Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Lipeck, Lipetsk, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 383 Строительные материалы и изделия
Paper observes research of the mechanical characteristics of the stabilized soil with different «Chimston» additives. Current work focuses on the application of the «Chimston-1» and «Chimston-2» produced by Zipo research and production company. Stabilized soil is based on local soils: argillaceous sand ground and sand clay. Chemical additives are mixed with water according to the manufacture’s recommendations. Amount of the «Chimston-1» is 0.07 % of the soil. Amount of the «Chimston-2» is 0.01 % of the cement. During the research plasticize effect is studied, based on maximum density and optimal humidity. Water saturation, mechanical strength under tension in bending and compression. It is established, application of the "Chimson" additives allow to increase key characteristics of the stabilized soil without increasing of the cement. «Chimston-1» additive has strongly pronounced plasticize effect which allow to increase soil compaction and decrease optimal humidity. Additive "Chimston-2" is a water repellent with a high degree of efficiency with soil stabilization.
"Chimson" additives, soil, stabilizing, mechanical characteristics, roads, road bed
Введение. Развитие автомобильного транспорта и интенсивности грузовых перевозок предъявляет все более жесткие требования к конструкции автомобильных дорог. Постоянный рост веса подвижного состава приводит к тому, что традиционные конструкции автомобильных дорог зачастую не выдерживают даже гарантийного срока эксплуатации. Другая проблема состоит в том, что часто местные материалы не подходят для устройства дополнительных дренирующих или морозозащитных слоев основания дорожных одежд, а применение привозных материалов вызывает удорожание строительства. В описанных выше случаях наиболее рациональным технологическим приемом становится укрепление рабочего слоя грунта минеральным или комплексным вяжущим [1–8].
Известно, что укрепленный грунт может применяться в различных конструктивных элементах: рабочий слой земляного полотна на дорогах высших категорий с усовершенствованными капитальными покрытиями, в качестве слоя основания на дорогах с облегченными и переходными типами покрытия, и в качестве нижнего слоя дорожной одежды на дорогах низших технических категорий. В зависимости от конструктивного слоя, к укрепленным грунтам применяют различные требования по прочности и морозостойкости. Зачастую, используя в составе укрепленного грунта только грунт и вяжущее, добиться требуемых значений по прочности, а особенно, по морозостойкости, сложно. Для повышения прочностных и эксплуатационных характеристик укрепленных грунтов используют специальные добавки.
Следует отметить, что конечная задача укрепления грунтов состоит в создании таких новых материалов, которые бы отвечали возрастающим техническим требованиями строящихся автомобильных дорог. При этом должно максимально учитываться и использоваться влияние природно-климатических условий.
Методология. Для проведения исследований использовались следующие грунты: суглинок легкий песчанистый, супесь твердая, песок мелкий, именуемые в дальнейшем суглинок и супесь. Физико-механические характеристики исходных грунтов представлены в табл. 1, гранулометрический состав – в табл. 2.
Таблица 1
Физико-механические характеристики исходных грунтов
|
Наименование показателя |
Вид грунта |
|
|
Суглинок легкий песчанистый |
Супесь твердая |
|
|
Естественная влажность, Wест, % |
19,8 |
9,55 |
|
Влажность на границе текучести, WL, % |
34,7 |
18,8 |
|
Влажность на границе раскатывания, Wp, % |
25,6 |
12,84 |
|
Число пластичности, IL |
9,1 |
5,96 |
|
Максимальная плотность, ρмах, г/см3 |
1,39 |
2,03 |
|
Оптимальная влажность, Wопт, % |
20,0 |
8,2 |
Таблица 2
Гранулометрический состав грунтов
|
Размер сит, мм |
2 |
1 |
0,5 |
0,25 |
0,1 |
<0,01 |
|
Суглинок легкий песчанистый |
||||||
|
Частные остатки, % |
0,00 |
0,05 |
0,38 |
3,22 |
8,46 |
84,99 |
|
Полные остатки, % |
2,90 |
2,95 |
3,33 |
6,55 |
15,01 |
100,00 |
|
Полные проходы, % |
97,10 |
97,05 |
96,67 |
93,45 |
84,99 |
0,00 |
|
Супесь твердая |
||||||
|
Частные остатки, % |
4,21 |
12,62 |
64,38 |
10,31 |
4,77 |
5,02 |
|
Полные остатки, % |
2,90 |
15,52 |
79,90 |
90,21 |
94,98 |
100,00 |
|
Полные проходы, % |
97,10 |
84,48 |
20,10 |
9,79 |
5,02 |
0,00 |
Для укрепления грунтов использовали стабилизирующие добавки торговой марки «Чимстон» («Чимстон-1» и «Чимстон-2») производства ООО НПП «ЗИПО» г. Липецк в комплексе с цементом ЦЕМ II/А-Ш 22,5.
