применение рекомендованной ВСН 24-90 технологии позволит по сравнению со старой, основанной на использовании ножевого смесителя 1Ф-691М типа О,3сто-нец", улучшить удобообробатываемость и уплотняемость смеси, повысить физико-механические свойства материала и в результате езконо-шть известь, битум, а также снизить толщину золоминеральнбго основания.

Экономический эффект для народного хозяйства за счет экономии материальных ресурсов составит около 4,5 тыс.рублей на I км дорога

общие вшода

1. Проведенными исследованиями теоретически и экспериментально установлены особенности процессов структурообразованля в эоломинеральных материалах с активирующими химимческими добавкам? - под-мыльным щелоком и сернисто-щелочным стоком: а образцах с добавками количество низкоосновных новообразований значительно больше и они более закристаллизованы в соответствующем возрасте, по сравнению

с бездобавочными за счет интенсификации процессов структурообразо-вания и самоуплотнения известково-зольного камня.

2. Интенсификация процессов твердения золоминерального материала с активирующей химической добавкой обеспечивает прирост прочностных показателей материала на 35...45%, значений мопуля упругости на 31...37% я морозостойкости - на 20...33%. Плотность материала с добавкой при этом повышается на 2...3%, а его жесткость (Кд/К ) снижается на Ю,.Л2%.

3. Пластифицирование химической добавкой золоминеряльной смеси улучшает ее технологические свойства: удобообрабатываемость, уплотняемость, однородность и позволяет сократить время перемешивания смеси на 15...20%, уплотняемость улучшить на 25...40%, а однородность - на 30...35%.

Разработанные математические модели рациональных составов "., золоминеральных материалов позволяют определить их прочность в зависимости от вреы -ии перемешивания смеси и количества добавки. •

4. Укладка холодной асфальтобетонной смеси.на свежеуплотненный золошнеральный материал с химической добавкой обеспечивает ■ улучшение сцепления основания с покрытием на 17...20$ за счет повышения образования в зоне их контакта кальциевых солей нафтеновой кислоты (кальциевых мыл).

5. Результаты строительства и испытаний опытных участков дорожных одежд с золоминеральными основаниями подтвердили правильность теоретических и экспериментальных исследований-и позволили выявить особенности в поименении бетоносмесителя цикличного действия, дорожной фрезы и ножевого смесителя 1Ф-891М при приготовлении, золоиинеральной смеси. Оптимальной технологией приготовления крупно-

• зернистой шогокомпонентной золоминеральной смеси является раздела ная. Экономическая эффективность строительства золоминеральных . оснований дорожных одежд по усовершенствованной технологии состав' . ляет окло 4,5 тыс.руб. на I км дороги (в ценах 1984 г.).

Подученные результаты исследований и опытно-экспериментальных . работ использованы при разработке "Инструкции по строительству слоев дорожных одежд из местных материалов, укрепленных вяжущим На основе, зол уноса тепловых электростанций, ВСН 24-90 (взамен ВСН . ¿4-85) Ыинавтодора Казахстана.

. Основные положения диссертации опубликованы в- следующих рабо-. тах: . .

'I. Технология приготовлений смесей и устройство дорожных оснований из каменных материалов, обработанных золоизвестковви вяжущим. //Сб.: Производство и применение каменных ыатериапов из горных пород и отходов промышленности в дорожном строительстве. - М. г Союз-дорнии, 1984. - с.102-106. (Соавтор Б.А.Асиатулаев).

■ 2. Золоминеральные материалы для дорожного строительства./При-стенц.листок. - Алма-Ата: Изд-во Ыинавтодора КазССР, 1984; - 2 с. (Соавтор Б.А.Асыатулаев). .

3. Инструкция по сроительству слоев дорог-шс одежа из местных материалов, укрепленных вяжущим на основе зол уноса тепловых электростанций. ВСН 24-85. - Алма-Ата: Изд-во кинавтодора КазССР, 1985. - 43 с. (Соавторы Б.А.Асыатулаев, А.У.Рузиев).