автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокопроникающие быстротвердеющие смеси для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог

ЧЕРНЫШЕВ Алексей Юрьевич

ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИЕ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНЫХ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород-2005

\

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова

Научный - доктор технических наук,

руководитель профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные - доктор технических наук, оппоненты профессор

- Чистов Юрий Дмитриевич кандидат технических наук, доцент

Клименко Василий Григорьевич

Ведущая организация

- НИИ Мосстрой

Защита состоится 22 декабря 2005 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.014. в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова по адресу: 308012,

г. Белгород, ул. Костюкова, 46. в ауд. 242 главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, отдел аспирантуры.

Автореферат разослан 22 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета докт. техн. наук, доцент

Г. А. Смоляго

£006 ' f гзз?*

rima

3

Актуальность. При строительстве и ремонте автомобильных дорог, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций, необходимо применять ускоренные технологии. В настоящее время для устройства оснований дорог используются гравийные и щебеночные смеси, требующие значительного времени для фиксации и уплотнения, что удлиняет сроки их строительства. Для сокращения сроков строительства высокоэффективным может быть укрепление оснований дорог быстротвердеющими смесями. В качестве вяжущего для таких смесей необходимо применять быстротвердеющие вяжущие, например водостойкие гипсовые, получаемые с применением техногенного сырья, в частности, отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС). Бетоны и растворы на этих вяжущих по своим свойствам сопоставимы с низкомарочными бетонами на основе портландцемента, но превосходят их по скорости схватывания и твердения и обладают возможностью их регулирования в широких пределах. Кроме того, бетоны на водостойких гипсовых вяжущих обладают малой энергоемкостью и простой технологией. Исследования водостойких гипсовых вяжущих и бетонов на их основе для использования в дорожном строительстве ранее не проводились.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематического плана по заданию Министерства образования в рамках единого заказ-наряда, шифр 1.3.04. и в соответствии с программой «Развитие дорожной сети в сельскохозяйственных населенных пунктах области и их благоустройство на 1999-2005г.г.». (Постановления главы администрации Белгородской области от 23 сентября 1998 года №

Цель работы. Разработка быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований дорог, способствующих ускорению строительства, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, путем применения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего.

Задачи исследования:

-обоснование основных положений получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего для укрепления щебеночных оснований;

-исследование влияния добавок кремнеземсодержащих отходов промышленности (ММС) на свойства затвердевшей смеси;

494).

РОСНАЦИОНАЛЬНА

-разработка нормативной документации для реализации экспериментальных исследований в промышленных условиях;

-апробация результатов исследований в промышленных условиях и расчет экономической эффективности разработанных бетонных смесей.

Научная новизна. Предложены принципы получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе концепции создания композиционных водостойких гипсовых вяжущих модифицированием гипсового вяжущего органо-минеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащих и химических добавок.

Выявлены оптимальные параметры механо-химической активации компонентов композиционных вяжущих на основе гипсового вяжущего, портландцемента и отходов ММС для оптимизации гранулометрического состава частиц вяжущего с повышенным содержанием мелких фракций, обеспечивающих интенсификацию твердения высокопроникающих смесей на его основе.

Установлено, что период проникающей способности разработанных смесей соответствует индукционному периоду структу-рообразования в системе вяжущее-вода и характеризуется преобладанием квазиобратных по прочности коагуляционных контактов, при которых механические воздействия на тесто не снижают прочности затвердевшего вяжущего.

Установлено влияние комплексной химической добавки, состоящей из суперпластификатора и замедлителя сроков схватывания на длительность индукционного периода существования коа-гуляционной структуры.

Установлены оптимальные составы высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

Практическое значение работы.

Разработана технология получения и состав быстротвердеющих высокопроникающих смесей для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых смесей из гипсового вяжущего, портландцемента, отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог Ш-1У категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей (ВБС).

Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси на основе водостойкого гипсового вяжущего (ВГВ), позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 3... 7 МПа и морозостойкостью до 50 циклов.

Внедрение результатов исследований Проведены опытные испытания высокопроникающих быстротвердеющих смесей на водостойких гипсовых вяжущих при устройстве укрепленных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог в х.Игнатово Алексеевского района, г.Строитель и в п.Веселая Ло-пань Белгородской области общей протяженностью 4,5 км, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические и практические положения по созданию высо-копроникаюхцих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных проектов при обучении студентов по специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международном студенческом форуме: «Образование. Наука, Производство» (г.Белгород,2002); Международной научно-практической конференции «Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве» (г.Белгород, 2002); 11 Международном студенческом форуме «Образование. Наука. Производство» (г.Белгород,2004); Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г.Белгород, 2005)..

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 209 страницах машинописного текста, включающего 33 таблицы, 45 рисунков и фотографий, списка литературы'из 131 наименования, 6 приложений.

На защиту выносятся:

- результаты получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе гипсового вяжущего и органо-минерального модификатора, получаемого совместной механо-

химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащей и химической добавок;

- результаты исследований дисперсности водостойкого гипсового вяжущего для высокопроникающих быстротвердеющих смесей;

- результаты исследований реологических свойств высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких гипсовых вяжущих;

- результаты исследования процессов структурообразования водостойких гипсовых вяжущих на основе отходов ММС;

- результаты исследования свойств оптимальных составов ВБС на ВГВ и бетонов на их основе;

- технология устройства оснований автомобильных дорог Ш-1У категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей на водостойких гипсовых вяжущих;

- результаты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Принципиально новым решением проблемы сокращения сроков строительства автомобильных дорог является применение для укрепления конструкций дорожных одежд эффективных быстротвердеющих бетонных смесей на основе композиционных вяжущих, получаемых из гипсового вяжущего, портландцемента и отходов ММС. Анализ литературных данных показал, что в основаниях под асфальтобетонные и цементобетонные покрытия традиционно используются щебеночные материалы толщиной 28-42 см. Такие конструкции отличаются значительной материалоемкостью, что в условиях сложившейся ценовой политики приводит к высокой себестоимости дорожного строительства.

Укрепление щебеночных оснований высокопроникающими быстротвердеющими смесями на ВГВ с использованием отходов ММС железистых кварцитов позволит снизить расход дорогостоящего щебня, вследствие чего снизятся транспортные затраты при строительстве, материалоемкость дорожных одежд, а также улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации техногенного сырья - отходов ММС, сотни миллионов тонн которых скопились в хвостохранилищах горнообогатительных комбинатов КМ А.

О возможности использования отходов КМА в дорожном строительстве отмечается в работах М.И.Волкова, Н.И.Зощука,

И.М.Грушко, А.М.Гридчина, И.В.Королева, В.С.Лесовика, ШМ.Рахимбаева, ИЛ.Рыбьева, В.В.Строковой, В.И.Шухова, В.В.Ддыкиной Г.С.Духовного, А.И.Морозова и др.

