Транспортное освоение лесосырьевой базы с использованием укрепленных грунтов шлакосиликатным вяжущим тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Викулин Игорь Александрович

• Викулин Игорь Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Викулин Игорь Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ УКРЕПЛЕНИЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМИ И ТОПЛИВНЫМИ ШЛАКАМИ

1.1. Возможность использования фосфорных гранулированных

шлаков для приготовления вяжущих веществ

1.2. Выводы по первой главе

2. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методика исследований продуктов взаимодействия фосфорного шлака и жидкого стекла

2.2. Методика исследований взаимодействия грунта

с шлакосиликатным вяжущим

2.3. Методика исследований физико-механических свойств грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОСФОРНОГО ШЛАКА, ЖИДКОГО

СТЕКЛА И ГРУНТА

3.1. Кинетика взаимодействия фосфорного шлака

и фосфорсодержащего стекла с жидким стеклом

3.2. Фазовый состав новообразований шлакосиликатного вяжущего

3.3. Взаимодействие грунта с шлакосиликатным вяжущим

3.4. Выводы по третьей главе

4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ШЛАКОСИЛИКАТНЫМ ВЯЖУЩИМ

4.1. Влияние влажности на прочность укрепленных грунтов

4.2. Влияние состава жидкого стекла и дозировки шлака

на прочность укрепленного грунта

4.3. Прочностные и деформативные показатели грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущими

4.4. Водостойкость укрепленных грунтов

4.5. Морозостойкость укрепленного грунта

4.6. Влияние условий твердения на прочность грунтов,

укрепленных шлакосиликатным вяжущим

4.7. Влияние степени засоления грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, на их физико-механические свойства

4.8. Влияние продолжительности технологического процесса приготовления шлакосиликатогрунтовых смесей на их

конечную прочность после твердения

4.9. Влияние степени уплотнения на прочность шлакосиликатогрунта

4.10. Влияние степени предварительного измельчения грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, на их

физико-механические свойства

4.11. Влияние тонкости помола на гидравлическую

активность фосфорных гранулированных шлаков

4.12. Влияние условий хранения немолотого и молотого фосфорного гранулированного шлака на его гидравлическую активность

4.13. Выводы по четвертой главе

5. ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ, ПОСТРОЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОСФОРНЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ШЛАКОВ

5.1. Экономическая оценка применение грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим при строительстве лесовозных

автомобильных дорог

5.2. Выводы по пятой главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Транспортное освоение лесосырьевой базы с использованием укрепленных грунтов шлакосиликатным вяжущим»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В связи с ростом лесопромышленного производства грузооборот автомобильного транспорта только за период 2020-2022гг. вырос на 3% [32]. Интенсивно возрастающий грузооборот лесовозного автомобильного транспорта требует разветвлённой сети лесовозных автомобильных дорог, высоких темпов их строительства. Повышение темпов и снижение стоимости строительства лесовозных автомобильных дорог требуют рационального использования местных строительных материалов и в первую очередь грунтов, свойства которых могут быть улучшены добавками различных вяжущих материалов.

Степень разработанности проблемы. Грунты представляют собой сложные системы, характеризуемые полименеральными составом и сочетанием частиц разных размеров. Механические, физические и химические свойства таких грунтов определяются не только их происхождением и химико-минералогическим составом, но ив значительной степени их дисперсностью.

Тонкодисперсная часть грунтов, состоящая в основном из глинистых

минералов, по своим основным свойствам в значительной степени

отличается от крупных частиц грунта. Это отличие проявляется в ее высокой

удельной поверхности и характере структуры этой поверхности. Работами

Куртянова В.К., Филатова М.М., Кондрашовой Е.В., Григорьева И.В.,

Охотина В.В., Скрыпникова А.В., Таеритнева О.Н., Антипова-Каратаева

И.Н., Бурмистровой О.Н., Ребиндера П.А., Тимофеева В.А., Зеликова В.А.,

Морозова С.С., Афоничева Д.Н. [10, 12, 18, 24, 25, 29, 31, 34, 35, 37, 45, 48,

49, 52, 53, 55, 59, 64, 67, 69, 70, 71, 78, 90, 94] и других показано, что

тонкодисперсная часть грунтов является наиболее активной частью,

способной к химическому и физико-химическому взаимодействию с другими

тонкодисперсными веществами, в том числе с вяжущими материалами.

Поэтому при любых методах укрепления грунтов всегда необходимо

5

учитывать свойства, присущие тонкодисперсной части грунта, так как только на основе учета этих факторов рассчитывать по коренное изменение свойств грунтов.

Результаты укрепления в большой степени зависят также от состава и свойств применяемых вяжущих веществ. Регулируя свойства и дозировку вяжущего, можно изменять в ту или иную сторону свойства укрепленного грунта. Следовательно, при изучении вопросов, связанных с укреплением грунтов, изучение свойств самих вяжущих и процессов, происходящих при их твердении, должно являться одной из первостепенных задач. При этом учет свойств грунта и его способность к химическому и физико-химическому взаимодействию с вяжущими является необходимым условием.

В настоящее время на основе глубокого и всестороннего изучения свойств грунта разработаны методы из укрепления путем обработки вяжущими: битумом, дегтем, цементом и известью. Однако потребность в материалах удовлетворяется далеко не полностью. Поэтому поиски новых недефецитных материалов, пригодных для приготовления вяжущих, является актуальной проблемой, решение которой будет способствовать увеличению объемов строительства лесовозных автомобильных дорог. Такими материалами могут служить шлаки - побочные продукты металлургических, энергетических и химических предприятий.

Утилизация шлаков приводит как к повышению рентабельности основного производства, уменьшению непроизводительных затрат на организацию и содержание шлаковых отвалов, так и к снижению стоимости дорожно-строительных работ, замене дефицитных вяжущих, таких как цемент и известь, дешевыми местными материалами.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт [90, 47, 88], гранулированные шлаки имеют некоторые преимущества по сравнению с цементом и известью: они не требуют особых условий при складировании, перевозках; их свойства мало зависят от атмосферных условий.

В настоящее время в районах лесозаготовок выпускается около 5 млн. тонн шлаков в год. Однако для выявления возможности их использования в строительстве лесовозных автомобильных дорог необходимо провести специальные исследования.

Объект исследования. Транспортная инфраструктура лесосырьевых

баз.

Предмет исследования. Укрепленные грунты лесовозных автомобильных дорог.

Цель работы. Исследование и разработка способов повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, укрепленных фосфорными гранулированными шлаками с добавками жидкого стекла.

Задачи исследований:

- исследовать процессы взаимодействия фосфорных гранулированных шлаков с жидким стеклом, с обоснованием формирования структурного показателя оценки однородности;

- изучить процессы взаимодействия и физико-механические свойства вяжущего и грунтов;

- экспериментально исследовать влияние состава смеси и основных параметров технологического процесса на прочность укрепленных грунтов шлакосиликатным вяжущим;

- обосновать пути повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, и их технико-экономическую оценку.

Научная новизна. Результатами диссертационной работы, обладающими научной новизной, являются:

- результаты исследований процесса взаимодействия фосфорных гранулированных шлаков с жидким стеклом, отличающиеся качественной характеристикой оценки формирования структурного показателя однородности укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог;

- методика оценки структуры укрепленных грунтов, отличающаяся учетом количественного критерия, состава смеси и основных параметров технологического процесса на свойства укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог, шлакосиликатным вяжущим;

- закономерности факторов, влияющих на прочность укрепленных грунтов, отличающиеся параметрами количества и качества вяжущих, влажности исходного грунта и шлакосиликатных вяжущих, времени технологического цикла, режимов уплотнения и технологии приготовления смесей;

- зависимости повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, отличающиеся возможностью применения фосфорных гранулированных шлаков с жидким стеклом.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении закономерностей факторов, влияющих на прочность укрепленных грунтов от количества и качества вяжущих, влажности исходного грунта и смеси, шлакосиликатных вяжущих, времени технологического цикла, режимов уплотнения и технологии приготовления смесей, а также получение зависимостей повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог.

