Методы испытания грунтов для дорожного и аэродромного строительства. Учебное пособие

41

частиц водой может быть достигнуто путем адсорбции ПАВ на энергетически активных центрах поверхности глинистых минералов, а также путем ионного замещения пленочной воды. При этом молекулы ПАВ ориентируются функциональной (полярной) группой на поверхность раздела (к глинистым частицам), а углеводородным радикалом, не смачиваемым водой, наружу (рис. 11). В результате блокируется доступ воды к поверхности минералов, вследствие чего приобретается частичная гидрофобность глинистых частиц.

Рис. 11. Схема действия стабилизатора (ПАВ) на глинистые частицы

При применении стабилизаторов удается достичь увеличения плотности, влагостойкости и морозостойкости грунтов, снижения пучинистости.

С целью получения дорожно-строительного материала, обладающего необходимой прочностью, а также для усиления процессов взаимодействия связных грунтов со стабилизатором, в систему вводят некоторое количество неорганического вяжущего (цемент, известь, комплексные вяжущие и др.). Введение добавок ПАВ в грунтоцементные смеси позволяет регулировать сроки твердения цемента и управлять процессами структурообразования композиционного материала.

42

Укрепление грунтов проводят с целью возможного широкого использования местных грунтов как исходного дешевого сырья, способного обеспечить путем соответствующей технологической обработки получение полноценных заменителей каменных материалов.

Основная задача укрепления грунтов заключается в обеспечении необходимых структурно-механических свойств грунтоцементного (грунтобетонного) композита со сформированной прочной кристаллизационной структурой путем одновременного объединения вяжущего, грунта, воды и добавок (стабилизаторов и др.) в однородную смесь и превращения этой смеси в результате уплотнения и длительного твердения в прочную монолитную массу. Особенностью такого метода создания конструктивных слоев земляного плотна и дорожной одежды следует считать постепенный рост прочности смеси в течение длительного времени.

Порядок выполнения

Приготовление смесей, изготовление и хранение образцов укрепленных грунтов производилось по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 12801.

Грунт, взятый для укрепления, высушивают в сушильном шкафу, после чего охлаждают до комнатной температуры. В сухой грунт вносят неорганическое вяжущее (в процентах на сухое вещество), смесь перемешивают, после чего вводят предварительно приготовленный раствор воды с добавкой стабилизатора требуемой концентрации в количестве, необходимом для доведения грунта до оптимальной влажности. Смесь тщательно перемешивают в течение 4–6 минут.

Для поиска оптимальных дозировок стабилизатора и вяжущего готовят несколько смесей различного состава, в которых варьируется содержание вводимых компонентов с определенным шагом. Из этих смесей готовят по 3-4 образца-цилиндра путем уплотнения в стальных полых цилиндрических формах с двумя вкладышами (рис. 12). Размеры форм выбирают по табл. 17 в зависимости от наибольшей крупности зерен применяемых грунтов.

43

Внутреннюю поверхность формы и вкладыш перед укладыванием смеси смазывают машинным маслом. В форму вставляют нижний вкладыш так, чтобы он выступал из формы на 1,5–2 см для обеспечений двустороннего уплотнения смеси. Приготовленную смесь равномерно распределяют в форме штыкованием шпателем, вставляют в форму верхний вкладыш, прижимая смесь. Форму со смесью ставят на нижнюю плиту пресса, подводят верхнюю плиту до соприкосновения с верхним вкладышем и включают пресс. Уплотнение образцов производят под нагрузкой (15±0,2) МПа. Время выдерживания смеси под нагрузкой (3,0±0,1) мин. По истечении времени образец извлекают из формы и измеряют его диаметр и высоту штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм. В случае, когда высота образца не соответствует требо-

44

ванию табл. 18, то массу навески смеси корректируют и вычисляют по формуле:

где gо – масса пробного образца, г; h – требуемая высота образца, мм; hо – высота пробного образца, мм.

Таблица 18

Размеры образцов-цилиндров из укрепленных грунтов

Полученные образцы хранят в нормальных условиях (температура воздуха (20±2) °С, влажность – не менее 95%) в эксикаторе или ванне с гидравлическим затвором. Образцы из грунтобетонной смеси испытывают в сроки, соответствующие применяемым неорганическим вяжущим, например, 7 и 28 сут – при использовании цемента, 28 и 90 сут – для извести, шлака и др.

Помимо образцов-цилиндров из смеси грунта с вяжущим для определения предела прочности на растяжение при изгибе готовят образ- цы-балочки 4×4×16 см. Уплотнение образцов-призм также производят прессованием, но величину уплотняющей нагрузки подбирают с таким расчетом, чтобы плотность образца была максимальной, которую можно достичь при оптимальной влажности на приборе стандартного уплотнения. Ориентировочная нагрузка составляет (12,5±2,5) МПа, время выдерживания под нагрузкой – (3,0±0,1) мин.

Определение физико-механических характеристик проводят по ГОСТ 30491. Предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе определяют на испытательном прессе. За результат определения принимают округленное до первого десятичного знака среднеарифметическое значение испытаний трех образцов.

Морозостойкость образцов укрепленных грунтов определяется отношением прочности при сжатии образцов после воздействия на них установленного числа циклов замораживания-оттаивания к прочности водонасыщенных образцов.