О возможности укрепления оснований дорог смесями на водостойких гипсовых вяжущих веществах отмечается в работах Ю.М.Баженова, А.В.Ферронской, В.Ф.Коровякова. Но эти вяжущие до настоящего времени в дорожном строительстве не применялись. Это обусловлено рядом причин, главными из которых являются отсутствие в ряде регионов страны активных минеральных добавок (АМД), необходимых для приготовления ВГВ, недостаточная водостойкость и морозостойкость бетонов. Все это значительно сдерживает их применение в строительстве, в том числе дорожном.

Как показали А.В.Ферронская и В.Ф.Коровяков, значительного повышения эффективности ВГВ можно достичь получением композиционного гипсового вяжущего путем смешивания в оптимальных соотношениях исходных гипсовых вяжущих с органо-минеральным модификатором (ОММ), получаемым совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, в процессе твердения которых образуются стабильные, водонерастворимые, гидратные новообразования, которые обеспечивают высокие показатели свойств в начальный и последующий период твердения вяжущего.

В качестве сырьевых материалов в работе использовали: гипсовое вяжущее марки Г-5Б II Астраханского гипсового комбината; трепел Брянского месторождения, активностью 248 мг/г; отходы ММС железистых кварцитов (Лебединский ГОК); портландцемент ЦЕМ 1 (ПЦ 500 ДО) (ЗАО «Белгородский цемент»); песок Нижне-ольшанского месторождения с модулем крупности 1,1; химические добавки: цитратный фильтрат (ЦФ), суперпластификаторы С-3 и СБ-3.

В данной работе было предложено использовать в качестве активной кремнеземистой добавки в гипсоцементных композициях отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС), представляющие собой тонкозернистый техногенный песок (модуль крупности меньше 1), содержащий более 70% кварца. Это отходы, представленные диагенетически измененным высокореакционным кварцем (халцедоновая разновидность слабоупоря-доченного кварца). Запасы такого песка в отвалах КМА составляют

сотни миллионов тонн, в которых «законсервирована» энергия, затраченная на горнодобывающие работы, на дробление и помол, а также химическая пуццолановая гидратационная энергия.

Основной функцией активных минеральных добавок является снижение концентрации гидроксида кальция в твердеющей системе. Количество добавки ММС в ВГВ зависит от содержания в ней аморфного ЭЮг и А120з. Химический состав отходов ММС представлен в табл.1.

Таблица 1

Химический состав отходов ММС

вЮг А1203 ГегО, РеО СаО MgO в Р со2

10,2 77,72 0,57 6,58 7,12 1,48 2,26 0,128 0,023 3,63

Для оценки свойств отходов ММС определялась их активность, под которой понимается способность содержащихся кислотных оксидов вступать в химическую реакцию с гидроксидом кальция. Полученные результаты представлены в табл.2. Установлено, что исследуемые отходы ММС имеют хорошую активность, которая в возрасте 30 суток составила 125,08 мг/г, как известно добавки с активностью менее 100 мг/г применяются как наполнители. Долговечность гипсоцементно-кремнеземистых систем зависит в большой степени от правильного соотношения между количеством кремнеземистых добавок (КД) и портландцемента.

Таблица 2

Определение свойств минеральных добавок_

№ п/п Добавка Количество СаО в мг, поглощенное 1г добавки через: Объем осадка, см3

2е суток 30 суток

1 Трепел 10,39 247,99 21,36

2 Отходы ММС 4,6 125,08 5,59

3 Транш- 4,21 70,76 5,09

1 ем выше активность КД по поглощению гидроксида каль

ция, тем меньше требуется ее в вяжущем для поддержания необходимой концентрации по ТУ 21-31-62-89 Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее. Интенсивная механическая обработка повышает химическую активность кремнеземистой добавки.

Для установления влияния дисперсности и соотношения компонентов в ВГВ на свойства и структуру твердеющей композиции вяжущего с водой изучали влияние тонкости помола кремнеземистой добавки из отходов ММС на основные физико-механические

свойства вяжущего. Помол производили в лабораторной шаровой мельнице. Тонкость помола определяли с помощью прибора ПМЦ-500, согласно ГОСТ 310.2-81, работающего по принципу воздухопроницаемости слоя уплотненного материала. Вяжущие готовили тщательным перемешиванием всех компонентов, совмещенным с кратковременным помолом в течение 1 минут.

В результате проведенных исследований установлено, что отходы ММС довольно легко поддаются тонкому измельчению до удельной поверхности 4500... 6000 см2/г (60... 90 мин), при которой они могут обеспечить снижение концентрации гидроксида кальция до регламентированных пределов (в соответствии с ТУ 21-31-62-89 -Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее) - рис.1. Об эффективности действия тонкомолотой кремнеземистой добавки свидетельствует снижение концентрации оксида кальция в растворе через 5 суток до 0,73...0,91 г/л, а на 7-е сутки - 0,64..0,82 г/л, что характерно для составов, содержащих достаточное количество природных активных минеральных добавок.

ММС 1800 5суг

ММС 1800 7сут

ММС 6000 5сут

ММС 6000 7 сут

Рис.1. Изменение концентрации СаО в водной суспензии ВГБ при введении отходов ММС Способность связывать гидроксид кальция в присутствии воды при обычных температурах обусловлена содержанием в отходах ММС нескольких генераций кварца, беспорядочно распределенного по всей массе отходов. В процессе измельчения КД еще более снижается их степень упорядоченности и плотность, возрастая от поверхности вглубь зерен. Это связано с образованием при измельчении на поверхности зерен кварца нарушенного микрослоя, содержащего в очень ограниченных количествах и аморфный БЮг-В свою очередь, механическая деструкция способствует сущест-

во,2 1:0,5

1:1 1:1,5 ПЦ:ММС

1:2,5

венному увеличению количества активных центров в единице объема материала. Учитывая полученные данные, рекомендуется применять следующие составы быстротвердеющих ВГВ (% по массе): гипсовое вяжущее 50-70, портландцемент 10-20, кремнеземистая добавка из отходов ММС 10-30. Составы ВГВ и результаты исследования их основных свойств приведены в табл.3.

Таблица 3.

Влияние удельной поверхности КД из отходов ММС на свойства ВГВ (В/В^О^)

к п / п Состав вяжущего, % Уде л. поверх см2/г Под виж мм Сроки схватывания, мин., сек Прочность при сжатии, МПа, через Крим

Г ц ММС Нача ло Конец 2ч 7 суг. 28 суг. сухие

1 70 15 1S 6000 175 9'00'1 1200 5,5 12,7 15,8 20,6 0,76

2 4500 180 900" 12'00 5,3 12,6 16,0 22 0,74

3 3000 190 9'30" 12'30 5,1 12,2 15,5 21,5 0,71

Особый интерес представляют исследования по определению гранулометрического состава компонентов ВГВ (рис.2). Анализ гранулометрии составляющих компонентов ВГВ осуществляли на лазерном анализаторе частиц «Микросайзер 201С». На рис.2 приведены кривые зернового состава отходов ММС различной тонкости помола, гипса, портландцемента и композиционного вяжущего.