Практическая значимость состоит в том, что предложенные в настоящей работе решения повышения качества конструктивных слоев укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог осуществлены с учетом количества и качества вяжущих, влажности исходного грунта и шлакосиликатных вяжущих, времени технологического цикла, режимов уплотнения и технологии приготовления смесей. Полученные в результате этого теоретические структурные модели позволили количественно оценить повышение прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог и связать эту оценку с их свойствами.

Методология и методы исследования. Теоретическое исследование

произведено на основе методов математического моделирования, теории

8

управления, натурного эксперимента. Лабораторный эксперимент поставлен на основе апробированных методик, для его проведения разработаны оригинальная методика исследования и испытания конструктивных слоев укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог. Измерения проводили сертифицированными и поверенными приборами. При проведении расчетов и обработке результатов эксперимента использована современная компьютерная техника и применено лицензированное программное обеспечение.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований процесса взаимодействия фосфорных гранулированных шлаков с жидким стеклом, позволяющие дать качественную характеристику оценки формирования структурного показателя однородности укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог;

- методика оценки структуры укрепленных грунтов, позволяющая учесть новый количественный критерий оценки структуры материалов в зависимости от состава смеси и основных параметров технологического процесса на свойства укрепленных грунтов лесовозных автомобильных дорог, шлакосиликатным вяжущим;

- закономерности факторов, влияющих на прочность укрепленных грунтов, позволяющие коррелировать количество вяжущих, влажность исходного грунта и шлакосиликатных вяжущих, времени технологического цикла, режимов уплотнения и технологии приготовления смесей;

- критерии повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, позволяющие применить фосфорные гранулированные шлаки с жидким стеклом.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность

результатов обеспечена использованием методов математической статистики

при планировании эксперимента и обработке результатов.

Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и

9

рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными результатами, полученными в работе, базируются на результатах опыта строительства лесных дорог, не противоречат известным положениям научных методов математического моделирования и подтверждаются статистическими расчетами.

Результаты работы внедрены, использованы и апробированы при участии автора: ООО «Дубрава» (Калужская область, город Медынь); ООО «Центрлес» (Калужская область, город Медынь); ООО «Лестехсервис Регион» (Калужская область, город Медынь); ООО «Сибирский биоуголь» (Калужская область, город Медынь); ООО «Орион» (Новосибирская область, город Новосибирск).

Разработанные математические модели и программы для ЭВМ, реализующие эти модели, используются в учебном процессе: ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет».

Результаты работы обсуждались на международных и национальных научно-практических конференциях: Наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения; Теория и практика инновационных технологий в АПК; Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе; Прикладные вопросы физики (к 120-летию со дня рождения академиков И.В. Курчатова и А.П. Александрова) и др.

Личный вклад соискателя заключается в постановке цели, задач и выборе методов исследований, разработке программы и методики экспериментальных исследований, разработке методологии для разработки способов повышения прочности конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог, укрепленных фосфорными гранулированными шлаками с добавками жидкого стекла, проведении опытов, выполненных лично автором; получении аналитических зависимостей и проведении расчетов, разработке компьютерных программ, обработке результатов

эксперимента, выполненных при участии автора, подготовке публикаций по выполненной работе.

Публикации. Результаты исследований отражены в 17 научных работах общим объемом 4,7 п.л. (авторский вклад - 2,5 п.л.), из них 3 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России, одна статья в издании входящем в базу цитирования Scopus (авторский вклад - 0,08 п.л.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, включающих 41 рисунок и 19 таблиц, заключения, библиографического списка из 230 наименований и приложений. Объем диссертации - 186 страниц.

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ УКРЕПЛЕНИЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМИ И ТОПЛИВНЫМИ ШЛАКАМИ

В последние годы в дорожном строительстве для укрепления грунтов все больше находят применение различные шлаки и золы, как материалы менее дефицитные и позволяющие получить значительный экономический эффект [67, 76, 88].

Еще в середине прошлого столетия разрабатывались методы укрепления различных дорожно-строительных материалов доменными гранулированными шлаками. Хорошие результаты были получены при введении в верхний слой шлакового основания до 20% гранулированного доменного шлака [25]. Приготовенные в лаборатории образцы из смеси доменного отвального и гранулированного шлаков показали прочность при сжатии до 90 кг/см2. Технология строительства этого типа оснований сводилась к следующему.

В нижний слой основания укладывался, увлажнялся и уплотнялся шлаковый материал размером до 150 мм. Второй слой устраивался из шлака размером до 40 мм с добавками гранулированного шлака. После прикатки легким катком производили поливку водой (до равномерного увлажнения всего слоя) и окончательное уплотнение тяжелыми катками. Модуль деформации шлакового слоя укрепленного гранулированным шлаком, составляет 1200-1300 кг/см2.

Положительный опыт по применению доменных гранулированных шлаков был получен при изготовлении сборных плит для дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог из активизированного бетона [26], где в качестве вяжущего применен гранулированный шлак. Предел прочности при сжатии образцов из активизированного бетона на 28-й день естественного твердения составил 140 Кг/см2. После двухлетней

эксплуатации покрытие, устроенное из плит, находилось в удовлетворительном состоянии.

В последнее время отечественными учеными проводился целый ряд исследований в направлении разработки способов укрепления грунтов различными шлаками.

На основе проведенных исследований был сделан вывод, что наряду с применением портландцемента для стабилизации грунтов возможно также применение местных шлаковых цементов марки 50 и выше.

Силенко А.В., Долгих П.Д., Курьянов В.К., Скрыпников А.В., Тверитнев О.Н. Бондарев Б.А. и др.[41, 42] исследовали возможность использования для укрепления грунтов доменных гранулированных шлаков Кузнецкого, Магнитогорского, Новолипецкого, Старооскольского и многих Китайских металлургических заводов, котельные шлаки и золы от сгорания каменных и бурых углей Сибири и Китая. Было установлено, что на прочность укрепленного грунта оказывают влияние активность шлаков, качество и количество извести (активизатора), состав грунта, тонкость помола шлаков, соотношение грунта и вяжущего и условия твердения. Проведенные работы позволили рекомендовать использовать основные доменные шлаки как самостоятельное гидравлическое вяжущее, а кислые шлаки с добавлением извести.

Многолетние исследования, проведенные в лабораторных условиях и на опытных участках лесовозных автомобильных дорогах в производственных условиях, а также длительные (более 10 лет) наблюдения за поведением грунтов, укрепленных молотыми шлаками, в образцах и конструкциях показали, что укрепленный грунт обладает высокой прочностью и водоустойчивостью [41, 45, 48, 50, 62, 67, 80, 83].

Печерский И.А. и Ехлакова Н.Г. изучили возможность использования

для укрепления грунтов самораспадающихся шлаков электроплавильного и

феррохромового производства и установили, что введение

электроплавильных шлаков в количестве 20% в грунт придает им

13

водоустойчивость. Кроме того показано, что шлаки феррохромового производства являются более эффективной добавкой, чем известь при комплексной обработке грунтов цементов.

Применение укрепленных самораспадающимися шлаками грунтов в конструктивных слоях на ряде дорог показало, что этот метод перспективен и экономически выгоден.

За рубежом накоплен некоторый опыт укрепления грунтов гранулированными металлургическими шлаками.

