Введение. В настоящее время, транспортная стратегия РФ направлена на увеличение объемов и улучшение качества дорожного строительства, что должно привести к уменьшению смертности в результате ДТП, улучшению качества жизни и экономическому росту в целом. Для успешной реализации вышесказанного, есть необходимость применения новых отечественных и зарубежных инновационных решений в дорожном строительстве. При этом следует обратить внимание на те технологии, которые способствуют сокращению сроков строительства, удешевлению стоимости и возможности использования местных строительных материалов. Одним из таких направлений, позволяющим успешно решать стоящие перед страной инфраструктурные задачи, является технология стабилизации и укрепления грунтов, которая находит все более широкое распространение в мире [1–21].
Начиная с 20-х годов прошлого столетия, вопросом изучения грунтов, укрепленных различными вяжущими, занимались многие научные школы. Однако укрепление грунтов вяжущими материалами различной природы не всегда способствует получению материала с заданными физико-механическими характеристиками. Это, в первую очередь, связано с тем, что грунт земляного полона автомобильной дороги воспринимает не только нагрузку от транспортных средств и вышележащих конструктивных слоев дорожной одежды, но и подвержен воздействию погодно-климатических факторов. Наибольшее влияние на него оказывает проникающая в поры вода и процесс попеременного замерзания и оттаивания. Поэтому необходимо при укреплении грунтов увеличивать не только их прочностные характеристики, но и изменять водоотталкивающие действие за счет применения стабилизаторов.
Стабилизаторы – довольно обширный класс по составу и своей природе веществ, основная задача которых состоит в формировании свойств дорожно-строительных материалов. Применение стабилизаторов возможно практически во всех циклах дорожного и аэродромного строительства. По результатам исследований и опыту строительства с использованием стабилизаторов, можно выделить ряд достоинств: они способствуют увеличению влагостойкости, плотности, морозостойкости грунтов, повышают модуль упругости конструктивного слоя, уменьшают затраты на земляные работы и использование дорожно-строительной техники [8–10].
Многолетние испытания в РФ и за рубежом показали, что с помощью гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) можно повысить водоустойчивость глинистых грунтов за счет нейтрализации сил поверхностного натяжения воды. Вместе с тем, перспективность использования ПАВ при стабилизации грунтов обусловлена их сравнительно низкой стоимостью, небольшим расходом, а также снижением потребности в вяжущих материалах. В последнее время ряд компаний активно продвигает различные новые добавки на основе кальция для стабилизации грунтов земляного полотна. Механизм действия этих коммерчески доступных добавок не всегда известен, а их запатентованный химический состав затрудняет прогнозирование их эффективности [12–21].
На сегодняшний день для строительства автомобильных дорог с использованием технологий стабилизации и укрепления грунтов на месте производства работ используется современная дорожно-строительная техника (ресайклеры, грунтовые фрезы, передвижные грунтосмесительные установки и т.д.). Высокопроизводительное зарубежное оборудование может обеспечить большую точность дозирования материала в грунт, а также однородность смеси, тем самым улучшить качество и сроки выполняемых работ. В связи с этим в последнее время к стабилизаторам грунтов заметно возрос интерес специалистов-дорожников как у нас в стране, так и за рубежом [6, 7].
Материалы и методы. В качестве грунта использовался суглинок легкий песчанистый Белгородского района. Наименование грунта было определено по результатам испытаний на определение числа пластичности и его гранулометрическому составу, согласно ГОСТ 25100-2011 [22]. Влажность на границе раскатывания WP (17,4 %), влажность на границе текучести WT (26,86 %), а также число пластичности IP (9,46) определяли по ГОСТ 5180-2015 [23]. Гранулометрический состав является важным параметром грунтов, дающим возможность оценить его физико-механические свойства. В данном исследовании использовался ситовой метод определения гранулометрического состава (табл. 1) с промывкой водой. Метод основан на разделении грунта по фракциям при просеивании его через набор стандартных сит с размерами отверстий 10; 5; 2; 1; 0,25; 0,1 мм [24].