В целом помол отходов ММС можно разделить на несколько этапов. На первом этапе (помол от 1000 см7г до 3000 см2/г) происходит разрушение полиминеральных агрегатов с накоплением базовых частиц - механически более прочных, имеющих приблизительно одинаковые размеры (в нашем случае это фракция 40...60 мкм) и мелких - более мягких частиц, находившихся между базовыми, хорошо размалываемых, приводящих к накоплению тонких фракций (в нашем случае фракции менее 15 мкм.).

На втором этапе, при дальнейшем измельчении до 4500 см2/г, происходит максимальное накопление близких по размеру базовых частиц, сопровождающееся некоторым приростом мелких фракций, дальнейший помол которых уже сдерживается вторичным агрегированием.

На третьем этапе, при помоле до 6000 см2/г происходит измельчение фракции, сложенной базовыми частицами, что сопрово-

Рам«? чястмц. ммм

Рис.2 Кривые распределения частиц по размерам Белгородского портландцемента ПЦ 500 ДО, отходов ММС и ВГВ. ждается интенсивным накоплением мелкой фракции (менее 15 мкм).Если предположить, что базовые частицы, в основном, представляют собой частицы кварца, то существенное повышение активности отходов ММС по поглощению извести происходит при их измельчении тоньше 4500...5000 см2/г, что подтверждается экспериментами по поглощению СаО. Однако, такое увеличение содержания тонких фракций при помоле до 6000 см7г, должно сопровождаться повышением водопотребности как самой добавки, так и ВГВ, и некоторым снижением прочности, что так же подтверждается экспериментально. Поэтому, считаем целесообразным измельчение отходов ММС до удельной поверхности 4500...5000 см^г. Зерновой состав ВГВ является более равномерным, чем отдельных составляющих его компонентов и характеризуется в 3...4 раза более высоким, по сравнению с портландцементом, содержанием мелких фракций, привносимых гипсом. Это объясняет повышенную водопотребность вяжущего.

Поскольку ВГВ с оптимальными свойствами должны содержать диспергирующие добавки, нами были применены поверхностно-активные вещества, снижающие водопотребность вяжущего и способные диспергировать частицы твердой фазы, образуя на них сольватные оболочки - суперпластификаторы С-3 и СБ-3. Для регулирования сроков схватывания вяжущего использовали жидкие отходы производства лимонной кислоты - цитратный фильтрат (ЦФ). Пластифицирующий эффект ПАВ устанавливали по коней-

стенции паст при постоянном водовяжущем отношении. Добавки вводились совместно с водой затворения (табл.4.)

Таблица 4

Влияние химических добавок на свойства ВГВ (В/В,„=0,45)

№ п / п Вид добавки Содержание добавки, % массы вяжущ, в расходе на сух. вещ-во Рас- Г1ЛЫВ, мм Сроки схватывания, мин., сек. Прочность при сжатии, МПа, через

начало конец 2 ч. 7 суг. 28 сут. сух.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Без добавки 110 180* 7'4" 8'30" 94" 1Г30" 4^9 3,2 18.0 13,6 20.0 13,6 21,1 13,8

2 СБ-3 0,1 145 9 30" 12'00" 5,4 21,0 21,7 22,0

0,3 200 1800" 22'2" 3,75 19,2 20,0 21,5

0,5 220 254)0" 28'30" 2,9 17,5 18,0 19,8

3 С-3 0,1 150 8'30" 1Г30" 5,5 22,0 23,3 23,8

0,3 195 8'30" 1100" 5,1 21,5 22,0 23,0

0,5 220 8-00" 1100" 4,9 19,0 20,5 21,8

4 Цитратный Фильтрат (ЦФ) 0,3 120 1030" 15'30" 5,5 17,0 17,2 17,8

0,6 120 15'30" 20'00" 4,5 16,0 16,9 17,5

0,9 120 204)0" 25'00" 4,25 14,2 14,5 15,0

1,5 120 29'00" Зб'ОО" 3,85 11,5 13,2 13,75

5 СБ-3 (0,5%) +ЦФ (1,5%) 180 53'00" 72'00" 4,25 9,0 11,5 12,25

б С-3 (0,5%) +ЦФ (1,5%) 180 44'30" 5700" 3,75 10,5 12,3 13,5

»В/В„=0,52

Анализ полученных результатов показал, что добавка С-3 в дозировках 0,1-0,5 % практически не оказывает влияния на сроки схватывания вяжущего, но значительно повышает прочность образцов как в начальные сроки твердения, так и высушенных до постоянной массы образцов. Добавка СБ-3 в количестве 0,1-0,5 % позволяет регулировать в широких пределах сроки схватывания вяжущего (от 9,5 до 28,5 мин.) практически без снижения прочности во все сроки твердения. Добавка ЦФ (цитратный фильтрат) не эффективна как пластифицирующая, но она позволяет регулировать сроки схватывания вяжущего. Введение ее в количестве 1,5% отдаляет начало схватывания до 36 мин. Значительное замедление сро-

ков схватывания приводит к снижению прочности образцов во все сроки твердения. Применение комплексных добавок (С-З+Цф; СБ-3+ЦФ) позволяет в широких пределах регулировать сроки схватывания (от 44 до 72 мин.) и скорость твердения ВГВ. Учитывая полученные данные, рекомендуется применять следующие составы быстротвердеющих композиционных вяжущих (% по массе): гипсовое вяжущее 50-70, портландцемент 10-20, кремнеземистая добавка из отходов ММС 10-30.

При использовании высокопроникающих смесей для укрепления дорожных оснований возникает вопрос определения их проникающей способности во времени, которая напрямую зависит от степени их подвижности. Этот период называется «жизнеспособностью» системы вяжущее -вода и совпадает во времени с индукционным периодом структурообразования.. В этот период на тесто из ВГВ возможны механические воздействия, которые не приводят к понижению прочности затвердевшего камня.

В работе проводились исследования реологических параметров дисперсных структур на тесте, приготовленном из ВГВ при постоянном В/Вяж отношении, на ротационном вискозиметре с коаксиальными цилиндрами Реотест-2 с помощью метода математического планирования эксперимента. В качестве критериев оценки эффективности всей технологии были приняты подвижность полученного вяжущего, время начала схватывания, прочность в разные сроки твердения, условно-статический и условно-динамический пределы текучести, вязкость.

В результате экспериментов были получены математические выражения, связывающие основные свойства ВГВ с принятыми переменными факторами.