Во Франции первые опыты по укреплению грунтов доменными гранулированными шлаками были проведены Пранди. Согласно полученным Пранди данным, смеси, укрепленные гранулированным шлаком, обладают эластичностью и медленным твердением, что препятствует образованию трещин в покрытиях. Нарастание прочности таких смесей происходит в период до 180 суток. Рекомендуемые составы: 20-30% немолотого гранулированного шлака от объема смеси и около 1% извести. Смесь рекомендуется приготавливать в установке и укладывать автогрейдером слоями толщиной 10-25см. Разрыв между смешением материала и окончательной отделкой покрытия может достигать 15 дней.

В районе города Чикаго и других больших городов США в течение нескольких лет использовали смесь, состоящую из топливных шлаков, золы и извести (66-72% шлака, 24-30% золы и 4-5% извести).

Как показал опыт использования, таких смесей на дорогах общего пользования в течение месяца достигают прочности при сжатии 140 кг/см2. При использовании таких смесей в основаниях автомобильных дорог общего пользования для обеспечения морозоустойчивости важно, чтобы они были уложены в начале лета и могли затвердеть до воздействия отрицательных температур. Кроме того материал необходимо защищать от увлажнения. На лесовозных дорогах эти рекомендации трудновыполнимы.

В Польше на ряде автомобильных дорог было построено несколько

участков с основаниями из щебня, укрепленного немолотыми

14

гранулированными шлаками, активизированными цементом. Проведенные лабораторные и производственные испытания позволили сделать вывод, что активные гранулированные шлаки могут быть использованы как для устройства основания конструктивных слоев, так и для устройства покрытий на ведомственных дорогах.

Из приведенных данных по использованию гранулированных шлаков в дорожном строительстве следует, что в настоящее время гранулированные шлаки вошли в практику дорожного строительства. При этом шлаки используются как самостоятельные или смешанные вяжущие с добавками извести или цемента.

Повышению реакционной способности шлаков и зол способствуют добавки солей и щелочей натрия, обладающих большей активностью по сравнению с известью или цементом.

В.Д. Глуховский и И.А. Пашков отмечали, что высокая активность соединений щелочных материалов и их большая растворимость по сравнению с соединениями щелочноземельных металлов обеспечивают быстрое и полное гидратационное твердение шлакового вяжущего, что приводит к образованию прочного водо- и морозоустойчивого каменного материала. На основании этого были разработаны технические условия на приготовление и применение грунтосиликатных бетонов, заполнителем которых служат местные грунты (70-75%), а вяжущим - тонкомолотые гранулированные шлаки с величиной удельной поверхности 2800-3000 см2/г (25-30%), активизированные раствором соды или другими щелочными соединениями (1,5-3,0%).

Работы, проведенные Ф.И. Хацетом, К.А. Князюком, М.А.

Коршуновым, подтвердили положения, выдвинутые В.Д. Глуховским и И.А.

Пашковым о возможности получения высокопрочного материала -

грунтосиликатов. Однако результаты, полученные В.П. Володько и М.А.

Коршуновым, не совпадают с данными В.Д. Глуховского. В.П. Володько и

М.А. Коршунов отмечают, что углекислый натрий в количестве 2,5% не

15

вызывает повышения гидравлической активности шлака. Только после введения в шлак более 5% соды его активность резко возрастает и достигает своего максимума при 10%. Причина отклонения полученных результатов, как правильно отмечают авторы, находится в различии используемых шлаков, в их химико-минералогическом составе, который в значительной степени определяется вяжущие свойства шлаков.

Шлаки по своему химическому и фазовому составу могут быть весьма разнообразны, поскольку их получают из различных сырьевых материалов (руды, плавня, топлива) и при различных температурных режимах Лапиным В.В. в составе различных шлаков было обнаружено свыше ста минералов. Среди них имеются минералы с самостоятельными гидравлическими свойствами, минералы способные к взаимодействию с различными добавками и инертные, не способные к гидролизу или взаимодействию с активизаторами. Естественно, что чем больше в шлаке содержится минералов, способных к самостоятельному твердению, тем выше их активность. Такие шлаки могут быть использованы как вяжущие -способные твердеть без каких-либо добавок.

Шлаки с незначительными содержанием минералов, способных к самостоятельному гидравлическому твердению, обладают меньшей активностью. Активность таких шлаков определяется свойствами других минералов, способных гидратироваться в присутствии различных добавок (активизаторов). Кроме того, на активность шлаков оказывает влияние количество и химической состав стекловидной фазы в шлаке. Не останавливаясь на теории строения стекла, можно считать, что вяжущие свойства стекловидной фазы обуславливается степенью их химической метастабильности и способностью образовывать с различными добавками гидратные соединения, обладающие в определенной степени вяжущими свойствами.

Таким образом, активность шлаков и возможность их использования

для приготовления вяжущих веществ зависит от содержания в шлаке

16

различных минералов, количества и состава стекловидной фазы обуславливается степенью их химической метастабильности и способностью образовывать с различными добавками гидратные соединения, обладающие в определенной степени вяжущими свойствами.

1.1. Возможность использования фосфорных гранулированных шлаков для приготовления вяжущих веществ

Основными минераллами фосфорных шлаков являются псевдоволластонит (а — СаО * БЮ2). В небольшом количестве часто присутствует метасиликат кальция - волластонит (Р — СаО * БЮ2). При содержании в шлаках 3,5-4,5% Al2O3 и 4,0-4,9% MgO основой кристаллической фазой является мелилит переменного состава от почти геленитового (2CaO* Al2O3* БЮ2) до почти окермативного (2CaO* MgO*2 БЮ2). Кроме того, во всех случах в шлаках присутствует минерал куспидин (3CaO*2 БЮ2).

Соединение фосфора при малом их количестве возможно входят в состав псевдоволластонита. По данным Гладких К.В., гранулированные фосфорные шлаки сложены метасиликатным стеклом. Основное отличие их от доменных шлаков заключается в повышенном содержании Р2О5 (до 3%), наличием СаF2 (до 3%) и малым содержанием Al2O3 (2-3%) против 5-16% в доменных шлаках.

По классификации шлаков и зол как исходных компонентов вяжущих,

разработанных Волженским А.В. и Виноградовым Б.Н., фосфорные

гранулированные шлаки относятся к малоактивным, а рекомендуемыми

условиями твердения вяжущих на основе этих шлаков являются

пропаривание и автоклавная обработка. Так при активизации фосфорных

гранулированных шлаков известью (до 15%) и тепловлажностной обработке

(пропаривание) можно получать материал с пределом прочности при сжатии

не выше 100-180 кг/см2. В условиях нормального твердения (что имеет место

17

при укреплении грунтов) исследуемые шлаки как и в чистом виде, так и в присутствии активизаторов твердения (извести и цемента) вяжущие свойства обнаруживают лишь в слабой степени.

Низкая активность фосфорных шлаков очевидно объясняется особенностью их химико-минералогического состава. Незначительное содержание в фосфорных шлаках глинозема, кстати говоря наиболее ценного компонента шлака, повышающего его активность, обуславливает получение шлаков, состоящих, в основном, из малоактивного метасиликатного стекла и метасиликатов кальция. Малая реакционная способность этих силикатов кальция и соответствующих им стекол общеизвестна и обуславливается весьма устойчивым строением их кристаллической решетки. Эта устойчивость будет еще большей в присутствии фосфора и фтора, являющихся хорошими минерализаторами и снижающими реакционную способность шлаков.

Все вышесказанное и обуславливают низкую гидравлическую активность фосфорных шлаков, которые даже в присутствии активизаторов твердения (известь, цемент) при нормальных условиях твердения вяжущие свойства обнаруживают лишь в слабой степени. Поэтому для повышения их активности необходимо искать иные активизаторы, способные увеличить реакционную способность фосфорных шлаков и позволяющие получить вяжущее, способное твердеть в нормальных условиях (что имеет место при укреплении грунтов лесовозных автомобильных дорог).