Физико-механические характеристики грунтов испытывали в соответствии со следующими нормативными документами: ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик», ГОСТ 12071-2014 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов», ГОСТ 30416-2012 «Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения», ГОСТ 22733-2016 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности», ГОСТ 12536-2014 «Грунты. Метод лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава».
Физико-механические характеристики цемента исследовали по ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4-91 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии»
Определение предела прочности при сжатии осуществляли по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости». Водонасыщение укрепленных грунтов определяли в соответствии с разделом 4.7.4 ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний».
Основная часть. Согласно данным
ООО «НПП «ЗИПО» «Чимстон-1» – это стабилизатор – гидрофобизатор – модификатор – полимерный пластификатор. Коэффициент растворения добавки «Чимстон-1» с водой находится в пределах от 1:100 до 1:5000. Расход Стабилизатора грунта «Чимстон-1» составляет 0,007 % от массы грунта или
Добавки вводились вместе с водой увлажнения в соответствии с рекомендациями производителя. Количество добавки «имстон-1» для стабилизации грунта составляло 0,007 % от массы грунта, «Чимстон-2» вводили в количестве
0,01 % по отношению к цементу.
Исследование пластифицирующих свойств добавок «Чимстон-1» и «Чимстон-2» проводилось путем анализа изменения оптимальной влажности различных видов грунтов при максимальной плотности. Результаты стандартного уплотнения грунтов с исследуемыми добавками представлены в табл. 3.
Таблица 3
Характеристики стандартного уплотнения грунтов с исследуемыми добавками
|
Тип грунта |
Применяемая добавка |
Максимальная плотность, кг/см3 |
Оптимальная влажность, % |
|
Суглинок |
Без добавки |
1,77 |
19,5 |
|
«Чимстон-1» |
1,74 |
17,5 |
|
|
«Чимстон-2» |
1,71 |
19,0 |
|
|
Супесь |
Без добавки |
2,02 |
8,2 |
|
«Чимстон-1» |
2,04 |
6,0 |
|
|
«Чимстон-2» |
2,00 |
8,9 |
Из представленных результатов видно, что добавка «Чимстон-1» проявляет пластифицирующий эффект, так как она позволяет снизить оптимальную влажность различных видов грунтов на 2 %, в то время как «Чимстон-2» практически не влияет на данный показатель. Так, оптимальная влажность суглинистого грунта без добавки составляла
19,5 %, при введении «Чимстон-1» она снизилась до 17,5 %, а при использовании «Чимстон-2» значение данного показателя составило 20,6 %. При введении добавки «Чимстон-1» в супесь привело к уменьшению оптимальной влажности с 8,2 до 6,0 %.
Очевидно, что внесение водного раствора стабилизатора «Чимстон-1» в глинистый грунт приводит к существенному снижению поверхностного натяжение воды на границе раздела фаз, тем самым облегчая ее распределение на поверхности твердых частиц грунта за счет улучшения смачиваемости поверхности. В конечном итоге, введение добавки «Чимстон-1» приводит к улучшению подвижности частиц грунта друг относительно друга при наличии более тонкой и равномерной пленки воды вокруг них, что улучшает упаковку зерен в процессе уплотнения и высокая плотность достигается при меньшем количестве воды.
