Белгородская область, Россия
Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В настоящее время на железнодорожном транспорте, в связи с проведением политики ресурсосбережения, актуальным является вопрос переработки и повторного использования имеющихся строительных материалов. В связи с этим, приоритетной задачей является внедрение при строительстве и реконструкции транспортных объектов железных дорог материалов полученных из техногенного сырья. На железнодорожном транспорте одним из видов такого сырья является отход очистки щебеночного балласта. Значительные объемы данного вида от-ходов характерны для всех направлений железных дорог Российской Федерации. Основной областью применения должны стать функциональные слои земляного полотна, а значит конечный продукт должен удовлетворять ряду нормативных требований. Для установления возможности использования отхода в качестве наполнителя при производстве грунтобетона, необходимо проведение лабораторных исследований, для получения физико-механических характеристик исходного и конечного материалов. Для получения прочностных показателей на грунтобетоне с использованием неорганического вяжущего, в лабораторных условиях, требу-ется значительный промежуток времени. В представленной статье проанализирована возможность применения пропарочной камеры при исследовании грунтобетонов на основе отходов очистки щебеночного балласта в качестве компонента наполнителя. Таким образом, в статье рассматриваются сразу несколько актуальных для современного строительства вопросов. Исследование данных вопросов позволяет: 1) ускорить сроки набора прочности грунтобетона, при лабораторных испытаниях; 2) снизить стоимость производства грунтобетона; 3) утилизировать техногенное сырье, которое не используется в других отраслях; 4) освободить значительную полезную площадь, занимаемую отходами; 5) уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.
щебеночный балласт, очистка балласта, техногенное сырье, укрепление земляного полотна, грунтобетон, температурно-влажностная обработка
Введение. На сегодняшний день на железных дорогах Российской Федерации щебеночный балласт является самым распространенным видом подшпального основания. Данный вид подшпального основания под воздействием внешних факторов подвержен сильному загрязнению в процессе эксплуатации. В связи с этим, его дренирующие свойства ухудшаются и, как следствие, балласт теряет несущую способность [1, 2]. Для восстановления исходных дренирующих свойств балласт подвергают очистке. Утилизация отходов очистки, часть которых накапливается в отвалах, а другая часть сваливается вдоль дороги по ходу движения щебнеочистительной машины, является нерешенной проблемой. Значительные земельные территории заняты отходами, оказывающими пагубное воздействие на окружающую среду. Актуальной является задача по переработке и повторному применению данного материала.
Эффективно использовать отходы эксплуатации железнодорожного пути, решая при этом проблемы ресурсосбережения в строительстве и охраны окружающей среды, является неотъемлемой частью дальнейшего развития железнодорожной отрасли [3–6].
Методология. Гранулометрический состав материала определялся ситовым методом, а оптимальная влажность и максимальная плотность методом стандартного уплотнения. Для получения картины минеральных составляющих исследуемого материала был использован метод рентгенофлуоресцентного анализа элементов.
Основная часть. С целью установления возможности использования материала, полученного в результате истирания щебня гранитных горных пород в процессе эксплуатации щебеночного балласта на Белгородской дистанции пути, были отобраны пробы для проведения испытаний. Визуально они представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета с насыпной плотностью 1545 кг/м3 и модулем крупности Мк=1,13, при этом фракция 0,16 и менее является наиболее характерной. Гранулометрический состав, полученный после рассева исходного материала, приведён на рис. 1. Согласно классификации ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ технические условия» полученный материал относится к очень мелкому песку.
Результаты, полученные с помощью рентгенофлуоресцентного анализа пробы исходного техногенного сырья (рис. 2), показали, что наиболее характерными веществами, составляющими основу, являются: кремнезем (70 % от массы), глинозем, а также оксиды кальция и железа. Остальные элементы присутствуют в малых количествах.
Рис. 1. Гранулометрический состав грунта
Рис. 2. Распределения основных оксидов
Для испытываемого грунта, согласно ГОСТ 22733-2016 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности», была определена оптимальная влажность и максимальная плотность (рис. 3). Из графика видно, что оптимальная влажность составляет W= 12%, при этом максимальная плотность скелета грунта равна ρd=1,85 г/см2. Используя полученные значения оптимальной влажности и максимальной плотности, осуществлялся подбор состава для укрепления грунта минеральным неорганическим вяжущем (цемент ЦЕМ I 42,5 Н) .
