В данном выпуске обзорной информации обоснованы необходимость и целесообразность применения укрепленных грунтов в дорожном строительстве, а также усовершенствования существующих методов подбора, контроля и испытания песчаных и глинистых грунтов, укрепленных минеральными вяжущими. Обобщен зарубежный опыт использования укрепленных грунтов. Приведены экспериментальные данные и рекомендации по операционному контролю удобоукладываемости укрепленных грунтов, а также измененные методы их подбора и испытания. Даны технологические приемы устройства дорожных одежд из укрепленных грунтов с учетом их структурно-механических свойств.

Обзор подготовил

канд. техн. наук С.Г. Фурсов

(ОАО «Союздорнии»)

1. ВВЕДЕНИЕ

Восемьдесят лет назад в нашей стране были начаты исследования в области строительства автомобильных дорог. Уже в начальный период исследований ставилась задача по максимальному использованию различных грунтов, залегающих вдоль трассы, для устройства дорожной одежды.

В середине 20-х годов прошлого века в нашей стране сформировалась новая отрасль науки - дорожное грунтоведение. Грунтоведение - это геологическая наука по своему содержанию. Предметом ее изучения являются любые горные породы, а также почвы и искусственные грунты. Под грунтами принято понимать любые горные породы или почвы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые в качестве основания, материала или среды (при сооружении тоннелей) для возведения зданий и других инженерных сооружений, в том числе автомобильных и железных дорог и аэродромов [1, 2, 3]. Свойства грунтов предопределяются их генезисом, условиями залегания, влажностью, плотностью, химическим и минералогическим составом и другими особенностями.

Очень важной в практическом отношении и неотделимой частью грунтоведения является техническая мелиорация грунтов, которая включает широкий круг вопросов, охватывающих изучение и разработку как способов улучшения отдельных свойств грунтов путем их осушения, уплотнения и кольматации, так и методов коренного преобразования грунтов путем придания им новых, качественно иных и более высоких свойств. Изменение первоначальных свойств природных и техногенных (искусственных) дисперсных грунтов различного состава и генезиса и преобразование их в монолитный, прочный и морозоустойчивый конструктивный слой дорожной или аэродромной одежды принято называть укреплением грунтов. Такое превращение дисперсной системы в монолитную массу с заданными новыми физико-механическими свойствами достигается путем внесения оптимальных добавок вяжущих и других веществ и последовательного выполнения установленных технологических операций с обязательным использованием высокопроизводительных комплектов (отрядов) грунтосмесительных и других машин [4, 5, 6].

Укрепление грунтов - принципиально новый подход к конструированию дорожных и аэродромных одежд. При устройстве слоев основания и морозозащитного слоя проезжей части и обочин [7, 8] из укрепленных грунтов поступление влаги к материалу земляного полотна сверху через дорожную одежду практически исключается. В результате этого влажность верхней части земляного полотна всегда бывает меньше, чем при устройстве традиционных щебеночных оснований на дренирующем песчаном слое. Вследствие хорошей распределяющей способности слоев из укрепленных грунтов ровность покрытий на таких основаниях обычно лучше, чем на щебеночном или гравийном основании [9, 10].

В дорожной технической литературе и практике часто пользуются термином местные материалы. При этом всегда учитывают важную особенность и преимущество использования местных материалов в дорожном строительстве. Эти материалы не требуют дальних перевозок автомобильным транспортом и исключают надобность в перевозках таких материалов железнодорожным транспортом. Исходя из этого, к местным, а следовательно, к доступным для применения и дешевым материалам, подвергаемым укреплению вяжущими и другими материалами, следует относить как повсеместно залегающие, широко распространенные природные грунты различного состава, так и твердые обломочные отходы производства и некондиционные каменные материалы, называемые искусственными (техногенными) грунтами в соответствии с ГОСТ 25100-95.

Уже в самый ранний период исследование (1928 - 1932 гг.), проводимых в целях дорожного строительства, начали разрабатывать методы по широкому использованию разнообразных местных материалов не только для устройства земляного полотна, но и для конструктивных слоев дорожных одежд (оснований) из грунтов, укрепленных различными вяжущими. Весьма парадоксально, но разработка различных методов укрепления грунтов началась с наиболее сложного и наиболее трудного для решения вопроса - укрепления глинистых видов грунтов (тяжелых суглинков и тощих глин). Это объяснялось тем, что в районах, где нет прочных каменных материалов и их использование является дорогостоящим мероприятием, как правило, широко распространены и залегают на большой территории глинистые виды грунтов. Несмотря на большие трудности укрепления указанных видов грунтов, уже в те годы было получено положительное решение этого вопроса.

В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где применены укрепленные грунты (в основном цементогрунты) для оснований и покрытий дорожных одежд. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает в настоящее время 3 млрд. м² [11].

Актуальность использования укрепленных грунтов в настоящее время обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог, в том числе в восточной части страны, и дефицитом (высокой стоимостью) каменных материалов. Большая часть территории России лишена каменных материалов, и дорожное строительство в ее пределах базируется на применении каменных материалов, доставляемых из горных частей страны или зарубежья (Украины) на расстояние до 400 - 500 км. Значительные затраты на транспортирование материалов вызывают увеличение общей стоимости строительства автомобильных дорог. Поэтому на этих территориях для устройства дорожных одежд целесообразно применять местные материалы, укрепленные различными вяжущими.

На необходимость возобновить широкое использование незаслуженно забытого метода укрепления грунтов при строительстве дорог отмечалось на заседании круглого стола Федерального дорожного агентства, состоявшегося 17 ноября 2006 г., по вопросу: «Стабилизация грунтов при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог». С целью повышения качества дорожных работ, расширения круга применяемых технологий, продления строительного сезона решено:

1. Считать целесообразным расширить практику применения укрепления грунтов в ходе строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог.

2. Рекомендовать проведение технико-экономического сравнения вариантов дорожных конструкций с применением укрепленных грунтов при разработке проектов строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог. Особо важна проработка вариантов укрепления грунтов для регионов, характеризующихся дефицитом прочных горных пород.

Следует отметить, что для реализации принятых решений в России (во всех регионах) имеются в наличии грунты, отходы промышленности и вяжущие, которые будут рассмотрены в гл. 2 в качестве рекомендуемых для укрепления грунтов и материалов.

2. ТИПЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИХ УКРЕПЛЕНИЯ

2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ГРУНТАМ

Для устройства дорожных и аэродромных оснований и покрытий из укрепленных грунтов, приготовленных в смесительных установках, применяют осадочные несцементированные крупнообломочные и песчаные грунты, супеси всех разновидностей, а при укреплении методом смешения на дороге - и глинистые грунты с числом пластичности не более 22 по ГОСТ 25100-95.

При этом зерновой состав суглинков с числом пластичности свыше 12 и глин с числом пластичности до 22 необходимо предварительно улучшать добавками извести, золы уноса и песка из отсевов дробления карбонатных пород или природного крупнозернистого песка с доведением числа пластичности до 12.

Кроме естественных грунтов, соответствующих классификации ГОСТ 25100-95, допускается использовать техногенные грунты (в том числе материалы дробления и фрезерования дорожных одежд) и промышленные отходы в соответствии с этим стандартом. Разрешается также применять песчано-гравийные, песчано-щебеночные, песчано-гравийно-щебеночные смеси и пески, отвечающие требованиям ГОСТ 23735-79 и ГОСТ 8736-93.

Максимальный размер зерен крупнообломочных и техногенных грунтов должен быть не более 40 мм.

Содержание частиц размером более 5 мм в измельченном, подготовленном к обработке органическими вяжущими глинистом грунте не должно быть более 25 % по массе, в том числе содержание частиц размером более 10 мм - не более 10 % по массе.

2.2. ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЖУЩИМ МАТЕРИАЛАМ

2.2.1. Органические вяжущие материалы

В качестве органических вяжущих для приготовления укрепленных грунтов применяют битумы нефтяные дорожные жидкие по ГОСТ 11955-82 с вязкостью при не более 100, эмульсии битумные дорожные по ГОСТ Р 52128-2003.

Допускается использование других органических вяжущих (вспененного битума, карбамидоформальдегидных смол, битумных паст, высокосмолистой нефти и т.п.), удовлетворяющих требованиям действующих нормативных документов и обеспечивающих получение укрепленных грунтов применяют в соответствии с требованиями существующего стандарта. Для устройства несущих слоев оснований не допускается использование жидких битумов без активных добавок.

В качестве минеральных активных добавок для приготовления укрепленных грунтов применяют портландцемент и шлакопортландцемент по ГОСТ 10178-85, золы уноса по ГОСТ 25818-91, известь по ГОСТ 9179-77.

В качестве активных добавок к битуму используют поверхностно-активные вещества (ПАВ) или продукты, содержащие ПАВ и удовлетворяющие требованиям действующих нормативных документов.

2.2.2. Неорганические вяжущие материалы

Для укрепления естественных и техногенных грунтов применяют следующие основные минеральные вяжущие материалы:

- портландцемент, шлакопортландцемент по ГОСТ 10178-85, известково-шлаковый цемент, а также другие виды цементов марок не ниже 300;

- известь молотую негашеную, известь гидратную, известь гидрофобизированную 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 9179-77.

В качестве вяжущих или их компонентов используют следующие неорганические отходы и побочные продукты производства:

- гипсошлаковые и портландцементошламовые вяжущие;

- золы уноса сухого отбора по ГОСТ 25818-91;

- золошлаковые смеси гидроудаления по ГОСТ 25592-91;

- пыль уноса цементных заводов;

- нефелиновый шлам по ТУ 48-0114-19-84 и бокситовый шлам по ТУ 48-2853-30-84;

- фосфополугидрат кальция по ТУ 6-08-412-80;

- комплексные вяжущие марок по прочности в 90-суточном возрасте, определяемой по ГОСТ 3344-83, не менее 100.

Комплексное вяжущее состоит из основного компонента и активатора твердения. В качестве основного компонента следует использовать слабоактивные и активные шлаки черной металлургии и шлаки фосфорные по ГОСТ 3344-83, основные золы уноса по ГОСТ 25818-91, бокситовые и нефелиновые шламы; в качестве активаторов твердения - портландцемент, шлакопортландцемент марок по прочности не ниже 400 по ГОСТ 10178-85, известь строительную 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 9179-77, гипс строительный марок не ниже Г10 по ГОСТ 125-79, содощелочной (содосульфатный) плав с содержанием Na₂C0₃ не менее 95 % по массе и NaOH не менее 2 % по массе, жидкое стекло с кремнеземистым модулем 1,7 - 1,8 и плотностью от 1,15 до 1,25 г/см³.

Перечень отходов производства, используемых в качестве минеральных вяжущих для укрепления грунтов, постоянно пополняется по мере накопления результатов их исследований.

К числу гипсосодержащих отходов, применяемых в качестве медленнотвердеющих вяжущих, относятся и побочные продукты производства фтористого водорода - фторангидрит и ангидрито-силикатное вяжущее по ТУ 6-00-05807990-88-92 [12]. Получение фтористого водорода основывается на обработке тонкоизмельченного плавикового шпата 90 - 98 %-ной кислотой при температуре выше 200°С: CaF₂+ H₂S0₄ = 2HF + CaS0₄, Выгружаемый из печей материал содержит более 80 % CaS0₄, 0,5 - 5 % CaF₂, 1,5 % Si0₂ и другие химические соединения. Перед отправкой в отвал или хранилище этот материал нейтрализуют введением тонкоизмельченного известняка или шлака сухим либо мокрым способом.

Фторангидрит представляет собой порошкообразный материал, включающий твердые гранулометрические частицы и характеризующийся показателем рН > 9,5.

Применение фторангидрита особенно эффективно при укреплении песчано-гравийных и золошлаковых смесей. В таких смесях фторангидрит выполняет функции как вяжущего, так и гранулометрической добавки. Укрепление песчано-гравийной смеси 4 - 6 % цемента в сочетании с 30 - 40 % фторангидрита позволяет получить материал марки по прочности М20 - М40, марки по морозостойкости F15. Введение в золошлаковую смесь, укрепленную 4 - 6 % цемента, 5 - 20 % фторангидрита позволяет также получить материал марки по прочности М10 - М40, марки по морозостойкости F25. Фторангидрит из отвалов (фторгипс) в комплексе с 30 - 50 % фторангидрита является прекрасным материалом (марка по прочности М40 - М60, марка по морозостойкости F25) для устройства оснований дорожных одежд [12].

Одним из перспективных направлений применения фторангидрита является использование его в составе ангидрито-силикатного вяжущего (АСВ). АСВ производит ОАО «Галоген» (г. Пермь) посредством смешения кислого фторангидрита и самораспадающегося ферросплавного шлака. Отличительной особенностью АСВ является то, что при его использовании упрочнение материала происходит за счет образования гидросиликатов кальция, в то время как при применении фторангидрита, нейтрализованного известью, упрочнение осуществляется за счет новообразований гипса. Это обстоятельство и определяет более высокие показатели водо- и морозостойкости конгломератов на основе АСВ в сравнении с материалами, укрепленными фторангидритом, нейтрализованным известью.

3. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Разработка различных методов укрепления грунтов была начата в Советском Союзе в конце 20 - 30-х годов прошлого века. Уже с самого начала поисковые исследования имели естественно-историческую направленность (с учетом природных особенностей дорожно-климатических зон), что, безусловно, было правильно и обоснованно.

Научной основой укрепления грунтов и, особенно глинистых грунтов, было и по-прежнему остается справедливым и теперь важное положение, сформулированное М.М. Филатовым [2] и развитое В.М. Безруком [4, 5], которое заключается в следующем: при разработке любых методов укрепления грунтов в целях качественного изменения первоначальных их свойств всегда необходимо всесторонне учитывать свойства и особенности тонкодисперсной (глинисто-коллоидной) части грунта, а также емкость обмена и состав поглощающего комплекса, минералогический и химический составы и генетические признаки грунта.