Важно отметить, что при введении добавок оптимальная влажность суглинистого грунта достигается при максимальной плотности скелета грунта, значение которого чуть ниже, чем контрольного образца без добавки. Так, для суглинистого грунта без добавки максимальная плотность грунта составила 1,77 г/см3, в то время как при использовании добавки «Чимстон-1» она составила 1,74 г/см3, «Чимстон-2» – 1,71 г/см3. На песчаном грунте и супеси данная тенденция не наблюдается.
Таким образом, анализ изменения оптимальной влажности при максимальной плотности различных видов грунтов при введении стабилизаторов «Чимстон-1» и «Чимстон-2» показал, что «Чимстон-1» проявляет пластифицирующий эффект и может быть отнесен к классу пластифицирующих добавок. Введение добавки «Чимстон-2» не приводит к уменьшению оптимальной влажности при максимальной плотности грунтов, а, следовательно, не может являться добавкой-пластификатором.
Известно, что снижение водопотребности грунтобетона положительно сказывается на его прочностных характеристиках и морозостойкости [10–15].
Для проведения исследований по изучению прочностных характеристик укрепленного грунта с применением добавок «Чимстон-1» и «Чимстон-2» были изготовлены цилиндрические образцы диаметром и высотой, равными 50 мм. Изготовленные образцы после выдерживания были испытаны согласно требованиям нормативных документов. Количество добавки «Чимстон-1» для стабилизации грунта составляло 0,007 % от массы грунта, «Чимстон-2» вводили в количестве 0,01 % по отношению к массе цемента. Количество портландцемента –
1, 3 и 5 % масс. Продолжительность твердения образцов составила 28 суток. Изготовленные образцы после выдерживания были испытаны согласно требованиям нормативных документов с определением прочности при сжатии, прочности при растяжении при изгибе и водонасыщения.
Результаты исследования прочности образцов в зависимости от количества вводимого цемента и стабилизаторов «Чимстон-1» и «Чимстон-2» представлены на рис. 1–3. Установлено, что прочность образцов всех рецептур увеличивается с повышением количества цемента. При этом максимальная прочность достигается при введении 5 % цемента в суглинистый грунт.
Важно отметить, что применение стабилизатора «Чимстон-1» приводит к большему увеличению прочности, по сравнению с добавкой «Чимстон-2». Анализ проведенных исследований показал, что при укреплении суглинистого грунта добавкой «Чимстон-1» и 5 % цемента привело к увеличению прочности образцов грунтобетона при сжатии по сравнению с контрольными образцами, приготовленными на основе соответствующего количества цемента без применения добавки на 32 %; при укреплении супеси – на 21%. Изменение предела прочности грунта, укрепленного добавкой «Чимстон-2» в комплексе с 5 % цемента, привело к менее значительному увеличению прочности суглинистого и супесчаного грунтов, по сравнению с контрольными (12 и
15 % соответственно).
Рис. 1. Прирост предела прочности при сжатии образцов грунтобетона на основе суглинка при введении
стабилизаторов «Чимстон-1» и «Чимстон-2»
Рис. 2. Прирост предела прочности при сжатии образцов грунтобетона на основе супеси при введении
стабилизаторов «Чимстон-1» и «Чимстон-2»
Введение стабилизатора «Чимстон-1» и 3 % цемента в грунт приводит к увеличению предела прочности при сжатии образцов грунтобетона на основе суглинка и супеси, по сравнению с контрольными, на 10 и 8 % соответственно. Характер изменения предела прочности при сжатии образцов грунта различных видов, укрепленных «Чимстон-2» и 3 % цемента, аналогичен изменению грунтобетонных образцов на основе данной добавки и 5 % цемента. По сравнению с «Чимстон-1», зафиксировано незначительное увеличение прочности суглинистого грунта –
8 % и более высокое изменение данного показателя при стабилизации супеси – на 10 %.