Рис. 3. График зависимости плотности скелета грунта от влажности
Так как значительную стоимость укрепленного грунта составляет цемент, то оптимальным будет считаться состав, при котором с минимальным содержанием вяжущего вещества, будут достигнуты требуемые физико-механические характеристики [7–12]. В проведенных экспериментах процентное соотношение при укреплении грунта минеральным вяжущем было принято в размере 8 %. Количество цемента рассчитывалось от общей массы укрепляемого грунта.
Согласно ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства», было произведено укрепление грунта. Предварительно песок был высушен до постоянной массы, при температуре 105 °C в сушильном шкафу. Далее было произведено смешение с цементом, и одновременное увлажнение до оптимальной влажности. В формы-цилиндры размером 50,05×50,05 мм засыпалась смесь подобранного состава, далее она уплотнялась. Формование образцов производилось на прессе, в течение 3 минут под нормативной нагрузкой. После уплотнения грунта оптимального состава, полученные образцы-цилиндры взвешивались и проводился замер геометрических параметров.
ГОСТ 23558-94 предполагает твердение образцов-цилиндров в нормальных условиях (температура воздуха t=20±2 °С, влажность – не менее 95 %) в течение 28 суток. Для исследования вопроса о возможности использования пропарочной камеры для ускорения сроков набора прочности грунтобетона были проведены следующие опыты [13, 14].
Все полученные образцы после формовки были разделены на серии (табл. 1.). Первая и вторая серии полученных образцов – контрольные, они набирали прочность в нормальных условиях в течение 28 суток. Остальные серии образцов помещались в пропарочную камеру и подвергались температурно-влажностной обработке. Температура обработки составляла
t= 80 ±5 °C. Для выбора оптимального цикла обработки было решено использование двух различных вариантов 2-4-2 и 4-8-2 (набор температуры - время пропаривания – время остывания). С контрольными сериями производилось сравнение остальных серий образцов.
Таблица 1
Исследуемые серии образцов
|
Наименование |
Цикл пропаривания |
Сроки испытания, сут |
Водонасыщение |
|
1 серия |
контроль |
28 |
капилярное |
|
2 серия |
контроль |
28 |
полное |
|
3 серия |
2-4-2 |
После пропарки |
- |
|
4 серия |
4-8-2 |
После пропарки |
- |
|
5 серия |
4-8-2 |
7 |
- |
|
6 серия |
4-8-2 |
14 |
- |
После завершения температурно-влажностной обработки по первому циклу (2-4-2) на 3 серии образцов было оценено их водонасыщение (рис. 4) и определен предел прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии. После окончания пропаривания по второму циклу (4-8-2) для 4,5,6 серии образцов, аналогично первому циклу, было оценено водонасыщение (рис. 4) и предел прочности на сжатия для 6 серии. При этом 5 и 6 серии образцов были помещены в камеру с нормальными условиями твердения на 7 и 14 суток соответственно. Эта операция была проведена для получения динамики набора прочности грутнобетонных образцов после их обработки. На 7 сутки 5, а на 14 сутки 6 серия были испытаны аналогично 3 и 4 сериям. Спустя 28 суток первая серия была подвержена капилярному водонасыщению в течение 72 часов, вторая серия - полному водонасыщению в течение 48 часов (рис. 4) и проведено испытание на прочность.
Результаты испытаний показали (рис 5.), что образцы после пропарки по циклу 4-8-2 (серия 4) набирают прочность, соответствующую 100 % прочности при полном водонасыщении (серия 2), это существенно сокращает время лабораторных испытаний данного материала (примерно на 27 дней). Дальнейшего набора прочности на 7 и 14 сутки после пропарки не наблюдалось. Цикл 2-4-2 показал набор только 80 % прочности (серия 3) относительно таких же образцов в возрасте 28 суток и полном водонасыщении. При этом образцы при полном водонасыщении имеют показатель прочности ниже на 20 % образцов с капилярным водонасыщением.
