Совершенствование технологии устройства конструктивных слоев дорожных одежд из гумусированных глинистых грунтов, укрепленных цементом

На территории различных регионов РФ  в большом количестве имеются гумусированные грунты – черноземы, область применения которых, при прохождении по ним автомобильных дорог крайне ограничена. 
При строительстве автомобильных дорог стандартными инженерными решениями являются срезка и вывоз черноземного грунта с площадки ведения дорожных работ или рассмотрение его стабилизации или укрепления неорганическими вяжущими для последующей возможности применения.
 

В соответствии с нормативными требованиями для укрепления цементами применяют все виды пылеватых и глинистых грунтов с числом пластичности не более 12, при этом не допускается применять грунты, содержащие гумусовые вещества в количестве 2 % по массе, в I и II дорожно-климатических зонах, более 4 % – в III-V зонах. 

Как показывает опыт отечественного и зарубежного строительства для решения вышеуказанных задач применение одного неорганического вяжущего в виде извести или цемента в большинстве случаев не обеспечивает требуемых физико-механических показателей укрепляемого слоя из гумусированного грунта. 

В настоящее время в дорожном строительства при укреплении грунтов неорганическими вяжущими, для улучшения их физико-механических свойств, широкое применение находят различного рода добавки-модификаторы и стабилизаторы. По вопросу эффективности применения добавок при укреплении грунтов неорганическими вяжущими проведено большое количество отечественных и зарубежных исследований и получен положительный опыт в области строительства и ремонта автомобильных дорог. На сегодняшний день различными производителями предлагается большое количество разнообразных добавок к цементу, применяемых при выполнении работ по укреплению материалов. Для разработки методов  совершенствования технологии укрепления гумусированных грунтов цементом была взята   отечественная химическая - модификатор  «MADOR», разработка специалистов кафедры «Строительства и эксплуатации автомобильных дорог» Воронежского государственного технического университета. Модификатор «MADOR» представляет собой тонкодисперсный порошок, применяемый совместно с цементом и повышающий физико-механические характеристики укрепленного цементом грунта или каменных материалов. На применение модификатора получен патент на изобретение, а его эффективность и область применения подтверждена лабораторными и опытно-экспериментальными исследованиями.

Для разработки технологических приемов, позволяющих укреплять гумусированный грунт цементом и получать пригодный материал разработан метод, заключающийся  в «закреплении» цементом гумусированного грунта, выдержке технологического перерыва с последующей его деструкцией и размельчением, внесением цемента в объеме необходимом для его укрепления в комплексе с модифицирующей комплексной добавкой, позволяющей довести прочностные  физико-механические характеристики укреплённого цементом грунта до требований нормативных документов. 

Под «закреплением» грунта понимается придание ему прочностных и улучшенных водно-физических свойств путем введения дозировок вяжущего, превышающих нормы стабилизации, то есть более 2%, но при этом без доведения  физико-механических характеристик до нормативных требований  укрепленного грунта. Областью применения разрабатываемой технологии является устройство временных подъездных дорог для объектов выполнения строительных работ, устройство дорог к объектам нефте-газового комплекса, устройство дорог для сельскохозяйственных нужд, обеспечение проезда военной техники в условиях боевых действий, устройство грунтовых покрытий для дорог с низкой интенсивностью. 

Внедрение технологии укрепления гумусированных грунтов, с качественными показателями не соответствующими нормативным требованиям, в капитальное строительство для дорог с высокой интенсивностью движения требует проведения большого комплекса опытно-экспериментальных исследований с разработкой отдельных нормативных документов и является отдельным научным направлением. Но разработка технических приемов позволяющих применять не пригодные гумусированные грунты – черноземы для укрепления их цементом для вышеуказанных технических задач крайне эффективно с технико-экономической точке зрения. 

В лабораторных исследованиях применялась проба гумусированного грунта, число пластичности исследуемого грунта составляет 17,96, что соответствует глине, содержание гумуса в исследуемой пробе составляет 12,43%, при  верхней нормативной  границе - 4%. Подготовка лабораторных образцов осуществлялась при оптимальной влажности по ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства». 

В лабораторных условиях подготовлено 2 серии образцов гумусированного грунта, обработанного цементом. 

Серия №1 укреплялась цементом в объеме 240 кг/м3  от массы сухого грунта.

Серия №2 в грунт предварительно вводился цемент 40 кг/м3,  далее через сутки после разрыхления грунта, вводился цемент в объеме 240 кг/м3 от массы сухого грунта и модификатор «Mador»  – 2,5% от общей массы цемента.