Введение 1 % цемента и стабилизатора «Чимстон-1» или «Чимстон-2» в состав исходного грунта на значения предела прочности образцов отразилось незначительно. Изменение составило 3–5 %.
Анализ предела прочности при изгибе комплексной системы «грунт-стабилизатор-вяжущее» показал, что динамика набора прочности образцов грунтобетона к воздействию изгибающей силы суглинистых грунтов значительно выше, по сравнению со сжимающей нагрузкой (табл. 4). Введение различного количества цемента (1, 3 и 5 %) и стабилизатора «Чимстон-1» в суглинок способствует увеличению прочности образцов при изгибе на 7, 15 и 42 % соответственно; при использовании добавки «Чимстон-2» с аналогичным количеством цемента повышает данный показатель на 6, 12 и 15 % соответственно.
Таблица 4
Показатели прочности образцов грунтобетона при растяжении при изгибе
|
Наименование добавки |
Прочность при сжатии, МПа, для грунтов |
|||||
|
Суглинок с цементом, % |
Супесь, с цементом, % |
|||||
|
1 |
3 |
5 |
1 |
3 |
5 |
|
|
Контроль |
0,42 |
0,80 |
1,16 |
0,07 |
0,58 |
0,89 |
|
«Чимстон-1» |
0,45 |
0,92 |
1,65 |
0,07 |
0,62 |
0,94 |
|
«Чимстон-2» |
0,45 |
0,85 |
1,35 |
0,07 |
0,60 |
0,92 |
Эффективность использования добавок серии «Чимстон» для повышения предела прочности при изгибе супеси имеет менее выраженный характер. Так, укрепление супесчаного грунта
5 % цемента и добавками серии «Чимстон» привело к увеличению показателя в пределах 10–
12 %.
Важно отметить, что по аналогии с пределом прочности при сжатии, максимальный эффект на показатель предела прочности при изгибе оказывает добавка «Чимстон-1».
Образцы грунта, укрепленного цементом совместно с добавками серии «Чимстон», подвергались полному водонасыщению в соответствии с ГОСТ 12801-98. Результаты исследований представлены в табл. 5. Для сравнения были заформованы контрольные образцы, приготовленные на основе соответствующего количества цемента без применения добавок.
Таблица 5
Значение водонасыщения образцов грунта, укрепленного цементом различного количества
и стабилизаторами «Чимстон-1» и «Чимстон-2»
|
Наименование добавки |
Вид грунта |
||||||
|
Суглинок, укрепленный цементом в количестве, % |
Супесь, укрепленная цементом в количестве, % |
|
|||||
|
1 |
3 |
5 |
1 |
3 |
5 |
|
|
|
Контроль |
3,05 |
1,93 |
1,68 |
1,97 |
1,21 |
0,78 |
|
|
«Чимстон-1» |
2,44 |
1,68 |
1,56 |
1,73 |
0,98 |
0,55 |
|
|
«Чимстон-2» |
2,20 |
1,62 |
1,48 |
1,65 |
0,73 |
0,18 |
|
Анализ представленных результатов показал, что водонасыщение образцов грунтобетона на основе супеси было минимальным. Это может быть связано с тем, что гранулометрический состав супеси является наиболее рациональным, так как крупные поры между частицами песка заполнены тонкодисперсными глинистыми частицами.
Установлено, что стабилизатор «Чимстон-2» способствует наименьшему насыщению образцов грунта водой. Так, образцы суглинка, укрепленного 1 % цемента без использования стабилизатора, показывают водонасыщение равное
3,05 %, в то время как дополнительное введение добавки «Чимстон-2» приводит к снижению водонасыщения на 28 %, «Чимстон-1» – на 20 %. Увеличении количества неорганического вяжущего в составе грунта приводит к уменьшению водонасыщения. При этом важно отметить, что расхождение в показателе водонасыщения в присутствии добавок по сравнению с контрольным образцом при увеличении количества цемента также становится менее выраженным. Использование стабилизатора «Чимстон-1» в составе суглинистого грунта, укрепленного 5 % цемента, приводит к снижению показателя на 7 %, а введение добавки «Чимстон-2» – на 12 %.