В качестве таких активизаторов могут быть использованы различные соли и щелочи натрия. При этом использование жидкого стекла вместо растворов едкого натра или соды дает больший эффект как в части прочности, так и долговечности бетонов и конструкций.

Эффективность использования жидкого стекла в качестве

активизирующей добавки для доменного шлака доказана многими

исследователями [39, 40, 56, 69, 70, 71, 73, 74, 75, 79, 81, 82, 83, 99 и др.]. Эта

эффективность обуславливается высокой активностью жидкого стекла, в

18

результате чего оно в той или иной степени взаимодействует со всеми минералогическими составляющими доменного шлака.

Процесс твердения доменного шлака под действием жидкого стекла разделяется на несколько стадий (90):

1. Щелочное корродирование стекловидной и кристаллической составляющей шлака под действием водных растворовщелочных силикатов;

2. Образование вторичных соединений вследствие взаимодействия между собой и щелочным силикатом продуктов разложения шлака.

3. Кристаллизация и карбонизация новообразований, количество и характер которых зависит от состава исходных продуктов.

Продукты взаимодействия фосфорных шлаков и жидкого стекла ранее не изучались и поэтому ответить на вопрос, какие продукты образуются при их взаимодействии, будут ли это высокопрочные и стабильные силикаты или какие-либо другие вещества, весьма затруднительно. Отсюда затруднительно ответить и на вопрос о качестве вяжущего, получаемого на основе фосфорных шлаков и жидкого стекла. Хотя предварительное суждение по этому вопросу, по-видимому, можно получить при рассмотрении различных силикатных систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Викулин Игорь Александрович, 2024 год

/ /

1 г

0 Г- И

С / /1

1 11 г 1II /

¿\\\ /

0 12 3 4 5 6

срок хранения; месяцы

л

£ а

н

\о о

3

1

1 с с А*

0 ( /1 V Лй £ -{]

С 2 $ ] У

ш

Г

0 12 3 4 5 6

срок хранения, месяцы

□ ■ при загпворении грунт-шлаковой смеси жидким стеклом удельного веса -1.20 г/см3: д • 1.15 г/см*; # -1.10 г/см' О ■ Ю5 г/см3

Рисунок 4.9. Изменение величины набухания образцов из укрепл енного грунта при длительном хранении в проточной воде (а) и спокойной воде (б).

Состав у крепленного грунта Предел прочности на растяжение при изгиба по срокам влажного хранения в сутках

Наименование грунта Плотность жидкого стекла, г/см3 Содержание жидкого стекла от веса грунтошлаковой РЛГРГ.И % до водонасытцения (Я ) кг/см2 после водонасытцения (Н.Ь) кг/см2 о4 о о ч-Ч * ■с ос 1 * Сх: ДО водонасытцения (К ) кг/см2 после водонасытцения (кЬ) кг/см2 о4 О О гН * л 1 * Се ДО водонасытцения (К ) кг/см2 после водонасытцения (Шэ) кг/см2 Ф с4 О О т—1 * СС 1 *

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Супе сь легка я 1,07 13,7 25 22 12 36 34 6 42 40 5

1,11 14,5 29 26 10 38 37 3 44 42 5

1,15 15,1 32 29 9 43 41 5 51 50 2

1,17 15,6 38 32 16 44 44 0 50 49 2

1,20 16,0 40 35 13 46 46 0 52 53 0

Супе сь пыле ватая 1,05 13,9 24 22 8 33 32 3 42 39 7

1,10 14,3 29 25 14 36 36 0 46 42 8

1,15 15,0 39 38 3 43 40 7 48 46 4

1,20 16,4 40 36 10 41 40 3 53 50 6

1,25 16,8 36 31 16 44 41 7 47 45 4

Примечание: 1. Содержание шлака в смеси от веса груптошлаковой смеси равно 20%.

2. Кремнеземнистый модуль жидкого стекла равен 1,75.

Состав укрепленного грунга Предел прочности при сжатии, кг/см2

Наименование грунта Содержание шлака в смеси от веса грунтошлако вой смеси,% Жидкое стекло Срок хранения в проточной воде, сут. Срок хранения в спокойной воде, сут.

кремнеземнистый модуль плотность, г/см3 Содержание жидког о стекла от веса грунтовошлаковой смеси,% 90 180 360 90 180 360

Супесь пьглеватая 20 1,75 1,05 13,9 66 79 80 69 81 86

20 1,75 1,10 14,3 92 105 103 93 113 115

20 1,75 1,15 15,0 101 117 114 108 124 124

20 1,75 1,20 16,4 110 122 125 118 128 127

20 1,75 1,25 16,8 103 115 110 102 118 111

20 2,25 1,10 16,8 58 80 91 51 85 90

20 2,50 1,15 16,8 52 72 75 52 77 83

15 1,75 1,15 14,8 76 88 93 81 94 89

10 1,75 1,20 16,0 61 78 75 65 96 89

В процессе эксплуатации лесовозных автомобильных дорог на укрепленные грунты воздействуют многочисленные факторы, влияющие различным образом на свойства материалов. Из общей совокупности сложных процессов можно приближенно выделить две группы, действующих в противоположных направлениях:

1) уплотнение и упрочнение материала или отдельных его зон (структурообразующие процессы);

2) возникновение в структуре или отдельных зонах ряда дефектов (деструктивные процессы).

С достаточным основанием зги положения можно отнести и к грунтам, укрепленным птлакосиликатным вяжущим. Так, в процессе попеременного замораживания и оттаивания грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, в них будут происходить оба этих процесса: процесс упрочнения и процесс разрушения структуры. Процессы упрочнения будут происходить за счет способности шлакосиликатного вяжущего твердеть при отрицательных температурах. Эта способность обуславливается свойствами вяжущего, а точнее, одного из его компонентов - жидкого стекла, которое в зависимости от удельного веса и кремнеземнистого модуля замерзает при температурах от -2 до -11°С, а после оп аивания сохраняет те же свойства, что и до замерзания. Эта особенность жидкого стекла и обуславливает процессы твердения шлакосиликатного вяжущего, а следовательно, и процессы упрочнения грунтов, укрепленных этим вяжущим, при отрицательных температурах.

Деструктивные процессы при отрицательных температурах в грунтах, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, будут происходить, в основном, в результате замерзания воды в порах материала и увеличения ее объема (на 9,2%) при переходе в лед.

Вследствие этого в материале могут возникнуть значительные напряжения. В том случае, когда эти напряжения превышают предел прочности материала, последний разрушается.

Структурообразующие процессы носят затухающий характер. С течением времени прирост прочности замедляется или даже полностью прекращается. Деструктивные процессы характеризуются

противоположными закономерностями. С течением времени повреждения и ослабления структуры материала после каждого цикла замораживания-оттаивания возрастают.

Испытание на морозостойкость производили следующим образом. Образцы, подготовленные к испытанию, насыщали водой в течение двух суток; при этом первые сутки образцы погружали в воду на 1/3 высоты, а на вторые сутки полностью заливали водой. После водонасыщения образцы подвергались замораживанию в камере при температуре -20НС в течение 4 часов. Затем образцы погружали для оттаивания в воду комнатной температуры на время не менее 4-х часов. Такой цикл замораживания-оттаивания повторяли 15, 25 и 50 раз. После окончания установленных циклов испытаний на замораживание - оттаивание образцы снижения прочности как отношение прочности при сжатии после испытания на замораживание - оттаивание (RMop,X к первоначальной прочности при сжатии (R28, Rç>Û, Rl 80, R?6o).

Результаты испытаний, приведенных в таблицах 4.7 - 4.10,

показывают, что морозостойкость грунтов, укрепленных шлакосиликатным

вяжущим, увеличивается с возрастом образцов. Так, если после 28-

суточпого твердения фунты, укрепленные шлакосиликатным вяжущим,

выдерживают 15-25 циклов замораживания-оттаивания без снижения

прочности, то через год они уже выдерживают 225-50 циклов. Следует

отметить, что увеличение морозостойкости происходит, в основном, в

первые 3-6 месяцев, когда происходит интенсивное твердение образцов.

