Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Для полномасштабного использования отходов тепловых электростанций – золошлаковых смесей, в качестве строительного материала земляного полотна автомобильных дорог необходимо обосновать их механические характеристики, в частности – модуль упругости этого техногенного грунта и его изменение в зависимости от влажности. В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований по определению несущей способности (модуля упругости) насыпи земляного полотна из золошлаковой смеси от сжигания углей Экибастузского бассейна. В ходе исследований проводились штамповые испытания, при этом влажность земляного полотна искусственно изменялась. В результате установлена зависимость величины модуля упругости ЗШС в теле насыпи от влажности этого техногенного грунта. Дополнительно проведено сравнение результатов определения величин этого показателя, полученных на лабораторных образцах и в натурных условиях.
автомобильные дороги, земляное полотно, золошлаковая смесь, несущая способность, модуль упругости
Введение. Повышение объёмов промышленного производства вызывает постоянное увеличение потребности страны в тепло- и электроэнергии. Несмотря на усилия по разработке новых источников энергии, на большей части Сибирского, Уральского и Дальневосточного федеральных округов энергия генерируется на тепловых электростанциях (ТЭС) за счёт сжигания ископаемых углей. При этом способе производства энергии образуется огромное количество отходов (до 45 % от количества сжигаемого угла) в виде золошлаковых смесей (ЗШС), которые складируют в специализированных отвалах. Поскольку переход на новые источники энергии является делом отдалённой перспективы, в ближайшие десятилетия количество золошлаковых отходов будет только увеличиваться и, по прогнозам, к 2030-му году их количество в РФ достигнет 2,0 млрд. тонн.
В то же время в крупных городах РФ остро стоит вопрос нехватки кондиционных грунтов для сооружения земляного полотна автомобильных дорог и выполнения вертикальных планировок территорий для промышленного и гражданского строительства. Поскольку стоимость пригородных земель очень высока, под карьеры выделяют участки с переувлажнёнными глинистыми грунтами, как правило, расположенные за десятки километров от строящихся объектов. Это не только увеличивает стоимость этих объектов, но и усложняет производство работ, может снижать качество конструкции.
Многолетний иностранный и отечественный опыт показывают возможность эффективной утилизации ЗШС в строительстве [1, 2], в том числе при возведении земляных сооружений [3–7]. Однако имеются данные о существенных различиях в механических свойствах ЗШС разного генезиса [8, 9]. Поэтому мы выполняем комплексные исследования по определению механических характеристик (в том числе модуля упругости) ЗШС от сжигания Экибастузских углей, которые другими авторами ранее не выполнялись.
Методика испытаний. Несущая способность дорожной конструкции характеризуется эквивалентным модулем упругости её конструктивных слоёв. Для изучения модуля упругости золошлаковых смесей в натурных условиях был построен опытный участок автомобильной дороги с земляным полотном из ЗШС. Конструкция земляного полотна представляет собой насыпь высотой
Для возведения земляного полотна использовали ЗШС (от сжигания Экибастузского угля) с влажностью 40 % из отвала ТЭЦ-
Среди всех методов определения модуля упругости конструктивных слоёв в дорожной отрасли наибольшее распространение получил метод штамповых испытаний. Модуль упругости земляного полотна опытного участка оценивался дважды – после его возведения, в июле 2010 г, и в июле 2017 г.
Рис. 1. Поперечный профиль дорожной конструкции опытного участка
Первый цикл испытаний проводили по методике Э.В. Костерина [11]. Измерение модуля упругости выполняли путём установки жёсткого штампа на поверхности земляного полотна в трёх точках участка.
Доведение ЗШС до влажности, соответствующей расчётному периоду, осуществляли путём увлажнения земляного полотна посредством дождевания поверхности. Для испытаний применялся жёсткий металлический штамп диаметром 0,33 м. Нагрузка передавалась посредствам гидравлического цилиндра с максимальным усилием 40 кН, который был установлен в подрессоренную часть грузового автомобиля. Нагрузку прикладывали ступенями по 0,05 МПа до достижения максимального расчетного значения
0,3 МПа. Процесс выполнения испытаний изображен на рисунке 2.
|
а |
|
б |
Рис. 2. Проведение штамповых испытаний на поверхности земляного полотна из ЗШС:
а – установленный на насыпе автомобиль; б – измерение осадок штампа при нагружении
Отбор проб для определения влажности осуществляли с верхней части земляного полотна. Определение влажности ЗШС после испытаний проводили по методу высушивания до постоянной массы по ГОСТ 5180-2015 [12].