Для обеспечения устойчивости земляного полотна и предотвращения осадок грунт необходимо уплотнять при оптимальной влажности до максимальной плотности. Количество прилагаемых усилий, необходимых для уплотнения грунта напрямую зависит от его влажности. Плотность скелета грунта будет увеличиваться до определенной границы вместе с увеличением влажности грунта, после чего пойдет на спад [25–26]. Физические значения влажности грунта при максимальной плотности скелета грунта называются оптимальными и определяются согласно ГОСТ 22733-2016 [27].
По графику зависимости плотности грунта от его влажности (рис. 1) можно сделать вывод, что максимальная плотность грунта ρmax = 1,82 г/см3 достигается при его оптимальной влажности Wопт = 15,15 %.
Водоудерживающую способность грунта определяли по ГОСТ 5802-86 [28] путём испытания слоя смеси, толщиной 12 мм, уложенного на промокательную бумагу. При проведении испытания 10 листов промокательной бумаги взвешивают с погрешностью до 0,01 г, укладывают на стеклянную пластину, сверху накладывают марлю, устанавливают сверху кольцо и ещё раз взвешивают. Тщательно перемешанную растворную смесь укладывают вровень с краями металлического кольца, взвешивают и оставляют на 10 мин. Далее снимают всю конструкцию вместе с раствором. Водоудерживающую способность находят, как разность масс промокательной бумаги в начале и в конце эксперимента.
Рис. 1. График зависимости плотности грунта от влажности
В качестве стабилизирующей добавки использовали модификатор торговой марки Baustab производства ООО «НПП «ЗИПо»». Данная добавка была специально разработана для стабилизации грунтов от туннельной проходки, обладающих высокой влажностью и, в связи с этим, не пригодных для транспортировки и дальнейшего использования в строительстве.
Добавка представляет собой порошок молочного-белого цвета, проход частиц грунта через сито 0,071 мм составляет более 95 %. Химический состав добавки представлен в табл. 2. Данный анализ проводился с использованием рентгенофлуоресцентного спектрометра. Стоит отметить, что данный состав является не точным, так как в порошке присутствовали соединения, которые не были определены в ходе исследования. Однако основной компонент добавки – это оксид кальция (более 93 %).
Основная часть. На первом этапе выполнения работы было исследовано изменение влажности грунта при введении добавки в переувлажненный грунт в количестве 3 и 6 % по массе сухого скелета грунта. В работе использовали грунт с влажностью на 50 %, 100 % и 150 % выше оптимальной. Так, в последнем случае грунт представлял собой подвижную субстанцию, а его влажность превышала влажность на границе текучести. Результаты исследования представлены в таблице 3.
Исходя из представленных результатов видно, что использование добавки незначительно отражается на изменении влажности грунта с течением времени. Так, при введении
3 % стабилизирующей добавки Baustab в грунт, увлажненный на 50 % выше оптимальной влажности, влажность грунта снизилась с 18,7 до
16,5 %, что составляет 2,2 % в течении часа. Грунт, переувлажненный на 100 % так же показал суммарное падение влажности на 1,8 %. При увеличении степени переувлажнения грунта на 150 % хочется отметить падение влажности на 1,5 % в первые 15 минут, но итоговое падение составляет 2,1 %, что сопоставимо с предыдущими результатами падения влажности переувлажненного грунта (+ 50 %, +100 %, +150 % от Wопт).
При введении 6 % добавки от массы сухого скелета грунта, переувлажненного на 50 % наблюдается падение влажности в течении часа на 2,9 % – с 17,0 до 14,1 %. Грунт, переувлажненный на 100 % при том же количестве стабилизирующей добавки, показал плавное падение влажности с 23,0 до 21,0 %, что составило 2,0 %. При увеличении степени переувлажнения грунта на 150 % суммарное падение влажности в течении часа составляет 1,3 % – с 28,6 до 27,3 %. Хочется отметить, что дальнейшее падение влажности в течении 23 часов является незначительным и составляет 0,8; 0,6; и 0,5 % для грунта, переувлажненного на 50, 100 и 150 % соответственно.