Поэтому при первоначальных циклах замораживания - оттаивания, когда

87

структурообразующие процессы превалирует над деструктивными, наблюдается не снижение прочности (RMop.), а ее увеличение. Отношение прочности на сжатие после замораживания и оттаивания к первоначальной прочности больше единицы.

С увеличением возраста образцов до 6-12 месяцев, когда нарастание прочности значительно замедляется и деструктивные процессы начинают преобладать над структурообразующими, нарастание морозостойкости прекращается. Отношение RMop/ Ri80 и RMop/ R300 почти не меняется.

Физико- механические и химические свойства грунтов приведены в таблице 4.6.

В целом проведенные исследования показали, что грунты, укрепленные шлакосиликатным вяжущим, обладают достаточной высокой морозостойкостью, позволяющей использовать данный материал в основаниях на лесовозных автомобильных дорогах.

Кроме того, проведенные исследования указывают на возможность продления строительного сезона вплоть до наступления нулевых температур, так как при испытании образцов из укрепленного фунта на замораживание и оттаивание наблюдается продолжение процесса набора прочности образцами.

Высокая морозостойкость грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, объясняется высокой прочностью шлакосиликато фунтового каркаса, состоящего из продуктов твердения шлакосил икатного вяжущего, объединенных с отдельными частицами и их микроагрегатами. Поскольку шлакосиликатофунтовый каркас выполняет роль арматуры в укрепленном грунте, то чем прочнее этот каркас, тем больше прочность укрепленного фунта в целом. Кроме того, повышению морозостойкости способствует образование значительного количества геля при твердении шлакосиликтного вяжущего, что ведет к уплотнению структуры материала.

о Сод Содержагше фракций в % к Показат

<хз к § с о 2 Водная вытяжка, %/мг/экв ержание в абсолютно сухому фунту размеры ели

% фракции в мм пластичности

1-И э ^ ей о^ X сг 1 со о <о а: 1 о 1 !? ^ + + с* <0 + + оо § + + + сз ^ 11ЛОТНЫЙ остаток О О сз и т С т сз О 2.0-0.5 ш СМ л О' 1 •Г) <\ о 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 менее 0,001 а? а?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

песок о ос т 1Г| ос го о 0,095

пылеваты й Я 1-го ^ о о о ОС СМ л о У—* о м о о" чС Ю о" 00 о о «л о 00 чо см г» о 40 СМ чО чГ о го 1—1 со 1 1

Супесь легкая крупная 0,029/0,480 0,001/0,040 г^ О4 тг со -—' 0,006/0,030 о ш (—1 0,009/0,040 0,091 Г". чО Т л '-Г, 00 СМ о см ■—1 С-- 1—| СО

Супесь легкая см чС Г\ о 00 го л. о о т о о о о ^ о со Г\ о см ■—' л о 0,007/0,035 0,006/0,048 0,012/0,053 00 о г- 0,16 Г- 00 00 го чс ■—1 1—1 00 см О СМ Г- со

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Супесь

тяжелая пылевата 40 м о СП О ^ о о о о 1П С-1 г* о о о о <г> о О О о «1 о 00 о о <Г| г- (1 о о 0,128 10,2 0,27 - сх| СС) со а ЧО чо см см г-

я О о о О о о

Супесь О ЧО о ^ о о о сл о о г- 1Г> О О г-о 0,22

пылевата я О сп О о о о о 00 о о сМ о О 00 о о о сп О СО о" см оС СП 00 СО 00 СМ о СМ со СМ 00 чо

о о о о о О

Суглинок гылеватый 0,029/0,31 0,021/0,58 0,087/1,880 0,018/0,90 0,012/0,95 0,019/0,85 0,184 «л 0,062 СМ Сч со см 00 Сч со со со сч о

Состав укрепленного грунта Предел прочности при сжатии, кг/см2 после соответствующего числа циклов МРЗ Коэффициент снижения прочности (Кмор/ R28) после соответствующего числа циклов МРЗ

Наименование грунта Содержание шлака в смеси от веса грунтошлаковой смеси,% Жидкое стекло

Кремнеземнистый модуль Плотность, г/см3 Содержание жидкого стекла от веса грунтошлаковой смеси, % R28 15 25 50 15 25 50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Супесь легкая 20 1,75 1,20 16,0 125 137 145 91 1,10 1,16 0,75

20 1,75 1,15 15,1 101 110 118 7 1,09 1,17 0,76

20 1,75 1,11 14,5 87 95 100 61 1,09 1,15 0,70

20 1,75 1,07 13,7 61 70 53 - 1,15 0,87 -

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10 1,75 1,20 16,0 65 65 32 — 1,00 0,49 —

15 1,75 1,15 14,8 70 75 42 — 1,07 0,60 —

Супесь 20 1,75 1,05 13,9 58 33 — — 0,57

пылева 20 1,75 1,10 14,3 86 93 65 - 1,08 0,76

тая 20 1,75 1,15 15,0 95 107 91 - 1,13 0,96 -

20 1,75 1,20 16,4 110 120 125 63 1,09 1,14 0,57

20 2,50 1,15 16,8 45 26 - 0,58 - -

20 2,25 1,10 16,8 35 17 — — 0,49 —

Состав укрепленного грунта Предел прочности при сжатии, кг/см2 после соответствующего числа циклов МРЗ Коэффициент снижения прочности (R.\iop' Reo) после соответствующего числа циклов МРЗ

Наименование грунта Содержание шлака в смеси от веса грунтошлаковой смеси % Жидкое стекло

Кремнеземнистый модуль Плотность, г/см3 Содержание жидкого стекла от веса ipy нтошла ковой смеси, % Roo 15 25 50 15 25 50

Супесь легкая 20 1,75 1,20 16,0 167 170 173 170 1,02 1,04 1,02

20 1,75 1,15 15,1 135 140 142 120 1,04 1,05 0,93

20 1,75 1,11 14,5 120 123 125 84 1,00 1,04 0,67

20 1,75 1,07 13,7 95 100 101 53 1,05 1,06 0,56

Супесь пылеват ая 10 1,75 1,20 16,0 95 100 82 - 1,05 0,86 -

15 1,75 1,15 14,3 100 103 88 - 1,00 0,88 -

20 1,75 1,05 13,9 93 93 79 - 1,00 0,85 -

20 1,75 1,10 14,3 118 117 120 60 1,00 1,02 0,51

20 1,75 1,15 15,0 140 144 147 89 1,00 1,05 0,63

20 1,75 1,20 16,4 150 154 155 101 1,00 1,03 0,67

20 2,50 1,15 16,8 101 107 45 - 1,06 0,45 -

20 2,25 1,10 16,8 70 76 41 - 1,08 0,58 -

Состав укрепленного грунта Предел прочности при сжатии, кг/см2 после соответствующего числа циклов МРЗ Коэффициент снижения прочности (кмор/ Riso) после соответствующего числа циклов МРЗ

Наименование грунта Содержание шлака в смеси от веса грунтошлаковой смеси,% Жидкое стекло

Кремнеземнис тый модуль Плотность, г/см3 53 ® Sá о с n? § s s ¡Í 1 S ё а ? § 1 ? о * g £ # О н р. с о ОС £ ir, «л сч •л 1 Г) >г> сч о