Второй цикл испытаний выполняли по методике ОДМ 218.5.007-2016 [13]. Испытания проводили в четырех точках земляного полотна. Перед испытаниями были сделаны вырубки в покрытии и основании.
Для второго цикла штамповых испытаний использовался жёсткий пресс-штамп ПШ-050С диаметром 300 мм, нагружаемый при помощи гидравлического цилиндра с максимальным усилием 50 кН. Домкрат устанавливали в подрессоренную часть загруженного автомобиля марки ЗИЛ-130. Индикаторы часового типа ИЧ-10 крепили к стальной балке, не допускающей перемещений под действием ветра, нагрузок и случайных прикосновений к ней. Размещение штампа в лунке и его крепление к автомобилю показано на рис. 3.
Нагрузку на штамп прикладывали ступенями, как указано в [13], контроль нагрузки вели с помощью электронного динамометра
ДЭП/3-1Д-50С-2. При ступени 0,33 МПа, были отмечены предельные для испытаний деформации (5,0 мм), поэтому нагружение проводили только до этого уровня. После достижения максимальной нагрузки, производили разгрузку нагрузочной плиты в три ступени до уровней
50 %, 25 % и 2 % от максимальной нагрузки. На завершающей стадии эксперимента выполняли вторичное нагружение, без ступени, с максимальной нагрузкой. По полученному в результате графику испытаний штамповой установкой и определяли модуль упругости. По результатам статистической обработка, некоторые значения выборки исключались.
После испытаний земляного полотна с природной влажностью было проведено его водонасыщение посредством подачи воды через шланг в лунку (см. рис. 3а).
Далее проводили повторные испытания по вышеуказанной методике. Контроль полученной влажности ЗШС проводили по [12] путём отбора проб после испытаний. Отбор проб осуществляли с поверхности и путём вертикального бурения земляного полотна для получения образцов с глубины 0,4 м и 0,8 м. Для каждой лунки отбирали не менее 9 образцов на влажность.
|
а |
|
б |
|
в |
Рис. 3. Проведение штамповых испытаний земляного полотна из ЗШС:
a – водонасыщение золошлаковой смеси перед испытанием; б – установка нагружающего устройства;
в – измерение осадок штампа при нагружении
В процессе проведения эксперимента была отмечена следующая особенность. При увлажнении земляного полотна приходила потеря воды не только за счёт частичного испарения, но и за счёт значительного дренирования влаги в нижележащие слои ЗШС. Несмотря на низкий коэффициент фильтрации ЗШС (0,02 м/сут.), влажность этого материала в течение суток падала с 50 до 30 % по массе, а ещё через сутки до 20 %. Наблюдения на протяжении двух недель показали, что влажность ЗШС стабилизировалась на уровне 18 %. Это подтверждает ранее выдвинутое положение [10] о быстром сбросе излишней влаги из ЗШС, до уровня, близкого к оптимальной.
Результаты определения модуля упругости. Испытания в 2010 г. году проводились однократно в трёх точках, только при естественной влажности.
В ходе испытаний в 2017 г. было выполнено пять циклов испытаний в течение года, в каждом из которых измерение проводили в четырёх точках. Модуль упругости определяли по формуле:
(1)
где Δ𝜎𝜈2–приращение нагрузки, создаваемой штампом по ветви вторичного нагружения при росте от 30 до 70% от максимального её значения, МН/м2;
Δs𝜈2 – приращение осадки, штампа по ветви вторичного нагружения при росте нагрузки от 30 до 70 % от максимальной нагрузки.
Результаты первого и второго испытания, обработанные по методике ОДМ 218.5.007-2016 [13], приведены в таблице 1.