Как уже указывалось ранее, эффективным является получение ОММ совместным помолом портландцемента, кремнеземистой добавки (отходов ММС) и суперпластификатора, что способствует достижению оптимальной тонкоти помола и зернового состава, обеспечивающих высокую степень гидратации клинкерной части и повышенную активность кремнезема, что в определенной степени позволяет управлять процессом образования эттрингита. При назначении составов ВГВ минимально необходимое содержание ОММ определяли из соображений максимального заполнения им пустот в затвердевшем гипсовом камне. Для этого вычисляли пористость, зная среднюю и истинную плотности затвердевшего вя-

жущего. По расчету эта пористость может колебаться в пределах 37...42 % в зависимости от водосодержаиия. Из уравнения абсолютных объемов абсолютный объем ОММ равен 16...24 % для теста из ВГВ и воды. Количество ОММ принято в пределах 20...30 %, а для сравнения до 50 %.

В качестве переменных факторов приняты: Х1 - содержание ОММ (цемент + ММС), % массы вяжущего; Хг - отношение количества отходов ММС к содержанию цемента в ОММ (ММС/Ц); Х3 - содержание СБ-3, % массы ВГВ; Хд_удельная поверхность отходов ММС Уровни варьирования независимых переменных представлены в табл.5.

Таблица 5.

Значение уровней переменных факторов

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

варьирования -1 0 1

Цемент + отходы ММС,% х, 20 35 50 15

Отходы ММС /Ц х2 0,5 2,25 4 1,75

Добавка СБ-3, % Х3 0,3 0,65 1.0 0,35

Уд. поверхность, см2/г х4 3000 4500 6000 1500

Математической обработкой экспериментальных данных, программой, написанной в среде Microsoft Excell получены уравнения регрессии, которые позволяют провести графический анализ влияния факторов варьирования на реологические и физико-механические свойства

Анализ номограмм, иллюстрирующих влияние факторов варьирования на условно-динамический предел текучести показал, что наблюдаются четкие области минимальных значений этих параметров. Так, минимальные значения величины Pki наблюдаются при соотношении ММС/Ц от 1,5 до 2,0 при содержании добавки СБ-3 0,3 %. При увеличении содержания добавки до 1 % оптимальное соотношение ММС/Ц повышается до 2,0-3,0. При этом с повышением удельной поверхности, необходимое количество добавки возрастает. Оптимальная удельная поверхность с точки зрения получения минимальных значений предела текучести находится в диапазоне от 3500 до 4500 см2/г. Аналогичная зависимость наблюдается при анализе номограммы влияния факторов варьирования на условно-статический предел текучести.

Исследование зависимости подвижности паст от параметров варьирования показало, что с повышением удельной поверхности минимум расплыва конуса практически не зависит от суммарного содержания цемента и отходов ММС. При этом, необходимое количество добавки СБ-3 повышается с 0,5 до 1 %. Также величина расплыва конуса снижается при росте соотношения ММС/Ц. Наиболее важным реологическим параметром паст на основе ВГВ является его способность проникать между заполнителем. Установлено, что при проникновении в заполнитель под действием гравитационных сил напряжение сдвига составляет порядка 25 Па.

Отх. НМС/1^0,5 Уд. повврхн.«Э000с»Лг

I "

ц 07

А лт. и,

I { " V

¡т^Л,» «V

Ога. ММСЛДО,« Уд. помрхн.в45С0 с|Аг

тг

ОГХ.М1Ю1И.5 Уд. ломрхн.>4000 аАг

V"

Отх. ММС/Ц425 Уд помрхн.»3000ен2/г Т

1 "

ц 07

1 0,6

I

Ч 1

-

Отх. ММОЦ-2.25 Уд. пов«рхн."4500 см^/г М м

л»

V

Отх. ММС/Ц-2,25

Уд. поверхи.*6000 «А-\-

« М

: \ » V \ м

А,»х.

ч \ . ><ч

Л« Ч- « " ч. Ч.

а« "

а "

в

я ае

Ц 07

Отх. ммоцм,с Уд. поверен.«3000 см^/г '■ \-

\

м "ы

I «л. «о-

1х^

м

Отх. ММС/Ц-4,0 Уд поверхн.«4500 см^/г

-V-

■V

К'Х"

* ал 4 ■ ^Ч.

Л V" V

ч X

Отх.ММОЦ-4,0 Уд повврхн.я6000 см2/г V

Л'-4

и, и

м

Цвмвнт+отходы ММС Цемвнт+отходы ММС Цвмент-ютходы ММС

Обозначения: Ц+ММС=60-20 %, Ц+ММС=150-50 %.

Рис. 3. Влияние факторов варьирования на эффективную вязкость при напряжении сдвига 25 Па. Цифры на кривых -величина эффективной вязкости Па* с Поэтому, оптимальная проникающая способность соответствует минимальной эффективной вязкости при напряжении сдвига 25

Па. Анализ номограммы (рис.3.) показывает, что минимальная вязкость снижается с увеличением содержания добавки СБ-3, повышением суммарного содержания цемент+отходы ММС, снижением удельной поверхности. Кроме того, эффективная вязкость при напряжении сдвига 25 Па снижается при повышении соотношения

Анализ времени начала схватывания показывает, что практически для всех экспериментальных составов эта величина сокращается с увеличением фактора цемент+отходы ММС и увеличивается с повышением содержания добавки СБ-3. При этом, при прочих равных условиях, минимальные значения сроков схватывания наблюдаются при соотношении ММС/Ц равное 2,25. Кроме того, с повышением удельной поверхности сроки схватывания также сокращаются.

Прочность на сжатие через 2 часа является максимальной (2,25-4,0 МПа) в диапазоне соотношения ММС/Ц от 2,5 до 3, при общем суммарном содержании цемент+отходы ММС 20.. .25 % от массы ВГВ. Следует отметить, что не зависимо от удельной поверхности наблюдается тенденция снижения прочности с повышением содержания добавки СБ-3. Максимальные значения прочности при сжатии (8,5 МПа) в 28 суточном возрасте соответствуют составам с удельной поверхностью 4500 см2/г при суммарном содержании цемент+отходы ММС 30...35 % от массы вяжущего. Количество ОММ в дальнейших исследованиях принято в пределах 30 %.

Сравнительный анализ результатов испытаний показал, что комплексные химические добавки дают значительное снижение реологических параметров паст (рис.4). Так, при введении комплексной добавки СБ-3 (0,5%) + ЦФ(1,5%) величина предельного

ММС/Ц.

50

100 150 200

250 300

Напряжение сд вига, Па

Рис 4. Влияние добавок на реологические характеристики паст.

напряжение сдвига составила 7 Па, вязкость не разрушенной структуры - 0,1584Па*с. У без добавочных паст значение предельного напряжения сдвига составило 67Па, а вязкость не разрушенной структуры - 0,7536 Па*с. По-видимому, это обусловлено замедлением роста кристаллов новообразований и избытком структурных элементов, способствующих возникновению множества новых кристаллов и в целом созданию более равномерной и мелкозернистой структуры затвердевшего ВГВ. Использование реологических характеристик в композиционных гипсовых системах позволяет с большей точностью определять свойства теста и время, в течение которого возможно производить формование без нарушения структуры создающегося камня и без снижения его первоначальной прочности.

