автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Цементогрунт с комплексной добавкой на основе кремнийорганических соединений для дорожного строительства

На правах рукописи

МАВЛИЕВ ЛЕНАР ФИДАЕСОВИЧ

ЦЕМЕНТОГРУНТ С КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ 13 ¡"¡АЙ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2015

005568716

005568716

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Вдовин Евгений Анатольевич

Официальные оппоненты

Барабаш Дмитрий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Министерства обороны Российской Федерации, профессор кафедры изыскания и проектирования аэродромов

Войтович Владимир Антонович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры технологии строительства

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола

Защита состоится "15" июня 2015 года в 13 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, КГ АСУ, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте http://diss.kgasu.ru.

Автореферат разослан "-¿У " 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета — Л.А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в Российской Федерации реализуется Транспортная стратегия на период до 2030 года, которая предусматривает обеспечение постоянной круглогодичной связи всех сельских населенных пунктов, имеющих перспективы развития, по дорогам с твердым покрытием с сетью автомобильных дорог общего пользования.

Следует отметить, что в ряде регионов страны отсутствуют запасы прочных каменных материалов, необходимость транспортировки которых значительно увеличивает стоимость строительства автомобильных дорог. Известно, что отказаться от использования привозного щебня возможно путем применения цементогрунта (грунта, укрепленного портландцементом) в конструкциях дорожных одежд. Повышение эффективности и качества цементогрунта дорожного назначения является актуальной проблемой, которая не может быть успешно решена, в полной мере, без модификации химическими добавками, влияющими на структуру и свойства получаемого материала.

Наиболее перспективным направлением в решении данной проблемы является применение добавок кремнийорганических соединений, позволяющих получить гидрофобные и морозостойкие материалы, а также электролитов, придающих цементогрунтам высокие прочностные показатели. Однако, недостаточно исследовано влияние добавок кремнийорганических соединений в комплексе с электролитами на физико-механические свойства, долговечность и особенности структуры модифицированного цементогрунта, а также воздействие технологических факторов на его прочность и морозостойкость.

В связи с этим применение комплексной добавки на основе кремнийорганических соединений и электролитов, изучение ее влияния на качество, структуру и долговечность цементогрунта является актуальным исследованием в области модификации дорожно-строительных материалов.

Цель исследования

Получить цементогрунт с высокими физико-механическими свойствами, отличающийся повышенной долговечностью за счет модификации его структуры новой комплексной добавкой на основе кремнийорганических соединений.

Для достижения поставленной цели сформулированы задачи:

1) определить оптимальные компоненты комплексной добавки среди кремнийорганических соединений и электролитов;

2) оптимизировать состав цементогрунта с комплексной добавкой с учетом области применения в конструкциях дорожных одежд;

3) изучить структуру цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой;

4) установить влияние комплексной добавки на показатели долговечности цементогрунта;

5) изучить взаимодействие основных компонентов грунта с комплексной добавкой;

6) исследовать влияние технологических факторов на физико-механические свойства цементогрунта с комплексной добавкой;

7) осуществить производственную проверку результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность применения цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой в конструкциях дорожных одежд сельских автомобильных дорог.

Научная новизна:

— Впервые установлено, что введение в состав цементогрунта комплексной добавки приводит к увеличению его гидрофобности (снижение водопоглощения по массе с 7,4 % до 1,1 %) и формированию оптимальной микроструктуры (снижение капиллярной пористости с 15,3 % до 2,3 % и увеличение условно-закрытой с 7,7 % до 13,7 %);

— Впервые изучено влияние песчаной и пылевато-глинистой составляющей в формировании физико-механических свойств цементогрунта с комплексной добавкой, заключающееся в придании повышенной прочности за счет пылевато-глинистых частиц, требуемой морозостойкости — за счет песчаных;

— Установлено, что комплексная добавка способствует формированию более плотной и однородной структуры цементогрунта, снижает количество адсорбционной воды, связанной с глинистыми минералами, а также уменьшает образование гидроксида кальция.

Практическая значимость работы:

1) в разработке технических условий на комплексную добавку для модификации цементогрунта, позволяющую повысить выносливость материала при многократном циклическом нагружении, а также морозостойкость в различных средах насыщения и оттаивания.

2) в опытно-экспериментальной апробации результатов исследований цементогрунта с комплексной добавкой при строительстве участка автомобильной дороги;

3) в обосновании экономической эффективности устройства конструкций дорожных одежд сельских автомобильных дорог с применением цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой.

Техническая новизна решений, представленных в диссертации, подтверждена патентом на изобретение № 2519283 от 17 октября 2012 г., на полезную модель №138502 от 15 августа 2013 г., положительным решением по заявке на получение патента на изобретение № 2013152240 от 25 ноября 2013 г.

Внедрение результатов исследований

Результаты диссертационных исследований апробированы при устройстве покрытия из модифицированного цементогрунта на автомобильной дороге подъезд к н.п. Кульбаево-Мараса Нурлатского района Республики Татарстан.

