16. Укрепленные грунты

16.1. Определение и классификация укрепленных грунтов.

Укрепленные грунты - грунты, обработанные в установке или на месте производства строительных работ различными вяжущими с добавками активных веществ различного назначения. В результате процессов структурообразования компоненты смеси утрачивают дисперсность и грунтовая смесь превращается в прочный водо- и морозостойкий монолит.

Грунт - это любая горная порода, почва или твердые техногенные продукты. Грунты используют как основание, среду или материал для возведения зданий и инженерных сооружений.

По характеру структурных связей грунты подразделяют: с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов), к которым относят магматические, метаморфические и осадочные сцементированные горные породы; без жестких связей (класс нескальных пород) между отдельными частицами, к которым относят осадочные несцементированные грунты (валунный, галечниковый, гравийный, песчаный, супеси, глины). К этому же классу относят техногенные продукты (шлаки, золы, формовочную землю, шламы, хвосты обогатительных фабрик и др.).

По методу укрепления грунты подразделяют на : укрепленные неорганическими вяжущими материалами или неорганическими отходами промышленности; укрепленные органическими вяжущими или органическими отходами промышленности; комплексно укрепленные, т.е. неорганическими вяжущими в сочетании с органическими, или неорганическими вяжущими в сочетании с различными добавками, вяжущими также в сочетании с различными добавками, или органическими либо неорганическими отходами промышленности в сочетании с добавками различных химических веществ.

В грунтах оптимального зернового состава гравийные, щебеночные и песчаные зерна служат скелетом, воспринимающим главную часть внешних воздействий в период сильного увлажнения грунта. Пылевые частицы заполняют пустоты в более крупных зернах. Роль коллоидных и глинистых частиц более существенна: обладая большой цементирующей способностью, они после уплотнения смеси соединяют ее составные части в сравнительно плотную связную и монолитную массу.

Подбор оптимальной по гранулометрическому составу смеси производят по кривым оптимального гранулометрического состава, методом треугольных координат или аналитическим путем.

При любых методах укрепления грунты оптимального гранулометрического состава наиболее пригодны и желательны. Однако это не исключает возможность и технико-экономической целесообразности укрепления грунтов неоптимального состава.

16.2. Теоретические основы укрепления грунтов.

При укреплении грунтов вяжущими происходят физико-механические, физико-химические и химические процессы, в результате которых формируется прочный водо- и морозостойкий дорожно-строительный материал - укрепленный грунт.

Физико-механические процессы - размельчение грунтовых структурных агрегатов (коликов), удаление из массы укрепляемого грунта крупных гравийных или щебеночных фракций; дозирование вяжущих и добавок; перемешивание грунта с вяжущими и добавками; уплотнение грунта.

Содержание пылевато-глинистых комков размером более 5 мм не должно быть больше 25% массы, в том числе комков крупнее 10 мм - до 10% массы грунта.

Химические процессы - гидратация цемента; твердение продуктов гидратации; образование солей карбоновых кислот; полимеризация и поликонденсация синтетических смол и др.

Физико-химические процессы - обменное поглощение отдельных составных частей продуктов гидратации цемента (например, Са²⁺, Са(ОН)₂ и др.) тонкодисперсной частью грунта или других активных веществ. На поверхности раздела грунт-вяжущие частицы грунта за счет поверхностных сил формируют ориентированные слои, обладающие повышенной плотностью и прочностью. Укрепленный слой грунта приобретает заданную структуру, максимальную плотность, прочность и морозостойкость.

При укреплении грунтов неорганическими вяжущими веществами формируется прочная кристаллизационная структура, возникающая при сращивании кристаллов-гидратов твердеющего цемента.

При укреплении грунтов органическими вяжущими веществами формируется коагуляционная структура, возникающая при соприкосновении агрегатов частиц между собой через тонкие прослойки адсорбционносольватных слоев органического вяжущего. Коагуляционные структуры отличаются от кристаллизационных следующими свойствами: относительно малой прочностью, ярко выраженной пластичностью, предельной тиксотропностью, высокой эластичностью.

При укреплении грунтов синтетическими смолами, например, карбамидной в результате отверждения смол формируются конденсационные структуры. Эти структуры отличаются высокой прочностью, хрупкостью, упругостью, не способны к остаточным деформациям и характеризуются полным отсутствием тиксотропных свойств.

При укреплении грунтов комплексными вяжущими возникают структуры смешанного типа: кристаллизационно-коагуляционные, конденсационно-коагуляционные и др.

Например, при добавке в грунт портландцемента и битумной эмульсии (в случае преобладания дозировки битумной эмульсии над дозировкой цемента) формируется коагуляционно-кристаллизационная структура. В случае превалирования добавки цемента над эмульсией формируется кристаллизационно-коагуляционная структура.

При комплексном укреплении грунта карбамидной смолой и битумной эмульсией (в случае преобладания дозировки карбамидной смолы) образуется бинарная конденсационно-коагуляционная структура. При добавлении двух вяжущих и преобладании дозировки битума над карбамидной смолой образуется бинарная коагуляционно-конденсационная структура.

Проф. В.М. Безрук применительно к укрепленным грунтам разнообразные типы моноструктур и бинарные структуры объединил в три группы (табл. 16.1.).

Таблица 16.1.

Гру-ппа	Тип структуры	Особенности укрепленного грунта с данным типом структуры
	1–кристаллизационная	Высокие прочность при сжатии и изгибе, морозо-, водо- и теплостойкость. Излишняя жесткость, истираемость.
	2–коагуляционно-кристал-лизационная	Меньшая жесткость и прочность при сжатии, чем у укрепленного грунта со структурой 1, большая эластичность, меньшая истираемость, чем у укрепленного грунта со структурами 1 и 3.
	3–конденсационно-кристаллизационная	Высокие прочность при сжатии и изгибе, морозо-, водо- и теплостойкость. Излишняя жесткость по сравнению с укрепленным грунтом со структурой 2.
	1-коагуляционная	Эластичность и большая сопротивляемость истиранию и трещинообразованию по сравнению с укрепленными грунтами со структурами 1 и 3 дает возможность использовать укрепленный грунт в покрытии облегченного типа.
	2–конденсационно-коагуляционная	Повышенная прочность при сжатии и изгибе, а также морозо-, водо- и теплостойкость по сравнению с укрепленными грунтами со структурой 1.
	3–конденсационно-коагуляционная	По свойствам укрепленный грунт близок к укрепленному грунту со структурой 2, но для укрепления требуется более дорогостоящее вяжущее - синтетическая смола, хотя и в меньшем количестве.
	1–конденсационная	По свойствам укрепленный грунт близок к укрепленному грунту со структурой 1. При этом используется в качестве вяжущего синтетическая смола.
	2–коагуляционно-конденсационная	То же, что и укрепленный грунт со структурой 2. В перспективе укрепленный грунт со структурой 2 может найти широкое применение.
	3 – кристаллизационно-конденсационная	По свойствам укрепленный грунт близок к укрепленному грунту со структурой 2 и в перспективе сможет найти широкое применение с добавками новых видов синтетических смол.