1167

были заложены в нашей стране в конце 20-х годов. Первые же производственные испытания показали эффективность применения сырых нефтей и каменноугольного дегтя различной вязкости. Изучение возмож-

ности применения для укрепления грунтов жидких и вязких нефтяных битумов было начато несколько позже.

В 1931-1934 гг. исследованиями М.М. Филатова и Н.М. Смирнова, Б.Ф. Толстопятова, В.М. Безрука было показано, что многие виды глинистых грунтов (лессовидные и покровные суглинки и др.), в том числе и гумусовые горизонты черноземов приобретают водоустойчивость, пластичность и эластичность при оптимальной добавке каменноугольных дегтей или битумов. Было установлено, что при формировании водоустойчивой структуры дегте- и битумогрунта важное значение имеет добавка воды в количестве, примерно равном добавке вяжущего материала. При этом отмечалось, что добавка каменноугольного дегтя придает укрепленному грунту несколько более высокую жесткость, чем добавка битума.

Наиболее широкое применение в нашей стране нашел способ укрепления грунтов жидкими медленногустеющими битумами. Опыт использования среднегустеющих битумов весьма невелик. Быстрогустеющие битумы для укрепления грунтов ранее не применяли.

Многочисленные и разносторонние исследования, выполненные в Союздорнии и его филиалах, МАДИ, ХАДИ, СибАДИ и других организациях, а также опыт службы дорог, построенных из грунтов, укрепленных битумами в различных природных и грунтовых условиях, позволили установить основные особенности данного способа укрепления грунтов, сформулировать требования к исходным материалам и битумогрунтам, определить область их применения.

Битумогрунт как материал для автомобильных дорог отвечает, согласно ранее приведенному перечню требований, только первым четы-

рем критериям. Отрицательными сторонами этого материала являются низкие значения модуля упругости, недостаточная тепло-, сдвиго- и водоустойчивость, что не позволяет использовать его в качестве верхних слоев оснований под покрытия из асфальтобетонных смесей.

71

4.1.3. Укрепление грунтов

комплексными вяжущими веществами

На основе исследований, выполненных С.Л. Голованенко, М.Ф. Иерусалимской, М.Т. Кострико, К.А. Князюком, Н.Ф. Сасько, Л.Н. Ястребовой и др., убедительно доказано, что наиболее эффективным и экономически выгодным является комплексное укрепление грунтов. Этот способ предусматривает активное воздействие на грунт добавок минеральных вяжущих, с последующей обработкой их нефтью, жидкими битумами, гудронами или комплексное введение органических вяжущих с улучшенными поверхностно-активными добавками характеристиками [21, 23]. Такие комплексно укрепленные грунты характеризуются также меньшей относительной деформацией по сравнению с битумоили дегтегрунтами. Поэтому использование указанных материалов для устройства дорожных покрытий облегченного типа или оснований под капитальные типы покрытий является более эффективным как в экономическом, так и в техническом отношениях, поскольку обеспечивается повышенная прочность дорожных одежд и удлиняются сроки их эксплуатации. Кроме того, применение комплексного метода укрепления позволяет расширить диапазон материалов, пригодных для устройства конструктивных слоев дорожных одежд и экономить дефицитные вяжущие вещества. Но комплексно

укрепленные грунты в конструкциях дорожных одежд используются эпизодически. Этому существует ряд причин: отсутствие необходимых машин, дороговизна вяжущих веществ, особенно цемента и битума, сравнительно высокая трудоемкость работ.

Детальные исследования Тюменского инженерно-строительного института показали, что с ростом марки применяемых вяжущих веществ эффективность этих материалов еще более увеличивается. Однако подобное повышение рекомендуется осуществлять за счет увеличения содержания в смеси минеральных вяжущих.

Известен другой путь повышения марочной прочности материалов, включающий обработку грунта 9-11% битума, а затем 2-4% цемента. Получаемый материал обладает высокой прочностью, сдвигоустойчивостью и деформативностью. Другой, разработанный в СибАДИ способ [28], включающий

72

обработку грунта вначале органическим вяжущим, содержащим 7–9% вязкого битума и 0,5–0,7% глицеринового гудрона, затем цементным раствором, содержащим 2–4% цемента и 0,3–0,5% глицеринового гудрона от массы

грунта, позволил не только улучшить основные физико-механические показатели укрепленного грунта, но и почти в 3 раза снизить истираемость такого материала.

Недостатком этих методов является относительно высокий расход дорогостоящих вязких битумов. А необходимость применения минерального вяжущего приводит к усложнению производства работ. Попытки замены битума на нефтяной гудрон приводят к снижению прочности и сдвигоустойчивости конструктивных слоев из этих материалов.