Достоверность результатов исследования

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается применением стандартных методов испытаний, современных методов исследования структуры и свойств (РФА, ДТА, электронно-растровая микроскопия), использованием лабораторного метрологически аттестованного испытательного оборудования и измерительных инструментов, обработкой результатов экспериментов статистическими методами, применением математического планирования эксперимента, достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих адекватность и воспроизводимость результатов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях КазГАСУ (20092014 г.г.); на Международной научно-практической конференции XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной индустрии» (Казань, 2010 г.); на VI Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (1САТ8'2011) (Казань, 2011 г.); на Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" (Йошкар-Ола, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений» (Белгород, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции VIII Академических чтениях РААСН «Механика разрушения строительных материалов и конструкций» (Казань, 2014 г.); на XIV Международном симпозиуме по реологии грунтов «Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов» (Казань, 2014 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, из них 6 в рецензируемых научных журналах и изданиях по списку ВАК РФ, получены патенты на полезную модель № 138502 и изобретение № 2519283, а также положительное решение по заявке на получение патента на изобретение №2013152240/03(081535). Основные положения диссертации изложены в 9 научных статьях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников из 181 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста, содержащего 43 рисунка и 28 таблиц, приложения изложены на 14 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - к.т.н., доценту Вдовину Евгению Анатольевичу за помощь в проведении экспериментальных и теоретических исследований, д.т.н., профессору Строганову

Виктору Федоровичу и коллективу кафедры «Автомобильные дороги» за оказанное содействие при выполнении работы.

На защиту выносятся результаты:

— исследования влияния наиболее эффективных кремнийорганических соединений и электролитов на свойства цементогрунтов;

— исследований по оптимизации состава цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой, для получения материалов с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью, применяемых в конструкциях дорожных одежд;

— рентгеноструктурных, комплексных термических и электронно-микроскопических исследований структуры цементогрунта с комплексной добавкой;

— исследований влияния комплексной добавки на атмосферостойкость и выносливость цементогрунта;

— исследований взаимодействия основных минералов грунта с комплексной добавкой;

— исследований влияния технологических факторов на физико-механические свойства цементогрунта с комплексной добавкой;

— строительства опытно-экспериментального участка сельской автомобильной дороги с покрытием, выполненным из модифицированного цементогрунта, и наблюдения за состоянием участка;

— технико-экономического обоснования эффективности устройства конструкций дорожных одежд с применением цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлен анализ литературных данных о получении и применении цементогрунта в дорожном строительстве, опыта его модификации, а также рассмотрены кремнийорганические соединения и электролиты как добавки, увеличивающие физико-механические свойства и долговечность строительных материалов.

Разработке эффективных материалов для конструктивных слоев дорожных одежд на основе укрепленных грунтов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых - В.М. Безрука, Ю.М. Васильева, Л.В. Гончаровой, В.М. Кнатько, В.А. Кельмана, В.В. Охотина, П.А. Ребиндера, М.М. Филатова, Ю.В. Карася, C.W. Correns, C.S. Dünn, J. Hashimoto, J.K. Mitchell, G.H. Hilt, D.T. Davidson, J.G. Laguros, T.W. Lambe, R.C. Mainfort и др. При этом отмечено, что одним из наиболее эффективных, экономичных и универсальных методов считается укрепление цементом, придающим грунтам требуемые физико-механические свойства.

Известно, что морозостойкость является одним из показателей, влияющих на качество и долговечность цементогрунта. Однако, как показали исследования, грунт даже при обработке его портландцементом, значительно теряет свою прочность уже на первых циклах замораживания-оттаивания. Поэтому рядом ученых были предприняты попытки модифицировать цементогрунт введением различных добавок для повышения его прочностных свойств и морозостойкости.

Анализ литературы показал, что для повышения физико-механических свойств цементогрунта, в особенности его прочности, эффективны добавки электролитов, способные также оказывать прямое воздействие на цемент и продукты его гидролиза и гидратации. Отдельно можно выделить применение для модификации строительных материалов, в том числе цементогрунтов, кремнийорганические соединения (КОС), фиксирующиеся на поверхности материала и гидрофобизирующие стенки пор и капилляров.

Таким образом, одним из наиболее перспективных направлений в решении проблемы прочности, морозостойкости и долговечности цементогрунта является применение добавок кремнийорганических соединений, позволяющих получить гидрофобные материалы, а также электролитов, придающих цементогрунтам высокие прочностные показатели. Однако, недостаточно исследовано влияние добавок кремнийорганических соединений в комплексе с электролитами на физико-механические свойства, долговечность, особенности структуры цементогрунта, а также воздействие технологических факторов на его прочность и морозостойкость.

В связи с этим, применение комплексной добавки на основе кремнийорганических соединений и электролитов, изучение особенностей ее влияния на качество, структуру и долговечность цементогрунта является актуальным и перспективным исследованием в области модификации дорожно-строительных материалов.

Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов, описание инструментальной базы и методов исследования.

При проведении экспериментальных исследований в качестве основных компонентов для получения образцов использовались:

- грунт: суглинок легкий песчанистый;

- вяжущее: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н;

- кремнийорганические соединения: октилтриэтоксилисилан (ОТЭС), полиэтилгидросилоксан (ЖГ 136-41), метилсиликонат калия (ГКЖ-11К), фенилэтоксисилоксан (ФЭС-50), смесь тетраэтоксисилана и силоксанов (Силор);

- электролиты: гидроксид натрия (ГН), карбонат натрия (КН), сульфат натрия (СН), хлорид кальция (ХК).