При разработке новых и совершенствовании существующих методов укрепления грунтов более 60 лет руководствуются также положениями, развитыми П.А. Ребиндером в области физико-химической механики дисперсных систем [13, 14, 15, 16]. При этом учитывают важную особенность тонкодисперсных грунтов адсорбировать поверхностно-активные и другие вещества различного состава. Это позволяет регулировать и изменять в нужную сторону процессы формирования прочных пространственных структур, улучшать эффективность отдельных технологических операций путем ускорения или торможения процессов взаимодействия с вяжущими и повышать конечную прочность и другие свойства укрепленных грунтов [17, 18].

В 30 - 40-х годах XX века разрабатывались и внедрялись в практику дорожного строительства различные методы укрепления грунтов добавками органических (жидких битумов и каменноугольных дегтей) и неорганических (извести, портландцемента и др.) вяжущих материалов. С каждым годом расширялся диапазон используемых вяжущих материалов, так, дополнительно к вышеупомянутым органическим вяжущим широкое применение нашли битумные эмульсии, пасты и вспененные битумы, а ассортимент минеральных вяжущих пополнили активные золы уноса, тонкомолотые гранулированные шлаки, белитовые шламы (нефелиновые и бокситовые) и другие отходы промышленности, обладающие в большей или меньшей степени вяжущими свойствами.

По мере развития различных методов укрепления и увеличения объемов их применения формировались коллективы научных работников, плодотворно и творчески ведущих исследования в указанной области. Многие годы исследования и практическое внедрение методов укрепления грунтов велись отделом укрепления грунтов Союздорнии, в том числе в Ленинградском, Омском, Казахском и Среднеазиатском филиалах, в Гипродорнии Минавтодора РСФСР и Госдорнии Минавтодора УССР, а также на кафедрах грунтоведения МГУ, Ленинградского, Тюменского и Ростовского инженерно-строительных институтов, в Омском и Харьковском автомобильно-дорожном институтах и других научных коллективах. Большую положительную роль в обобщении накопленного практического опыта и проведенных исследований в Советском Союзе по укреплению грунтов играли периодически проводимые Всесоюзные совещания по укреплению и уплотнению грунтов.

Проблеме укрепления грунтов различными вяжущими посвящены работы Р.А. Агаповой, Б.А. Асматулаева, Б.В. Белоусова, В.М. Бескровного, А.П. Васильева, Ю.М. Васильева, Н.В. Горелышева, Э.М. Доброва, А.С. Дудкина, Р.Г. Кочетковой, Е.И. Путилина, B.C. Прокопца, П.П. Петровича, В.М. Могилевича, В.М. Ольховикова, И.А. Плотниковой, А.А. Фридман, B.C. Цветкова и многих других. Особо следует отметить большую теоретическую и практическую ценность для дорожного строительства исследовательских работ, выполненных д-ром геол.-минералог, наук, проф. В.М. Безруком и его учениками. В.М. Безрук был первым разработчиком отечественного нормативного документа на укрепленные грунты СН 25-74 «Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов».

Рис. 1. Устройство основания из укрепленного грунта, приготовленного в установке

В настоящее время основными нормативными документами Российской Федерации являются ГОСТ 23558-94 и ГОСТ 30491-97.

В 2003 г. в Союздорнии разработаны «Руководство по грунтам и материалам, укрепленным органическими вяжущими» и «Руководство по грунтам и материалам, укрепленным неорганическими вяжущими», позволяющими готовить смеси как в установке с последующим транспортированием ее к месту укладки (рис. 1), так и методом смешения на дороге (рис. 2), которые позволяют осуществлять работы в труднодоступных местах, вдали от магистральных дорог и централизованного электроснабжения.

Рис. 2. Устройство основания из укрепленного грунта методом смешения на дороге

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

При укреплении природных грунтов и отходов промышленности всегда следует учитывать и использовать дополнительные «резервы», заложенные в массе укрепленного грунта. В смеси грунта с вяжущими происходят разнообразные реакции взаимодействия с ПАВ, которые часто являются отходами промышленности и используются в целях торможения или интенсификации (ускорения во времени) процессов взаимодействия и твердения укрепленных грунтов, или они (ПАВ) оказывают большее или меньшее воздействие на другие процессы (адгезию вяжущих, размельчение грунтовых агрегатов, уплотняемость смеси и др.). Поэтому важно помнить, что укрепление грунтов представляет собой весьма сложный процесс, идущий во времени и включающий в себя разнообразное взаимодействие длительно (постоянно) и временно действующих факторов.

Постоянно действующими факторами являются минералогический и химический составы укрепляемых грунтов и применяемых для этих целей вяжущих материалов, ПАВ и других веществ. Степень раздробленности (дисперсности), т.е. гранулометрический состав грунта, твердых порошкообразных вяжущих и вносимых в грунт добавок (зол уноса, шлаков и др.), также играет важную роль [19].

Временно действующими факторами являются все технологические операции, выполняемые при обработке грунтов, укладке и уплотнении готовой смеси, а также способы ухода за уплотненным слоем укрепленного грунта.

Основными технологическими операциями являются: размельчение глинистых грунтов, точное дозирование вяжущих и других веществ, перемешивание грунта и вяжущих до однородной смеси, увлажнение смеси до требуемой оптимальной влажности, уплотнение готовой смеси до максимальной плотности, уход за уплотненным слоем из укрепленного грунта.

Технологические операции всегда должны выполняться в строго установленном порядке. Они относительно кратковременны и должны быть закончены до начала изменения свойств грунта и формирования заданной пространственной структуры под влиянием постоянно действующих факторов, качественно преобразующих укрепленный грунт в прочный и монолитный слой дорожной одежды. Следует отметить, что отдельные технологические операции при плохом или несвоевременном их выполнении значительно снижают воздействие на грунт постоянно действующих факторов и в первую очередь вяжущих материалов и активных или поверхностно-активных добавок.

Хотя перечисленные выше технологические операции осуществляют в относительно небольшой промежуток времени, а часто некоторые технологические операции выполняются почти одновременно (в грунтосмесительных установках), их последующее влияние на прочность укрепленного грунта является весьма большим и по воздействию своему приближается к постоянно действующим факторам.

Предварительное размельчение глинистых грунтов (супесей, и особенно суглинков и глин) имеет весьма важное значение. Исследованиями Е.И. Путилина [19] установлено, что с увеличением размера грунтовых агрегатов (комков) и их количественного содержания прочность грунта, укрепленного вяжущими материалами, резко снижается. Морозостойкость укрепленных грунтов при содержании агрегатов (комков) размером более 5 мм в количестве свыше 15 - 20 % также значительно уменьшается. Механическое размельчение глинистых грунтов до размеров агрегатов менее 5 мм представляет большие трудности, особенно сухих грунтов. Введение небольшого количества добавок ПАВ определенного состава улучшает этот процесс. При этом затраты механической энергии на размельчение грунта до требуемой степени существенно уменьшаются.

Следует также отметить то важное обстоятельство, что технологические операции, указанные ранее, взаимосвязаны, дополняют друг друга и незаменимы одна другой. Например, неточное дозирование и неравномерное распределение вяжущих в смеси или же недостаточное уплотнение готового слоя укрепленного грунта значительно снижает эффективность действия вяжущих материалов и других веществ. Только строгое соблюдение технологических операций, завершающихся уплотнением готовой смеси до максимальной плотности при оптимальной влажности с высоким качеством работ, обеспечивает требуемую прочность и другие свойства укрепленного грунта. Лишь при таких условиях и наличии строгой производственной дисциплины полностью могут быть реализованы большие технико-экономические преимущества применения укрепленных грунтов.

Технологические операции всегда предшествуют действию вяжущих веществ, которые твердеют во времени в готовом, уплотненном слое укрепленного грунта. В конечном итоге грубодисперсные или тонкодисперсные грунты утрачивают свою раздробленность (дискретность). В массе грунта формируется пространственная структура соответствующего типа в зависимости от свойств вяжущего материала. Грунт приобретает новые качества и преобразуется в прочный монолит, свойства которого (прочность, морозостойкость и др.) отвечают установленным требованиям.

Большое разнообразие вяжущих и других веществ, применяемых для укрепления грунтов в широком диапазоне их гранулометрического, минералогического и химического составов, а также генезиса, требует тщательного и внимательного подхода при их выборе.

При укреплении грунтов протекают во времени сложные и взаимосвязанные взаимодействия, которые в обобщенном виде можно рассматривать как следующие процессы:

- химические - гидратация частиц цемента, извести и других минеральных вяжущих, твердеющих во времени продуктов гидролиза и гидратации, а также их новообразований, возникающих при взаимодействии с частицами природных или искусственных грунтов и особенно с тонкодисперсной их частью;

- полимеризация и поликонденсация синтетических веществ (например, карбамидных смол), химическое взаимодействие с образованием водостойких соединений с различными активными реагентами;

- физико-химические - обменное поглощение катионов, являющихся продуктом гидратации цемента (Са²⁺), тонкодисперсной частью грунта или поглощение других катионо- или анионактивных веществ; при этом может иметь место молекулярная сорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, а также необратимая коагуляция глинистых и коллоидных частиц, их микроагрегирование и прочное цементирование;

- физические и механические - предварительное тонкое размельчение грунтовых агрегатов в случае укрепления глинистых грунтов, точное дозирование вяжущих и других веществ, равномерное их объединение с частицами или микроагрегатами, оптимальное увлажнение и максимальное уплотнение смеси с последующим обеспечением требуемого режима твердения уплотненного слоя.

Перечисленные разнообразные и сложные процессы направлены на превращение дискретного грунта в прочный монолитный слой и всегда находятся в тесной взаимосвязи.

Исходя из научных положений, развитых академиком П.А. Ребиндером и его учениками в области физико-химической механики дисперсных тел, принято различать три типа пространственных моноструктур: кристаллизационные, конденсационные и коагуляционные.

Кристаллизационные структуры возникают в результате сращивания кристалликов новой твердой фазы, возникающей из пересыщенного раствора, например, при гидратационном твердении минеральных вяжущих материалов [20, 21]. Характерной особенностью этих структур является то, что они в течение короткого времени (до начала схватывания гидратационных зерен цемента) развиваются на основе коагуляционных структур путем выкристаллизовывания из растворов вновь образовавшихся гидратов, срастающихся в прочный монолит в процессе своего роста и упрочнения с увеличением времени их твердения. Кристаллизационные структуры являются наиболее прочными и морозостойкими по сравнению с другими типами структур. Они образуются при укреплении различных типов грунтов портландцементом и другими видами цемента, а также при добавлении извести, известково-шлакового цемента, тонкомолотых шлаков, белитовых шламов и активных зол уноса.

Конденсационные структуры характеризуются тем, что они возникают при действии наибольших сил сцепления - химических. Такие структуры отличаются высокой механической прочностью, хрупкостью и характеризуются полным отсутствием тиксотропных свойств, характерных для коагуляционных структур. Конденсационные структуры образуются при укреплении грунтов синтетическими смолами типа карбамидных, фурфуроланилиновых и др.

Коагуляционные структуры характеризуются тем, что частицы дисперсной фазы образуют беспорядочную пространственную сетку. Возникновение отдельных коагуляционных связей (контактов сцепления), происходящих под влиянием относительно слабых вандерваальсовых сил, осуществляется через тонкую прослойку жидкой фазы - дисперсионной среды. Это определяет особенности и свойства пространственных структур такого типа. Коагуляционные структуры формируются при укреплении грунтов добавками органических вяжущих веществ.

В процессе разработки различных методов укрепления грунтов они совершенствовались и при этом находились эффективные новые решения по весьма существенному улучшению структурно-механических свойств укрепленных грунтов.

Было установлено и подтверждено многолетними наблюдениями в производственных условиях, что при укреплении грунтов двумя вяжущими материалами, характеризующимися весьма различными, но не антагонистическими свойствами и различной структурой (например, кристаллизационной, свойственной цементам, и коагуляционной, свойственной битумам), они приобретают повышенные сдвигоустойчивость, морозо-, температуростойкость и при необходимости могут быть менее жесткими и деформативными материалами.

Методы, сочетающие при укреплении грунтов внесение добавок двух вяжущих веществ или одного вяжущего и поверхностно-активного или активного вещества гидрофобного типа, получили название комплексных методов. В процессе изучения преимуществ, заложенных в комплексных методах укрепления, было установлено, что при этом формируются ранее неизвестные типы сложных пространственных структур совмещенного типа.

Характерной особенностью сложных совмещенных структур является то, что при правильном технологическом процессе в микрообъемах укрепленного грунта формируются два типа пространственных бинарных структур, характеризующихся разными свойствами, взаимно дополняющими друг друга и компенсирующими недостатки (как дорожно-строительного материала) каждой из моноструктур. Бинарные (совмещенные) структуры - взаимопроникающие структуры, и в микрообъемах они прерывистые, сменяют друг друга в небольших объемах укрепленного грунта.

В результате разработки и подробного изучения положительных особенностей комплексных методов укрепления грунтов возникла целесообразность в выделении, помимо трех основных типов пространственных моноструктур (кристаллизационной, конденсационной и коагуляционной), также типов сложных бинарных пространственных структур. Такими бинарными структурами являются коагуляционно-кристаллизационная, конденсационно-кристаллизационная, кристаллизационно-коагуляционная, конденсационно-коагуляционная, коагуляционно-конденсационная. В перечисленных бинарных структурах вначале указывается та структура, которая занимает в укрепленном грунте меньший объем, а затем приводится превалирующая структура.

Изменяя величину и соотношение добавок вяжущих и других веществ, можно направленно изменять в нужную сторону механические и физические свойства укрепленных грунтов в зависимости от области их применения [22, 23].

В последнее время, помимо традиционно используемых органических и минеральных вяжущих для укрепления грунтов, широко рекламируются, а в отдельных регионах России используются отечественные и зарубежные стабилизаторы грунтов. Все стабилизаторы по составу и природе взаимодействия с грунтами объединены в два класса.

К первому классу используемых стабилизаторов следует отнести ионные закрепители глинистых грунтов. Среди стабилизаторов зарубежного и отечественного производства можно выделить Perгmа-Zyme, Roadbond, Gonsolid, Roadpaker Plus, T-RRP, RRP-235-Special, «Статус», «Статус-2», «Дорзин» и другие, примененные при обработке глинистых грунтов на территории России (рис.3, 4).

