Пути повышения долговечности оснований дорожных одежд из грунтов укрепленных вяжущими

1.2.1 Органические вяжущие материалы

При укреплении природных грунтов и отходов промышленности всегда следует учитывать и использовать дополнительные «резервы», заложенные в массе укрепленного грунта. В смеси грунта с вяжущими происходят разнообразные реакции взаимодействия с ПАВ, которые часто являются отходами промышленности и используются в целях торможения или интенсификации (ускорения во времени) процессов взаимодействия и твердения укрепленных грунтов, или они (ПАВ) оказывают большее или меньшее воздействие на другие процессы (адгезию вяжущих, размельчение грунтовых агрегатов, уплотняемость смеси и др.). Поэтому важно помнить, что укрепление грунтов представляет собой весьма сложный процесс, идущий во времени и включающий в себя разнообразное взаимодействие длительно (постоянно) и временно действующих факторов.

Постоянно действующими факторами являются минералогический и химический составы укрепляемых грунтов и применяемых для этих целей вяжущих материалов, ПАВ и других веществ. Степень раздробленности (дисперсности), т.е. гранулометрический состав грунта, твердых порошкообразных вяжущих и вносимых в грунт добавок (зол уноса, шлаков и др.), также играет важную роль [19].

Временно действующими факторами являются все технологические операции, выполняемые при обработке грунтов, укладке и уплотнении готовой смеси, а также способы ухода за уплотненным слоем укрепленного грунта.

Основными технологическими операциями являются: размельчение глинистых грунтов, точное дозирование вяжущих и других веществ, перемешивание грунта и вяжущих до однородной смеси, увлажнение смеси до требуемой оптимальной влажности, уплотнение готовой смеси до максимальной плотности, уход за уплотненным слоем из укрепленного грунта.

Технологические операции всегда должны выполняться в строго установленном порядке. Они относительно кратковременны и должны быть закончены до начала изменения свойств грунта и формирования заданной пространственной структуры под влиянием постоянно действующих факторов, качественно преобразующих укрепленный грунт в прочный и монолитный слой дорожной одежды. Следует отметить, что отдельные технологические операции при плохом или несвоевременном их выполнении значительно снижают воздействие на грунт постоянно действующих факторов и в первую очередь вяжущих материалов и активных или поверхностно-активных добавок.

Хотя перечисленные выше технологические операции осуществляют в относительно небольшой промежуток времени, а часто некоторые технологические операции выполняются почти одновременно (в грунтосмесительных установках), их последующее влияние на прочность укрепленного грунта является весьма большим и по воздействию своему приближается к постоянно действующим факторам.

Предварительное размельчение глинистых грунтов (супесей, и особенно суглинков и глин) имеет весьма важное значение. Исследованиями Е.И. Путилина [19] установлено, что с увеличением размера грунтовых агрегатов (комков) и их количественного содержания прочность грунта, укрепленного вяжущими материалами, резко снижается. Морозостойкость укрепленных грунтов при содержании агрегатов (комков) размером более 5 мм в количестве свыше 15 - 20 % также значительно уменьшается. Механическое размельчение глинистых грунтов до размеров агрегатов менее 5 ммпредставляет большие трудности, особенно сухих грунтов. Введение небольшого количества добавок ПАВ определенного состава улучшает этот процесс. При этом затраты механической энергии на размельчение грунта до требуемой степени существенно уменьшаются.

Следует также отметить то важное обстоятельство, что технологические операции, указанные ранее, взаимосвязаны, дополняют друг друга и незаменимы одна другой. Например, неточное дозирование и неравномерное распределение вяжущих в смеси или же недостаточное уплотнение готового слоя укрепленного грунта значительно снижает эффективность действия вяжущих материалов и других веществ. Только строгое соблюдение технологических операций, завершающихся уплотнением готовой смеси до максимальной плотности при оптимальной влажности с высоким качеством работ, обеспечивает требуемую прочность и другие свойства укрепленного грунта. Лишь при таких условиях и наличии строгой производственной дисциплины полностью могут быть реализованы большие технико-экономические преимущества применения укрепленных грунтов.

Технологические операции всегда предшествуют действию вяжущих веществ, которые твердеют во времени в готовом, уплотненном слое укрепленного грунта. В конечном итоге грубодисперсные или тонкодисперсные грунты утрачивают свою раздробленность (дискретность). В массе грунта формируется пространственная структура соответствующего типа в зависимости от свойств вяжущего материала. Грунт приобретает новые качества и преобразуется в прочный монолит, свойства которого (прочность, морозостойкость и др.) отвечают установленным требованиям.

Большое разнообразие вяжущих и других веществ, применяемых для укрепления грунтов в широком диапазоне их гранулометрического, минералогического и химического составов, а также генезиса, требует тщательного и внимательного подхода при их выборе.

При укреплении грунтов протекают во времени сложные и взаимосвязанные взаимодействия, которые в обобщенном виде можно рассматривать как следующие процессы:

- химические - гидратация частиц цемента, извести и других минеральных вяжущих, твердеющих во времени продуктов гидролиза и гидратации, а также их новообразований, возникающих при взаимодействии с частицами природных или искусственных грунтов и особенно с тонкодисперсной их частью;

- полимеризация и поликонденсация синтетических веществ (например, карбамидных смол), химическое взаимодействие с образованием водостойких соединений с различными активными реагентами;

- физико-химические - обменное поглощение катионов, являющихся продуктом гидратации цемента (Са²⁺), тонкодисперсной частью грунта или поглощение других катионо- или анионактивных веществ; при этом может иметь место молекулярная сорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, а также необратимая коагуляция глинистых и коллоидных частиц, их микроагрегирование и прочное цементирование;

- физические и механические - предварительное тонкое размельчение грунтовых агрегатов в случае укрепления глинистых грунтов, точное дозирование вяжущих и других веществ, равномерное их объединение с частицами или микроагрегатами, оптимальное увлажнение и максимальное уплотнение смеси с последующим обеспечением требуемого режима твердения уплотненного слоя.