Таким образом, изменение влажности грунта при введении различного количества добавки составило 1–3 %. Это изменение возможно связано лишь с испарением воды с поверхности модифицированного грунта при перемешивании грунта с добавкой.
Несмотря на полученные результаты, грунт с добавкой Baustab приобретал плотную консистенцию, становился более вязким, частично агрегировался, отделение воды не наблюдалось. Причем сорбционную способность добавки можно было визуально наблюдать в первые 10 минут после ее введения в состав грунта (рис. 2).
Рис. 2. Грунт с добавкой Baustab
Исходя из этого, можно сделать вывод, что добавка притягивает и удерживает на себе излишки воды, находящейся между частицами грунта, как губка, то есть физико-химически связывает воду. Этому может способствовать наличие гидрофильных групп, которые и делают добавку гигроскопичной. Физико-химически связанная вода играет важную роль в процессах уплотнения грунта земляного полотна, так как она является пластификатором, ослабляет межмолекулярные связи частиц грунта. Наличие же свободной жидкости в капиллярах грунта способствует созданию дополнительных напряжений структуры грунта и отсутствие возможности качественного его уплотнения.
Далее было проведено исследование влияния добавки на водоудерживающую способность грунта, переувлажненного на 150 % от оптимальной влажности. Оценку проводили путем внесения добавки в переувлажненный грунт в количестве 1, 3, 6, 9 и 12 % по массе сухого скелета грунта. Водоудерживающая способность представлена на рис. 3.
Исследования показали увеличение данного показателя по сравнению с грунтом без добавки на 3,2; 4,3; 4,8; 6,5; и 6,9 % соответственно. По графику зависимости водоудерживающей способности от процентного соотношения стабилизирующей добавки, представленном на рисунке 3, хочется отметить «скачок» данного показателя с 91,42 % до 94,66 % при добавлении всего 1 % Baustab в грунт.
Рис. 3. Зависимость водоудерживающей способности от процентного соотношения стабилизирующей добавки Baustab
Данный показатель может положительно отразиться на прочности укрепленного цементом грунта в присутствии модификатора Baustab. То есть добавка способствует удержанию достаточного количество воды для нормального твердения цементного вяжущего.
Третьим этапом исследования было определение максимальной плотности и оптимальной влажности при различном процентном соотношении стабилизирующей добавки Baustab к массе исследуемого грунта (3, 6, 9 %). График зависимости плотности скелета грунта от влажности представлен на рисунке 4.
Данный показатель является одним из важнейших в дорожном строительстве и требует к себе особого внимания, так как для обеспечения устойчивости земляного полотна и предотвращения осадок грунт необходимо уплотнять при оптимальной влажности до максимальной плотности.
По графику зависимости плотности грунта от его влажности (рис. 4) видно, что максимальная плотность грунта при добавлении 3
% Baustab равна ρmax = 1,61 г/см3 и достигается при его оптимальной влажности Wопт = 9,2 %; при добавлении 6 % Baustab – ρmax = 1,59 г/см3 и достигается при его оптимальной влажности Wопт =
7,0 %; при 9 % Baustab ρmax = 1,59 г/см3 при влажности Wопт = 5,5 %. Проведенные испытания на определение максимальной плотности и оптимальной влажности грунта в процентном соотношении 3 %, 6 % и 9 % Baustab к массе испытываемого грунта показали уменьшение оптимальной влажности на 6 % и более относительно исходного грунта. При этом максимальная плотность не зависимо от количества добавки снизилась на 0,2 г/см3 и составила в среднем 1,6 г/см3. Исходя из этого, введение добавки в состав грунта приводит к снижению уплотняемости грунта. Однако, стоит обратить внимание на то, что использование добавки в составе грунта позволяет снизить влияние воды на уплотнение грунта, то есть график зависимости носит менее экстремальный характер. Грунт, содержащий 9 % Baustab при небольшой влажности (5,5 %) приобретает максимальную плотность (1,59 г/см3) и сохраняет ее при дальнейшем увеличении количества воды. Такой грунт теряет свою плотность только при увлажнении грунта более 10 %. Введение в исходный грунт меньшего количества добавки Baustab (3 и 6 %) лишь немного изменяет вышеописанные результаты исследований. Так графики изменения максимальной плотности в результате увеличении влажности грунта с использованием 3 и 6 % Baustab носят чуть более выпуклый характер по сравнению с грунтом, содержащим 9 % модификатора. Но влияние водной составляющей на уплотнение грунта также незначительно. Исходя из этого следует, что плотность грунта земляного полотна, модифицированного добавкой Baustab, будет минимально подвержена влиянию воды относительно исходного. Это положительно отразиться на его разуплотнении в неблагоприятный осенне-весенний период эксплуатации автомобильной дороги. Такой грунт скорее всего будет подвержен минимальным просадкам и потере прочностных характеристик.