При исследовании структуры и свойств цементогрунта применены стандартные методы испытаний, изложенные в соответствующих ГОСТ, а также современные методы физико-химического анализа - комплексный термический, рентгенофазовый анализ и электронная растровая микроскопия. Для оптимизации состава цементогрунта с комплексной добавкой использовано математическое планирование эксперимента.

В третьей главе представлены исследования по выбору компонентов комплексной добавки, повышающей физико-механические свойства получаемого материала, а также результаты оптимизации состава цементогрунта дорожного назначения, модифицированного комплексной добавкой, путем реализации трехфакторного плана эксперимента.

В качестве компонента комплексной добавки, повышающего морозостойкость, изучены кремнийорганические соединения

октилтриэтоксилисилан (ОТЭС), полиэтилгидросилоксан (ЖГ 136-41), метилсиликонат калия (ГКЖ-11К), фенилэтоксисилоксан (ФЭС-50), смесь тетраэтоксисилана и силоксанов (Силор). Исследовано их влияние на оптимальную влажность Wo (%), максимальную плотность ршах (гр/см""), предел прочности на сжатие К-сж (МПа), предел прочности на растяжение при изгибе Яизг (МПа) и коэффициент морозостойкости Кмор цементогрунта. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние оптимальных дозировок кремнинорганических соединений на показатели стандартного уплотнения и физико-механические свойства цементогрунта____________,

№ п/ п Расход цемента, %от массы грунта Содержание добавок, % от массы грунта Показатели стандартного уплотнения Физико-механические свойства

ОТЭС ЖГ 136-41 гкж- 11К ФЭС-50 Силор \У0, % ртах* гр/см3 Ксж* МПа Киаг, МПа Кмор

1 8 - - - - 15,5 1,91 2,93 0,65 0,48

2 8 0,03 - - - - 13,7 1,90 3,22 0,66 0,78

3 8 - 0,01 - - - 15,2 1,90 3,13 0,65 0,70

4 8 - - 0,05 - - 12,7 1,95 3,63 0,75 0,60

5 8 - - - 0,01 - 15,1 1,89 3,18 0,67 0,73

6 8 - - - - 0,1 13,8 1,91 3,48 0,72 0,67

7 10 - - - - - 14,7 1,94 3.61 0,71 0,53

8 10 0,03 - - - - 13,1 1,94 3,93 0,74 0,84

9 10 - 0,01 - - - 14,4 1,93 3,81 0,74 0,76

10 10 - - 0,05 - - 11,7 1,98 4,36 0,84 0,65

11 10 - - - 0,01 - 14,3 1,92 3,89 0,75 0,79

12 10 - - - - 0,1 13,1 1,94 4,17 0,82 0,73

13 12 - - - - - 14,1 1,96 4,48 0,82 0,60

14 12 0,03 - - - - 12,6 1,96 4,86 0,88 0,90

15 12 - 0,01 - - - 13,8 1,94 4,73 0,88 0,84

16 12 - - 0,05 - - 10,9 2,01 5,39 0,98 0,77

17 12 - - - 0,01 - 13,7 1,94 4,83 0,88 0,85

18 12 - - - - 0,1 12,1 1,96 5,15 0,92 0,81

Установлено, что все изучаемые добавки в большей степени влияют на повышение морозостойкости цементогрунта, наилучшие показатели достигнуты при введении добавки ОТЭС. Использование ГКЖ-11К помимо роста морозостойкости привело и к увеличению прочности. Исходя из наибольшей эффективности влияния на морозостойкость цементогрунта, для дальнейших

исследований в качестве компонента добавки выбрано креммнйорганическое соединение ОТЭС.

В качестве второго компонента добавки, повышающего прочность цементогрунта, изучены добавки электролитов: шдроксид натрия (ГН), карбонат натрия (КН), сульфат натрия (СН), хлорид кальция (ХК). Применение электролитов также положительным образом отразилось на физико-механических свойствах и показателях стандартного уплотнения. Результаты исследований оптимальной влажности, максимальной плотности и физико-механических свойств цементогрунта с электролитами приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Влияние оптимальных дозировок электролитов на показатели стандартного уплотнения и физико-механические свойства цементогрунта

№ п/ п Расход цемента, % от массы грунта Содержание добавок, % от массы грунта Показатели стандартного уплотнения Физико-механические свойства

ГН КН СН ХК \у0, % Ртах» гр/см' йс*, МПа К„зг, МПа Кмор

1 8 - - - 15,5 1,91 2,93 0,65 0,48

2 8 0,1 - - - 13,6 1,93 3,84 0,84 0,53

3 8 - 0,2 - 14,0 1,92 3,18 0,72 0,51

4 8 - 0,15 14,5 1,91 3,03 0,67 0,49

5 8 - - - 0,2 15,6 1,93 3,46 0,81 0,57

6 10 - - - 14,7 1,94 3,61 0,71 0,53

7 10 0,1 - - - 12,8 1,96 4,54 0,91 0,59

8 10 - 0,2 - - 13,2 1,95 3,88 0,79 0,57

9 10 - - 0,15 13,7 1,94 3,73 0,74 0,55

10 10 - - - 0,2 14,8 1,96 4,16 0,88 0,63

11 12 - 14,1 1,96 4,48 0,82 0,60

12 12 0,1 - - - 12,2 1,98 5,46 1,04 0,68

13 12 - 0,2 12.6 1,97 4,8 0,92 0,66

14 12 - - 0,15 13,1 1,96 4,65 0,87 0,64

15 12 - - - 0,2 14,2 1,98 5,08 1,01 0.72

Выявлено, что все изучаемые добавки электролитов оказывают наибольшее влияние на прочность цементогрунта. Наилучшие показатели по прочности достигнуты при введении добавки ГН. Для дальнейших исследований в качестве компонента добавки повышающей прочность выбран электролит ГН.