Рис. 3. Распределение раствора стабилизатора Roadpaker Plus

Рис. 4. Обработка грунта стабилизатором T-RRP навесной фрезой (аэропорт Шереметьево, 2006 г.)

Вышеперечисленные стабилизаторы являются многокомпонентными системами на кислотной основе и представляют собой мощные ионизирующие вещества, которые после введения их в грунт посредством водного раствора вызывают активный физико-химический процесс поляризации молекул глинистого грунта, при этом ионизированная вода интенсивно обменивается электрическими зарядами с мелкими частичками грунта. Стабилизаторы содержат органические ПАВ, увеличивающие пластичность обрабатываемого грунта и его уплотняемость [24, 25].

Результаты ранее проведенных исследований и опытных работ с использованием стабилизаторов позволили сделать следующие выводы:

- внесение стабилизатора снижает величину оптимальной влажности грунта и способствует повышению плотности слоя на 5 - 10 %;

- использование стабилизатора позволяет увеличить прочность и модуль упругости связных грунтов (рис. 5);

- капиллярное водонасыщение грунта, обработанного стабилизатором, уменьшается в 1,3 - 2,5 раза по сравнению с грунтом без стабилизатора (табл. 1).

Рис. 5. Зависимость прочности грунтов от наличия добавки стабилизатора:

- без стабилизатора; - со стабилизатором

Таблица 1

Физико-механические показатели для суглинка легкого пылеватого (число пластичности - 11,3), обработанного стабилизатором RRP-235-Special

Наименование показателя	Величина показателя для суглинка
	без стабилизатора	со стабилизатором концентрации, г/м³
	без стабилизатора	90	180
Плотность скелета грунта, г/см³	1,84	1,88	1,92
Водонасыщение (капиллярное), % по объему	4,20	4,09	0,56
Набухание, % по объему	2,38	0	0
Предел прочности при сжатии, кг/см²:
- неводонасыщенных образцов	8,80	11	19,95
- капиллярно-водонасыщенных образцов	3,60	3,90	4,10
Удельное сцепление, кг/см²	0,42	0,44	0,45
Угол внутреннего трения, град	24	25	25
Предел прочности при расколе, кг/см²	2,42	2,92	3,71
Модуль упругости, кг/см²	-	-	1790

Стабилизаторы нельзя рассматривать как минеральные или органические вяжущие вещества, создающие прочные кристаллизационные и коагуляционные связи в укрепленном грунте. Структурные связи в грунте, обработанном стабилизатором, формируются глинистыми частицами, которые менее устойчивы при водонасыщении в сравнении с кристаллизационными и коагуляционными связями. Однако технологию укрепления грунтов стабилизаторами нельзя игнорировать, она может найти применение при устройстве рабочего слоя земляного полотна, а также оснований и покрытий на низших категориях дорог при условии устройства защитных водонепроницаемых прослоек и покрытий. Для расширения области использования стабилизатора в дорожном строительстве рекомендуется дополнительно к стабилизатору применять добавки минеральных вяжущих веществ: цемента, извести, золы уноса и др. В этом случае стабилизатор способствует повышению плотности и прочности укрепленного грунта, а также снижению расхода минерального вяжущего (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость прочности укрепленных грунтов от наличия стабилизатора: 1 - суглинок + 14 % цемента, 2 - то же, + 10 % цемента + стабилизатор; 3 - супесь + 12 % цемента; 4 - то же, +10 % цемента + стабилизатор; - без стабилизатора; - со стабилизатором

Второй класс стабилизаторов, предназначенный в основном для песчаных грунтов, представляет собой полимерные эмульсии типа эмульсии акрилового винилацетатного сополимера (М₁₀₊₅₀). Эффект стабилизации грунтов такими стабилизаторами обусловлен распадом эмульсии (испарением воды) и отверждением полимера. В табл. 2 приведены результаты испытаний песка мелкого пылеватого (100 % по массе), обработанного стабилизатором в количестве 0,3 % по массе (при концентрации полимера в эмульсии 47 %), в возрасте 28 сут. (хранение образцов при температуре 20°С и влажности 50 %).

Таблица 2

Показатели физико-механических свойств песка, укрепленного стабилизатором М₁₀₊₅₀

Наименование показателя	Величина показателя для смеси	Требования ГОСТ 23558-94
Предел прочности при сжатии, кг/см²	39,0	≥ 10
Морозостойкость	F15	≥ 5

Расход стабилизатора обусловлен пористостью грунта: чем выше плотность минерального остова, тем меньше требуется эмульсии.

Время распада эмульсии и отверждения полимера зависит от температуры и влажности воздуха, а также от содержания тонкодисперсных частиц грунта, активно отбирающих воду из эмульсии. Наиболее эффективно использование стабилизаторов второго класса в регионах с жарким и сухим климатом, где в большей степени гарантирован распад эмульсии с последующим отверждением полимера.

Рис. 7. Распределение полимерной эмульсии М₁₀₊₅₀ (г. Орехово-Зуево, 2006 г.)

Рис. 8. Основание из грунта, укрепленного полимерной эмульсией М₁₀₊₅₀

Полимерные эмульсии эффективны и с добавками минеральных вяжущих, однако в этом случае важно обеспечить не только распад эмульсии, но и процессы гидролиза и гидратации цемента с последующим оптимальным режимом твердения.

Технология укрепления грунтов полимерными эмульсиями в сравнении с традиционно используемыми вяжущими не требует дополнительного оборудования и основывается на введении водного раствора стабилизатора в количестве, необходимом для обеспечения оптимальной влажности укрепляемого грунта (рис. 7), с последующим перемешиванием, разравниванием и уплотнением материала (рис. 8).

5. ПРОБЛЕМЫ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ СУЩЕСТВУЮЩИМИ МЕТОДАМИ И МАШИНАМИ

Как уже отмечалось, надлежащие свойства укрепленных грунтов гарантирует не только правильный подбор состава, а также соблюдение технологических операций при их приготовлении, уплотнении и уходе. Важное значение при укреплении грунтов В.М. Безрук отводил используемым машинам и механизмам. В частности, он писал [1], что эффективное использование различных методов укрепления грунтов в дорожном и аэродромном строительстве принципиально несовместимо с применением устаревших и малопроизводительных средств механизации при производстве работ и отсутствии технически подготовленного персонала по укреплению грунтов. Только при правильном подходе и всестороннем учете всех особенностей укрепляемых грунтов и отходов промышленности и применяемых для укрепления вяжущих и других веществ, обязательном использовании высокопроизводительных комплектов машин, обеспечивающих высокое качество выполнения всего комплекса технологических операций при производстве работ, а также строгом соблюдении производственной и трудовой дисциплины, можно в полной мере реализовать все большие технико-экономические преимущества, заложенные в применении методов укрепления грунтов [26, 27, 28, 29].

К сожалению, в отсутствии надлежащей техники строительство большинства конструктивных слоев дорожных одежд осуществляют с применением примитивных методов приготовления и укладки укрепленных грунтов. Дозирование минеральных вяжущих вручную (рис. 9) или с помощью распределителей цемента и перемешивание грунта с вяжущим сельскохозяйственной техникой (рис. 10) или автогрейдером (рис. 11) не обеспечивают надлежащих степени однородности смеси и коэффициента вариации физико-механических показателей укрепленных грунтов.

Рис. 9. Распределение (дозирование) цемента вручную (складская площадка, г. Бронницы Московской области, 2004 г.)

Рис. 10. Обработка грунта цементом с помощью сельскохозяйственной техники (Иркутская область, 2004 г.)

По данным А.В. Линцера [17], степень однородности укрепленных грунтов, приготовленных такими методами, составляет в отдельных случаях 50 % и более. Это обстоятельство обусловило снижение использования укрепленных грунтов, особенно при возрастающих требованиях к дорожно-строительным материалам для конструктивных слоев дорожных одежд.

Рис. 11. Перемешивание грунта с вяжущим автогрейдером (Иркутская область, 2004 г.)

В последнее время в большинстве регионов России появились современные машины и механизмы, в основном зарубежного производства, позволяющие более точно дозировать вяжущие и добавки, а также качественнее перемешивать и укладывать укрепленные грунты (рис. 12, 13).

Рис. 12. Укладка укрепленного грунта профилировщиком (обход г. Коломны, 2004 г.)

Рис. 13. Укладка пескоцементной смеси с помощью асфальтоукладчика (МКАД - Кашира, 2000 г.)

Развитие уровня дорожной техники, к сожалению, не в России, а за рубежом, способствовало созданию в последние годы таких машин, как ресайклеры и стабилизеры, обладающих большой универсальностью и реализующих практически любую технологию устройства укрепленного основания.

Ресайклеры выпускают несколько известных зарубежных фирм, таких как Wirtgen, Caterpillar. Terex («CMJ»), Roadtec и др. Отечественные дорожники в основном используют ресайклеры модели WR 2500 фирмы Wirtgen, как наиболее универсальные машины с хорошо отработанной конструкцией. Последняя модель ресайклера оснащена встроенным бункером для цемента вместимостью 4 м³, что позволяет распределять цемент непосредственно перед смесительной камерой и избежать его потерь по сравнению с технологией, когда цемент распределяется отдельным распределителем.

Ресайклер снабжен дозаторами воды, эмульсии и цемента или цементно-водной суспензии, что позволяет укреплять грунты одним вяжущим или комплексными. С точки зрения охраны окружающей среды (повышения точности дозирования и качества укрепленного материала) важным является дозирование цементно-водной суспензии, приготовленной в мобильной установке WM-1000, которая может быть сцеплена с ресайклером. При этом полностью отпадает операция распределения цемента и воды, что позволяет продолжать работы при самых неблагоприятных погодных условиях.

Дополнительно к традиционно используемым органическим вяжущим - жидким битумам и эмульсиям - ресайклеры позволяют применять вязкие битумы во вспененном состоянии. При этом снижается стоимость укрепленного материала в сравнении с использованием эмульсий, которые сложно подобрать под укрепляемый грунт.

Ресайклеры и стабилизеры позволяют не только повысить качество укрепленных грунтов, ной расширить область используемых грунтов, в том числе глинистых и переувлажненных (рис. 14). Введение осушающих добавок в переувлажненные грунты и возможность таких машин обрабатывать их позволяет осушить материал и повысить его прочность (табл. 3).

Ресайклеры также способны фрезеровать старые дорожные одежды (в том числе с захватом дискретных материалов нижележащих слоев) и укреплять материалы фрезерования органическими, неорганическими и комплексными вяжущими (табл. 4).

Рис. 14. Укрепление переувлажненного грунта стабилизером (аэропорт Домодедово, 2004 г.)

Таблица 3

Влияние осушающих добавок на прочность переувлажненных грунтов

Тип грунта	Оптимальная влажность, %	Естественная влажность грунта	Вид и количество добавки	Предел прочности при сжатии, кг/см²
Супесь	10,6	-	-	1,1
Супесь		16,0	Цемент - 4 %	14,8
Супесь		16,0	Гашеная известь - 7 %	18,2
Супесь		16,0	Негашеная известь - 4 %	12,0
Суглинок	14,8	-	-	9,7
Суглинок		22,0	Цемент-2 %	10,8
Суглинок		22,0	Гашеная известь - 8 %	18,2
Суглинок		22,0	Негашеная известь - 4 %	10,8

Таблица 4

Физико-механические показатели укрепленных фрезерованием материалов

Состав смеси, %							Показатели физико-механических свойств
Гранулят	Гравий (щебень)	Суглинок	Цемент	Битумная эмульсия	Вода	АСВ	Водонасы-щение, % по объему	Предел прочности при температуре 50°С, МПа	Предел прочности в водонасыщенном состоянии, МПа	Морозостойкость
АГ100	-	-	-	-	8	-	8,0	1,4	1,3	25
АГ100	-	-	-	3	2	-	6,0	0,9	1,4	25
-	100	-	10	8	3	-	4,0	3,0	3,2	25
-	100	-	-	5	2	-	-	-	0,2	-
-	100	-	10	-	10	-	5,0	1,9	5,9	15
АГ75	-	25		-	9,6	-	4,3	-	0,8	4
АГ75	-	25	4	-	10	-	2,4	-	3,4	15
ЦГ 70	-	-		-	10	30	2,2	-	5,3	25
ЦГ 100	-	-	4	-	10	-	7,4	-	2,3	15
Требования ГОСТ 23558-94 ГОСТ 30491-97							<10	≥0,6	≥1,0 ≥ 1,4	≥ 5 -

Примечания: 1. АСВ - ангидрито-силикатное вяжущее.

2. АГ и ЦГ - соответственно асфальтобетонный и цементобетонный гранулят.

Материалы фрезерования старых дорожных одежд являются не только техногенным грунтом, к которому применимы все методы укрепления, кроме того, они могут выполнять роль гранулометрической добавки при укреплении естественных грунтов и отходов производства. В материалах фрезерования, как правило, содержится органическое вяжущее, которое улучшает не только свойства обработанного ранее каменного материала, но и может изменить моноструктуру укрепленного грунта. Метод холодной регенерации старых дорожных одежд с использованием высокопроизводительных ресайклеров (рис. 15) - новое направление в области укрепления грунтов, в частности техногенных. Для эффективности данного метода необходимы специальные технологические приемы укрепления.

Рис. 15. Устройство основания методом холодного ресайклинга (Рязанское шоссе)

Заслуживает внимания оборудование для укрепления грунтов под торговой маркой ALLU, разработанное финской компанией IDEACHIP OV, в России уже закуплены такие установки по стабилизации грунтов. Оборудование ALLU системы стабилизации позволяет укреплять грунты на глубину до 5 м, при этом наличие переносного (сменного) рабочего органа на базе экскаватора позволяет двигаться установке по укрепленной полосе, обрабатывая грунты в зоне досягаемости экскаватора (рис. 16). Это обстоятельство важно при укреплении переувлажненных грунтов или узких обочин, откосов, где движение традиционных машин по укреплению грунтов затруднено. Оборудование ALLU, перемещаясь по существующему покрытию дорожной одежды, способно выполнить работы и по укреплению откосов выемок.