В результате исследований проведены лабораторные испытания по физико-механическим показателям. Показатели физико-механических свойств укреплённых цементом гумусированных глинистых образцов представлены в табл. 1. 

Таблица 1

Показатели физико-механических свойств укрепленного цементом гумусированного глинистого грунта - чернозема

В ходе проведения лабораторных исследований установлено, что образцы серии № 2 с добавкой-модификатором при попадании на них воды обладают водоотталкивающими гидрофобными свойствами, что связано с действием химической добавки. Вода находится на поверхности расколотого образца и не впитывается не менее 1 минуты. Результаты испытаний образцов серии № 2 глинистого грунта с ненормативным содержанием гумуса, укрепленного по разработанной технологии, показали соответствие нормативным требованиям по коэффициенту морозостойкости 0,78, а также наибольшей прочности и прочности при сжатии после 10 циклов замораживания и оттаивания — 6,84 МПа. Образцы серии № 1 глинистого гумусированного грунта, укрепленные цементом в один прием без химической добавки, не соответствуют нормативным требованиям по морозостойкости и не могут применяться в дорожном строительстве для устройства конструктивных слоев дорожных одежд. Предварительное введение цемента и применение химической добавки-модификатора позволило достичь требуемого показателя морозостойкости и более высокой прочности образцов
в водонасыщенном состоянии, в том числе за счет придания водоотталкивающих гидрофобных свойств укрепляемому цементом грунту. После определения физико-механических показателей укрепленного цементом гумусированного глинистого грунта-чернозема, проведены исследования его микроструктуры. Микроструктуру исследуемых образцов и их элементный состав изучали с помощью метода сканирующей электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе марки Phenom XL. Результаты микроскопических исследований образцов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Микрофотографии образцов: фото сверху — серия № 1, гумусированный грунт, укрепленный цементом 240 кг/м3; фото снизу — серия 2, гумусированный грунт, укрепленный цементом и модификатором по предлагаемой технологии

По микрофотографиям образца серии № 2 видно, что он имеет ярко выраженную кристаллическую структуру, состоящую из частичек разного размера, плотно сросшихся между собой. Кроме того, имеются крупные друзы — сростки гидроалюмосиликатов кальция с соединениями азота, которые представлены монолитными столбцами. Результаты микроскопических исследований показывают значительное преобладание кристаллической структуры с монолитными новообразованиями образцов серии № 2, что подтверждает их более высокие прочностные свойства.                                                                                                                                                            

 Таблица 2
Ориентировочный расход цемента и модифицирующей химической добавки

Проведенные лабораторные исследования по укреплению гумусированных грунтов цементом по предлагаемой технологии предварительного «закрепления», последующей деструкции, размельчения и укрепления грунта цементом и химической добавкой модификатором "MADOR" показали свою эффективность.
Для реализации предлагаемой технологии предложены усредненные нормы расходов цемента и модификатора для укрепления гумусированных глинистых грунтов (табл. 2).
Грунты с содержанием гумуса, превышающим нормируемое значение — 4%, необходимо предварительно «закреплять» ориентировочно 3–5% цемента.

Указанные дозировки цемента могут показаться несколько завышенными для современного отечественного представления методологии укрепления грунтов, но они совпадают с исследованиями, проводимыми в Советском Союзе в середине прошлого века, и современным видением ряда зарубежных исследователей и дают запас на снижение прочности конструктивного слоя в случае возможного преждевременного открытия движения по устроенному слою или при отсутствии должного ухода. Предлагаются следующие технологические операции выполнения работ по укреплению гумусированного грунта цементом и модификатором:
1. создание системы водоотвода на участке производства работ;
2. профилировка и уплотнение поверхности слоя, который будет укрепляться цементом;
3. распределение цемента в объеме 3–5% для «закрепления» слоя гумусированного грунта при его оптимальной влажности и смешение с грунтом;
4. подкатка устроенного слоя за 2–4 прохода катка;
5. технологический перерыв 24–48 часов;
6. распределение и смешение цемента и модификатора со слоем «закрепленного» гумусированного грунта;
7. уплотнение и уход за устроенным слоем.

Проведенные исследования показали принципиальную возможность и расширение видов гумусированных глинистых грунтов с числом пластичности и содержанием гумуса значительно выше требуемых нормативных показателей для укрепления их цементом. При этом применение такого рода грунтов требует применения специальных технологических приемов и химических добавок, позволяющих добиться требуемых физико-механических характеристик, и зависит от вида поставленной инженерной задачи.

Федор Матвиенко, к. т. н., доцент кафедры строительства и эксплуатации автомобильных дорог ВГТУ