На основе анализа теоретических основ повышения прочности и морозостойкости цементогрунта и экспериментальных данных получена комплексная добавка, состоящая из кремнийорганического соединения ОТЭС и электролита ГН. Для выявления особенностей влияния комплексной добавки на прочность и морозостойкость материала, произведена оптимизация состава модифицированного цементогрунта с учетом области применения в конструкциях дорожных одежд.

Оптимизация состава комплексной добавки проведена путем реализации трехфакторного планового эксперимента второго порядка по методу Бокса-Уилсона. В качестве исходных независимых переменных определены следующие

факторы: содержание портландцемента ПЦ (8-12 %), кремнийорганического соединения ОТЭС (0,01-0,05 %), электролита ГН (0,05-0,25 %), от массы грунта. В качестве отклика выбраны предел прочности на сжатие №„.) и растяжение при изгибе (Яиг), а также коэффициент морозостойкости (Кмор) цементогрунта. Графическая интерпретация результатов математической модели, отражающей влияние компонентов комплексной добавки на прочность и морозостойкость цементогрунта с расходом цемента 10 %, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Влияние состава комплексной добавки на предел прочности при сжатии, растяжении при изгибе и коэффициент морозостойкости цементогрунта (расход цемента 10 % от массы грунта)

Обработка результатов математического планирования позволила получить следующие зависимости:

= 2,72425 - 0,17625*Х, + 4,80*Х2+7,190*Х3 - 0,02925*Х,2 - 70,00*Х22 - 17,30*Х32 + (1) + 0,425 *Xj *Х2+ 1,00*Х2 *Хз,

R„„ = 1,21875 + 0,132*Х,+ 1.825*Х2+0,885*Х3 + 0,00925*Х,2 - 20.00*Х2 - 1.80*Х2 - (2)

- 0,025 *Х, *Х2 - 0,005 *Х, *Х3 + 0,50 *Х2 *Х3,

Кюр = 0.18975 + 0,05325*Х, + 13.275*Х2 + 0,025*Х3 -0.001*Х,2 - 147.50*Х2 + 0.10*Х32 - (3) -0,Ю*Х,*Х2 + 0,005*Х,*Х3-0,50*Х2*Х3.

Как следует из уравнений регрессии, с увеличением расхода электролита наблюдается рост прочности. Увеличение расхода КОС приводит к повышению прочности и морозостойкости, а затем к их снижению. Понижение показателей прочности и морозостойкости при превышении оптимальных дозировок, по-видимому, объясняется блокирующим действием кремнийорганического соединения на частицы цемента.

С комплексной добавкой получен цементогрунт марки по прочности М40 и морозостойкости F15. На основе математического планирования эксперимента определено, что марка по прочности М40 и максимальный коэффициент морозостойкости после 15 циклов замораживания-оттаивания с учетом технологического коэффициента достигнуты при расходе цемента 10 %, дозировке ОТЭС - 0,03 %, ГН - 0,1 % от массы грунта. Предел прочности на сжатие цементогрунта составил 4,75 МПа, прочности на растяжение при изгибе -0,96 МПа, коэффициент морозостойкости после 15 циклов замораживания-оттаивания — 0,86. Данный состав принят для исследования влияния комплексной добавки на структуру и долговечность цементогрунта, а также на его физико-механические свойства при изменении технологических факторов.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния комплексной добавки на структуру и долговечность цементогрунта.

Проведены исследования образцов цементогрунта с использованием дифференциально-термического анализа, результаты которого представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кривые ДТА образцов а) цементогрунта; б) цементогрунта с комплексной добавкой

На кривых ДТА образцов контрольного состава и с комплексной добавкой отмечен эндоэффект с максимумом при 164 °С, вызванный удалением слабосвязанной воды из гелеобразной массы цементного камня и адсорбционной воды из минералов группы смектитов. Очевидно, меньшая потеря массы модифицированного состава объясняется тем, что при введении комплексной добавки уменьшилась оптимальная влажность грунта, а, следовательно, и количество связываемой воды. Эндоэффект при температуре 325-425 °С связан с дегидратацией минералов группы смектитов. Разница потери массы при этом

объясняется насыщением комплекса ионами Ка*. Эндоэффект с максимумом 460470 °С вызван дегидратацией гидроксида кальция. При этом у образцов с комплексной добавкой наблюдалась меньшая потеря массы, следовательно, меньшее образование свободного гидроксида кальция, что согласуется с полученными данными В.Г. Батракова, который объясняет это взаимодействием Са(ОН)2 с кремнийорганической добавкой.