Рис. 16. Система стабилизации грунтов оборудованием ALLU

Простота технологии укрепления грунтов, многообразие вяжущих и технологических приемов, более низкая стоимость строительства в сравнении с использованием каменных материалов, а зачастую единственная возможность устройства дорожных одежд в регионе из монолитных конгломератов постоянно заставляют дорожников обращать внимание на эту технологию и предлагаемые новые методы укрепления грунтов.

Однако приготовление и укладка укрепленных грунтов современными машинами и использование новых технологий выявили несовершенство методов подбора и испытания укрепленных грунтов, а также предъявляемых к ним требований, что отражается на качестве получаемых материалов и отрицательно сказывается на популяризации методов укрепления грунтов.

Так, несовершенство (отсутствие) метода контроля удобоукладываемости укрепленных грунтов не позволяет своевременно назначать тип катка по линейной нагрузке. При выходе тяжелого катка на уложенный слой укрепленного грунта он «тонет» в материале с высокой подвижностью, нарушая ровность слоя (рис. 17). При уплотнении «сухой» (не соответствующей требуемой подвижности) смеси не обеспечиваются надлежащая плотность и прочность укрепленного грунта (рис. 18).

Рис. 17. Несоответствие типа катка по линейной нагрузке удобоукладываемости (подвижности) укрепленного грунта

Рис. 18. Керн, отобранный из недоуплотненного слоя крупнообломочного грунта, укрепленного цементом

Это обстоятельство зачастую вызывает необходимость отказаться от уплотнения конструктивного слоя дорожной одежды (рис. 19), компенсировав снижение прочностных показателей неуплотненного материала повышением проектной прочности укрепленного грунта. Такой подход (недоуплотнение укрепленного грунта) не всегда гарантирует обеспечение требуемой морозоустойчивости конструктивного слоя, снижая срок его службы.

Рис. 19. Слой основания из пескоцементной смеси, не уплотненный катками

Методы подбора и испытания укрепленных грунтов позаимствованы частично из методов испытания грунтов и цементобетонов без учета их структурно-механических свойств, что также отражается на достоверности получаемых результатов. Так, отсутствие показателя прочности при сжатии неводонасыщенных образцов из грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, не позволяет проследить набор прочности во времени (по показателю прочности водонасыщенных образцов оценивать марку укрепленного грунта в промежуточные сроки по отношению к проектной некорректно) и определить время открытия движения по уложенному слою. Кроме того, этот показатель важен для оценки работоспособности слоя дорожной одежды из укрепленного грунта без доступа воды, в том числе капиллярного (при обеспечении гидроизоляции). В отдельных случаях экономически целесообразно использование неводостойких (неморозостойких) укрепленных грунтов в конструктивных слоях дорожных одежд с их гидроизоляцией. Метод стандартного уплотнения (ударная нагрузка), используемый в настоящее время при подборе составов и формовании образцов, требует для достижения их максимальной плотности высокого содержания воды (оптимальной влажности), что отрицательно сказывается на морозостойкости укрепленных грунтов. Существующий метод определения морозостойкости не учитывает особенности структурно-механических свойств укрепленных грунтов (наличие глинистых агрегатов), в результате чего морозостойкость глинистых грунтов, укрепленных цементом, ошибочно может быть принята выше морозостойкости пескоцемента. Стандарты на грунты, укрепленные органическими и неорганическими вяжущими, рекомендуют определять их морозостойкость как отношение прочности контрольных (подвергнутых определенному числу циклов замораживания-оттаивания) образцов к прочности базовых (водонасыщенных) образцов. При допустимой теми же стандартами водостойкости укрепленных грунтов не менее 0,6 (т.е. снижение прочности в водонасыщенном состоянии на 40 %) нормируемая морозостойкость (по существующему методу оценки) составляет всего лишь 0,36 - 0,42, что не гарантирует им надлежащую работоспособность в конструктивных слоях дорожных одежд.

При подборе состава укрепленного грунта не учитывается однородность смесей (коэффициент вариации показателей), которая обеспечивается за счет применения машин и механизмов. В связи с чем при расходе цемента, гарантирующего лабораторным подбором надлежащие показатели укрепленного грунта, на практике при использовании, например, автогрейдера или бороны этого содержания цемента будет достаточно лишь для достижения 50 - 80 % прочности (в зависимости от типа грунта) от проектной [30].

К сожалению, несмотря на множество работ, посвященных вопросам укрепления грунтов, проблемам совершенствования методов подбора, контроля укрепленных грунтов и требований к ним должного внимания со стороны исследователей не уделено.

В большей степени исследована зависимость прочности и морозостойкости от степени уплотнения. В.Н. Никитиным [31, 32, 33], В.Б. Пермяковым [34], B.C. Цветковым [35, 36] показано, что с повышением плотности возрастает прочность и морозостойкость укрепленных грунтов. При этом при изменении значений коэффициента уплотнения от 0,9 до 1,0 между коэффициентом уплотнения и пределом прочности при сжатии цементогрунта существует приближенная прямолинейная зависимость, которую можно описать уравнением

R_K = 6,6R_CT(К_У - 0,85)

(1)

где R_K - предел прочности при сжатии при уплотнении, равном К_У;

R_ct - предел прочности при сжатии, полученный в лабораторных условиях при К_У =1,0;

К_У - коэффициент уплотнения (0,90 ≤ К_У ≤ 1,0). С.Г. Фурсовым [37] предложено дифференцировать требования к коэффициенту уплотнения в зависимости от типа укрепляемого грунта и местоположения в конструктивном слое аналогично назначаемому количеству циклов замораживания-оттаивания. Было показано, что для глинистых грунтов, укрепленных цементом, коэффициент уплотнения должен быть не ниже 0,99.

Резкое снижение прочности и морозостойкости укрепленных грунтов при недоуплотнении (коэффициенте уплотнения ниже 0,98) обусловливает необходимость не только операционного контроля плотности при уплотнении конструктивного слоя, но и повышения плотности лабораторных образцов. Повышение плотности лабораторных образцов при помощи комбинированного метода уплотнения исследовано Н.Н. Глуховцевым [38]. Им предложено уплотнять лабораторные образцы вибрированием с последующим доуплотнением статической нагрузкой, к сожалению, исследования проведены лишь при оптимальной влажности укрепленных грунтов, определенной по методу стандартного уплотнения. Для достижения высокой степени уплотнения укрепленных грунтов вибрированием, как показано в работе А.В. Линцера [17], требуется повышенное содержание цементного теста или воды, что в последнем случае отрицательно сказывается на морозостойкости материала.

Удобоукладываемость цементогрунтовых смесей и переход от индукционного периода (характеризующегося преобладанием коагуляционной структуры) к периоду упрочнения структуры (характеризующегося интенсивным кристаллообразованием) оценены В.Б. Пермяковым [34] пластической прочностью с помощью конического пластометра П.А. Ребиндера.

Ю.М. Васильевым [39], В.М. Могилевичем [40] показано, что абсолютные значения усадки цементогрунта зависят от ряда причин. Основными из них являются начальная влажность цементогрунтовой смеси и интенсивность испарения влаги из твердеющего материала. Усадка цементогрунта тем больше, чем больше его начальная влажность и чем быстрее происходит его высыхание, кроме того, у несвязных грунтов, укрепленных цементом, усадка возрастает с увеличением содержания цемента, для глинистых грунтов избыточное количество цемента не отражается на величине деформации усадки. Это обстоятельство также указывает на необходимость снижения оптимальной влажности цементогрунтов.

В.М. Могилевич [40], исследуя свойства цементогрунтов, приготовленных различными механизмами, пришел к выводу о том, что их прочность составляет 10 - 70 % от значений прочности лабораторных образцов и зависит от вида применяемых грунтов, используемого оборудования и технологии производства работ. Кроме того, им предложено нормировать показатели прочности материала, уложенного в дорожную одежду, а не лабораторных образцов; целесообразно ввести дифференцированные поправочные коэффициенты к прочности лабораторных образцов цементогрунта в зависимости от типа грунтосмесительных машин, применяемых для обработки грунта. В.С. Цветков [35] также, анализируя разброс показателей прочности цементогрунтов в зависимости от типа используемого смесителя, показал, что коэффициент вариации составляет от 28 до 40 %. При этом коэффициент вариации распределения цемента в смеси в зависимости от влажности обрабатываемого грунта составил от 5 до 58 %. В.А. Кузнецов [41] помимо максимального разброса 30 - 35 % производственных образцов (с ведущей машиной Д-530) отмечал и о разбросе лабораторных показателей в пределах 11 %.

В.Д. Ставицкий [42], изучая влияние скорости движения катка на прочность цементогрунта, пришел к выводу, что на прочность цементогрунта оказывает влияние скорость не вообще, а лишь в конце процесса уплотнения, т.е. при последних проходах катка. При пониженной скорости движения разрушение прочных структурных связей будет минимальным, а моноагрегатность структуры - максимальной. Именно по этой причине важно закончить процесс уплотнения при пониженной скорости движения и таким образом обеспечить максимальное упрочнение структуры укрепленного грунта. Снизить расслаивание смеси при уплотнении можно за счет использования катков на пневмошинах [43].

Большое внимание в исследованиях уделялось уходу за конструктивными слоями из укрепленных грунтов, так, Ю.М. Васильев [39, 44] отмечал, что для поддержания благоприятных влажностных условий (90 - 95 %) необходимо поливать защитный слой из песка не менее 24 - 28 сут.

Таким образом, в ходе исследований цементогрунтов многими авторами [45, 46, 47, 48, 49] отмечалась их особенность и необходимость более внимательного отношения к некоторым показателям и технологическим операциям, предлагались изменения к требованиям на цементогрунты. Многие показатели цементогрунтов и особенности технологии их приготовления, укладки и уплотнения в значительной степени определяют работоспособность материала в конструктивных слоях дорожных одежд, что указывает на необходимость глубоких исследований в области совершенствования требований к укрепленным грунтам, методам подбора и испытания с последующим изменением технических условий и методов испытаний существующих нормативных документов.

6. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫМИ ВЯЖУЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ

В отличие от грунтов, используемых для устройства земляного полотна, грунты, подлежащие укреплению, предварительно (или в процессе перемешивания) подвергаются размельчению, в связи с чем их структура отличается размером и содержанием агрегатов, которые по-разному ведут себя при увлажнении и уплотнении. Под структурой грунтов понимают особенности их строения, обусловленные размерами, формой и взаимным расположением составных элементов, а также характером их поверхности, пустот и связей между ними. Элементами, составляющими естественный грунт, являются как отдельные частицы, так и объединения их в грунтовые агрегаты. В структурах несвязных грунтов преобладают отдельные не связанные между собой частицы, а в структурах связных грунтов - грунтовые агрегаты.

Свойства грунтов как дисперсных систем зависят не только от гранулометрического и минералогического составов, но также и от количества и размеров грунтовых агрегатов, в которых грунтовые частицы более или менее прочно связаны между собой. Грунтовые агрегаты в зависимости от размеров делят на две группы: микроагрегаты (с диаметром менее 0,25 мм) и макроагрегаты (с диаметром более 0,25 мм).

Согласно существующим взглядам, механизм образования агрегатов можно представить следующим образом. В результате наличия свободной поверхностной энергии происходит слипание коллоидных частиц и образование первичных агрегатов, которые могут сохранять остаточный заряд, и, в случае разноименной зарядки, образовывать новые агрегаты. Кроме того, в массу слипшихся частиц могут механически захватываться частицы пыли. На второй стадии формирования агрегатов происходит их упрочнение путем склеивания частиц клеящими веществами: гидратами полуторных окислов, силикагелем, иногда солями, а также органическими и неорганическими соединениями. Все эти вещества заполняют поры между частицами или сорбируются на поверхности смежных частиц. Такого рода пленки (гели) существенно влияют на свойства грунта, снижая влияние его минерального состава. Микроагрегаты обычно состоят из грунтовых частиц. Макроагрегаты, как правило, представляют собой объединение микроагрегатов и имеют размеры, превышающие как минимум вдвое диаметры последних (рис. 20).

Рис. 20. Структура глинистого грунта до уплотнения

Исследования [9] прочности и вязкости макроагрегатов в зависимости от их размеров позволили выделить три группы, обладающие различными свойствами:

- условно (или относительно) прочные агрегаты диаметром менее 2 мм;

- малопрочные агрегаты диаметром от 2 до 5 мм;

- непрочные агрегаты диаметром более 5 мм.

Размеры и прочность агрегатов непостоянны в процессе размельчения и перемешивания с водой и минеральным вяжущим (рис. 21), в связи с чем важны технологические особенности размельчения грунтов, перемешивания и уплотнения смеси.

Рис. 21. Структура глинистого грунта, обработанного цементом и подготовленного к уплотнению

Глинистые частицы (размером менее 0,001 мм), слагающие агрегаты являются наиболее активной тонкодисперсной частью грунтов и представляют собой в большинстве случаев смесь минералов каолинита, монтмориллонита, гидрослюд, гидроксидов железа и марганца, кварца, а также тонких частичек гумусовых веществ. Грунты, содержащие в большом количестве глинистые частицы, практически водонепроницаемы, обладают большой влагоемкостью и сильно набухают в воде. В отличие от более крупных фракций глинистые частицы в сухом состоянии обладают связностью. Пластичность, липкость, набухание, водоудерживающая и адсорбционная способность глинистых частиц проявляются в очень сильной степени [3, 50].

По совокупности признаков многочисленные глинистые минералы разделяют на три основные группы: каолинит, монтмориллонит и гидрослюда.

Каолинит - относительно стойкий минерал, содержащийся в довольно большом количестве во многих глинистых грунтах. Это простейший глинистый минерал кристаллического строения, состоящий из одного тетраэдрического и одного октаэдрического слоев.