В диссертационной работе методами рентгенографического, дифференциально-термического анализов, световой микроскопии (рис.5) было установлено: наличие комплексных химических добавок не приводит к изменениям химического состава новообразований, а лишь способствует уменьшению количества и размеров крупнокристаллических блоков в микроструктуре затвердевшего камня на ВГВ с одновременным увеличением удельного количества новообразований (на 20 %), более совершенных по форме кристаллов, что приводит к повышению прочности и плотности.

Структуру камня без добавок и с комплексной химической добавкой изучали под электронным микроскопом.

а б

х1500 х1500

Рис. 5. Микрофотографии образцов из ВГВ, твердевших в нормальных условиях 7 суток, а) без добавки; б) с комплексной химической добавкой (СБ-З+ЦФ) Было установлено, что для образцов без добавки характерно образование крупных, неравномерно распределенных пор, значительное различие в толщине межпоровых перегородок. В образцах

затвердевшего ВГВ с комплексной химической добавкой (СБ-3 + ЦФ) не только уменьшается размер пор, но они становятся более замкнутыми, изолированными друг от друга, равномерно распределенными по их размерам. Уменьшается общая пористость камня с химическими добавками на 7-10 %, что положительно сказывается на капиллярном водопоглощении (снижается на 15-20 %) и прочности материала (увеличивается на 20-25 %).

Изменение структуры за счет уменьшения размера кристаллов гидратированных новообразований, уменьшения общей пористости, изменения соотношения мелких и крупных пор за счет уменьшения крупных обеспечивает повышенные прочностные и дефбрмативные свойства, а также долговечность бетонов на ВГВ. Для обеспечения высоких показателей быстротвердеющих смесей применена технология их приготовления, включающая тонкое измельчение кремнеземистой добавки (отходов ММС) до удельной поверхности 4500...5000 см2/г с суперпластификатором и портландцементом с последующим перемешиванием с гипсовым вяжущим, совмещенным с кратковременным помолом. По этой технологии была получена опытная партия ВГВ на основе строительного гипса с характеристикой марки по прочности 15 МПа. Коэффициенты размягчения разработанных составов Кр= 0,65...0,72.

В качестве быстротвердеющих смесей предложены мелкозернистые бетоны на основе разработанных вяжущих с использованием в качестве мелкого заполнителя техногенного сырья - отходов ММС железистых кварцитов, которые позволяют значительно повысить эффективность укрепления оснований автомобильных дорог(рис.6).

раствора (с использованием отходов ММС) на ВГВ от В/В^ отношения.

В диссертационной работе были получены мелкозернистые бетоны (растворы) марок М50-М75 и изучены их физико-механические свойства. Для изучения возможности получения дорожных бетонов для устройства оснований автомобильных дорог П1-1У категории на щебне из вскрышных скальных горных пород КМА (кварцитопесчанник) были исследованы составы на щебне из кварцитопесчанника фракции 40..70 мм.

Таблица б

Физико-механические свойства укрепленных оснований

Наименование показателей Величина показателя для класса бетона по прочности на сжатие

В3,5 В5

Средняя прочность при сжатии, МПа 6,5 7,5

Морозостойкость, циклы 35 50

Водопоглощение, % по массе 8 10

Коэффициент водостойкости 0,8 0,82

Начальный модуль упругости, МПа-10"3 8,9 12,6

Получены тяжёлые бетоны классов В3,5 - В5 при расходах ВГВ от 120 до 230 кг/м3 (табл.6). Водопоглощение и морозостойкость образцов определяли в соответствии с ГОСТ 12733-78 и 10060-95. Образцы всех составов выдержали 50 циклов попеременного замораживания-оттаивания (в пересчете с ускоренного метода), что удовлетворяет требованиям ВСН 185-75 для нижних укрепленных оснований III-IV категорий дорог в умеренных климатических условиях.

В диссертационной работе определялось влияние комплексных химических добавок, влажности бетона, его возраста и условий твердения (воздушно-сухие, водная среда) на прочностные и деформативные характеристики, используемые в расчете конструкций, т.е. - призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона. Результаты испытаний показывают, что при твердении в течение 28-ми суток на воздухе с температурой 20±2 °С и относительной влажностью 60-70% показатели призменной прочности находятся в пределах от 13,5 до 17,0 МПа, показатели модуля упругости от 7300 до 9220 МПа, показатели коэффициента Пуассона от 0,18 до 0,24, коэффициента призменной прочности (Rnp/R куб) от 0,85 до 0,97. Увеличение B/B,*, отношения с 0,45 до 0,5 для по-

лучения бетона из подвижной смеси (расплыв по Суттарду 180 мм) приводит к снижению призменной прочности с 16,9 до 13,5 МПа. При введении в бетон комплексной химической добавки его модуль упругости в возрасте 28 суток повышается при твердении в воде на 25 %.

Очень важными являются собственные деформации бетонов, для изучения которых были выбраны различные условия твердения: воздушно-сухой и водный режимы твердения. Было установлено: показатели деформаций усадки находятся в пределах требований нормативов, деформации набухания - интенсивно нарастают в течение первого месяца и превышают деформации усадки с последующей стабилизацией. Содержание в бетоне на ВГВ мелкого заполнителя приводит к уменьшению деформации набухания и усадки. Для мелкозернистого бетона (состав ВГВ: ММС=1:2) через полгода они не превышают соответственно 2,0 и 0,4 мм/м и имеют затухающий характер.

Анализ парка оборудования дорожно-строительных организаций области показал возможность реализации результатов диссертационной работы в Белгородской области и других регионах РФ. Таким образом, на основании проведенных исследований доказано, что тонкодисперсный полиминеральный техногенный песок -отходы ММС железистых кварцитов, может применяться для производства оснований автомобильных дорог, укрепленных высокопроникающими быстротвердеющими смесями на основе композиционных вяжущих. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составил 273500 руб. на 1км строящейся дороги.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность использования техногенного сырья - отходов ММС железистых кварцитов для получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких гипсовых вяжущих для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог..

2. Разработан состав водостойкого гипсового вяжущего, включающий отходы ММС при следующем соотношении компонентов (по массе) - 70:15:15 (гипсовое вяжущее: портландцемент: отходы ММС), при котором устраняется возможность разрушения

структуры затвердевшего камня и повышается его водостойкость и долговечность.

3. Выявлено влияние механо-химической активации компонентов ВГВ на основе отходов ММС на характер распределения частиц по размерам, кривая гранулометрического состава которого имеет более равномерный характер, чем отдельных составляющих его компонентов и характеризуется повышенным, по сравнению с портландцементом, содержанием мелких фракций, что оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы структурообразова-ния затвердевшего камня.