На рисунке 3 представлена структура цементогрунта контрольного состава и с комплексной добавкой.

Рисунок 3 - Электронно-микроскопические снимки образцов а) цементогрунта; б) цементогрунта с комплексной добавкой

Исследованы поверхности внутренних сколов образцов и их морфологические особенности. Поверхности представляли собой плотную упаковку из хаотично расположенных удлиненных частиц микронных размеров, отдельных раковин, пор и изометричных зерен. Текстура поверхности скрытокристаллическая, пелитоморфная, без тенденции к отслаиванию. Гранулярный состав однородный, размер частиц не превышал 100 мкм. В образце цементогрунта с комплексной добавкой наблюдалось меньшее количество скоагулированных грунтовых агрегатов в сравнении с образцом без добавки, что привело к образованию более плотной и однородной структуры. Очевидно, это явилось следствием диспергирующего действия комплексной добавки на грунт, за счет чего увеличилась доступность поверхности грунта к вносимому цементу и, следовательно, полнота их взаимодействия.

Водопоглощение цементогрунта определялось двумя методами. Первая методика по ГОСТ 12730.3-78 заключалась в установлении водопоглощения по массе и по объему, которое использовалось для определения открытой и условно-закрытой пористости. Вторая методика по международному стандарту ШЬЕМ 11.4 заключалась в определении водопоглощения под низким давлением («метод трубки»).

Согласно экспериментальным данным, приведенным в таблице 3, максимальная пористость характерна для цементогрунта контрольного состава без добавок. Данный цементогрунт обладал более высокой оптимальной влажностью, что способствовало формированию пористой капиллярной структуры. При повышенном водопоглощении и содержании капиллярных пор не

достигается высокая морозостойкость цементогрунта. Показатели цементогрунта с комплексной добавкой значительно отличались от показателей контрольного состава. Модифицированному материалу характерно снижение водопоглощения по массе в 6,7 раз, открытой капиллярной пористости в 6,6 и открытой некапиллярной в 3,5 раз, а также увеличение условно-закрытой пористости в 1,8 раз.

Таблица 3 - Показатели поровой структуры и водопоглощения цементогрунта

№ состава Наименование материала Средняя плотность образцов Полный объем пор, % Водопоглощение по массе, % Водопоглощение по объему, % Объем открытых капиллярных пор, % Объем открытых некапиллярных пор, % Объем условно- закрытых пор образцов, % Показатель микропористости Водопоглощение методом трубки, мл Краевой угол смачивания, град

1 Цементогрунт 2,07 23,08 7,39 15,30 15,30 0,14 7,64 0,11 5,0 63

2 Цементогрунт с комплексной добавкой 2,09 16,06 1,11 2,32 2,32 0,04 13,70 0,47 0,1 108

«Метод трубки» может быть использован для определения гидрофобности материалов, работающих при постоянном воздействии атмосферных осадков, т.к. характеризует гидрофобность не только поверхности, но и объема материала. Из рисунка 4 следует, что введение комплексной добавки значительно снизило водопоглощение под низким давлением. За 6 часов образцом цементогрунта контрольного состава поглощено 5,0 мл воды. За это же время цементогрунт с комплексной добавкой поглотил 0,1 мл воды, а через 24 часа после начала испытаний этот показатель достиг 0,3 мл.

5 4,5

I 3,5

§ 3

3 2,5

I 2

§ и

I 1

(0 0,5

о

012345678 9 10 11 1213 14 1516 17 18 192021 222324 Время, ч

Рисунок 4 - Кинетика водопоглощения методом трубки КШЗМ Н.4 -------цементогрунт -—■ цементогрунт с комплексной добавкой

Известно, что цементогрунт, применяемый в конструкциях дорожных одежд, подвергается постоянному воздействию противогололедных реагентов при замораживании-оттаивании. Используемые на сегодняшний день реагенты представляют собой, в основном, растворы солей ЫаС1 и СаС12 или пескосоляные смеси на их основе. Поэтому для изучения влияния комплексной добавки на морозостойкость средой насыщения и оттаивания выбраны 5 % растворы хлоридов. Результаты исследования показаны на рисунке 5.

вода 5° о раствор N301 5% раствор СаС1:

Среда насыщения/оттаивания

■ Цементогрунт с комплексной добавкой ■ Цементогрут

Рисунок 5 - Коэффициент морозостойкости цементогрунта в различных средах насыщения/оттаивания после 15 циклов замораживания-оттаивания

При исследовании морозостойкости со средой насыщения/оттаивания -раствор хлорида кальция, наблюдается наименьшее снижение прочности как на цементогрунтах без добавки, так и с добавкой. Возможно, это связано с тем, что водный раствор соли, проникающий в структуру цементогрунта при насыщении и оттаивании, обладает пониженной температурой замерзания и тем самым влияет на сохранение прочности материала после проведенных циклов морозостойкости. Также присутствие в растворе солей кальция снижает скорость выщелачивания гидроксида кальция, что приводит к меньшей потере прочности растворной части.

Однако, при исследовании морозостойкости в среде насыщения/оттаивания -раствор хлорида натрия, наблюдается снижение прочности, что возможно объясняется тем, что постоянное воздействие соли натрия увеличивает выщелачивание СаО.