По сравнению с другими глинистыми минералами, каолинит, так же как и галлуазит, входящий в эту группу минералов, обладает небольшой набухаемостью при увлажнении водой и малой обменной способностью. Катионный обмен происходит лишь по внешним граням (экстрамицеллярный обмен) кристаллов, а не в межпакетном пространстве.

Монтмориллонит - весьма типичный трехслойный глинистый минерал. Его кристаллическая решетка при увлажнении может расширяться в результате раздвижки слоев. Кроме воды в межпакетном пространстве (между слоями) могут содержаться обменные катионы. Обменная способность монтмориллонитов достигает 80 - 100 мг-экв и более на 100 г. Катионный обмен происходит как по внешним граням кристаллов, так и в межпакетном пространстве кристаллических решеток (интрамицеллярный обмен), и поэтому в последнем случае протекает очень медленно.

В отличие от каолинита монтмориллонит характеризуется более высокой дисперсностью (раздробленностью) частиц, чрезвычайно большой пластичностью и способностью в 10 - 20 раз увеличивать свой объем при увлажнении, а также рядом других особенностей. Наличие в грунтах большого количества монтмориллонита (например, в солонцеватых грунтах) при увлажнении отрицательно действует на грунт: появляется чрезмерная липкость, сильное набухание и, как следствие, потеря несущей способности. Размеры минералов монтмориллонита, как правило, не превышают 1 мкм.

Гидрослюды (иллит и др.) - трехслойные глинистые минералы, элементарные пакеты которых построены так же, как и у монтмориллонита. Однако по своим свойствам эта группа глинистых минералов существенно отличается от групп монтмориллонита и каолинита. Разница заключается в том, что в тетраэдрах иллита часть кремния (до 25 %) всегда замещена алюминием. Вследствие этого образуется отрицательный заряд, компенсируемый ионами калия. Межпакетная вода в иллитах обычно отсутствует, так как ионы калия прочно связывают пакеты между собой. Эта группа минералов отличается большой изменчивостью химического состава. Минералы группы гидрослюд по своим свойствам занимают промежуточное положение по сравнению со свойствами минералов групп монтмориллонита и каолинита.

Большинство глинистых частиц в естественном состоянии заряжено отрицательно, что объясняется присутствием на их поверхности анионов, входящих в их кристаллические решетки. Отрицательно заряженная частица (мицелла) и окружающие ее катионы образуют двойной электрический слой. Катионы, составляющие внешний слой, способны обмениваться на катионы раствора, с которым соприкасается коллоидная частица, причем обмен этот происходит в эквивалентных отношениях.

Общее количество обменных катионов - величина постоянная, не зависящая от природы катиона. Эта величина называется катионной емкостью обмена коллоида и выражается в мг-экв на 100 г коллоида или грунта, содержащего коллоиды. Сумма всех катионов при полном насыщении коллоида или грунта, выраженная в мг-экв на 100 г равняется емкости обмена.

Чем больше заряд частиц, тем устойчивее коллоидная система. Как только частицы теряют свой заряд и становятся нейтральными, окружающие их водные оболочки разрушаются, частицы собираются в хлопья и выделяются из раствора, в результате коллоидная система разрушается. Процесс, связанный с потерей электрического заряда и слиянием отдельных частиц в хлопья, называется коагуляцией. Часто коагуляция происходит в результате повышения концентрации электролитов в окружающем частицы растворе, так как при этом уменьшается толщина уплотненных оболочек вокруг коллоидных частиц и частицы легко слипаются между собой.

Одной из наиболее характерных особенностей глинистых грунтов является их способность поглощать своей поверхностью вещества из окружающего раствора или суспензии. В зависимости от способа поглощения веществ различают несколько видов поглотительной способности глинистых грунтов: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую. Для стабилизации глинистых грунтов важны физическая, физико-химическая и химическая поглотительные способности.

Физическая поглотительная способность грунтов связана с наличием свободной поверхности энергии на разделе соприкосновения их частиц с водой или водными растворами и с явлениями поверхностного натяжения. Она выражается в увеличении или уменьшении концентрации на поверхности грунтовых частиц молекул различных соединений, растворенных в воде. При этом происходит уменьшение свободной поверхностной энергии дисперсной системы. В результате физического поглощения на поверхности грунтовых частиц образуются адсорбционные пленки из молекул, поглощенных из раствора, свойства которых в значительной мере влияют на устойчивость грунта в целом. Физически могут поглощаться и коллоиды вследствие их коагуляции.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность, в результате проявления которой грунт резко меняет химические, физические и механические свойства, имеет особенно важное значение. Обменная способность заключается в том, что грунты обладают свойством обменивать в эквивалентных соотношениях поглощенные на поверхности тонких частиц катионы (Са²⁺, М²⁺, А²⁺ и др.) на катионы растворов, приходящих с ними в соприкосновение. В процессе катионного обмена, широко распространенного в природных условиях, в зависимости от состава веществ, находящихся в грунтовом растворе, изменяются физико-механические свойства грунтов. Физико-химическое поглощение играет исключительно важную роль при решении вопросов, связанных с укреплением грунтов минеральными и другими вяжущими материалами.

Химическая поглотительная способность выражается в поглощении растворимых веществ из раствора с образованием в грунтах нерастворимых или малорастворимых солей, что играет большую роль при укреплении грунтов цементами, известью, золой уноса в сочетании с добавкой легкорастворимых солей и т.п.

Наличие минерального вяжущего в смеси не только изменяет поровые характеристики грунта, но и время живучести коагуляционной структуры, а также снижает величину релаксации напряжения после снятия уплотняющей нагрузки, способствуя фиксации достигаемой плотности. Цементное тесто (по сравнению с водой) увеличивает толщину смазывающей пленки на поверхности частиц грунта, способствуя повышению плотности при уплотнении отдельных разновидностей смесей.

Структура укрепленных грунтов в значительной степени отличается от структуры цементобетонов в первую очередь особенностью структуры заполнителя - грунтов (рис. 22). Так, гранулы в укрепленном грунте - это носители коагуляционной структуры в течение длительного времени, которые обусловливают при их водонасыщении (особенно при недоуплотнении материала) переход кристаллизационной (кристаллизационно-конденсационной) структуры в кристаллизационно-коагуляционную.

Рис. 22. Структура глинистого грунта, укрепленного цементом и уплотненного до плотности 0,93 от стандартной

В процессе гидратации цемента образуется известь в виде Са(ОН)₂, которая в результате пуццолановых реакций с минералами глины образует новые цементирующие вещества. Эти соединения существенно влияют на общий ход образования кристаллизационной структуры и являются отличительной особенностью структуры укрепленных грунтов от структуры цементобетонов.

Различия структуры укрепленных грунтов и цементобетонов по поровым характеристикам приведены в табл. 5.

Коэффициент раздвижки в укрепленных грунтах, как правило, меньше 1,0, что характеризует их большую жесткость в сравнении с цементобетонами [51, 52]. Из-за невысокого содержания цементного теста в укрепленных грунтах их роль смазки небольшая и для достижения требуемой плотности необходимо приложение более высоких уплотняющих усилий в сравнении с цементобетонами. Кроме того, это обстоятельство не позволяет использовать для укрепленных грунтов методы подбора и уплотнения образцов, применяемые, в частности, для укатываемых цементобетонов. Высокая пористость грунтов и наличие в них глинистых агрегатов в значительной степени снижают показатели водо- и морозостойкости укрепленных грунтов в сравнении с цементобетонами. При подборе составов укрепленных грунтов и их приготовлении требуется высокое содержание воды, значительно превышающее количество, необходимое для процесса гидратации цемента. Излишки воды заполняют поры, которая отрицательно влияет на прочность укрепленных грунтов при периодическом замораживании-оттаивании, в особенности при степени уплотнения ниже 1,0. При современных методах подбора (метод стандартного уплотнения) такое содержание воды необходимо для достижения максимальной плотности укрепленных грунтов.

Таблица 5

Сравнительные характеристики укатываемых цементобетонов и укрепленных грунтов

Наименование показателя	Величина показателя для
Наименование показателя	укатываемых цементобетонов	укрепленных грунтов
Коэффициент раздвижки (заполнения пор)	1,2-1,5	0,6-0,8
Содержание воды, %	5-7	7-12
Водоцементное отношение	0,9-1,1	0,6-2,0
Пористость, %	11-20	26-30

Вышеотмеченные особенности должны определять различия в подходах к методам подбора составов, уплотнения и испытания укрепленных грунтов в сравнении с грунтами и цементобетонами.

Ниже представлены результаты разработки усовершенствованных методов подбора, контроля и испытания песчаных и глинистых грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, а также требования к ним с учетом их структурно-механических свойств.

7. МЕТОДЫ СТАНДАРТНОГО УПЛОТНЕНИЯ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

В 1933 г. в США сотрудником Лос-Анджелесского бюро водопроводных сооружений P.P. Проктором был предложен ставший затем стандартным метод определения оптимальной влажности и соответствующей плотности скелета грунта [53]. По этому методу грунт с помощью ручной трамбовки уплотняли тремя слоями в форме диаметром 4 дюйма. С тех пор этот вид лабораторного испытания часто называют испытанием по Проктору.

Современные методы стандартного уплотнения грунтов многих стран, в том числе модифицированный метод AASHO, разработанный Американской ассоциацией государственных служащих автомобильных дорог, основаны на использовании ударной нагрузки по типу Проктора с той лишь разницей, что увеличена масса уплотняющего груза (трамбовки) и высота его падения.

Прибор стандартного уплотнения грунтов, применяемый в России для определения оптимальной влажности и максимальной плотности, также основан на использовании ударной нагрузки, однако от метода Проктора отличается схемой воздействия нагрузки на уплотняемую площадь грунта. По величине максимальной плотности грунтов метод Союздорнии занимает промежуточное положение между стандартным и модифицированным методами Проктора [54].

Рис. 23. Зависимость плотности грунта от влажности при стандартном уплотнении:

1 - песок +5 % цемента; 2 - то же, +15 % цемента; 3 - суглинок; 4 - то же, +10 % цемента; 5 - песок

Метод стандартного уплотнения используют также для приготовления образцов и определения максимальной плотности, оптимальной влажности грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими. Зависимости плотности от влажности грунтов и укрепленных грунтов при одной уплотняющей нагрузке идентичны (рис. 23), что и послужило причиной заимствования метода стандартного уплотнения при подборе составов укрепленных грунтов. ГОСТ 23558-94 рекомендует для этих целей руководствоваться ГОСТ 22733-2002 со следующими изменениями.

- Для приготовления образцов из смесей с максимальным размером зерен не более 20 мм используют большой прибор Союздорнии с уплотнением в один слой 120 ударами гири массой 2,5 кг, падающей с высоты 30 см.

- Для приготовления образцов из смесей с максимальным размером зерен до 5 мм применяют малый прибор Союздорнии с уплотнением в один слой 20 ударами гири массой 2,5 кг, падающей с высоты 20 см. Заниженное количество ударов уплотняющей нагрузки (энергии уплотнения) даже в сравнении со стандартным методом уплотнения грунтов - результат низкой плотности, а следовательно, водо- и морозостойкости укрепленных грунтов (особенно глинистых).

По мнению автора данного обзора, метод стандартного уплотнения Союздорнии имеет свои минусы при определении оптимальной влажности и максимальной плотности грунтов, а для стандартного уплотнения укрепленных грунтов совершенно не пригоден по следующим причинам.

- В соответствии с ГОСТ 22733-2002 перед испытанием грунт высушивают и размельчают агрегаты (без дробления крупных частиц) в растирочном устройстве или фарфоровой ступке. Грунт просеивают через сита с отверстиями диаметром 20 и 10 мм. При этом вся масса грунта должна пройти через сито с отверстиями диаметром 20 мм. Если масса грунта размером частиц более 10 мм составляет 5 % и более, дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито с отверстиями диаметром 10 мм. Если масса грунта размером частиц более 10 мм составляет менее 5 %, производят дальнейшее просеивание грунта через сито с отверстиями диаметром 5 мм, определяют содержание частиц размером более 5 мм и испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито с размерами отверстий 5 мм. В данном случае сложно представить, как можно отсортировать каменные частицы и неизмельченные глинистые агрегаты. Для укрепленных грунтов такая подготовка пробы значительно искажает реальные условия приготовления смеси. Существующими механизмами невозможно измельчить глинистые грунты до размеров агрегатов менее 5 мм (СНиП 3.06.03-85 регламентирует предварительную степень измельчения глинистых грунтов), кроме того, отсеивание крупных частиц способствует увеличению расхода минеральных вяжущих и зачастую снижению плотности укрепленных грунтов.

- Далее, руководствуясь ГОСТ 22733-2002, в пробу грунта вводят рассчитанное количество воды, перемешивают и переносят ее в эксикатор или плотно закрытый сосуд и выдерживают при комнатной температуре не менее 2 ч для несвязных грунтов и не менее 12 ч - для связных грунтов. Испытания проводят, последовательно повышая влажность грунта, число последовательных испытаний при увеличении его влажности должно быть не менее 5. При каждом добавлении воды грунт перемешивают, накрывают влажной тканью и выдерживают не менее 15 мин для несвязных грунтов и не менее 30 мин - для связных грунтов. С учетом времени проведения самого испытания такой подход для стандартного уплотнения грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, нельзя признать верным.

Однако, если бы в метод стандартного уплотнения Союздорнии были внесены соответствующие изменения, применять его для стандартного уплотнения укрепленных грунтов не представляется возможным ввиду следующих недостатков.

- Использование насадки (различного количества в ней грунта) обусловливает непостоянство уплотняемой массы (в отличие от метода уплотнения статической нагрузкой, где масса смеси назначается исходя из требуемой стандартом высоты уплотненного образца) и, соответственно, плотности грунта.

- После уплотнения третьего слоя (как этого требует стандарт) снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта не должна быть более 10 мм. Если выступающая часть грунта превышает 10 мм, необходимо выполнить дополнительное число ударов из расчета один удар на 2 мм превышения. Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом. Кроме того, при разборе формы часть грунта налипает на стенки, разрушая монолитность и структуру образцов. Такой подход к уплотнению укрепленных грунтов обусловливает не только снижение плотности, а также прочности (особенно после водонасыщения и расчетных циклов замораживания-оттаивания) и однородности показателей параллельных образцов.