Супесь легкая 20 1,75 1,20 16,0 187 185 188 187 1,00 1,00 1,00

20 1,75 1,15 15,1 160 160 158 142 1,00 1,00 0,89

20 1,75 1,11 14,5 142 140 143 114 1,00 1,00 0,80

20 1,75 1,07 13,7 114 110 115 69 0,97 1,00 0,60

Супесь пылеватая 10 1,75 1,20 16,0 110 110 105 48 1,00 0,95 0,44

15 1,75 1,15 14,8 115 114 116 55 1,00 1,00 0,48

20 1,75 1,05 13,9 107 102 105 51 0,95 1,00 0,48

20 1,75 1,10 14,3 129 127 130 78 1,00 1,00 0,60

20 1,75 1,15 15,0 161 160 159 112 1,00 1,00 0,70

20 1,75 1,20 16,4 163 165 168 119 1,00 1,00 0,72

20 2,50 1,15 16,8 144 140 146 87 1,00 1,00 0,60

20 2,25 1,10 16,8 120 125 127 70 1,04 1,05 0,58

Состав укрепленного фунта Предел прочности при сжатии, кг/см2 после соответствующего числа циклов МРЗ Коэффициент снижения прочности (RMop/ R360) после соответствующего числа циклов МРЗ

Наименование грунта Содержание шлака в смеси от веса грунтошлаковой смеси.% Жидкое стекло

Кремнеземнистый модуль Плотность, г/см3 Содержание жидкого стекла от веса грунтошлаковой смеси, % R-360 15 25 50 15 25 50

Супесь легкая 20 1,75 1,20 16,0 200 195 202 200 1,00 1,00 1,00

20 1,75 1,15 15,1 182 180 181 183 1,00 1,00 1,00

20 1,75 1,11 14,5 165 165 165 148 1,00 1,00 0,90

20 1,75 1,07 13,7 130 127 130 91 1,00 1,00 0,70

Супесь пылеватая 10 1,75 1,20 16,0 124 120 120 66 1,00 1,00 0,53

15 1,75 1,15 14,8 130 132 130 78 1,00 1,00 0,60

20 1,75 1,05 13,9 117 110 115 57 0,94 1,00 0,50

20 1,75 1,10 14,3 140 137 138 83 1,00 1,00 0,59

20 1,75 1,15 15,0 172 168 170 118 1,00 1,00 0,69

20 1,75 1,20 16,4 180 180 183 147 1,00 1,00 0,82

20 2,50 1,15 16,8 166 160 165 132 1,00 1,00 0,80

20 2,25 1,10 16,8 163 162 165 116 1,00 1,00 0,71

4.6. Влияние условий твердения на прочность грунтов, укрепленных шлако силикатным вяжущим

Для выяснения влияния условий твердения на прочность грунта, укрепленного шлакосиликатным вяжущим, нами была приготовлена и испытана серия образцов, твердевших при различной относительной влажности: 100%, 75%, 50%, 25% и 0%. Чтобы обеспечить заданную влажность среды, мы использовали эксикаторы, помещая в них образцы укрепленного грунта над раствором серной кислоты той или иной концентрации или над водой (при относительной влажности 100%).

Расчет относительной влажности в эксикаторе производили в зависимости от давления паров воды над раствором НгЗС^ различной концентрации при температуре 20°С. Данные по давлению паров воды над раствором НЬБО^ различной концентрации взяты из справочника химика и приведены на рисунке 4.10. Из рисунка видно, что давление паров воды над раствором 1 >4 с концентрацией, равной нулю (практически над водой) равной 17,54 мм рт.ст. Следовательно, при относительной влажности, равной 100%), давление паров воды составит 17,54 мм рт.ст. Отсюда, задаваясь относительной влажностью в процентах, мы определяли давление паров воды над раствором 1Ь804 по формуле:

_ _ - заданный процент влажности тр ~ 1 /|Ь4 * — , (4.16)

где Ртр - искомое давление паров воды над раствором НгБОд при заданной относительной влажности в эксикаторе.

Зная требуемое давление паров воды над раствором I ^НОд для создания заданной относительной влажности, мы можем определить концентрацию раствора, требуемую для создания необходимой относительной влажности (рисунок 4.10). Зависимость относительной влажности от концентрации раствора представлена на рисунке 4.11.

грунта, укрепленного шлакосиликатным вяжущим, показало, что среда

твердения оказывает значительное влияние на процессы твердения

шлакосиликатного вяжущего. При этом наилучшими условиями являются

влажные условия, при которых происходит более полный набор прочности

шлакосиликатного вяжущего.

18

£

о С*,

О

Со

го сз к

—о

л о

со о

с

Си

ж ч

оо

сз

16

74

12

10

8

О

д

\

\ 20 С ч

\

\

\

\

\

О 20 40 60 80 100

концентрация раствора Н^О^ %

Рисунок 4.10. Зависимость давления паров воды над раствором Н),|

от концентрации раствора Н2804. 97

л

Е

О О

80

§ 60 сз

Л 4 О си

о 20 о

О о

\ Х- 20'С

\

\

О 20 40 60 80 100

концентрация раствора Н230^%

Рисунок 4.11. Зависимость относительной влажности в эксикатаре от концентрации раствора Н2804.

На рисунке 4.12 показана зависимость прочности водонасыщенных образцов от условий и срока твердения, а на рисунке 4.13 - изменение влажности эти образцов в зависимости от условий и срока твердения.

Как следует из рисунка 4.12, набор прочности образцов, хранившихся в воздушно-сухих условиях (при относительной влажности равной 0%), происходит в основном в первые три месяца; при последующем твердении (до 6 месяцев) происходит незначительный прирост прочности. При увеличении влажности среды интенсивность роста и конечная прочность образцов увеличиваются. Так, при твердении образцов в воздушно-влажных условиях (при относительной влажности среды- равной 100%) конечная прочность образцов по сравнению с образцами в воздушно- сухих условиях, увеличивается почти в два раза.

срок твердения месяцы Рисунок 4.12. Изменение прочности водонасыщенных образцов в зависимости от срока и условий твердения 1 -твердение образцов проходило при относительной влажности среды - 100%; 2 - 75%; 3 - 50%; 4 - 25%; 5- 0%.

Такое поведение образцов, очевидно объясняется тем, что новообразования шлакосиликатного вяжущего, как показывают наши исследования, представлены не только кристаллической составляющей, но и гелевидной фазой. В отличие от цементного камня, объем геля в шлакосиликатном камне намного превышает объем кристаллической составляющей. И сама кристаллическая составляющая шлакосиликатного камня отличается от кристаллической составляющей цементного камня. Кристаллическая фаза шлакосиликатного камня представлена субмикрокристаллическими новообразованиями, способными удерживать значительное количество воды. С потерей воды гелем и субмикрокристаллически.ми новообразованиями теряется возможность их

кристаллизации, а следовательно, и возможность дальнейшего твердения.

99

Этим и объясняется отрицательное влияние высушивания на процессы твердения шлакосиликатного вяжущего.

легши суглинок

0 1 2 3 4 5 6

срок твердения, месяцы

Рисунок 4.13. Изменение влажности образцов в зависимости от срока и условия твердения 1 твердение образцов проходило при относительной влажности среды 100%; 2 75%; 3 - 50%; 4 - 25%; 5- 0%.

Исходя из вышесказанного, следует предположить, что при прекращении потери влаги или при увлажнении шлакосиликатного вяжущею после его высушивания процессы твердения в нем будут продолжаться. Для проверки данной гипотезы нами были проведены дополнительные испытания, результаты которых представлены на рисунке 4.14.

Кривые 1 и 2 показывают изменение влажности и прочности образцов

из укрепленного грунта при их твердении соответственно в воздушно-

влажных и воздушно-сухих условиях. Кривая 3 показывает изменение

влажности и прочности образцов, твердевших первые 30 суток во влажных

условиях (\¥отн.=100%); следующие 30 суток - в сухих условиях

100

(\¥отн.=0%); остальное время - при относительной влажности равной 100%. Кривая 4 показывает изменение влажности и прочности при 'твердении образцов первые 30 суток при относительной влажности равной 0%; последующие 30 суток - при относительной влажности равной 100%, в последующий период - при Шотп.=0%. Анализ данных, приведенных на рисунке 28, свидетельствует о правильности высказанного нами предположения о том. то при прекращении потери влаги или при увлажнении грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим после их высушивания, процессы твердения ишакосиликашого вяжущего будут продолжаться.