Выводы. Было установлено, что применение добавок серии «Чимстон» позволяет значительно поднять ключевые характеристики грунтобетонов, не увеличивая при этом расход вяжущего. Добавка «Чимстон-1» имеет ярко-выраженный пластифицирующий эффект, способствует улучшению уплотняемости грунта и снижает количество воды, требуемое для достижения максимальной плотности. Добавка «Чимстон-2» не оказывает какой-либо значительный пластифицирующий эффект на грунт, незначительно повышает физико-механические характеристики, однако приводит к значительному повышению прочности грунтобетона.
Результаты исследования показали, что укрепление грунтов исследуемыми добавками совместно с цементом в количестве 1 % не целесообразно, так как изменение прочностных характеристик составляет не более 5 %.
Использование стабилизатора «Чимстон-1» и 3 % цемента способствовало увеличению пределов прочности при сжатии и изгибе в пределах 10–15 % по сравнению с контрольными образцами, приготовленными на основе соответствующего количества цемента без применения добавки. Увеличение количества цемента до 5 % привело к повышению прочности при сжатии образцов грунтобетона от 20 до 30 %, а при изгибе до 40 % (максимальные значения наблюдались при укреплении суглинистого грунта).
Введение стабилизатора «Чимстон-2» совместно с 3 и 5 % цемента не способствовало значительному увеличению прочности как при сжатии, так и при изгибе и составило не более 10%, по сравнению с контрольными образцами.
Введение добавок серии «Чимстон» положительно отразились на водонасышении образцов грунта, укрепленных неорганическими вяжущими. Эффективность их использования обусловлена снижением данного показателя. Важно отметить, что добавка «Чимстон-2» оказала максимальный эффект на снижения показателя водонасыщения. Это доказывает, что она является гидрофобизатором с высокой степенью эффективности при стабилизации грунтов.
*Работа выполнена в рамках Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Zolotyh S.N. Stabilizaciya glinistyh gruntov v transportnom stroitel'stve // V sbornike: Obrazovanie, nauka, proizvod-stvo Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnolo-gicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. 2015. S. 600-603.
2. Trautvain A.I., Evtuhova D.A., Mogi-levcev D.A. Osushenie gruntov povyshennoy vlazhnosti pri realizaciya proekta «Kom-pleksnaya rekonstrukciya uchastka im. Maksima Gor'kogo - Kotel'nikovo - Tihoreckaya - Krymskaya s obhodom Krasnodarskogo zhelez-nodorozhnogo uzla» // Sbornik statey: Sintez nauki i obschestva v reshenii global'nyh pro-blem sovremennosti Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii: v 2-h chastyah. 2016. S. 91-95.
3. Mogilevcev D.A., Trautvain A.I. Teo-reticheskie osnovy ukrepleniya i stabiliza-cii gruntov [Elektronnyy resurs] / Sbornik dokladov IX Mezhdunarodnogo molodezhnogo foruma «Obrazovanie. Nauka. Proizvod-stvo»: sb. dokladov // Belgor. gos. tehnol. un-t. (6-13 oktyabrya 2017 g, Belgorod). Belgorod, 2017.
4. Prokopec A.S., Sergeev A.S., Yushkov B.S., Sushkov S.I. Metody i meropriyatiya po ukrepleniyu lesovoznyh dorog, ustraivaemyh na slabyh glinistyh gruntah // Al'ternativ-nye istochniki energii v transportno-tehnologicheskom komplekse: problemy i perspektivy racional'nogo ispol'zovaniya. 2016. T. 3. № 3 (6). S. 376-379.
5. Skrypnikov A.V., Kozlov V.G., Loma-kin D.V., Logoyda V.S. Issledovanie othodov promyshlennosti dlya ukrepleniya gruntov // Fundamental'nye issledovaniya. 2016. № 12-1. S. 102-106.