- В отличие от зарубежных методов уплотнения по Проктору, где диаметр трамбовки составляет не более 0,5 диаметра формы, в приборе стандартного уплотнения Союздорнии диаметр трамбовки равен внутреннему диаметру формы, обусловливая тем самым иную схему уплотнения и более высокую степень дробимости отдельных частиц (рис. 24), особенно в крупнообломочных грунтах, при этом, не отвечая реальности уплотнения укрепленных грунтов в конструктивных слоях дорожных одежд.

Рис. 24. Изменение зернового состава песка после уплотнения пескоцемента ударной нагрузкой: 1 - песок размером зерен 2,5 мм; 2 - то же, 1,25 мм; 3 - то же, 0,63 мм; - исходный песок; - песок после проведенных испытаний

В соответствии с вышеотмеченным, метод стандартного уплотнения при определении оптимальной влажности и максимальной плотности укрепленных грунтов не гарантирует высокой однородности получаемых результатов в дорожных лабораториях. Поскольку прочность и морозостойкость укрепленных грунтов в значительной степени зависят от плотности их образцов (рис. 25), уже на стадии подбора состава укрепленного грунта занижены реальные возможности материала и предопределена его низкая работоспособность в конструктивном слое дорожной одежды.

Рис. 25. Зависимость коэффициента морозостойкости (15 циклов) образцов из грунтов, укрепленных цементом (песок и супесь - 8 %, глина - 14 %) от их коэффициента уплотнения (относительно максимальной плотности стандартного уплотнения):

1 - супесь; 2 - песок; 3 - глина

В связи с чем оправдана замена ударной нагрузки метода стандартного уплотнения укрепленных грунтов на статическую или вибрационную.

Рис. 26. Разрушение пескоцементной смеси размером частиц 2,5 мм от типа уплотняющей нагрузки:

- ударная нагрузка; - вибрационная нагрузка; - статическая нагрузка 15 МПа

Результаты проведенных исследований воздействия ударной, вибрационной и статической нагрузок на степень уплотнения грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, позволили сделать следующие выводы [55].

- В меньшей степени к изменению зернового состава грунтов приводит использование вибрационной нагрузки (рис. 26), однако уплотнение в этом случае значительно зависит от влажности смеси (рис. 27), а следовательно, как и в случае использования ударной нагрузки велика вероятность ошибки при подборе состава укрепленных грунтов, особенно для смесей с низкой степенью заполнения пор цементным тестом. Кроме того, оптимальная влажность в этом случае значительно превышает аналогичный показатель, получаемый при использовании ударной нагрузки, что еще в большей степени снижает морозостойкость укрепленного грунта.

Рис. 27. Зависимость плотности укрепленного грунта от влажности при виброуплотнении (по данным А.В. Линцера)

- Статическая же нагрузка при меньшей степени дробления частиц грунта, при более высоком диапазоне влажностей (по сравнению с ударной нагрузкой) обеспечивает постоянную плотность укрепленных грунтов (рис. 28), гарантируя более высокую степень однородности получаемых результатов.

Рис. 28. Зависимость плотности песка, укрепленного 10 % цемента, от типа уплотняющей нагрузки: 1 - ударная нагрузка; 2 - разгрузка 15 МПа; 3 - то же, 30 МПа

При этом нагрузка 30 МПа позволяет достичь степени уплотнения, не менее чем по модифицированному способу Проктора. Необходимо отметить, что грунты, укрепленные органическими вяжущими, в соответствии с ГОСТ 30491-97, также уплотняют нагрузкой 30 МПа.

Рис. 29. Размельчение грунта в зависимости от влажности (по данным Е.И.Путилина): 1 - тяжелый суглинок размером частиц более 10 мм; 2 - то же, 5 мм; 3 - глина размером частиц более 10 мм; 4 - то же, 5 мм

Что касается оптимальной влажности, то она должна назначаться из условия оптимального перемешивания смеси (оптимальной влажности перемешивания) и оптимальной влажности измельчения грунтов (рис. 29). Эти влажности, как и в случае применения модифицированного метода Проктора, несколько ниже оптимальной влажности, определяемой методом стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-2002, обеспечивают укрепленным грунтам более высокие физико-механические показатели и, что особенно важно, высокую морозостойкость (рис. 30).

Рис. 30. Зависимость прочности суглинка, укрепленного 10 % цемента, от влажности смеси (W_опт = 14 %):

1 - в водонасыщенном состоянии; 2 - после 5 циклов замораживания-оттаивания

Как отмечалось ранее, зависимость плотности глинистых грунтов от их влажности имеет ярко выраженный пик (при определении максимальной плотности по методу Проктора). При введении в смесь воды выше оптимального значения ее уже не уплотнить до максимальной плотности той же нагрузкой, а следовательно, не обеспечить образцам требуемых показателей морозостойкости. Использование статической нагрузки уплотнения устраняет этот недостаток, снижая риск «переувлажнения» смеси при подборе состава укрепленного грунта.

Таким образом, для подбора составов грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, необходимо использовать взамен ударной статическую нагрузку 30 МПа, а оптимальную влажность, обеспечивающую минимальное водонасыщение и максимальную морозостойкость, устанавливать путем подбора при нескольких влажностях в пределах ориентировочных влажностей, которые указаны ниже.

Грунты Оптимальная влажность

грунта при уплотнении, %

Крупнообломочные несцементированные,

близкие к оптимальному зерновому составу;

пески гравелистые крупные и средней

крупности (разноразмерные) 3 - 5

Крупнообломочные несцементированные

неоптимального зернового состава; пески

гравелистые крупные и средней крупности

(одноразмерные). 4 - 6

Пески мелкие, мелкие одноразмерные и

Пылеватые 5 - 7

Супеси легкие крупные, легкие, пылеватые

оптимального зернового состава 6 - 8

Супеси тяжелые пылеватые; суглинки легкие

и легкие пылеватые. 9 - 11/0,3 - 0,4

Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые 12 - 14/0,3 - 0,4

Глины песчанистые и пылеватые с числом

пластичности не более 22. 14 - 17/0,3 - 0,4

Примечание. В числителе приведена масса грунта, %, в знаменателе - его влажность на границе текучести, выраженная в долях.

8. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ УДОБОУКЛАДЫВАЕМОСТИ ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫМИ ВЯЖУЩИМИ

В настоящее время удобоукладываемость укрепленных грунтов и материалов различных типов микроструктур косвенно оценивается оптимальной влажностью. Однако, если для укрепленных грунтов коагуляционной микроструктуры этот метод справедлив на протяжении всего технологического периода устройства из них конструктивных слоев дорожных одежд, то использование данного метода для оценки удобоукладываемости грунтов укрепленных цементом (с кристаллизационной структурой), не всегда оправдан и не позволяет проследить изменение подвижности смеси во времени.

По плотности укрепленных грунтов во времени, определяемой с помощью методов стандартного уплотнения, проследить кинетику перехода одной структуры в другую также не представляется возможным. Так, в период времени от начала ввода воды в пескоцементную смесь до начала схватывания цемента плотность образцов, уплотненных на приборе стандартного уплотнения, снижается всего на 0,5 %. Такое же снижение плотности имеет место и при анализе образцов, уплотненных в момент начала и конца схватывания цемента. Плотность же суглинка, укрепленного 10 % цемента, постоянная, в независимости от времени уплотнения образцов с момента введения в смесь воды до конца схватывания цемента, т.е. метод стандартного уплотнения позволяет достичь одинаковую плотность образцов укрепленных грунтов как в момент коагуляционной структуры, так и при формировании кристаллизационной структуры минерального вяжущего. Это обстоятельство не дает возможности (тем более оперативно) проследить с помощью данного метода переход коагуляционной структуры в конденсационную (кристаллизационную) анализируемых материалов, а следовательно, их фактическую удобоукладываемость во времени, позволяющую назначать класс катка по линейной нагрузке при определенной степени уплотнения. Зачастую при выходе катка на основание из укрепленного грунта оптимальной влажности (в соответствии с технологическим регламентом) он «тонет» в смеси, а методов, оценивающих время начала уплотнения и необходимую линейную нагрузку, не существует.

Характеризовать во времени удобоукладываемость укрепленных грунтов, в силу особенностей их структурно-механических свойств, по подвижности (жесткости) с помощью конуса (прибора Вебе) по ГОСТ 10181-2000 не представляется возможным по следующим причинам:

- рекомендуемые стандартом нагрузки на диск прибора Вебе недостаточны, чтобы раздавить агрегаты глинистых грунтов и обеспечить появление в отверстиях диска цементного молока;

- для смесей из песчаных грунтов сложность оценки жесткости состоит в том, что в отверстия диска прибора Вебе при вибрации поступает не цементное молоко, а пескоцементная смесь.

Оперативно контролировать удобоукладываемость (подвижность) и проследить кинетику нарастания кристаллизационной структуры песчаных и глинистых грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, во времени можно с помощью конического пластометра.

Подвижность укрепленных грунтов (при допустимых СНиП 3.06.03-85 влажностях, обеспечивающих плотность не менее 0,98 от стандартной), оцененная с помощью стандартного конуса (рис. 31) по ГОСТ 5802-86, соответствует подвижности растворной смеси марки П_К 1 (рис. 32).

Рис. 31. Стандартный конус для определения подвижности растворной смеси

Подвижность пескоцементной смеси по истечении времени от начала затворения водой до начала схватывания цемента (3 ч) снижается в 1,5 раза, а к концу схватывания цемента (6 ч) - в 2,5 раза (рис. 33).

До момента начала схватывания цементного теста смесь характеризуется коагуляционной структурой и с помощью конуса определяется предельное напряжение сдвига. В коагуляционно-кристаллизационных структурах, какими можно характеризовать грунты, укрепленные минеральными вяжущими, в период времени от начала до конца схватывания при погружении конуса возникают также явления смятия, что в значительной степени повышает пластическую прочность, рассчитываемую по формуле П.А. Ребиндера

P_m = K·F/h

(2)

где К - константа, зависящая от угла конуса при вершине (при угле, равном 30°, К = 0,955);

F - нагрузка, действующая на конус, кгс;

h - глубина погружения конуса, см.

Рис. 32. Зависимость глубины погружения конуса от влажности грунта (в долях от W_опт): 1 - песок + 5 % цемента; 2 -то же, + 10 % цемента; 3 - то же + 15 % цемента; 4 - песок

Так, пластическая прочность анализируемой смеси к моменту начала схватывания увеличивается в 1,9 раза по отношению к пластической прочности пескоцемента сразу после введения воды, а к концу схватывания цементного теста - в 6 раз.

По глубине погружения конуса (пластической прочности) можно характеризовать степень уплотнения основания (рис. 34). Являясь функцией плотности укрепленных грунтов, глубина погружения конуса в данном случае - критерий оценки коэффициента уплотнения.

Таким образом, анализируя результаты проведенных исследований, удобоукладываемость (пластичность) укрепленных грунтов, двухкомпонентная структура которых состоит из песчаных и (или) глинистых частиц и цементного теста, следует оценивать с помощью стандартного конуса. По глубине погружения конуса (пластической прочности) можно подбирать требуемую пластичность (удобоукладываемость) смеси, судить о начале и окончании ее уплотнения, а также определять фактическую плотность конструктивного слоя из укрепленного грунта.

Рис. 33. Временная зависимость глубины погружения конуса:

1 - песок + 5 % цемента; 2 - то же, + 10 % цемента; 3 - то же, + 15 % цемента

Рис. 34. Зависимость глубины погружения конуса от плотности пескоцемента

Помимо определения удобоукладываемости с помощью стандартного конуса можно оперативно назначать количество осушающей добавки в переувлажненные грунты (рис. 35). В данном случае за требуемое количество добавки (извести, цемента и т.п.) принимают то, которое снижает погружение конуса в переувлажненный грунт до значений подвижности смеси марки П_К1.

Рис. 35. Зависимость глубины погружения конуса от количества осушающей добавки в переувлажненном грунте:

1 - грунт с осушающей добавкой; 2 - то же, без добавки

В настоящее время проводятся исследования удобоукладываемости (подвижности) укрепленных грунтов, в том числе и крупнообломочных, с помощью прибора для определения глубины вдавливания штампа по ТУ 400-24-158-89 (рис. 36). В качестве критерия оценки подвижности смеси использован коэффициент упругой податливости материалов [56].

Рис. 36. Прибор для определения глубины вдавливания штампа

9. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

Установлено [57], что при водоцементном отношении более 0,5 в цементобетоне всегда присутствуют капиллярные поры, доступные для миграции воды. В укрепленных грунтах, как правило, водоцементное отношение превышает 0,5. Можно предположить, что наличие в них глинистых агрегатов при высоком содержании капиллярных пор в значительной степени будет определять их прочность при водонасыщении. Действительно, после водонасыщения (полного или капиллярного) образцы из укрепленных глинистых грунтов значительно снижают свою прочность.

Зачастую снижение прочности укрепленных грунтов после водонасыщения (за счет образования коагуляционных связей в пространстве глинистых агрегатов) превышает снижение прочности, обусловленное разрывом связей кристаллизационной структуры цементного камня от воздействия определенного цикла замораживания-оттаивания. Этот факт негативно сказывается на достоверности получаемых результатов морозостойкости укрепленных грунтов. Существующий метод оценки морозостойкости укрепленных грунтов (отношение прочности образцов после определенного числа циклов замораживания-оттаивания к прочности водонасыщенных образцов) ошибочно дает предпочтение по данному показателю глинистым грунтам в сравнении с песчаными и крупнообломочными (рис. 37), позволяя использовать неморозостойкие материалы.

Рис. 37. Зависимость коэффициента морозостойкости грунтов, укрепленных цементом, от метода испытания:

1 - по ГОСТ 23558-94; 2 - по предлагаемому методу; - песок; - суглинок; - глина

Предлагаемый автором данного обзора метод оценки морозостойкости укрепленных грунтов основан на сравнении прочности образцов после нормативного количества циклов замораживания-оттаивания с прочностью неводонасыщенных (при оптимальной влажности) образцов.