ю

14

о

в &

° 10

а

ч ©

6 4

> 1

3 -^

\ —\-<

\ )

гХ, 1 ч

12 3 4 5

срок твердения месяцы

120

к

гГ з

с,

сГ

у о

60

20 О

1

1 < ________

А У 3, 4,

А

'2

срок твердениямесяцы

Рисунок 4.14. Изменение влажности ипрочноеш образцов из грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжунщм при переменном высушивании в зависимости от скорости твердения.

Таким образом, наиболее благоприятными условиями твердения грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, являются влажные условия. Высушивание затормаживает процессы твердения шлакосиликатного вяжущего, но последующие увлажнения способствуют продолжению этих процессов.

Отрицательное влияние воздушно-сухих условий твердения на

прочностные показатели грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим,

очевидно, объясняется не только наличием в фазовом составе

101

новообразований значительного количества гелевидной фазы, но и тем, что в состав кристаллической составляющей входят низкоосновные гидросиликаты кальция типа C-S-H. ПО данным Бутта Ю.М., Майера A.A., Ратпковича JI.H. и др [14, 15, 16, 94], прочность низкоосновных гидросиликатов кальция после хранения на воздухе несколько снижается, в то время как прочность высокоосновных гидросиликатов возрастает (рисунок 4.15, данные Бутта Ю.М.).

В ряде работ [15, 18, 20, 21, 35, 48] указывается, что степень карбонации CSH (В) уже через 15 суток близка к 100%. При карбонации образцов гидросиликатов кальция серии CSH(B) в них наблюдаются тонкодисперсные кристаллы кальцита и аморфного кремнезема. За три месяца карбонизации гидросиликат серии CSH(B) карбонизировался полностью. В образце из CSH(B), хранившемся на воздухе, наблюдаются слабоанизитропные волокнистые (в контакте с тонко дисперсным кальцитом) кристаллы с показателем преломления близким к 1,53, края которых часто просвечиваются и имеют темносерый цвет. Наблюдается еще и гель кремниевой кислоты - его показатель преломления 1,48-1,49. Прочность CSH(B) в атмосфере влажного углекислого газа меняется довольно значительно. И как показали Бутт Ю.М. и Рапгкович J1.H., прочность при сжатии карбонизированного CSH(B) примерно на 30% ниже исходной. Отсюда следует, что материалы, в состав которых входят низкоосновные гидросиликаты кальция, необходимо предохранить от воздействия углекислого газа. В противном случае будет происходить снижение их прочности. Об этом свидетельствует и наши исследования, результаты которых приведены в таблице 4.11.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что уже после трех месяцев хранения образцов в воздушно-сухих условиях (помещение лаборатории) прочность на изгиб снижается. Особенно это заметно на образцах после двухсуточного водонасыщения. Снижение прочности

происходит до трех месяцев. После трех месяцев хранения образцов в воздушно-сухих условиях снижение прочности прекращается.

100 X

а?

й Ь\

со

^ я

О \о -в

я еГ £ о о 50 X л сто

у о & ч Си го СО х ——————^ "Л

тоберморит -X

& / о^ СЗН(В)

0.5 1.5 6

длительность карбонизации в мес.

Рисунок 4.15. Прочность гидросиликатов кальция в атмосфере ССЬ.

Следует заметить, что снижение прочности в данном случае происходит не только за счет вредного воздействия СОг, но и за счет высыхания и частичной потери связанной воды новообразованиями шлакосиликатного вяжущего. Эта частичная потеря связанной воды нарушает структуру шлакосиликатного камня и снижает его сцепление с грунтом, что ведет к уменьшению прочности укрепленного грунта. Как только заканчивается потеря связанной воды, так прекращается снижение прочности. При увлажнении высушенного материала, как было показано выше, его прочность будет увеличиваться.

условиях.

Состав укрепленного грунта Продолжительность хранения в воздушно-сухих условиях, месяцы

Наимен ование грунта Содержа ние шлака в смеси от веса грунтошл аковой смеси, % Жидкое стекло 1 3 6

Кремнезе мистый модуль Плоти ость, г/см3 Содержа ние жидкого стекла от веса грунтошл аковой смеси, % Предел прочности на растяжение при изгибе, кг/см2

до водонас ьпцения после водонас ьпцения до водонас ьпцения после водонас ьпцения до водонас ьпцения после водонас ьпцения

Супесь легкая 20 1,75 1,11 14,5 29 26 20 11 22 12

20 1,75 1,15 15,1 32 29 23 18 23 12

20 1,75 1,20 16,0 40 35 27 15 24 14

Cvnecb пылеват ая 20 1,75 1,05 13,9 24 22 25 10 26 10

20 1,75 1,10 14,3 26 26 31 12 34 13

20 1,75 1,15 15,0 39 38 40 14 40 15

20 1,75 1,20 16,4 40 38 49 19 44 18

Поскольку воздушно-сухие условия отрицательно сказываются на прочности укрепленного грунта, следует считать, что шлакосиликатогрунт может быть использован с успехом только в нижних слоях лесовозных автомобильных дорог под водонепроницаемыми покрытиями. В этом случае будут созданы благоприятные условия для нормального протекания процессов твердения шлакосиликатного вяжущего, набора прочности укрепленного грунта и защиты ею от воздействия углекислого газа воздуха.

4.7. Влияние степени засоления грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, на их физико-механические свойства

Необходимость изучения влияния солей на физико-механические свойства грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, диктуется следующими практическими соображениями. Одной из главных и характерных природных особенностей районов лесозаготовок является широкое распространение различного типа засоленных грунтов. Влияние солей на физико-механические свойства грунтов, укрепленных шлакосиликатным вяжущим, ранее не изучалось.

Наибольшее распространение имеют следующие легкорастворимые соли: М£804, СаСЬ, №280,1 и ЫагСОз. Нами изучалось влияние на физико-механические свойства только натриевых солей. Это объясняется тем, что при взаимодействии жидкого стека (одного из компонентов шлакосиликатного вяжущего) с грунтом любого засоления в растворе в качестве легкорастворимьгх солей будут присутствовать только натриевые соли. Так, реакция между жидким стеклом и солями щелочноземельных металлов может быть представлена следующим образом:

МеС12+Ма20*т8Ю2+хН20=Ме8Юз*хН20+(т-1)8Ю2+2ЫаС1,

Ме804+Ыа20*т8Ю2+х1120=Ме8Ю3* хН20+(т-1 )8Ю2+Ма2804.

Для опытов был взят легкий суглинок, который искусственно засолялся растворами солей: 1МаС1, N82804, ЫаоСОз. Водные растворы солей вводились с таким расчетом, чтобы после испарения воды грунг содержал 0,5; 1,3 и 5% этих солей. Для равномерного распределяли соли грунты после увлажнения солевым раствором до пластичной консистенции оставлялись на 7 суток во влажной камере, после чего высушивались на воздухе при многократном перемешивании.

Добавка солей более 5% не производилась по тем соображениям, что такое большое засоление в мертвой толщине фунта в природных условиях встречается весьма редко и на небольших площадях. По этим же соображениям добавка соды (ЪкьСОз) составляла не более 1%.