Исследования показали, что морозостойкость цементогрунта с комплексной добавкой при различных средах насыщения и оттаивания меняется незначительно, что объясняется его высокой гидрофобностью. Снижение водопоглощения при введении комплексной добавки привело к росту морозостойкости цементогрунта. Это можно объяснить тем, что электролит в составе комплексной добавки максимально снизил оптимальную влажность, а, следовательно, и открытую пористость, а кремнийорганическое соединение гидрофобизировало стенки пор и частицы грунта, одновременно создавая условно-закрытые «резервные» поры, воспринимающие внутреннее напряжение при образовании льда.

Покрытие автомобильных дорог испытывает динамическое воздействие различных подвижных нагрузок. Механические нагрузки вызывают разрывы молекулярных связей, появление микротрещин и разрушение в структуре материала. Для установления выносливости цементогрунта под действием подвижных нагрузок определено изменение прочности на сжатие при суммарном числе приложений расчетной нагрузки 40000, соответствующей 8 годам эксплуатации автомобильной дороги переходного типа. Результаты испытаний представлены на рисунке 6.

а? В 7,5

5> 7

« 6,5

п в « Я 6

с © 5,5

р А 5

в §■ 4,5

3 4

3,5

К 3

_035 ^0.93

■А90 ПЯ'Г

------ ,0,96

< .0 86

10000

20000

30000

40000

Число приложений нагрузки

Рисунок 6 - Зависимость выносливости цементогрунта от числа приложений нагрузки -------цементогрунт -цементогрунт с комплексной добавкой

Из рисунка 6 следует, что после 40000 приложений нагрузки прочность образцов цементогрунта контрольного состава снизилась на 21 % от начальной, с комплексной добавкой — на 13 %.

Проведенные исследования показали, что при введении комплексной добавки в состав цементогрунта снизилось негативное влияние многократного циклического нагружения на прочность, что увеличило его выносливость. Согласно исследованиям Ю.М. Баженова, большей выносливостью обладают материалы, которые имеют хорошее сцепление между заполнителем и цементным камнем, повышенную однородность и меньшее количество дефектов структуры.

Минералогический состав грунта оказывает значительное влияние на его физические свойства и результат укрепления. Для исследования влияния комплексной добавки на основные составляющие цементогрунта проведены испытания физических свойств, прочностных и деформативных характеристик грунта с комплексной добавкой, физико-механических свойств укрепленных цементом глинистых минералов — монтмориллонита и каолинита, песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта.

Введение комплексной добавки положительным образом отразилось на физических, прочностных и деформативных характеристиках грунта: предел

пластичности снизился на 17 %, угол внутреннего трения увеличился на 12 %, удельное сцепление на 18 %, а модуль деформации на 15 %.

Максимально достигаемые результаты по прочности и морозостойкости каолинита, монтмориллонита, песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта, укрепленных 10 % портландцемента и модифицированных добавкой ОТЭС и ГН, представлены в таблице 4.

Таблица 4 — Влияние добавок ОТЭС и ГН на морозостойкость каолинита, монтмориллонита, песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта, укрепленных 10 % портландцемента_____

№ Наименование компонента Расход ОТЭС, % Расход ГН, % Прочность на сжатие, МПа Марка по морозостойкости

1 Каолинит 0 0 1,6 -

2 Каолинит 0,15 0,2 3,5 F10

3 Монтмориллонит 0 0 0 -

4 Монтмориллонит 0,15 0,2 3,0 F5

5 Песчаные частицы 0 0 2,0 F10

6 Песчаные частицы 0,015 0,05 2,5 F15

7 Пылевато-глинистые частицы 0 0 5,0 F5

8 Пылевато-глинистые частицы 0,06 0,1 7,0 FIO

Наибольшее повышение прочности на сжатие образцов каолинита и монтмориллонита, укрепленных цементом, обеспечено при максимальных дозировках ОТЭС и ГН. Интенсивность роста прочности укрепленного каолинита и монтмориллонита снизилась при увеличении указанных дозировок. В исследуемом диапазоне дозировок применение комплекса добавок привело к приросту прочности укрепленного каолинита более чем в 2 раза, а укрепленный монтмориллонит при этом приобрел прочность близкую к прочности укрепленного каолинита.

Оптимальное содержание добавки ОТЭС для песчаных частиц, укрепленных цементом, составило 0,015 %, ГН — 0,05 % от массы частиц, для пылевато-глинистых частиц - 0,06 % и 0,1 % соответственно. При этом для песчаных частиц обеспечена прочность 2,5 МПа, для пылевато-глинистых 7,0 МПа. Таким образом, прочность укрепленных песчаных и пылевато-глинистых частиц увеличилась в 1,3 и 1,5 раз соответственно. Введение оптимальных дозировок ОТЭС и ГН в состав укрепленного каолинита привело к получению материала с морозостойкостью F10, монтмориллонита - F5, песчаных частиц — F15 и пылевато-глинистых - F10.