Результаты экспериментов показывают существенное влияние влажности на несущую способность ЗШС. Этот факт ранее отмечался в исследованиях Pandian [8]. Он определял CBR (калифорнийское число несущей способности) отвальных шлаков, золы-уноса и топливного шлака при насыщении их водой и получил похожие результаты. Сравнивать данные из его работы с результатами наших испытаниями можно в силу наличия прямой связи модуля упругости и CBR [14].
Существенное снижение модуля упругости ЗШС при увлажнении так же подтверждается опытами Toth et al [14], в которых обнаруживается снижение несущей способности этого техногенного грунта при водонасыщении в 1,43–1,99 раза, в зависимости от условий испытаний. Подобное поведение характерно для большинства природных грунтов, что подтверждается опытами Н.Н. Маслова [16].
Установлено, что изменений несущей способности насыпи из ЗШС за семь лет (с 2010 г.) практически нет, несмотря на многочисленные природные деструктивные воздействия (водонасыщение – высушивание, замораживание – оттаивание). Не изменилась и первоначальная плотность ЗШС (Купл = 0,95). Следовательно, увеличение прочности ЗШС со временем, отмеченное в работе Н.И. Барац [17], характерно для ЗШС в отвале, уложенной гидромеханизированным способом с постепенным отводом избыточной влаги и возможным возникновением слабых конденсационно-кристаллизационных связей.
Результаты натурного эксперимента на насыпи сравнивали с результатами лабораторных исследований, проведённых по методике ВСН 29-76 [18] в рамках предыдущих исследований [19]. На графиках (рис. 4) представлено сравнение результатов лабораторных и натурных испытаний ЗШС.
Таблица 1
Модуль упругости на поверхности земляного полотна из ЗШС
|
Номер точки |
Влажность материала, % по массе |
Относительная влажность |
Модуль упругости Eу, МПа |
|||
|
0,0 м |
0,4 м |
0,8 м |
Средняя |
|||
|
Испытания земляного полотна естественного сложения (август 2010) |
||||||
|
1 |
40,5 |
- |
- |
40,5 |
0,72 |
25,81 |
|
2 |
40,2 |
- |
- |
40,2 |
0,72 |
26,12 |
|
3 |
39,6 |
- |
- |
39,6 |
0,71 |
26,45 |
|
Испытания земляного полотна естественного сложения (август 2017) |
||||||
|
1 |
23,35 |
21,26 |
18,76 |
21,12 |
0,38 |
33,96 |
|
2 |
21,35 |
20,62 |
18,24 |
20,07 |
0,36 |
31,37 |
|
3 |
23,8 |
22,11 |
20,12 |
22,01 |
0,39 |
31,40 |
|
Испытания земляного полотна после первого увлажнения (август 2017) |
||||||
|
1 |
32,27 |
27,06 |
26,28 |
28,54 |
0,51 |
31,19 |
|
2 |
31,38 |
27,78 |
25,93 |
28,36 |
0,51 |
29,20 |
|
3 |
31,34 |
28,91 |
26,94 |
29,06 |
0,52 |
27,11 |
|
Испытания земляного полотна после второго увлажнения (сентябрь 2017) |
||||||
|
1 |
44,58 |
43,26 |
41,94 |
43,26 |
0,77 |
20,09 |
|
2 |
41,71 |
39,65 |
37,90 |
39,75 |
0,71 |
25,74 |
|
3 |
43,07 |
42,53 |
41,39 |
42,33 |
0,76 |
25,84 |
|
Испытания земляного полотна после третьего увлажнения (сентябрь 2017) |
||||||
|
1 |
35,38 |
34,02 |
32,66 |
34,02 |
0,61 |
26,35 |
|
2 |
38,39 |
35,11 |
31,83 |
35,11 |
0,63 |
29,25 |
|
3 |
36,86 |
35,57 |
34,27 |
35,57 |
0,64 |
26,46 |
|
Испытания земляного полотна в процессе осеннего влагонакопления (октябрь 2017) |
||||||
|
1 |
45,66 |
45,94 |
43,33 |
44,98 |
0,80 |
20,00 |
|
2 |
51,10 |
42,20 |
33,33 |
42,21 |
0,75 |
21,33 |
|
3 |
54,11 |
45,07 |
34,27 |
44,48 |
0,79 |
22,08 |
|
4 |
45,21 |
44,03 |
41,64 |
43,63 |
0,78 |
21,93 |
Рис. 4. Графики изменения модуля упругости при изменении влажности ЗШС:
– то же при первом испытании насыпи из ЗШС (в 2010 г.);
– значения модуля упругости ЗШС при разной влажности, полученные в лабораторных условиях
На графиках виден близкий характер закономерностей изменения значений модуля упругости при росте влажности ЗШС, полученного в лабораторных условиях и на опытном участке. Снижение модуля упругости ЗШС в ходе натурного эксперимента составило 0,27 МПа при повышении относительной влажности на 0,01. Снижение модуля упругости ЗШС в рамках лабораторного исследования оказалось гораздо больше – 0,72 МПа на каждые 0,01 увеличения относительной влажности.