Следует отметить, что в существующих стандартах показатель предела прочности при сжатии неводонасыщенных образцов отсутствует. Результаты проведенных исследований [58] указывают на необходимость введения в перерабатываемый новый государственный стандарт на грунты, укрепленные неорганическими вяжущими, показателя предела прочности при сжатии в неводонасыщенном состоянии (при оптимальной влажности). Этот показатель необходим не только для определения морозостойкости укрепленных грунтов. Как отмечалось выше, не достоверно характеризовать работоспособность слоев дорожных одежд из укрепленных грунтов, не подвергнутых полному или капиллярному водонасыщению, в том числе искусственно изолированных от воздействия воды, по показателю прочности водонасыщенных образцов. Кроме того, для оценки набора прочности укрепленных глинистых грунтов во времени необходим показатель прочности неводонасыщенных образцов, в противном случае по прочности в водонасыщенном состоянии ошибочно можно утверждать о раннем наборе прочности (рис. 38) и открытии движения построечного транспорта по слою основания.

Рис. 38. Набор прочности во времени суглинка, укрепленного 8 % цемента:

1 - неводонасыщенные образцы; 2 - водонасыщенные образцы

Немаловажным значением при оценке морозостойкости укрепленных грунтов является правильное назначение степени водонасыщения образцов, количества циклов замораживания-оттаивания, температуры замораживания в зависимости от дорожно-климатической зоны и местоположения материала в конструктивном слое дорожной одежды. В соответствии с ГОСТ 23558-94 за марку по морозостойкости принимают установленное число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при которых допускается снижение прочности при сжатии не более чем на 25 % от нормируемой прочности в проектном возрасте, в то время как по ГОСТ 30491-97 снижение прочности допускается до 40 % при применении жидких и эмульгированных органических вяжущих и до 30 % - при применении органических вяжущих совместно с минеральными. Что касается дифференцирования степени водонасыщения и температуры замораживания образцов в зависимости от дорожно-климатической зоны и местоположения укрепленного грунта в конструктивном слое дорожной одежды, в существующих стандартах также различный подход. Так, в соответствии с ГОСТ 30491-97 полное водонасыщение проводят для укрепленных грунтов, предназначенных для применения в I - III, капиллярное - в IV и V дорожно-климатических зонах, а замораживание образцов для всех дорожно-климатических зон - при температуре - 20°С. ГОСТ 23558-94 предписывает образцы из укрепленных грунтов, используемых в районах со среднемесячной температурой наиболее холодного месяца -10°С и ниже, перед испытанием на морозостойкость полностью водонасыщать, а для районов со среднемесячной температурой наиболее холодного месяца выше -10°С - осуществлять капиллярное водонасыщение, а замораживание образцов проводить по ГОСТ 10060.3-95 (при температуре -18°С). Различные требования по степени водонасыщения и морозостойкости в зависимости от применяемого вяжущего без учета расположения укрепленного грунта в конструктивном слое дорожной одежды не дают возможности оценить преимущество той или иной моноструктуры материала, при этом в одних случаях требования к материалу завышены, а в других - занижены.

В перерабатываемых новых государственных стандартах (в методах испытаний) при определении морозостойкости степень водонасыщения и количество циклов замораживания-оттаивания образцов из укрепленных грунтов назначены в зависимости от дорожно-климатической зоны и местоположения материала в конструктивном слое дорожной одежды в соответствии с данными табл. 6 (ранее проверенными на практике использования укрепленных грунтов).

Таблица 6

Параметры испытаний укрепленных грунтов на морозостойкость

Конструктивный слой дорожной одежды

Параметры испытаний укрепленных грунтов для дорожно-климатических зон

III

Верхний слой основания под двухслойное асфальтобетонное покрытие; основание под монолитное цементобетонное покрытие

_50_

-22°С

(полная)

_25_

-22°С

(полная)

_25_

-22°С

(полная)

_15_

-22°С

(капиллярная)

_10_

-5°С

(капиллярная)

Нижний слой основания под двухслойное асфальтобетонное покрытие; основание под сборное железобетонное покрытие

_25_

-22°С

(полная)

_15_

-10°С

(полная)

_15_

-10°С

(капиллярная)

_10_

-5°С

(капиллярная)

__5__

-5°С

(капиллярная)

Верхний слой основания под однослойное покрытие из минеральных материалов, укрепленных органическими вяжущими

_30_

-22°С

(полная)

_15_

-22°С

(полная)

_15_

-22°С

(полная)

_15_

-10°С

(полная)

_15_

-5°С

(капиллярная)

Нижний слой основания под однослойное покрытие из минеральных материалов, укрепленных органическими вяжущими

_10_

-10°С

(полная)

_10_

-10°С

(полная)

__5__

-10°С

(капиллярная)

Однослойное покрытие из укрепленного грунта с двойной поверхностной обработкой

_15_

-22°С

(полная)

_10_

-22°С

(полная)

_10_

-5°С

(капиллярная)

__5__

-5°С

(капиллярная)

Дополнительный слой основания (морозозащитный или теплоизоляционный) под двухслойное асфальтобетонное или монолитное цементобетонное покрытие

_15_

-22°С

(полная)

_10_

-10°С

(полная)

_10_

-5°С

(полная)

Примечание. В числителе дано число циклов замораживания-оттаивания, в знаменателе - температура замораживания, в скобках - степень водонасыщения образцов.

10. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЙ ИЗ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

Анализируя результаты проведенных исследований и наблюдений, следует отметить, что для грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, присущи те же технологические приемы устройства конструктивных слоев дорожных одежд, что и для цементобетонных смесей, однако при этом следует учитывать и особенности структурно-механических свойств укрепленных грунтов.

Как и для цементобетонных смесей, для грунтов, укрепленных цементом, ограничено время от момента приготовления смеси до окончания ее уплотнения. Необходимо отметить, что плотность укрепленных грунтов в меньшей степени зависит от сроков схватывания цементного теста и в большей - от влажности и величины уплотняющей нагрузки (рис. 39), т.е. практически в любое время с начала затворения цемента водой можно путем увеличения уплотняющей нагрузки получить требуемую плотность укрепленного грунта. Зависимость же морозостойкости укрепленных грунтов от времени уплотнения смеси - функция сроков схватывания цементного теста (рис. 40). Чем раньше закончено уплотнение, тем более высокие показатели прочности и морозостойкости обеспечены укрепленному грунту. Однако в любом случае (в какое бы время после затворения цемента водой не осуществлено уплотнение) более высокая плотность укрепленных грунтов гарантирует им большую морозостойкость.

Рис. 39. Зависимость плотности песка, укрепленного 10 % цемента, от времени начала уплотнения: 1 - нагрузка 15 МПа; 2 - то же, 30 МПа

Рис. 40. Зависимость прочности укрепленных грунтов после 10 циклов замораживания-оттаивания от времени начала уплотнения смеси: 1 - песок; 2 - суглинок

Рис. 41. Зависимость прочности суглинка, укрепленного цементом, от технологии приготовления: 1 - традиционная технология; 2 - предлагаемая технология; - неводонасыщенные образцы; - водонасыщенные образцы

Любое дополнительное измельчение глинистых гранул с целью увеличения площади контакта глинистых частиц с продуктами гидролиза и гидратации цемента и снижения количества центров коагуляционной структуры способствует повышению морозостойкости укрепленных грунтов. Так, если после предварительного уплотнения укрепленных грунтов их вновь перемешать и уплотнить, то в значительной степени повышается их морозостойкость (рис. 41), метод укрепления грунтов смешением на дороге позволяет осуществлять такие приемы. При укреплении грунтов по методу смешения на дороге, а суглинки и глины можно укрепить только таким методом, время с момента введения воды в смесь до окончания перемешивания недостаточно для того, чтобы гранулы могли впитать воду и разрушиться при перемешивании. После нескольких проходов катка гранулы (в основном непрочные и малопрочные) разрушаются и при повторном перемешивании снижается количество частиц грунта, не обработанного цементным тестом.

Поверхностно-активные вещества, в том числе и стабилизаторы глинистых грунтов, обеспечивают более высокую степень измельчения агрегатов и, соответственно, повышают прочность и морозостойкость укрепленных грунтов (рис. 42).

Рис. 42. Влияние добавки стабилизатора на прочность грунтов, укрепленных цементом: - без стабилизатора; - со стабилизатором

При комплексном укреплении грунтов органическими и неорганическими вяжущими материалами последовательность и время их введения имеет немаловажное значение. В настоящее время нет однозначного мнения по последовательности введения вяжущих, некоторые исследователи первоочередность введения жидкого битума или битумной эмульсии определяют трудностью их распределения в смеси грунта и минерального вяжущего.

Однако, как показали исследования, эффективнее введение вначале цемента в укрепляемый грунт для полной реализации свойств гидравлического вяжущего, а затем - органического вяжущего (рис. 43). Временной разрыв между введением неорганического и органического вяжущего в укрепляемый грунт в большей степени способствует проявлению вышеотмеченного эффекта разрушения гранул и обеспечению максимальной площади обволакивания поверхности грунтовых частиц органическим вяжущим с образованием не только физической, но и химической адсорбции. При одновременном введении в укрепляемый грунт органического и неорганического вяжущего часть цемента гидрофобизируется, переходя в разряд минерального порошка (дисперсного, неактивного наполнителя).

Рис. 43. Зависимость прочности песка, укрепленного 7 % цемента и 5 % жидкого битума от времени введения битума в смесь: 1 - в возрасте 7 сут; 2 - после 10 циклов замораживания-оттаивания; - одновременно с цементом; - через 1 ч после введения цемента

Особо важно соблюдение технологии введения вяжущих (последовательности и временного разрыва) при использовании медленнотвердеющих минеральных вяжущих, таких как активные золы уноса, нефелиновые и бокситовые шламы (рис. 44).

По данным Т. Пауэрса и С. Брунаура, общее количество химически и физико-химически связанной воды при полной гидратации цемента (в цементном геле) составляет 47 - 52 % от массы цемента. Поэтому если при твердении укрепленных грунтов не имеется доступа воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо, чтобы водоцементное отношение (В/Ц) было в пределах 0,5. Как правило, в укрепленных грунтах В/Ц > 0,5. С другой стороны, при В/Ц > 0,5 в укрепленных грунтах всегда будут присутствовать капиллярные поры, доступные для миграции влаги, и стойкость их при водонасыщении, а также замораживании-оттаивании будет понижаться. При отсутствии (недостаточного по времени) влажностного ухода за конструктивными слоями из укрепленных грунтов интенсивное испарение воды еще в большей степени способствует образованию капиллярных пор и, как результат, снижению их водо- и морозостойкости (рис. 45).

Рис. 44. Зависимость прочности укрепленного песка (20 % золы уноса и 4 % гудрона) от технологии введения вяжущих:

1 - одновременное введение; 2 - гудрон введен через 2 сут. после укрепления

Рис. 45. Зависимость прочности водонасыщенных образцов из укрепленного суглинка от условий хранения: 1 - укрепление цементом в количестве 5 %; 2 - то же, 14 %; - после влажного хранения образцов в течение 7 сут.; - то же, 28 сут

Учитывая вышеотмеченное обстоятельство и то, что глинистые частицы грунтов подобно пуццолановым добавкам замедляют процесс набора прочности цементного теста, уходу за укрепленными грунтами следует уделять важное значение в течение длительного времени. Принимая во внимание сложность длительного ухода за конструктивным слоем из укрепленного минеральными вяжущими грунта, эффективно сразу устраивать вышележащие слои дорожной одежды.

11. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ПЛОТНОСТИ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ В КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

В настоящее время стандартом нормируется минимальная плотность укрепленных грунтов, которая для различных типов грунтов, расположения в конструктивном слое дорожной одежды и дорожно-климатических зон одинакова. В соответствии со СНиП 3.06.03-85 плотность укрепленных грунтов и материалов должна быть не менее 0,98 от стандартной, определенной по ГОСТ 22733-77. Однако для некоторых видов грунтов такая плотность недостаточна и не обеспечивает надлежащих физико-механических свойств конгломератов в конструктивных слоях дорожных одежд, применяемых в различных дорожно-климатических зонах.

Ниже приведены результаты исследований [37] зависимости прочности и морозостойкости грунтов, укрепленных различными вяжущими материалами, от их коэффициента уплотнения (рис. 46, 47). Если для грунтов, укрепленных органическими вяжущими, плотность в пределах от 0,98 до 1,0 от стандартной практически не влияет на их прочность и морозостойкость, то для грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими (особенно для глинистых грунтов), надлежащая морозостойкость для отдельных дорожно-климатических зон обеспечена только при коэффициенте уплотнения выше 0,99.

Анализ проведенных исследований [37] позволил заключить, что плотность грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими материалами (относительно максимальной по ГОСТ 23558-94), должна отвечать требованиям, приведенным в табл. 7.

Рис. 46. Зависимость прочности укрепленных грунтов от их плотности: 1 - суглинок + 11 % цемента; 2 - то же, + 8 % цемента; 3 - то же, + 6 % цемента; 4 - супесь + 8 % цемента

Рис. 47. Зависимость морозостойкости от плотности укрепленных грунтов: 1 - супесь + 6 % гудрона; 2, 3, 4 - супесь, суглинок и глина соответственно + 8 % цемента

Таблица 7

Требуемые коэффициенты уплотнения укрепленных грунтов

Конструктивный слой дорожной одежды

Требуемый коэффициент уплотнения укрепленных грунтов, не менее, для дорожно-климатических зон

III

Верхний слой основания под двухслойное асфальтобетонное покрытие; основание под цементобетонное покрытие

1,0

1,00

0,99

1,00

0,99

0,98

1,00

0,99

1,00

0,99

0,98

0,99

0,98

1,0

1,00

0,99

0,98

1,0

1,00

0,99

0,98

0,99

0,98

Однослойное покрытие из укрепленного грунта с поверхностной обработкой

1,0

1,00

0,99

0,98

0,99

0,98

Примечание. В числителе приведен требуемый коэффициент уплотнения для глинистых грунтов; в знаменателе - для песчаных и крупнообломочных грунтов.