Исследуемый материал показал высокие прочностные характеристики (М40), что соответствует нормативным требованиям по ГОСТ 23558-94. Из этого следует что материал является пригодным для приготовления грунтобетона, а дельнейшие его исследования являются перспективными.
Рис. 4. Водонасыщение грунтобетонных образцов в зависимости от времени и условий твердения
Рис. 5. Прочностные показатели
Выводы. В результате проведенных исследований была оценена пригодность отхода очистки щебеночного балласта для укрепления его цементом. Так же были установлены зависимости влияния температурно-влажностной обработки на динамику набора прочности грунтобетонных образцов. Основываясь на полученных данных можно утверждать следующее: 1) применение пропарочной камеры для ускорения набора прочности грунтобетона – целесообразно; 2) оптимальным является режим пропаривания по циклу 4-8-2; 3) предел прочности при сжатии серий образцов полученных после пропарочной камеры, сопоставим с образцами в возрасте 28 суток, подвергшихся полному водонасыщению; 4) при добавлении в грунтобетон стабилизатора, а также при введении в цемент добавок – требуется проведение дополнительных испытаний для установления изменения полученных зависимостей.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года». Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008г. №877р.
2. Величко Д.В., Толстикова Н.А. Анализ загрязненности щебеночного балласта // Известия Транссиба Сибирский государственный университет путей сообщения. 2016. № 3. С. 110-117.
3. Гусев Н.К. Строительство конструктивных слоев аэродромных и дорожных одежд из местных материалов // Наука и техника в дорожной отрасли. 2013. № 2 (65). С. 21-22.
4. Nakamura T. et al. Development of rail-way roadbed improvement method for existing lines by reusing deteriorated ballast // Quarterly Report of RTRI, 2014, Т. 55. №. 1. Pp. 46-50.
5. Горлов А.В. Инновационный подход к реконструкции земляного полотна // Мир транспорта. 2016. Т. 14. №. 3. С. 106--122.
6. Jian Q. Study on depth of roadbed work-ing area and its influence factor // Urban Roads Bridges & Flood Control. 2013. Т. 10. Pp. 044.
7. Kharun M., Svintsov A. P. Soil-Cement Ratio and Curing Conditions as the Factors of Soil-Concrete Strength // Key Engineering Mate-rials 2017, Vol. 730, pp. 358-363.
8. Ланис А.Л., Разуваев Д.А. Усиление грунтов земляного полотна на подходах к мо-стам и путепроводам // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 3. С. 97-104.
9. Загородных К.С., Кукина О.Б. Анализ проблемы укрепления глинистых грунтов // Научный вестник Воронежского государ-ственного архитектурно-строительного университета. Серия: Студент и наука. 2016. №. 9. С. 55-63.
10. Акимов А. Е., Траутваин А.И., Черногиль В. Б. Повышение физико-механических характеристик укрепленных грунтов при применении стабилизирующих добавок серии Чимстон / Наука и образование в современных условиях: сб. материалов международной (заочной) научно-практической конференции // Научно-издательский «Мир науки» (Нефтекамск, 15 сентября 2017 г.), Нефтекамск: Изд-во Науч-но-издательский центр "Мир науки", 2017. С. 49-55.
11. Li Z., Ma J., Yuan H. Research and practice on grouting technology with new cement-based/polymer composite // Modeling and Computation in Engineering II. 2013. Т. 201. Pp. 207-212.
12. Pereira R. S. et al. Mechanical stabilization of soils as alternative for construc-tion of low cost forest road //Nativa: Pesquisas Agrárias e Ambientais. 2017. Т. 5. №. 3. Pp. 212-217.
13. Ramezanianpour A.A., Khazali M.H., Vosoughi P. Effect of steam curing cycles on strength and durability of SCC: A case study in precast concrete // Construction and Building Materials. 2013. № 49. Pp. 807-813.
14. Hanifac A., Kimb Y., Lua Z., Park Ch. Early-age behavior of recycled aggre-gate concrete under steam curing regime // Jour-nal of Cleaner Production. 2017. № 152. Pp. 103-114.