Таким образом, обе зависимости показывают устойчивое падение несущей способности (Еу) ЗШС при её дополнительном увлажнении, особенно при величине относительной влажности 0,7 и более. При этом следует отметить, что столь высокое водонасыщение ЗШС было осуществлено искусственно, из условий эксперимента. В реальных условиях происходит сброс воды из массива ЗШС до уровня относительной влажности
0,30–0,35, при котором несущая способность сооружения является максимальной (в рамках текущего исследования). Тем не менее, полученные результаты свидетельствуют, что при отсыпке насыпи из ЗШС "на воду", или при длительном подтоплении такой насыпи несущая способность нижних слоёв, находящихся в воде, будет достаточно мала. В этих случаях могут быть использованы различные способы повышения несущей способности ЗШС, например, способ, рекомендованный нами в патенте № 2614236 [20].
Сопоставление результатов определения модуля упругости ЗШС на лабораторных образцах по методике ВСН 29-76 [18] и на опытном участке (по методике ОДМ 218.5.007-2016 [13]) свидетельствует, что лабораторные испытания могут дать общую закономерность изменения параметра (Еу) под воздействием какого-либо фактора (W), однако численные значения этого параметра, полученные на лабораторных образцах, можно использовать при расчётах несущей способности дорожных конструкций с осторожностью. Это связано с масштабным фактором при испытаниях в лаборатории, влиянием жёсткой формы, в которой находится лабораторный образец при нагружении штампом. Кроме того, структура (а значит и свойства) образцов, уплотнённых прессованием или ударной нагрузкой, отличается от аналогичных образцов, полученных методами уплотнения, применяемыми на дороге (укатка, вибрация).
Испытания показали, что в целом исследованная ЗШС соответствует среднедеформируемым грунтам по Российской классификации, в то время, как по результатам опытов Martin et al. она может быть классифицирована, как малосжимаемый (с высокой жёсткостью) грунт [21].
Подводя итоги, можно констатировать, что несущая способность (Еу) насыпи из ЗШС от сжигания углей Экибастузского бассейна не ниже, чем насыпи, построенной из большинства природных грунтов (кроме средних и более крупных песков) при любой реально достижимой степени увлажнения.
Выводы. По результатам исследований сделаны следующие краткие выводы:
- влажность оказывает существенное влияние на несущую способность земляного полотна автомобильной дороги из золошлаковой смеси. При возрастании влажности до максимального в рамках программы испытаний значения происходит падение модуля упругости в 1,5 раза для натурного эксперимента, и в 1,8 раза для лабораторного эксперимента.
- закономерность снижения несущей способности ЗШС при росте влажности имеет схожую тенденцию, как в лабораторных, так и натурных экспериментах. Но при росте относительной влажности на 0,01 модуль упругости при натурных испытаниях уменьшается на 0,27 МПа (0,8 %), а при лабораторных испытаниях уменьшается на 0,72 МПа (1,03 %);
- численные значения модулей упругости, полученные в лаборатории значительно выше, чем определённые в полевых условиях, что связано с использованием малого штампа, жёсткой металлической формы в ходе лабораторных испытаний, разной структурой образцов;
- характер снижения несущей способности (Еу) ЗШС при увлажнении имеет сходство с падением несущей способности природных грунтов при увлажнении;
- золошлаковые смеси от сжигания Экибастузских углей, относятся к среднедеформируемым грунтам и могут выступать как техногенный грунт для возведения земляного полотна автомобильных дорог с позиции механических свойств.