Введение добавок КОС совместно с электролитами оказало наибольшее влияние на прочность укрепленных глинистых минералов и пылевато-глинистых частиц. Значительное повышение морозостойкости наблюдалось также и на укрепленных цементом песчаных частицах. Согласно полученным данным установлено, что песчаные частицы в составе естественного грунта обеспечили материалу морозостойкость, а пылевато-глинистые — прочность. Модификация таких частиц добавкой ОТЭС и ГН позволила добиться повышения физико-механических свойств как отдельно песчаной и пылевато-глинистой фракции, так и их естественной смеси.

В пятой главе приведено исследование влияние технологических факторов на физико-механические свойства цементогрунта с комплексной добавкой.

В таблице 5 обобщены допустимые отклонения основных технологических факторов и их влияние на физико-механические свойства цементогрунта — предел прочности на сжатие, МПа, - предел прочности на растяжение при изгибе, МПа, К„ор - коэффициент морозостойкости).

Таблица 5 — Влияние допустимых отклонений технологических факторов на физико-механические свойства цементогрунта_

Показатели Технологические факторы

без учета изменения факторов содержание грунтовых агрегатов крупнее 5 мм (до 25%) коэффициент уплотнения (0,98) влажность смеси (выше оптимальной на 10%) влажность смеси (ниже оптимальной на 10%) продолжительность технологического процесса (2 часа)

Д К Д К Д К Д К Д К Д К

Rc* 4,75 3.6L 4,18 3.03 4,43 3,32 4,32 3,62 4,55 3,32 4.35 2.73

R-изг 0,96 0,71 0,84 0.58 0,85 0,67 0,83 0,70 0,85 0,62 0,83 0.55

Кмор 0,86 0,53 0,77 0,45 0,8 0,51 0,79 0,52 0,8 0,48 0,78 0,46

Д — цементогрунт с комплексной добавкой; К - цементогрунт контрольного состава

Введение комплексной добавки позволило снизить отрицательное влияние неоднородности смеси и недостаточной степени размельчения грунтовых агрегатов. При этом максимальное возможное содержание агрегатов крупнее 5 мм составило 25 %. Требуемый коэффициент уплотнения цементогрунта с комплексной добавкой должен быть не менее 0,98, а изменение влажности модифицированной смеси возможно в пределах 10 % от оптимальной. Применение комплексной добавки позволило увеличить длительность технологического процесса до 2 часов без значительной потери прочности и морозостойкости.

В шестой главе описана производственная проверка и технико-экономическая эффективность применения цементогрунта с комплексной добавкой.

В целях производственной проверки результатов исследований на автомобильной дороге подъезд к н.п. Кульбаево-Мараса Нурлатского района Республики Татарстан построен экспериментальный участок, на котором дорожная одежда выполнена с применением цементогрунта, модифицированного комплексной добавкой.

Физико-механические свойства образцов, отобранных с покрытия экспериментального участка, соответствуют нормативным требованиям и заданной марке по прочности М40 и морозостойкости F15.

Экономия сметной стоимости работ по устройству дорожной одежды из цементогрунта с комплексной добавкой составила 42,3 % в сравнении с применением традиционных привозных материалов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа отечественной и зарубежной литературы и экспериментальной проверки выбраны наиболее эффективные составляющие комплексной добавки и произведена оптимизация состава модифицированного цементогрунта с учетом области применения в конструкциях дорожных одежд. Оптимальный состав цементогрунта с комплексной добавкой: грунт — 100 %, портландцемент - 10 % от массы грунта, октилтриэтоксисилан — 0,03 % от массы грунта и гидроксид натрия - 0,1 % от массы грунта;

2. Введение комплексной добавки в состав цементогрунта позволило повысить прочность на сжатие на 31,6 %, прочности на растяжении при изгибе на 35,2 %, морозостойкости на 62,3 %.

3. Повышение прочности и морозостойкости материала при введении комплексной добавки обеспечивается за счет формирования плотной и однородной структуры, характеризующейся пониженной с 15,3 % до 2,3 % капиллярной и увеличенной с 7,6 % до 13,7 % условно-закрытой пористостью, а также высокой гидрофобностью, обусловленной пониженным с 7,4 % до 1,1 % водопоглощением по массе и с 5,0 мл до 0,1 мл водопоглощением под низким давлением.

4. Выявлено, что комплексная добавка способствует увеличению доступности поверхности грунта к вносимому цементу за счет диспергации грунтовых частиц, что приводит к образованию более плотной и однородной структуры. Введение комплексной добавки в состав цементогрунта уменьшает количество адсорбционной воды, связанной с глинистыми минералами, что придает материалу большую морозостойкость. Кроме того, рост физико-механических свойств цементогрунта с комплексной добавкой объясняется также меньшим образованием гидроксида кальция вследствие взаимодействия его с кремнийорганическим соединением.

5. Установлено, что введение комплексной добавки способствует увеличению долговечности цементогрунта. Так, морозостойкость цементогрунтовых образцов, модифицированных комплексной добавкой достигла марки F15, при этом коэффициент морозостойкости повысился с 0,45-0,60 до 0,83-0,88 в зависимости от среды насыщения и оттаивания. Также введение комплексной добавки в состав цементогрунта привело к снижению негативного влияния многократного циклического нагружения на прочность при сжатии с 21 % до 13 %, что увеличило его выносливость.