45

Испытания проводят на трех параллельных образцах, твердеющих

внормальных условиях в течение требуемого времени со дня формования образцов. Перед загрузкой в морозильную камеру проводят полное или капиллярное водонасыщение образцов из укрепленных грунтов.

Метод водонасыщения, число циклов замораживания-оттаивания и температуру замораживания назначают в соответствии с табл. 19 в зависимости от дорожно-климатической зоны и типа покрытия, а также от расположения конструктивного слоя из укрепленного грунта в дорожной одежде.

Полное водонасыщение образцов высотой и диаметром 50 мм проводят в ванне с гидравлическим затвором в течение 2 сут, а образцов больших размеров – 3 сут. Во всех случаях в первые сутки образцы погружают в воду на 1/3 высоты, а в последующие – полностью. Для предотвращения высыхания образцов, погруженных в воду на 1/3 высоты, насыщение проводят в ванне с гидравлическим затвором.

Капиллярное водонасыщение проводят через слой воды (рис. 13), постоянно поддерживаемый с помощью уровнемера. В сосуд на металлическую подставку укладывают металлическую сетку или устанавливают емкость с сетчатым дном, которое закрывают фильтровальной бумагой. На нее насыпают слой мелкого песка одной фракции толщиной 15 см и через сутки после его насыщения ставят образцы, насыщение которых проводят в течение 72 ч. Для предотвращения высыхания сосуд с образцами также помещают в ванну с гидравлическим затвором.

Водонасыщенные образцы помещают в морозильную камеру так, чтобы расстояние между образцами было не менее 50 мм. Если после загрузки камеры температура в ней повысится, то началом замораживания считают момент, когда в морозильной камере установится требуемая температура.

Замораживание проводят в течение 4 ч при требуемой температуре

всоответствии с табл. 3. Оттаивание образцов после их выгрузки из морозильной камеры проводят в течение 4 ч, при этом, если образцы перед испытанием на морозостойкость подвергались полному водонасыщению, их переставляют в ванну с водой при температуре (20±2) °С, и, если проводилось капиллярное водонасыщение, – во влажном песке.

46

Таблица 19

Степень водонасыщения и параметры замораживания-оттаивания укрепленных грунтов

47

Рис. 13. Схема устройства для капиллярного водонасыщения образцов:

1 – сосуд; 2 – образцы; 3 – капиллярно-увлажненный песок; 4 – вода; 5 – фильтровальная бумага; 6 – металлическая сетка; 7 – подставка

Число циклов замораживания-оттаивания образцов в течение 1 сут должно быть не менее одного. При вынужденных или технически обоснованных перерывах при испытании на морозостойкость образцы должны находиться в замороженном состоянии.

После установленного числа циклов замораживания-оттаивания образцы выдерживают в течение 2 ч в воде при температуре (20±2) °С (в случае полного водонасыщения) или во влажном песке (в случае капиллярного водонасыщения), после чего определяют предел прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии на испытательном прессе.

Морозостойкость укрепленного грунта определяют по формуле

где ∆R –среднеарифметическое значение предела прочности при сжатии образцов при температуре 20 °С после установленного числа циклов замораживания-оттаивания, МПа; Rмрз– среднеарифметическое значение предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов

48

при температуре 20 °С, МПа.

Пределы прочности при сжатии определяют как среднеарифметическое значений испытаний трех образцов.

Результаты испытаний представляют в виде табл. 20 и 21.

Таблица 20

Прочностные характеристики укрепленных грунтов

взависимости от содержания стабилизатора, вяжущего

ивремени твердения

Таблица 21

Кинетика падения прочности укрепленных грунтов в зависимости от количества циклов замораживания – оттаивания

На основании полученных результатов определяется оптимальное содержание стабилизатора и вяжущего и делается вывод об эффективности разработанных составов для устройства конструктивных слоев дорожных одежд.

49

Контрольные вопросы

9.Что такое стабилизатор грунта?

10.В чем заключается механизм действия стабилизатора?

11.В чем заключается основная задача стабилизации и укрепления грунтов?

12.В чем состоит преимущество комплексного применения стабилизатора и неорганического вяжущего?

13.Какова методика получения образцов из укрепленных грун-

тов?

14.Какие испытания физико-механических свойств проводят для укрепленных грунтов?

15.Какова методика проведения испытания на морозостойкость?

16.Как рассчитывают морозостойкость?

50

Заключение

В учебном пособии даны основные физико-механические испытания грунтов для строительства дорог, мостов и аэродромов. Рассмотрены основные понятия об исследуемых характеристиках грунтов.

Большое внимание уделено оборудованию, используемому при проведении испытаний.

Изучение данного учебного пособия позволит студенту:

–иметь представление об основных свойствах грунтов, использующихся при строительстве автомобильных дорог, мостов и аэродромов;

–знать и уметь использовать классификацию, свойства грунтов, испытывать образцы гранулобетона, применять методы и средства контроля качества грунтов;

–иметь опыт работы с нормативными документами, государственными стандартами, справочными материалами и литературой; делать заключение о качестве и соответствии материалов требованиям стандарта.