Обширные исследования проводились по применению различных нефтепродуктов типа гудрона, мазута и тяжелой нефти для устройства слоев дорожных одежд из местных грунтов и гравийно-песчаных смесей.

Широкий размах строительство дорог с нефтегравийным покрытием получило в районах Средней Азии. При этом выяснено, что наиболее эффективным для укрепления является материал, полученный смешением гравийнопесчаной смеси с местными грунтами (пылеватый суглинок).

Опыт показал, что слои дорожных одежд из грунтов и грунтогравийных материалов, обработанных нефтяными гудронами по методу смешения на дороге, работают удовлетворительно. Однако даже в первый год эксплуатации возникают деформации, образующиеся из-за пониженной вязкости гудронов и медленного формирования их структуры.

Формирование материала происходит в результате испарения легких фракций гудрона, его полимеризации и окисления. Для ускорения процессов формирования целесообразно применение окисленных гудронов путем воздействия на них высокой температуры (120–160°С) и кислорода, продуваемого воздуха. В результате чего происходит сгущение гудрона.

Для окисления гудронов разработано несколько типов окислительных уста-

новок, позволяющих получать из не окисленных гудронов материал, близкий по показателям к дорожным битумам.

Но этот способ не всегда эффективен, так как в значительной степени свойства получаемого вяжущего зависят от свойств битумного сырья, кроме этого

73

окисление ведется только в стационарных установках, что осложняет его применение в отдаленных районах строительства.

Однако возможность применения гудронов для целей укрепления грунтов

представляется все же весьма эффективной в связи с малой их стоимостью.

4.1.4. Влияние вяжущего

на свойства укрепленных грунтов

Проверка пригодности полученного вяжущего для целей укрепления грунтов осуществлялась на суглинке при изменении содержания песчаных частиц.

Из рис. 4.3 видно, что общая закономерность изменения прочности водонасыщенных образцов из укрепленного грунта от содержания в последнем песчаных частиц имеет максимум, приходящийся на содержание песка в грунте, соответствующему легким суглинкам. В то же время обращает на себя внимание факт, заключающийся в сравнительно небольшой разнице между экстремальными значениями прочностей песчаного и тяжелосуглинистого грунта. Это обстоятельство позволяет предположить возможность применения полученного вяжущего для укрепления грунтов широкой разновидности.

Рис. 4.3. Влияние процентного содержания в тяжелом суглинке песка

на R сж вод образцов из укрепленного грунта (при Х2 = 8,0% и Х3 = 30 мин.).

74

Рис. 4.4. Влияние процентного содержания вяжущего на R сж вод

образцов из тяжелого суглинка (при Х1 = 0% и Х3 = 30 мин.).

Графическая зависимость 4.3 указывает, прежде всего, на то, что зона максимума приходится на очень узкий интервал расхода вяжущего, что потребует более тщательной его дозировки в укрепляемый грунт. Это можно объяснить наличием в вяжущем энергетических центров, которые вызывают синергетический эффект только в узком диапазоне содержания в данном грунте исследуемого вяжущего.

Рис. 4.5. Влияние технологического перерыва между приготовлением и уплотнением смеси на Rсжвод образцов из битумогрунта (при Х1 = 50% и

Х2 = 8%).

75

Приведенные на рис. 4.5 данные указывают, что и в случае обработки грунтов органическим вяжущим данный технологический интервал способствует приросту прочности так же, как и для цементных систем. Наблюдаемый

в нашем случае эффект объясняется прежде всего инфильтрацией в грунт масляной фракции гудрона, что усиливает смачивание грунта более тяжелыми фракциями вяжущего. Однако по прошествии 30 минут из-за интенсивных процессов окисления смачиваемость легкими фракциями гудрона идет на убыль, что приводит к ухудшению адгезии тяжелых фракций к агрегатам укрепляемого грунта.

Полученные данные позволили провести исследования основных нормируемых физико-механических показателей различных грунтов, укрепленных полученным вяжущим. Эти данные приведены в табл. 4.1

Таблица 4.1

Показатели прочности грунтов, укрепленных оптимальным

количеством резино-гудронового вяжущего

76

4.1.5.Разработка конструкции дорожных одежд

сиспользованием результатов, полученных в ходе исследований

Согласно схеме поставок материалов, имеющихся ресурсов и по согласованию с администрацией «Северавтодора», авторам учебного пособия было предложено произвести опытно-производственное внедрение нескольких конструкций дорожных одежд с использованием РГВ.

Исходными данными для проектирования дорожной одежды выбран Нижневартовский район строительства Тюменской области (1-я дорожноклиматическая зона). Местность по условиям влажности относится ко второму типу, грунты земляного полотна — суглинок легкий, суммарная приведенная к расчетному автомобилю интенсивность движения по одной полосе — 200 автомобилей в сутки.