6. Akimov A.E., Trautvain A.I., Cherno-gil' V.B. Povyshenie fiziko-mehanicheskih harakteristik ukreplennyh gruntov pri primenenii stabiliziruyuschih dobavok serii Chimston [Elektronnyy resurs] // V sbornike: Nauka i obrazovanie v sovremennyh uslovi-yah. Materialy Mezhdunarodnoy (zaochnoy) nauchno-prakticheskoy konferencii. Pod ob-schey redakciey A.I. Vostrecova. 2017. S. 49-55.
7. Trautvain A.I., Akimov A.E., Yakovleva A.A. Osobennosti ispol'zovaniya stabilizi-ruyuschih dobavok dlya ukrepleniya gruntov // V sbornike: Nauka i obrazovanie v sovremen-nyh usloviyah. Materialy Mezhdunarodnoy (zaochnoy) nauchno-prakticheskoy konferencii. Pod obschey redakciey A.I. Vostrecova. 2017. S. 200-207.
8. Rubashkina T.I. Eksperimental'nye issledovaniya fiziko-tehnicheskih svoystv zoloshlakovyh othodov mestnyh TEC s cel'yu primeneniya v dorozhnom stroitel'stve // V sbornike: Transsib: na ostrie reform mate-rialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. Irkutskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniy; Zabaykal'skiy institut zheleznodorozhnogo transporta. 2016. S. 134-140.
9. TU 2493−001−97980347−2016. Poli-mernye plastifikatory serii «Chimston» dlya gruntobetonnyh i betonnyh smesey. Vve-den 10.10.2016. Lipeck: OOO «NPP «ZIPo». 26 s.
10. Abramova T.T., Bosov A.I., Valieva K.E. Ispol'zovanie stabilizatorov dlya uluchsheniya svoystv svyaznyh gruntov // Geo-tehnika. 2012. № 3. S. 4-28.
11. Voronkevich S.D. Osnovy tehnicheskoy melioracii gruntov. M.: Nauchnyy mir, 2005. 504 s.
12. Avtomobil'nye dorogi i mosty. Stroitel'stvo konstruktivnyh sloev dorozh-nyh odezhd iz gruntov, ukreplennyh vyazhuschi-mi materialami. Obzornaya informa-ciya/Sostavitel' S.G. Fursov. M.: FGUP «Informavtodor», 2007. Vyp. 3. URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/52/52596/.
13. Mayorova L.S., Akchurin T.K., Pota-pov A.A. Dolgovechnost' modificirovannyh melkozernistyh betonov // V sbornike: In-zhenernye problemy stroitel'nogo materia-lovedeniya, geotehnicheskogo i dorozhnogo stroitel'stva materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii . 2013. S. 211-217.
14. Aleksikov S.V., Simonchuk D.N. Do-rozhnye odezhdy na pereuplotnennom grunto-vom osnovanii // V sbornike: Inzhenernye problemy stroitel'nogo materialovedeniya, geotehnicheskogo i dorozhnogo stroitel'stva materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii . 2013. S. 56-57.
15. Zhigaylov A.A., Kuyukov S.A., Shuvaev A.N. Vliyanie stepeni uplotneniya na osnov-nye harakteristiki cementogrunta s poli-mernoy dobavkoy // Nauchno-tehnicheskiy vest-nik Povolzh'ya. 2011. № 5. S. 131-134.
16. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Antono-va R.O. Perspektivy ispol'zovaniya polimer-nyh stabilizatorov pri ukreplenii gruntov v dorozhnom stroitel'stve // V sbornike: Ef-fektivnye stroitel'nye kompozity Nauchno-prakticheskaya konferenciya k 85-letiyu zaslu-zhennogo deyatelya nauki RF, akademika RA-ASN, doktora tehnicheskih nauk Bazhenova Yuriya Mihaylovicha. Belgorodskiy gosudar-stvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. 2015. S. 767-770.