Рис. 4. График зависимости плотности грунта от влажности
Анализ изменения оптимальной влажности грунта при введении различного количества добавки показывает, что для достижения максимальной плотности исходному грунту необходимо значительно большее количество воды (около 15 %) по сравнению с грунтом, модифицированным Baustab (требуется от 5,5 до 9,2 % воды в зависимости от количества модификатора). Водная составляющая грунта способствует увеличению подвижности частиц системы, увеличивая их уплотняемость. При достижении определенного количества воды плотность грунта снижается, то есть ее избыток приводит к разрыву связей между зернами грунта, пространство между которыми заполняется водой. Использование добавки в составе грунта способствует получению системы, обладающей высокой уплотняемостью, а, следовательно, и подвижностью уже при невысокой влажности модифицированного грунта. Более того, полученный грунт не теряет достигнутую максимальную плотность в широком диапазоне изменения количества воды в системе.
Выводы. Проведенные испытания стабилизирующей добавки Baustab показали целесообразность ее использования при укреплении грунтов для дорожного строительства, в частности, в качестве стабилизатора переувлажненного грунта. В работе использовали грунт с влажностью на 50 %, 100 % и 150 % выше оптимальной.
Изменение влажности грунта при введении различного количества добавки составило 1–3 %. Это изменение возможно связано лишь с испарением воды с поверхности модифицированного грунта при перемешивании грунта с добавкой. Несмотря на полученные результаты, грунт с добавкой Baustab приобретал плотную консистенцию, становился более вязким, частично агрегировался, отделение воды не наблюдалось. Исходя из этого, можно сделать вывод, что добавка притягивает и удерживает на себе излишки воды, находящейся между частицами грунта, как губка, то есть физико-химически связывает воду.
Исследования зависимости водоудерживающей способности от процентного соотношения стабилизирующей добавки Baustab показали увеличение данного показателя по сравнению с грунтом без добавки в диапазоне от 3 до 7 % соответственно. Хочется отметить «скачок» данного показателя с 91,42 % до 94,66 % при добавлении всего 1 % Baustab в грунт. Увеличение водоудерживающей способности грунта в присутствии модификатора Baustab может положительно отразиться на прочности укрепленного цементом грунта. То есть добавка будет способствовать удержанию достаточного количество воды для нормального твердения цементного вяжущего.
Проведенные испытания на определение максимальной плотности и оптимальной влажности грунта в процентном соотношении 3 %, 6 % и 9 % Baustab к массе испытываемого грунта показали уменьшение оптимальной влажности на
6 % и более относительно исходного грунта. При этом максимальная плотность не зависимо от количества добавки снизилась на 0,2 г/см3 и составила в среднем 1,6 г/см3. Исходя из этого, введение добавки в состав грунта приводит к снижению уплотняемости грунта. Однако, стоит обратить внимание на то, что использование добавки в составе грунта позволяет снизить влияние воды на уплотнение грунта. Использование добавки в составе грунта способствует получению системы с максимальной плотностью уже при невысокой влажности модифицированного грунта. Более того, полученный грунт не теряет достигнутую максимальную плотность в широком диапазоне изменения количества воды в системе. Это положительно отразиться на его разуплотнении в неблагоприятный осенне-весенний период эксплуатации автомобильной дороги. Такой грунт скорее всего будет подвержен минимальным просадкам и потере прочностных характеристик.