6. Изучено влияние комплексной добавки на физико-механические свойства песчаной и пылевато-глинистой составляющей, а также глинистых минералов цементогрунта. В исследуемом диапазоне дозировок применение комплекса добавок привело к приросту прочности укрепленного каолинита более чем в 2 раза, а укрепленный монтмориллонит приобрел прочность близкую к прочности укрепленного каолинита. Прочность укрепленных песчаных и пылевато-глинистых частиц увеличилась в 1,3 и 1,5 раз соответственно. Введение

оптимальных дозировок ОТЭС и ГН в состав укрепленного каолинита привело к увеличению марки по морозостойкости с 0 до F10, монтмориллонита - с 0 до F5, песчаных частиц-с F10 до F15 и пылевато-глинистых - с F5 до F10.

7. Исследованы технологические показатели приготовления смесей и устройства слоев дорожных одежд из модифицированных цементогрунтов. Установлено, что при приготовлении модифицированной смеси наибольшую эффективность показали способы увлажнения грунта до и после введения вяжущего, в сравнении с использованием водоцементной суспензии. Введение комплексной добавки позволило снизить отрицательное влияние неоднородности смеси и недостаточной степени размельчения грунтовых агрегатов. Требуемый коэффициент уплотнения цементогрунта с комплексной добавкой должен быть не менее 0,98, а изменение влажности модифицированной смеси возможно в пределах 10 % от оптимальной. Применение комплексной добавки позволяет увеличить длительность технологического процесса до 2 часов без значительной потери прочности и морозостойкости. Цементогрунт с комплексной добавкой приобрел большую прочность и морозостойкость в ранние сроки твердения в сравнении с цементогрунтом контрольного состава.

8. Проведена производственная проверка результатов исследований при строительстве участка автомобильной дороги. Установлено, что физико-механические свойства образцов цементогрунта с комплексной добавкой, отобранных из конструкции дорожной одежды соответствуют проектным данным, нормативным требованиям и области применения. Определено, что экономия сметной стоимости строительно-монтажных работ по устройству дорожной одежды с применением модифицированного цементогрунта составила 42,3 % в сравнении с применением привозных материалов.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Вдовин Е.А. Повышение качества укрепленных грунтов введением гидрофобизирующих добавок / Вдовин Е.А., Мавлиев Л.Ф. II Известия КазГАСУ. - 2012. - № 4 (22). - С. 373-377.

2. Вдовин Е.А. Пути повышения эффективности укрепления грунтов для строительства дорожных одежд / Вдовин Е.А., Строганов В.Ф., Мавлиев Л.Ф. II Вестник СибАДИ. - 2013. - № 1 (29). - С. 52-58.

3. Вдовин Е.А. Исследование влияния гидрофобизирующих кремнийорганических соединений на физико-механические свойства грунтов, укрепленных цементом / Вдовин Е.А., Строганов В.Ф., Мавлиев Л.Ф. II Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Материалы международ, науч.-практ. конф. / Поволж. гос. технол. ун-т. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. - С. 363-366.

4. Вдовин Е.А. Модификация укрепленного песчаного грунта кремнийорганическим соединением ГФС-1 / Вдовин Е.А., Строганов В.Ф., Мавлиев Л.Ф., Буланов П.Е. // Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений: Сб.

докладов международ, науч.-практ. конф. / Белгород, гос. технол. ун-т. — Белгород, БГТУ им. Шухова, 2013. - С. 68-72.

5. Вдовин Е.А. Опытно-промышленная проверка работы цементогрунтового слоя в конструкции дорожной одежды / Вдовин Е.А., Мавпиее Л.Ф. II Механика разрушения строительных материалов и конструкций: Материалы VIII Академических чтений РААСН - Международ, науч.-тех. конф. — Казань: КГ АСУ, 2014. - С. 54-58.

6. Мирсаяпов И.Т. Исследование выносливости цементогрунта дорожного назначения при циклическом нагружении / Мирсаяпов И.Т., Вдовин Е. А., Маелиев Л.Ф., Буланов П.Е. // Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов: Материалы XIV Международ, симпозиума по реологии грунтов - Международ, науч.-тех. конф. — Казань: КГАСУ, 2014. — С. 126-129.

7. Вдовин Е.А. Исследование долговечности модифицированного цементогрунта дорожного назначения / Вдовин Е.А., Мавлиев Л.Ф. Ч Промышленное и гражданское строительство. —2014. - № 11. — С. 76-79.

8. Гильфанов P.M. Оптимизация состава цементогрунта с комплексной добавкой на основе кремнийорганических соединений / Гильфанов P.M., Вдовин Е.А., Маелиев Л.Ф. II Известия КазГАСУ. - 2014. - № 4 (30). -С. 262-267.

9. Вдовин Е.А. Исследование влияния кремиийорганических соединений на показатели стандартного уплотнения и физико-механические свойства цементогрунта / Вдовин Е.А., Строганов В.Ф., Мавлиев Л.Ф., Буланов П.Е. // Известия КазГАСУ. - 2014. - № 4 (30). - С. 255-261.

Формат 60x84/16 Объем 1,0 п.л.

Печать RISO Тираж 100 экз.

Подписано в печать 15.04.2015 г. Заказ № 163

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, Казань, ул. Зеленая, 1.