Перечисленные разнообразные и сложные процессы направлены на превращение дискретного грунта в прочный монолитный слой и всегда находятся в тесной взаимосвязи.

Исходя из научных положений, развитых академиком П.А. Ребиндером и его учениками в области физико-химической механики дисперсных тел, принято различать три типа пространственных моноструктур: кристаллизационные, конденсационные и коагуляционные.

Кристаллизационные структуры возникают в результате сращивания кристалликов новой твердой фазы, возникающей из пересыщенного раствора, например, при гидратационном твердении минеральных вяжущих материалов [20, 21]. Характерной особенностью этих структур является то, что они в течение короткого времени (до начала схватывания гидратационных зерен цемента) развиваются на основе коагуляционных структур путем выкристаллизовывания из растворов вновь образовавшихся гидратов, срастающихся в прочный монолит в процессе своего роста и упрочнения с увеличением времени их твердения. Кристаллизационные структуры являются наиболее прочными и морозостойкими по сравнению с другими типами структур. Они образуются при укреплении различных типов грунтов портландцементом и другими видами цемента, а также при добавлении извести, известково-шлакового цемента, тонкомолотых шлаков, белитовых шламов и активных зол уноса.

Конденсационные структуры характеризуются тем, что они возникают при действии наибольших сил сцепления - химических. Такие структуры отличаются высокой механической прочностью, хрупкостью и характеризуются полным отсутствием тиксотропных свойств, характерных для коагуляционных структур. Конденсационные структуры образуются при укреплении грунтов синтетическими смолами типа карбамидных, фурфуроланилиновых и др.

Коагуляционные структуры характеризуются тем, что частицы дисперсной фазы образуют беспорядочную пространственную сетку. Возникновение отдельных коагуляционных связей (контактов сцепления), происходящих под влиянием относительно слабых вандерваальсовых сил, осуществляется через тонкую прослойку жидкой фазы - дисперсионной среды. Это определяет особенности и свойства пространственных структур такого типа. Коагуляционные структуры формируются при укреплении грунтов добавками органических вяжущих веществ.

В процессе разработки различных методов укрепления грунтов они совершенствовались и при этом находились эффективные новые решения по весьма существенному улучшению структурно-механических свойств укрепленных грунтов.

Было установлено и подтверждено многолетними наблюдениями в производственных условиях, что при укреплении грунтов двумя вяжущими материалами, характеризующимися весьма различными, но не антагонистическими свойствами и различной структурой (например, кристаллизационной, свойственной цементам, и коагуляционной, свойственной битумам), они приобретают повышенные сдвигоустойчивость, морозо-, температуростойкость и при необходимости могут быть менее жесткими и деформативными материалами.

Методы, сочетающие при укреплении грунтов внесение добавок двух вяжущих веществ или одного вяжущего и поверхностно-активного или активного вещества гидрофобного типа, получили название комплексных методов. В процессе изучения преимуществ, заложенных в комплексных методах укрепления, было установлено, что при этом формируются ранее неизвестные типы сложных пространственных структур совмещенного типа.

Характерной особенностью сложных совмещенных структур является то, что при правильном технологическом процессе в микрообъемах укрепленного грунта формируются два типа пространственных бинарных структур, характеризующихся разными свойствами, взаимно дополняющими друг друга и компенсирующими недостатки (как дорожно-строительного материала) каждой из моноструктур. Бинарные (совмещенные) структуры - взаимопроникающие структуры, и в микрообъемах они прерывистые, сменяют друг друга в небольших объемах укрепленного грунта.

В результате разработки и подробного изучения положительных особенностей комплексных методов укрепления грунтов возникла целесообразность в выделении, помимо трех основных типов пространственных моноструктур (кристаллизационной, конденсационной и коагуляционной), также типов сложных бинарных пространственных структур. Такими бинарными структурами являются коагуляционно-кристаллизационная, конденсационно-кристаллизационная, кристаллизационно-коагуляционная, конденсационно-коагуляционная, коагуляционно-конденсационная. В перечисленных бинарных структурах вначале указывается та структура, которая занимает в укрепленном грунте меньший объем, а затем приводится превалирующая структура.

Изменяя величину и соотношение добавок вяжущих и других веществ, можно направленно изменять в нужную сторону механические и физические свойства укрепленных грунтов в зависимости от области их применения [22, 23].

В последнее время, помимо традиционно используемых органических и минеральных вяжущих для укрепления грунтов, широко рекламируются, а в отдельных регионах России используются отечественные и зарубежные стабилизаторы грунтов. Все стабилизаторы по составу и природе взаимодействия с грунтами объединены в два класса.

К первому классу используемых стабилизаторов следует отнести ионные закрепители глинистых грунтов. Среди стабилизаторов зарубежного и отечественного производства можно выделить Perгmа-Zyme, Roadbond, Gonsolid, RoadpakerPlus, T-RRP, RRP-235-Special, «Статус», «Статус-2», «Дорзин» и другие, примененные при обработке глинистых грунтов на территории России (рис.3, 4).