4. В результате выполненных экспериментов по принятой матрице получены оптимальные составы ВГВ для получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей.

5.Установлено влияние комплексной химической добавки (суперпластификатора СБ-З+замедлителя сроков схватывания ЦФ) в составе гидратирующейся водной системы ВГВ, способствующей увеличению индукционного периода существования коагуляцион-ной структуры, замедляющей процесс гидратации в целом на ранних стадиях (в первые минуты твердения) с последующей интенсификацией процесса твердения.

6. Установлены характерные зависимости прочностных и де-формативных свойств бетонов на ВГВ в зависимости от их состава, условий твердения и влажности. Определены характеристики бетонов, используемые при расчете конструкций: призменная прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Величины начального модуля упругости находятся в пределах от 4700 до 9600 МПа, коэффициент Пуассона 0,18-0,3.

7. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог Ш-ГУ категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе композиционных вяжущих, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси, позволяющие получить укрепленное щебеночное основание с прочностью на сжатие 6-8 МПа и морозостойкостью 50 циклов.

8. На основе результатов исследований разработаны: Технические условия на быстротвердеющее гидравлическое композиционное вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината в качестве кремнеземсодержащего компонента. Техно-

логический регламент производства быстротвердеющего композиционного вяжущего для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог, БГТУ им.В.Г.Шухова.

9. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями при устройстве укрепленных щебеночных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог Белгородской области общей протяженностью 4,5 км. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды, изменения технологии устройства и снижения материалоемкости экономический эффект составит 273500 руб на 1 км строящейся дороги.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на реологические свойства ГЦП теста (Лесовик B.C.) // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: Сб. науч. трудов Междунар. науч,-практич. конф. - Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2002. - 4.2. -С.138-139.

2. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на свойства гипсовых и ГЦП паст (Лесовик В.С.)//Актуальные вопросы строительства: Материалы Всероссийской науч.-технич. конф. -Саранск: изд-во МГУ, 2002. - С. 181-183.

3. Чернышев А.Ю. Использование отходов ММС железистых кварцитов для разработки долговечных составов ГЦПВ (Лесовик Р.В.)// Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2003. - №5. - С. 319-321.

4. Чернышев А. Ю..Применение ГЦП вяжущих для укрепления дорожных оснований (Лесовик Р.В.,Чернышева Н.В.)//Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. - 2004. - №8. - С.314 - 315.

5.-Чернышев А.Ю. Влияние дисперсности компонентов ГЦПВ на свойства твердеющей композиции (Лесовик B.C., Ели-страткин М.Ю.) //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005.-№9,-С.284 - 286.

6. Чернышев А.Ю. Исследование реологических свойств ГЦП смесей с добавками поверхностно-активных веществ (Доро-ганов Е.А., Чернышева Н.В.) // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, -2005. - №9. - С.287 - 289

ЧЕРНЫШЕВ Алексей Юрьевич

ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИЕ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНЫХ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать ■11.05". Формат 60x84/16

Заказ 179 Усл.-печ л 1 Тираж 110

Отпечатано в БГТУ им. В. Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46

Р2А231

РНБ Русский фонд

2006-4 23398

и

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Состояние дорожной сети региона.

1.2. Устройство оснований автомобильных дорог на основе щебня

1.2.1. Устройство неукрепленных оснований автомобильных дорог на основе щебня.

1.2.2. Устройство укрепленных оснований автомобильных дорог на основе щебня.

1.3. Применение цементобетона при устройстве оснований дорожных одежд.

1.4. Устройство оснований автомобильных дорог с применением высокопроникающих смесей.

1.5. Выводы к главе.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Методы исследований.

2.1.1. Рентгенофазовый анализ.

2.1.2. Дифференциально-термический анализ.

2.1.3. Изучение свойств малкодисперсных материалов бетона.

2.1.4. Изучение свойств бетонных смесей и бетонов.

2.2. Применяемые материалы.

2.2.1. Добавки, применяемые в работе.

2.3. Выводы к главе.

3. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОСТОЙКИХ ГИПСОВЫХ ВЯ- 44 ЖУЩИХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

3.1. Технологические особенности получения ВГВ.

3.2. Использование отходов промышленности для улучшения качества и повышения долговечности бетонов .на ВГВ. ш 3.3. Выводы к главе. v 4.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ.

4.1. Механохимическая активация как процесс повышения качества материала.

4.2. Реологические свойства смесей на ВГВ с химическими добавками.

4.3. Влияние химических добавок на процессы структурообразования камня на ВГВ.

4.4. Выводы к главе.

5. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНЫХ 99 ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.

5.1. Свойства мелкозернистого бетона на ВГВ.

5.2. Проектирование состава и свойств дорожной бетонной смеси

5.3. Деформативные свойства бетонов на ВГВ.

5.3.1.Прочностные и деформативные свойства бетонов на ВГВ при кратковременном нагружении.

5.3.2. Деформации усадки и набухания.

5.4 Повышение водостойкости и морозостойкости бетонов на ВГВ.

5.5. Выводы к главе.

6. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА ЩЕБЕНОЧНЫХ ОСНОВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ.

6.1. Методы расчета дорожных одежд.

6.2. Требования к устройству укрепленных оснований.

6.3. Основные положения расчета конструкций дорожных одежд

6.4. Технология устройства оснований.

6.4.1. Технология устройства оснований высокопроникающей быстротвердеющей бетонной смесью при помощи одно- 126 проходных машин.

6.4.2. Технология устройства оснований многопроходными машинами.

6.4.3. Технология устройства оснований методом пропитки.

6.5 . Уплотнение готовой смеси.

6.6. Выводы к главе.

7. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

7.1. Анализ парка оборудования дорожно-строительных организаций Белгородской области и возможность реализации результатов работы.

7.2. Порядок выполнения работ по укреплению основания автодороги смесью с высокопроникающей быстротвердеющей сме- 135 сью.

7.3. Расчет экономии материальных затрат при использовании смесей на ВГВ.

7.4. Выводы к главе.

При строительстве и ремонте автомобильных дорог, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций, необходимо применять ускоренные технологии. В настоящее время для устройства оснований дорог используются гравийные и щебеночные смеси, требующие значительного времени для фиксации и уплотнения, что увеличивает сроки строительства дорог. Для сокращения сроков строительства высокоэффективным может быть укрепление оснований дорог быстротвердеющими смесями. В качестве вяжущего для таких смесей необходимо применять быстротвердеющие вяжущие, например водостойкие гипсовые, получаемые с применением техногенного сырья, в частности, отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС). Бетоны и растворы на этих вяжущих по своим свойствам сопоставимы с низкомарочными бетонами на основе портландцемента, но превосходят их по скорости схватывания и твердения и обладают возможностью их регулирования в широких пределах. Кроме того, бетоны на водостойких гипсовых вяжущих обладают малой энергоемкостью и простой технологией.