Столь высокие требования по плотности для песчаных и глинистых грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, обусловлены и тем обстоятельством, что в ГОСТ 23558-94 заложена недостаточная уплотняющая нагрузка для образцов из таких грунтов (всего 20 ударов уплотняющей нагрузки), в то время как для крупнообломочных грунтов и для грунтов по ГОСТ 25100-95 она составляет 120 ударов. При уплотняющей нагрузке образцов из укрепленных грунтов, равной 30 МПа, требования к коэффициенту уплотнения можно уменьшить до 0,99 для глинистых и до 0,98 для песчаных и крупнообломочных грунтов.

12. УЧЕТ ОДНОРОДНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ МАШИН

Правильно подобранный в лаборатории состав укрепленного грунта еще не гарантирует того, что на производстве существующими машинами будет приготовлена смесь требуемого качества. К сожалению, отсутствие в большинстве дорожных хозяйств современных машин для приготовления и укладки укрепленных грунтов обусловливает необходимость использования таких машин и механизмов как автогрейдер или борона, которые не в состоянии обеспечить требуемую однородность смеси. Коэффициент вариации физико-механических показателей укрепленных грунтов при использовании такой техники очень высок (табл. 8), что не гарантирует надлежащего качества устраиваемых слоев дорожной одежды. Коэффициент вариации прочности должен быть установлен строительной организацией на основании характеристики однородности укрепленного грунта в грунтосмесительной установке в течение от одной недели до двух месяцев. Число единичных значений прочности укрепленного грунта в течение этого периода должно составлять не менее 30. Область недопустимых значений коэффициента вариации составляет 26 и более. При получении фактического коэффициента вариации менее 13,5 % в расчет следует принимать 13,5 %. В любом случае следует учитывать уже на стадии подбора состава укрепленного грунта коэффициент вариации (переводной коэффициент), применительно к используемой технике, т.е. расход вяжущего корректируется с учетом фактической прочности, а фактическая (необходимая) прочность укрепленного грунта для проектной марки должна быть выше подобранной в лаборатории в соответствии со следующей формулой:

R_сж(R_изг) = (R_изг)^лК

(3)

где R_c_ж (R_изг) - фактическое значение прочности применительно к используемой технике;

(R_изг)^л - лабораторные значения прочности;

К - переводной коэффициент, принимаемый по табл. 8.

Таблица 8

Коэффициенты вариации физико-механических показателей укрепленных грунтов в зависимости от типа грунта и применяемой грунтосмесительной машины

Грунтосмесительная машина	Коэффициенты вариации ( %) физико-механических показателей укрепленных грунтов
Грунтосмесительная машина	крупнообломочных	песчаных и супесчаных	легких суглинков (J_p ≤ 10)	суглинков и глин (J_p ≥ 10)
Автогрейдер, борона	-	20	25	-
Дорожная фреза (типа ДС-74)	-	18	20	25
Однопроходная машина (ДС-152)	14	13	15	20
Ресайклеры и стабилизеры	16	14	15	20
Карьерная установка (ДС-50Б)	14	13

Примечание: J_р - число пластичности.

Оценка однородности (коэффициента вариации) укрепленных грунтов грунтосмесительными машинами и нормирование этого показателя стандартом позволят достоверно прогнозировать работоспособность устраиваемых из них конструктивных слоев дорожных одежд, а также назначать для приготовления смесей высокопроизводительные машины, обеспечивающие надлежащее качество.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных работ по укреплению грунтов можно сделать следующие выводы.

1. Возможность укреплять грунты не только в установках, но и методом смешения на дороге - одно из преимуществ укрепленных грунтов в сравнении с другими искусственными конгломератами. Метод смешения на дороге позволяет осуществлять работы в любых труднодоступных (в том числе для монтажа и функционирования смесительных установок) местах. Для смешения различных грунтов и отходов промышленности с вяжущими (органическими, неорганическими и комплексными) существует разнообразный парк машин и механизмов, обеспечивающих надлежащее дозирование вяжущих, однородность перемешивания смеси, а также требуемую плотность материала в конструктивном слое дорожной одежды.

2. Методы подбора, контроля укрепленных грунтов, а также нормативные требования к материалу необходимо совершенствовать. Часть предлагаемых изменений в методы подбора состава и испытания укрепленных грунтов, представленных в данной работе, вошли в перерабатываемые новые государственные стандарты на грунты, укрепленные неорганическими вяжущими, и на грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства.

3. Более жесткие требования к укрепленным грунтам позволят повысить качество конструктивных слоев, устраиваемых из них, а следовательно, расширить область применения грунтов и местных материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безрук В.М. Основные принципы укрепления грунтов. - М.: Транспорт, 1987.

2. Филатов М.М. Основы дорожного грунтоведения. - М.: Гострансиздат, 1936.

3. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. - М.: Высш. шк., 1968.

4. Безрук В.М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. - М.: Транспорт, 1971.

5. Безрук В.М. Укрепленные грунты. - М.: Транспорт, 1982.

6. Любимова Т.Ю. О процессах структурообразования в грунтах, укрепленных цементом. - В сб.: Труды совещаний по теоретическим основам технической мелиорации грунтов. - М.: МГУ, 1961.

7. Рекомендации по укреплению обочин автомобильных дорог / Росдорнии. - М., 1976.

8. Укрепление обочин автомобильных дорог (взамен ВСН 39-79): ОДН 218.3.039 / Минтранс России, Гос. служба дор. хоз-ва. - М.: ГП «Информавтодор», 2003.

9. Могилевич В.М., Щербакова Р.П., Тюменцева О.В. Дорожные одежды из цементогрунта. - М.: Транспорт, 1973.

10. Бируля А.К., Ермакович Д.В. Механические свойства цементогрунта и использование его в конструктивных слоях дорожных одежд. - В сб.: Материалы к V совещанию по закреплению и укреплению грунтов. - Новосибирск, 1966.

11. Совершенствование теоретических основ укрепления грунтов комплексными вяжущими с целью получения высокопрочных дорожных конструкций / Росдорнии, Союздорнии. - М., 2002.

12. ТУ 5740-036-01393697-2000. Устройство конструктивных слоев дорожных и аэродромных одежд с использованием ангидрито-силикатного вяжущего (АСВ). - Балашиха: Союздорнии, 2000.

13. Ребиндер П.А. Проблемы образования дисперсных систем и структур в этих системах; физико-химическая механика дисперсных структур и твердых тел. - В кн.: Современные проблемы физической химии. Т. 3. - М.: МГУ, 1968.

14. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. - В сб. ст.: Физико-химическая механика дисперсных структур. - М.: Наука, 1966.

15. Ребиндер П.А., Серб-Сербина Н.Н. Придание грунтам водонепроницаемости и механической прочности. - Л.: Изд-во «Академия наук СССР», 1942.

16. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах: Избр. труды. - М.: Наука, 1978.

17. Линцер А.В. Основы индустриального применения укрепленных грунтов в дорожном строительстве: Дис. д-ра техн. наук. - Тюмень, 1983,

18. Медведев Н.В. Использование гранулированных укрепленных связных грунтов для повышения работоспособности оснований дорожных одежд: Дис канд. техн. наук. - М., 1990.

19. Путилин Е.И. Размельчение глинистых грунтов и влияние агрегатного состава на физико-механические свойства этих грунтов, укрепленных вяжущими материалами. - М., 1968. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 25).

20. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Высш. шк., 1966.

21. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. - М.: Высш. шк., 1966.

22. Васильев Ю.М. Применение комплексно-укрепленных грунтов в условиях севера // Новое в разработке комплексных методов укрепления грунтов при строительстве автомобильных дорог. - М., 1984. - (Тр. / Союздорнии).

23. Тюменцева О.В., Дежина Н.С. Комплексное укрепление грунтов цементом и органическими соединениями. - М., 1970. - (Тр./ Союздорнии; Вып. 38).

24. Добров Э.М., Емельянов С.Н., Федулов А.А. Природа формирования свойств глинистых грунтов с помощью стабилизаторов // Автомоб. дороги: Науч. техн. информ. сб. / ГП «Информавтодор». - М., 2002. - Вып. 2.

25. Кочеткова Р.Г. Улучшение свойств глинистых грунтов стабилизаторами //Автомоб. дороги. - 2006. - № 3.

26. Прокопец B.C., Глуховцев И.Н. Исследование возможности повышения уплотняемости цементогрунтовых смесей, обработанных добавками ПАВ // Применение укрепленных грунтов при строительстве дорожных одежд с использованием отходов промышленности в качестве вяжущих и добавок химических веществ. - М., 1981. - (Тр. /Союздорнии).

27. Васильев Ю.М., Надежко А.А. Уменьшение трещинообразования покрытий на цементогрунтовом основании // Автомоб. дороги. - 1969. - № 3.

28. Кузнецов В.А., Пермяков В.В. Исследование эффективности в области применения цементогрунта при строительстве дорог в условиях Западной Сибири. - М., 1966. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 14).

29. Пермяков В.Б. Исследование процессов структурообразования в цементогрунтах. - Сб. ст.: Вопросы строительства автомобильных дорог. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1970.

30. Пермяков В.Б. Влияние процесса приготовления смеси на прочностные показатели цементогрунта. - В сб. ст.: Опыт и перспективы строительства автомобильных дорог с использованием местных материалов. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1968.

31. Никитин В.П. Исследование технологии строительства цементогрунтовых дорожных одежд и перспективы ее совершенствования. - В сб.ст.: Опыт и перспективы строительства автомобильных дорог с использованием местных материалов. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1968.

32. Никитин В.П. Влияние технологии строительства цементогрунтовых дорожных одежд на их прочность. - В сб.ст.: Вопросы строительства автомобильных дорог. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1970.

33. Никитин В.Б., Шестаков В.Н. Влияние степени измельчения грунта на морозостойкость цементогрунта. В сб.ст.: Вопросы строительства автомобильных дорог. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1970.

34. Пермяков В.Б., Могилевич В.М. Продолжительность технологического процесса и прочность цементогрунтовых слоев дорожной одежды // Автомоб. дороги. - 1967. - № 4.

35. Цветков B.C., Либерман М.А. Повышение качества цементогрунтовых смесей // Автомоб. дороги. - 1968. - № 9.

36. Цветков B.C., Либерман М.А. Особенности смешения грунта с цементом // Автомоб. дороги. - 1970. - № 1.

37. Проведение исследований по совершенствованию норм плотности укрепленных грунтов. Дополнения к СНиП 3.06.03-85 / Союздорнии. - М., 1996.

38. Глуховцев И.Н., Миненко В.К. Зависимость плотности укрепленных и неукрепленных грунтов от числа приложения нагрузки при обычном и комбинированном уплотнении // Новое в разработке комплексных методов укрепления грунтов при строительстве автомобильных дорог. - М., 1984. - (Тр. /Союздорнии).

39. Васильев Ю.М., Зайцева С.К. Усадка при твердении цементогрунта // Укрепление грунтов вяжущими в дорожном строительстве. - М., 1970. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 38).

40. Могилевич В.М., Щербакова Р.П. Подбор состава цементогрунта с учетом технологии работ // Автомоб. дороги. - 1962. - № 2.

41. Кузнецов В.А., Пермяков В.Б. Исследование эффективности в области применения цементогрунта при строительстве дорог в условиях Западной Сибири. - М., 1966. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 14).

42. Ставицкий В.Д. Влияние скорости укатки на прочность цементогрунта // Автомоб. дороги. - 1964. - № 5.

43. Богуславский A.M. Устройство дорожных одежд из цементогрунта// Автомоб. дороги. - 1964. - № 2.

44. Васильев Ю.М., Зайцева С.К. Повышение трещиностойкости цементогрунта // Автомоб. дороги. - 1970. - № 10.

45. Васильев Ю.М. Требования к деформативной способности укрепленных грунтов // Применение укрепленных грунтов при строительстве дорожных одежд с использованием отходов промышленности в качестве вяжущих и добавок химических веществ. - М., 1981. - (Тр. / Союздорнии).

46. Агапова Р.А., Любимова Т.Ю. Исследование прочностных и деформационных свойств цементогрунта при различных добавках цемента. - М., 1965. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 5).

47. Славуцкий О.А. Трещинообразование в цементогрунтовых слоях дорожных одежд // Автомоб. дороги. - 1969. - № 3.

48. Щербакова Р.П., Шестаков В.П. Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения влажного цементогрунта. - В сб.: Материалы VII Всесоюз. совещ. по закреплению и уплотнению грунтов. - Л.: «Энергия», 1971.

49. Щербакова Р.П., Никитин В.П. Влияние повторного механического воздействия на прочность цементогрунта. - В сб. ст.: Вопросы строительства автомобильных дорог. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1970.

50. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1966.

51. Шестоперов С.В. Технология бетона. - М.: Высш. шк., 1977.

52. Пинус Э.Р., Коновалов СВ., Радин A.M. Строительство цементобетонных покрытий автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1975.

53. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований. - М.: Транспорт, 1987.

54. Казарновский В.Д., Мирошкин А.К. Основы нормирования и обеспечения требуемой степени уплотнения земляного полотна автомобильных дорог / Союздорнии. - М., 2002.

55. Фурсов С.Г. Уплотнение грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими // Наука и техника в дор. отрасли. - 2006. - № 4.

56. Киселев В.А. Балки и рамы на упругом основании. - М.: Гл. ред. «Строительные материалы», 1936.

57. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Высш. шк., 1987.

58. Фурсов С.Г. Основные направления в области исследований укрепленных грунтов // Научные исследования и разработки. - М., 2006. - (Тр. / Союздорнии).

РАГС - РОССИЙСКИЙ АРХИВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ, а также строительных норм и правил (СНиП) и образцов юридических документов

РАГС - РОССИЙСКИЙ АРХИВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ, а также строительных норм и правил (СНиП)
и образцов юридических документов