В соответствии со значением приведенной интенсивности движения для усовершенствованной дорожной одежды капитального типа требуемый модуль упругости Емин = 138 МПа. Модули упругости асфальтобетона в 1-ой дорожно-климатической зоне приняты для верхнего слоя — 1200 МПа, для нижнего — 900 МПа, модуль упругости для грунта земляного полотна — 120 МПа. В назначенных конструкциях дорожной одежды принимаем толщину слоев

покрытия. Расчет по допустимому упругому прогибу заключается в определении толщины основания, которому будет соответствовать общий модуль упругости дорожной одежды, равный требуемому модулю Емин = 135 МПа.

В таблице 4.2 показаны примеры конструкций дорожных одежд на земляном покрытии. Все из предлагаемых конструкций — равнопрочные, условие сдвигоустойчивости выполняется, толщина конструкции соответствует условию промерзания.

Рабочие смеси грунтов и пескогравия, обработанных нефтяными гудронами с улучшенными характеристиками, могут быть приготовлены непосредственно в грунтовом карьере, смешаны на месте, а также в передвижных и стационарных смесительных установках.

Технологические карты для производства работ по устройству оснований и покрытий дорожной одежды составляются на месте дорожной организацией,

77

выполняющей эти работы, в зависимости от дорожной обстановки, плана и продольного профиля дороги, парка машин и применения дорожностроительных материалов.

Исходя из возможностей и наличия технических ресурсов в объединении «Северавтодор» предлагаются следующие технологические последовательности работ по укреплению местных материалов органическим вяжущими.

Таблица 4.2

Конструкции дорожных одежд

К использованию предлагается конструктивный слой основания из ПГС или щебня, обработанный резино-гудроновым вяжущим методом смешивания на дороге:

–выравнивание верха насыпи или нижележащего слоя автогрейдером с удалением неровностей;

–транспортировка песчано-гравийной смеси (Щ) к месту укладки с разгрузкой по вершине насыпи;

–распределение ПГС (Щ) по ширине насыпи бульдозером,

–розлив вяжущего по поверхности автогудронатором;

–смешение песчано-гравийной смеси (Щ) с гудроном фрезой дорожной до получения однородной смеси за 4-5 проходов по следу;

78

–уплотнение готовой смеси комбинированным катком за 20-22 прохода по следу;

–укладка вышележащего слоя.

Модуль упругости получаемого материала невысок (420-450 МПа), поэтому применение его возможно лишь в нижних слоях основания. Для повышения общего модуля упругости слоя и увеличения сцепления с вышележащим слоем рациональна укладка на поверхности слоя мелкого щебня.

Кроме смешения на дороге, получить материал на основе ПГС (Щ) с более высоким модулем возможно смешением в установке за счет более качественного смешения и точной дозировки вяжущего.

Расчет экономической эффективности различных решений в строительстве основан на рассмотрении капитальных (единовременных) вложений и текущих затрат (себестоимости производства и эксплуатационных расходов).

4.1.6. Экономическая оценка применения

механоактивационной технологий для производства РГВ

Расчет экономической эффективности от внедрения механоактивационной технологии в общем случае аналогичен методике определения экономической эффективности от внедрения новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. В расчетах следует учитывать, прежде всего, снижение себестоимости либо по отдельным статьям затрат, либо на основании себестоимости в целом, исходя из следующей формулы:

где Э1, Э2 – приведенные затраты единицы продукции (работы), производимой с помощью базовой и дезинтеграторной технологии, руб.; В – объем продукции, в натуральных единицах.

Анализ данной формулы приводит к выводу, что экономическая оценка

применения механоактивационной технологии для производства РГВ может быть сведена к поиску энергозатрат на изготовления 1 тонны вяжущего по новой (механоактивационной) и старой (указанной в экспериментальных исследованиях 2 главы) технологиям.

79

На рис. 4.7 приведено значение одной из основных характеристик (ЧП) РГВ, получаемого при разных технологических вариантах, отнесенная к затраченным удельным энергозатратам (Э) на его изготовление. В данном случае удельные энергозатраты определяются как необходимое количество энергозатрат технологического оборудования на получение 1 тонны вяжущего.

Анализ зависимости (см. рис. 4.7) позволяет сделать вывод о том, что по предлагаемому критерию преимущество имеет механоактивационная технология получения РГВ, в основном за счет снижения времени термостатирования.

Рис 4.7. Зависимость значения одной из основных характеристик (ЧП) РГВ, получаемого при разных технологических вариантах, отнесенная к удельным энергозатратам (Э) на его изготовление:

1 — РГВ с применением дезинтеграторной технологии;

2 — РГВ по стандартной методике.

80