Исследования водостойких гипсовых вяжущих и бетонов на их основе для использования в дорожном строительстве ранее не проводились.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематического плана по заданию Министерства образования в рамках единого заказ-наряда, шифр 1.3.04. и в соответствии с программой «Развитие дорожной сети в сельскохозяйственных населенных пунктах области и их благоустройство на 1999-2005г.г.». (Постановления главы администрации Белгородской области от 23 сентября 1998 года № 494).

Цель работы. Разработка быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований дорог, способствующих ускорению строительства, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, путем применения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: -обоснование основных положений получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего для укрепления щебеночных оснований;

-исследование влияния добавок кремнеземсодержащих отходов промышленности (ММС) на свойства затвердевшей смеси;

-разработка нормативной документации для реализации экспериментальных исследований в промышленных условиях;

-апробация результатов исследований в промышленных условиях и расчет экономической эффективности разработанных бетонных смесей.

Научная новизна. Предложены принципы получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе концепции создания композиционных водостойких гипсовых вяжущих модифицированием гипсового вяжущего органо-минеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащих и химических добавок.

Выявлены оптимальные параметры механо-химической активации компонентов композиционных вяжущих на основе гипсового вяжущего, портландцемента и отходов ММС для оптимизации гранулометрического состава частиц вяжущего с повышенным содержанием мелких фракций, обеспечивающих интенсификацию твердения высокопроникающих смесей на его основе.

Установлено, что период проникающей способности разработанных смесей соответствует индукционному периоду структурообразования в системе вяжущее-вода и характеризуется преобладанием квазиобратных по прочности коагуляционных контактов, при которых механические воздействия на тесто не снижают прочности затвердевшего вяжущего.

Установлено влияние комплексной химической добавки, состоящей из суперпластификатора и замедлителя сроков схватывания на длительность индукционного периода существования коагуляционной структуры.

Установлены оптимальные составы высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

Практическое значение работы. Разработана технология получения и состав быстротвердеющих высокопроникающих смесей для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых смесей из гипсового вяжущего, портландцемента, отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог III-IV категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей (ВВС).

Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси на основе водостойкого гипсового вяжущего (ВГВ), позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 3.7 МПа и морозостойкостью до 50 циклов.

Внедрение результатов исследований Проведены опытные испытания высокопроникающих быстротвердеющих смесей на водостойких гипсовых вяжущих при устройстве укрепленных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог в х.Игнатово Алексеевского района, г.Строитель и в п.Веселая Лопань Белгородской области общей протяженностью 4,5 км, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические и практические положения по созданию высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных проектов при обучении студентов по специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международном студенческом форуме: «Образование. Наука, Производство» (г.Белгород, 2002); Международной научно-практической конференции «Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве» (г.Белгород, 2002); 11 Международном студенческом форуме «Образование. Наука, Производство» (г.Белгород, 2004), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005).

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 209 страницах машинописного текста, включающего 33 таблицы, 45 рисунков и фотографий, списка литературы из 131 наименования, 6 приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность использования техногенного — сырья — отходов ММС железистых кварцитов для получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких гипсовых вяжущих для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

2. Разработан состав водостойкого гипсового вяжущего, включающий отходы ММС при следующем соотношении компонентов (по массе) — 70:15:15 (гипсовое вяжущее:портландцемент:отходы ММС), при котором устраняется возможность разрушения структуры затвердевшего камня и повышается его водостойкость и долговечность.

3. Выявлено влияние механохимической активации компонентов ВГВ на основе отходов ММС на характер распределения частиц по размерам, кривая гранулометрического состава которого имеет более равномерный характер, чем отдельных составляющих его компонентов и характеризуется повышенным, по сравнению с портландцементом, содержанием мелких фракций, что оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы структурообразования затвердевшего камня.

4. В результате выполненных экспериментов по принятой матрице получены оптимальные составы ВГВ для получения высоко.(роникающих быстротвердеющих смесей.

5.Установлено влияние комплексной химической добавки (суперпластификатора СБ-З+замедлителя сроков схватывания ЦФ) в составе гидратирующейся водной системы ВГВ, способствующей увеличению индукционного периода существования коагуляционной структуры, замедляющей процесс гидратации в целом на ранних стадиях (в первые минуты твердения) с последующей интенсификацией процесса твердения.

6. Установлены характерные зависимости прочностных и деформативных свойств бетонов на ВГВ в зависимости от их состава, условий твердения и влажности. Определены характеристики бетонов, используемые при расчете конструкций: призменная прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Величины начального модуля упругости находятся в пределах от 4700 до 9600 МПа, коэффициент Пуассона 0,180,3.

7. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог IIT-IV категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе композиционных вяжущих, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси, позволяющие получить укрепленное щебеночное основание с прочностью на сжатие 6-8 МПа и морозостойкостью 50 циклов.

8. На основе результатов исследований разработаны: Технические условия на быстротвердеющее гидравлическое композиционное вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината в качестве кремнеземсодержащего компонента. Технологический регламент производства быстротвердеющего композиционного вяжущего для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог, БГТУ им.В.Г.Шухова.

9. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями при устройстве укрепленных щебеночных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог Белгородской области общей протяженностью 4,5 к.л. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды, изменения технологии устройства и снижения материалоемкости экономический эффект составит 273500 руб на 1 км строящейся дороги.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Чернышев А.Ю. Влияние химических добчвок на реологические свойства ГЦП теста (Лесовик B.C.) // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: Сб. науч. трудов Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2002.- 4.2. -С.138-139.

2. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на свойства гипсовых и ГЦП паст (Лесовик В.С.)//Актуальные вопросы строительства: Материалы Всероссийской науч.-технич. конф. — Саранск: изд-во МГУ, 2002. - С. 181-183.

3. Чернышев А.Ю. Использование отходов ММС железистых кварцитов для разработки долговечных составов ГЦПВ (Лесовик Р.В.)// Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2003. - №5. - С. 319-321.

4. Чернышев А.Ю. Применение ГЦП вяжущих для укрепления дорожных оснований (Лесовик Р.В.,Чернышева Н.В.)//Вестник БГТУ им.

B.Г.Шухова. - 2004. - №8. - С.314 - 315. 5.Чернышев А.Ю. Влияние дисперсности компонентов ГЦПВ на свойства твердеющей композиции (Лесовик B.C., Елистраткин М.Ю.) //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005.-№9.- С.284 -286.

6. Чернышев А.Ю. Исследование реологических свойств ГЦП смесей с добавками поверхностно-активных веществ (Дороганов Е.А., Чернышева П.В.) // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005. - №9.

C.287 - 289

1. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: Изд-во АСВ, 1994. - 264 с.