Из указанных фунтов после их высушивания приготавливались образы укрепленного фунта путем уплотнения под нафузкой ЮОкг/см2 в течение 3-х минут. После 28 - дневного выдерживания в камере влажного хранения образцы подвергались двухдневному водонасыщеншо с последующим определением прочности на сжатие. Результаты испытаний представлены на рисунке 4.16, из которого видно, что содержание в грунте легкорастворимых солей оказывает значительное влияние на прочность укрепленного фунта. При этом влияние оказывает не только процентное содержание соли в фунте, но и характер засоления. Так, при незначительном хлоридном засолении фунтов происходит повышение прочности укрепленного фунта по сравнению в незаселенном фунтом. При содержании хлоридов натрия и фунте свыше 1,5% происходит снижение прочности укрепленного фунта.

Сульфатное засоление фунтов до 1-2% вызывает повышение прочности укрепленного грунта. При содержании сульфатов в фунте свыше 3% происходит непрерывное и резкое снижение прочности.

Карбонаты натрия меньше всего влияют на изменение прочности укрепленного грунта. Так, при содержании в грунте от 0,5 до 1,0% ЫаоСОз

прочность укрепленного грунта практически не отличалась от прочности незасоленного грунта и равнялась 36-40 кг/см2.

80

70

60

Щ

I

5 50

ё

а

И

а

к

-о

£ 30

ж

у

о

6

20

Ю0 1 2 3 4 5

процент засоления

Рисунок 4.16. Изменение прочности образцов в зависимости от характера и степени засоления исходного гркнта.

Повышенная прочность грунтов, засоленных малыми добавками хлоридов и сульфатов натрия, по сравнению с укрепленным незаселенным фунтом объясняется, очевидно, положительным влиянием хлоридов и сульфатов на процессы твердения пшакосиликатного вяжущего. При укреплении засоленных грунтов пшакосиикатным вяжущим хлориды и сульфиты, содержащиеся в грунте, увеличивают растворимость шлака за счет изменения ионной силы раствора (так же, как это происходит при добавках КаС1 и Ма2304 к цементу), благодаря чему ускоряются процессы твердения вяжущею. К аналогичному выводу приходит Пранди Е., который отмечал, что хлористый натрий значительно ускоряет твердение гравийных смесей, укрепленных доменными гранулированными шлаками.

Поскольку роль малых добавок солей сводится, главным образом, к их ускоряющему действию на процессы твердения вяжущего, то повышение прочности, вызываемое этими солями, должно носить временный характер, то-есть разница в прочностях засоленного и незаселенного грунтов с увеличением сроков твердения должна исчезнуть. Это подтверждается данными, приведенными на рисунке 4.17, из которого видно, что прочность укрепленного незаселенного грунта в первые месяцы твердения значительно отличается от прочности грунта, засоленного 0,5-1,0% №С1. С течением времени эта разница стирается и к 6-9 месяцам становится практически незаметной.

120

Рисунок 4.17.

2 3 4 5 6 7 8

срок твердения, месяцы

Изменение прочности засоленного грунта, укрепленного шлакосиликатньгм вяжущим а зависимости от сроков твердения. 108

В качестве общего вывода по приведенным опытам следует отметить, что засоленность грунта с суммарным содержанием хлористых солей до 2% является не отрицательным, а положительным фактором. При содержании сульфатов свыше 3% (рисунок 4.16) прочность укрепленного грунта снижается ввиду разноуплотняющего действия (в силу увеличения в объеме) солей ггри их кристаллизации. Кроме того, вредное влияние гга прочность укрепленного грунта избыточного засоления можно объяснить, очевидно, теми же причинами, которые возникают при укреплении засоленных грунтов цементом. Так, Каймановой Л.И. указывалось, что при избыточном засолении грунтов замедляются процессы твердения вяжущего, а соль не полностью вступает во взаимодействие с вяжущим и грунтом. При водонасыгцеиии укрепленного грунта свободна соль растворяется, образуя пустоты, увеличивая пористость укрепленного грунта и снижая тем самым его прочность.

Таким образом, укрепление шлакоеиликатным вяжущим засоленных грунтов, содержащих в своем составе легкорастворимые соли, допускается при хлоридном засолении, когда содержание солей не превышает 2,0% (от веса грунта); при сульфатном засолении - когда содержание солей не более 3%; содовое засоление - не более 1%.

4.8. Влияние продолжительности технологического процесса приготовления шлака силикато грунтовых смесей на их конечную прочность после твердения

Приготовление шлакосиликато фунтовых смесей может осуществляться несколькими способами: смешение на дороге с использованием многопроходных или однопроходных машин, смешением в стационарных установках с последующей транспортировкой готовой смеси на дорогу.

Принятая технологическая схема производства работ, тип используемых машин и режим работы будут оказывать влияние на продолжительность процесса приготовления шлакосиликатогрунтовых смесей. Продолжительность процесса приготовления

шлакосиликатогрунтовых смесей, в свою очередь, так же как и при укреплении грунтов цементом, будет оказывать влияние на качество укрепленного грунта.

Для изучения данного вопроса нами был проведен ряд испытаний. Для испытаний были выбраны два типа грунта: тяжелая пылеватая супесь и пылеватый песок. В качестве вяжущего использовался молотый грану тированный фосфорный шлак, активированный раствором жидкого стекла разного удельного веса. Приготовление образцов производили следующим образом. Вначале приготавливали шлакосиликатогрунтовую смесь путем смешивания грунта со шлакосиликатным вяжущим. Затем через 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 24, 48 и 72 часов после приготовления и хранения смеси во влажных условиях из нее формовались образцы размером: с1=Ь=5 см.

Через 28 суток влажного хранения образцы испытывалисъ на сжатие.

Результаты испытаний приведены на рисунке 4.18, из которого видно, что с

увеличением времени между увлажнением и уплотнением смеси

наблюдается снижение прочности укрепленного грунта. Снижение

прочности происходит по-разному в зависимости от типа грунта и удельного

веса раствора жидкого стекла. Чем меньше удельный вес раствора жидкого

стекла, тем влияние времени между увлажнением и уплотнением смеси

сказывается в меньшей степени на снижение прочности укрепленного грунта.

Это объясняется тем, что менее концентрированный раствор жидкого стекла

создает и менее щелочную среду, что ведет к замедлению процесса

гидратации и твердения шлакосиликатного вяжу щего. Аналогичное влияние

оказывает и тип грунта. Более тяжелые грунты, т.е. грунты с большим

содержагшем пылевато-глинистых частиц, в большей степени поглощают

щелочь из раствора жидкого стекла, чем легкие грунты. В результате

110

частичного поглощения грунтом щелочи происходит снижение щелочности среды и процессы твердения шлакосиликатного вяжущего замедляются.

80

70

% *

й) 3

Е

<3

N

о

а х

л

s

о о ж

о

50.

40

30

20

О }

о о

2 / о

О о

\ А •

• 1' —•

ш • /

• • •

0 20 40 60 80 время между увлажнением и уплотнением смеси час

1 - пылеватый песок; 2 - тяжелая пылеватая супесь;

О - удельный вес раствора жидкого стекла = 1.20 г/см* • - удельный вес раствора жидкого стекла - 1.10 г/смJ

Рисунок 4.18. Зависимость прочности шлакрсиликатогрунта от времени между увлажнением и уплотнением смеси.

На замедление процессов твердения оказывает влияние и изменение содержания SiCb в шлакосиликатогрунтовых смесях. При введении в грунт шлакосиликатного вяжущего происходит поглощение SiCh из раствора жидкого стекла. Уменьшение SiCh в растворе может происходить и за счет уменьшения плотности жидкого стекла.

Как показали Уварова И.Ю. и Лукьянова O.K., уменьшение содержания Si02 в растворе жидкого стекла вызывает увеличение инду кционного периода твердения при взаимодействии силикатов натрия и кальция.

Медленность схватывания и твердения шлакосиликатогрунтовых

смесей позволяет значительно удлинить процесс их приготовления без

значительных потерь прочностных характеристик, о чем свидетельствуют

111