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №16-48-550508 р_а). Научные исследования выполнены за счёт средств бюджета Омской области
1. Толстой А.Д., Ковалева И.А., Новиков К.Ю. Совершенствование состава и свойств порошковых бетонов с техногенным сырьем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шу-хова. 2016. №2. С. 19-24.
2. Путилин Е.И., Цветков В.C. Примене-ние зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. М.: Изд -во Союздорнии, 2003. 58 с.
3. User Guidelines for Waste and Byprod-uct Materials in Pavement Construction. [Online] URL: https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/pavements/97148/019.cfm (date of reference: 28.09.2017).
4. Collins R. J. and L. Srivastava. Use of Ash in Highway Construction: Delaware Demon-stration Project, Final Report. Electric Power Re-search Institute, Report No. GS-6540, Palo Alto, California, November, 1989. 126 p.
5. Brendel G. F. and P. E. Glogowski. Ash Utilization in Highways: Pennsylvania Demon-stration Project. Electric Power Research Insti-tute, Report No. GS-6431, Palo Alto, California, June 1989. 132 p.
6. Haleema A., Luthrab S., Mannana B., Khuranaa S., Kumarc S. Critical factors for the successful usage of fly ash in roads & bridges and embankments: Analyzing indian perspective // Resources Policy. 2016. Vol. 49. Pp. 334-348.
7. Hadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of Ash-Slag Wastes of Electric Power Plants of Mongolia Applied to their Utilization in Road Construction // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150, Pp. 1558-1562.
8. Pandian N.S. Fly ash characterization with reference to geotechnical application // Journal Indian Institute of Science. Vol. 84. Pp. 189-216.
9. Pal S. K., Ghosh A. Shear strength be-havior of Indian flu ashes. Indian Geotechnical Conference Geotechnics in Infrastructure Devel-opment (GEOTIDE). Vol. 1. Pp. 18-22.
10. Иванов Е.В. Обоснование при-менения золошлаковых смесей для строи-тельства земляного полотна с учетом водно-теплового режима: дис…. канд. техн. наук. Омск. 2015. 165 с.
11. Костерин Э.В. Методические указания к лабораторной работе «Определе-ния штамповыми испытаниями модуля де-формации песчаного основания и распреде-ления в нем напряжений». Омск: Изд. СибА-ДИ, 1993. 12 с.
12. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Ме-тоды лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016. 20 с.
13. ОДМ 218.5.007-2016. Методи-ческие рекомендации по определению модуля упругости статическим штампом. М.: ФГУП ИНФОРМАВТОДОР, 2016. 24 с
14. Болдырев Г.Г. Мельников A.В., Новичков А.Г. Интерпретация результатов лабораторных испытаний с целью определе-ния деформационных характеристик грунтов // Инженерные изыскания. 2014. № 5-6. С. 98-108.
15. Toth P.S., Chan H.T., Cragg C.B., Coal ash as structural fill with special reference to Ontario experience // Canadian Geotechnical Journal. Vol. 25 Pp. 694-704.
16. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Изд-во Высшая школа, 1968. 626 с.
17. Барац Н.И. Инженерно-геологические условия г. Омска и их измене-ние в результате деятельности человека: дис.… канд. г-м. наук. Москва, 1974. 174 с.
18. ВСН 29-76. Технические указа-ния по оценке и повышению технико-эксплуатационных качеств дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1977. 102 с.
19. Лунёв А.А., Сиротюк В.В., Ива-нов Е.В. Результаты исследований деформа-ционных характеристик золошлаковых сме-сей // Вестник СибАДИ. 2017. № 1. С. 103-110.
20. Пат. 2614236 Российская Фе-дерация, МПК E 02 B 3/06. Способ формиро-вания набережных с использованием пульпы золошлаковых отходов / А.А. Лунёв, В.В. Си-ротюк; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО СибАДИ". № 2015149068, заявл. 16.11.2015; опубл. 23.03.2017, Бюл. № 9. 1 с.
21. Martin J.P., Collins R.A., Browning J.S., Biehl F.J. Properties and use of fly ashes for embankments // Energy. Vol. 116(2). Pp. 71-86.