2. Баженов Ю.М., Плотников В.В. Активация вяжущих композиций в роторно-пульсационных аппаратах. Брянск.: БГИТА, 2001- 336 с.

3. Удачкин Н.Б. Активные кремнеземсодержащие компоненты как ин-тенсификаторы производства автоклавных материалов и изде-лий//Автореф. дисс. док. техн. наук. М., 1987. - 32 с.

4. Баженов Ю.М. Многокомпонентные бетоны с техногенными отхода-ми//Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы международной конференции.-Самара,1995.-Ч.4., с.3-4.

5. Шлакощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе/Под ред. проф. Глуховского В.Д. Ташкент: Узбекистан, 1980. - 484с.

6. Рыбьев И.А. Общий курс строительных материалов: Учебное пособиедля ВУЗов. М.: Высшая школа, 1987. - 584 с.

7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Строй-издат, 1986.-325 с.

8. Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость. -Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 1999. №3-4.-С. 21-23.

9. Комохов П.Г., Грызлов B.C. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда, 1992. - 318 с.

10. Беляев А.М. Асфальтобетон с использованием минерального порошка из промышленных отходов Курской магнитной аномалии. Автореф. дис. .канд. тех. наук. Москва, 1999. - 21 с.

11. Программа совершенствования и развития автомобильных дорог РФ "Дороги России" на 1995- 2000 гг. М.: Минтранс РФ, 1994. - 78 с.

12. Кубасов А.У., Чумаков Ю.Л., Широков С. Д.Строительство, ремонт и ы содержание автомобильных дорог. Москва: Транспорт, 1985. - 254 с.

13. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. - 396 с.

14. Королев И.В. Модель строения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетона. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура, 1981 - № 8. - С. 63- 67.

15. Иващенко С.И., Комар А.Г. и др. Исследование влияния минеральных и органических добавок на свойства цементов и бетонов//Изв. вузов. Строительство. 1993. -№ 9. - С. 16- 19.

16. Афанасьев И.А., Макарова JI.E. влияние структуры цементогрунта на его прочность // Проектир., стр-во и эксплуат. зданий и сооружений / Перм. гос. техн. ун-т, строит, фак. Пермь, 1997. - С. 171 - 179.

17. Васильев Ю.М., Агафонцева В.П., Исаев B.C. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М.: Транспорт, 1989. -191 с.

18. Bodenstabilisierung mit hydraulischen Bindemittelh im Erd und Stra-benbau / Neumann A. // Tiefbau Tiefbau-Berufsgenoss. - 1997. - 109, №12.-C. 759-767.

19. Грушко И.М., Королев И.В., Борщ И.Н., Мищенко Г.Н. Дорожно-строительные материалы. -М.: Транспорт, 1991.

20. Gement-treated subgrajle provides support, economy in Denver's E-470 // enr.-1998.-240.-№20.

21. Соломатов В.И., Тахиров M.K., Коротин M.M. Бетон с АЦФ-добавкой для транспортного строительства. М.: Транспорт, 1986. - 61с.

22. Сычев М.М. Активация твердения портландцемента с помощью глинистых добавок // Цемент, 1982. № 1. - С. 12-13.

23. Технология и механизация укрепления грунтов в дорожном строительстве / под ред. проф. В.М. Безрука. М.: Транспорт, 1976. - 230 с.

24. Агафонцева В.П., Васильев Ю.М. Улучшение уплотняемости цемен-тогрунта // Автомобильные дороги, 1973. № 4. - С. 26-27.

25. Елькин Б.П., Агейкин В.Н. К вопросу о прочности оснований дорожных одежд из сухих цементогрунтовых смесей // Проектир., стр-во, ремонт и содерж. трансп. сооруж. в усл. Сибири / Томск, архит. -строит, ун-т-Томск, 1997. С. 142-144.

26. Herzog A., Mitchell J.K., Reaktions Accompaning Stabilization of Clay With Cement. "Cement-Tread Soil Mixtures 10 Reports" Highway Research Record. P 36, Washington, 1962.

27. Compactage des materiaux traites avec des liants hydrauliques / Fernandez Montes L. // Rout actual. 1996. - №60. - C. 69-75.

28. Bodenstabilizierung // Tiefbau Tiefbau-Berufsgenoss. 1997. - 109. - № 12. - C. 793-794.

29. Verfahren und Bindenmittel zur Verbesserung und / oder Verfestigung von Boden / Заявка 19706498 Германия, МПКбЕ 01 С 21 / 00 Rohbach G. -№ 19706498/Заявл. 19.2.97; Опубл. 1.12.97.

30. Renhe Yang, Christopher D Lawrence, Cyril J. Lynsdale, John H. Sharp, Cement and Concrete Research Vol.29, pp 17- 25, 1999.

31. Liant hydraulique pour le traitement des sols ou materiaux arqileux: Заявка 2736047 Франция, МПК 6 С 04 В 28/02/ Vecoven Jacque Н., Musikas Nicolas, Haad Emmanuel R.; Group Origny S.A. №9507824; Заявл. 29.6.95.; Опубл. 3.1.97

32. Beton de ciment et beton de ciment mince colle. L'experience americaine/ Col L. W.// Revue Generale des Routes. 1999. - № 769. - P. 28-32.

33. Neuerungen bei Fahrbahndecken aus Beton. Teil I. Grundlagen und Fortschritten / Fleischer W., Grossmfhn D., Moschwitzer H.// Beton. -2000.-№ 7.-S. 376-380.

34. Маслов H.H. механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними): Учеб. пособ. для студ. дор.-строит. спец. вузов.- М.: Стройиздат, 1997.-328с.

35. Крупнообломочные грунты в дорожном строительстве // Э.М. Добров, В.А. Любченко, В.А.Анфимов и др.- М.: Транспорт, 1981.-184с.

36. Щербакова Р.П., Шестакова В.Н. Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения влажного цементогрунта. Л.: Энергия, 1971.-357 с.

37. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочник ингженера-дорожника. Под ред. А.П.Васильева, М.: Транспорт, 1989. - 287 с.

38. Строительство автомобильных дорог. Учебник. Под ред. д.-ра техн.наук, прф. В.К.Некрасова. М.: Транспорт, 1980, т.1- 416 е., т.2 -416 с.

39. Сборник: Новое в разработке комплексных методов укрепления при строительстве автомобильных дорог, Труды Союздорнии. -М., 1984.

40. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон. Технология производства работ.-М.: Стройиздат, 1991, -576 с.

41. ГОСТ 8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.

42. ГОСТ 8269.0-97 Щебень и гравий из плотнгых горных пород и отхор-дов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.

43. СниП 2.05.02-85 Автомобильные дороги. 36 с.

44. Гридчин A.M. Производство и применение щебня из анизотропного сырья в дорожном строительстве /Белгород: Из-во БелГТАСМ, 2001, -151 с.47.