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	-	-	-	-		-	8,0	1,4	1,3
АГ100	-	-	-			-	6,0	0,9	1,4
-		-				-	4,0	3,0	3,2
-		-	-			-	-	-	0,2	-
-		-		-		-	5,0	1,9	5,9
АГ75	-			-	9,6	-	4,3	-	0,8
АГ75	-			-		-	2,4	-	3,4
ЦГ 70	-	-		-			2,2	-	5,3
ЦГ 100	-	-		-		-	7,4	-	2,3
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

RK = 6,6RCT(КУ - 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.

5.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