Спросить
Войти
УДК 624.15:625
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Пименов Александр Трофимович, д.т.н., профессор
(e-mail: pimenov.alecsandr@yandex.ru) Барахтенова Людмила Алексеевна, д.б.н., профессор (e-mail: lyudmila.barahtenva@yandex.ru) Дьякова Ксения Сергеевна, магистрант (e-mail: kseniya-perevalova@yandex.ru) Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (ФГБОУ ВО НГАСУ (Сибстрин)), г.Новосибирск
Рассмотрены технологические приемы и составы упрочняющих растворов ориентированных на защиту дорожной конструкции: «подпорная стена» - конструкция, предназначенная для противодействия боковому давлению грунта, когда изменение его высоты превышает угол естественного откоса; подпорные стены должны противостоять гидростатическому давлению воды на основание дороги ; «стена в грунте»- конструкция, предназначенная для сокращения распространения деформаций в сторону вмещающих грунтов дороги в процессе ее эксплуатации ; «инъекцирование» - процесс восстановления целостности строительной конструкции путем закачки под высоким давлением инъекционных растворов на основе минеральных вяжущих или полимерных материалов.
Разработаны упрочняющие составы для «инъекцирования» основания автомобильной дороги с использованием отходов различных производств в качестве наполнителей.
Состав 1 разработан на основе сверхтекучих низковязких смол (эпоксидная смола (ЭИС-1) полиуретан (ПУ), карбомидная смола (КФ-Ж)), которые выполняют функции вяжущих и обладают повышенными показателями в отношении адгезии к материалам основания. В этот состав в качестве наполнителя вводятся соединения, не снижающие показатели адгезии и проникающей способности растворов: керамзитовая пыль, щавелевая кислота, зола-унос и НКС - нейтрализованной кислой смолки (которая является отходом коксохимического производства при переработке фракций высокомолекулярных углеводородов и способна адсорбироваться на зернах наполнителя выполняя функции разжижителя смолы), что приводит к понижению вязкости всей системы в целом.
Помимо составов на основе синтетических смол разработаны составы на основе неорганических вяжущих веществ: состав 2 включает цемент, золу-унос ТЭС, воду, СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка), ННХК (нитрит-нитрат-хлорид калия) и соапсток растительного масла- побочный продукт, получающийся при щелочной обработке растительных масел (подсолнечного, хлопкового, льняного). Этот состав за счет введения золы-уноса ТЭС и СДБ обладает повышенной способностью проникать в
трещины, а также высокой водонепроницаемостью и прочностью. Состав 3 включает цемент, известь, песок молотый, воду и НКС.
Показано, что для укрепления основания автомобильной дороги в условиях высоких деформационных нагрузок следует применять инъекционные растворы на основе полимерных материалов (полимерные смолы), а на слабых грунтах - на основе минеральных вяжущих.
Введение
Практика показывает, что из всего комплекса инженерных сооружений автомобильной дороги одним из наиболее уязвимых ее элементов выступает слоистая конструкция земляного полотна[1,2].
Основными причинами неудовлетворительного его состояния являются процессы деформации структуры при перераспределении напряжений всей конструкции в условиях восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок [3], опасных геологических и гидрогеологических процессов (лавины, оползни и др.), что подчеркивает актуальность технологических приемов по повышению устойчивости оснований автомобильных дорог, включая применение упрочняющих растворов [4].
Наиболее распространенными технологическими приемами по повышению устойчивости оснований автомобильных дорог являются:
- «подпорная стена» - конструкция, предназначенная для противодействия боковому давлению грунта, когда изменение его высоты превышает угол естественного откоса; подпорные стены должны противостоять гидростатическому давлению воды на основание дороги [5];
- «стена в грунте»-конструкция, предназначенная для сокращения распространения деформаций в сторону вмещающих грунтов дороги в процессе ее эксплуатации [6,7];
- «инъекцирование» - процесс восстановления целостности строительной конструкции путем закачки под высоким давлением инъекционных растворов на основе минеральных вяжущих или полимерных материалов [8].
При введении инъекционного материала (упрочняющие растворы) сверхтекучие низковязкие составы распределяются в объеме конструкции, делая ее прочнее за счет скрепления и герметизации даже самых тонких трещин, что позволяет сохранить целостность конструкции основания не изменяя архитектуры сооружения [4, 9,10].
В условиях динамических нагрузок поверхности перечисленных выше строительных конструкций, взаимодействуют со слоями земляного полотна, среда которых является физически дискретной, неоднородной, анизотропной (насыпные грунты). При этом, возникающие силовые воздействия, как во времени, так и в пространстве имеют случайный характер, что приводит к снижению надежности функционирования всего сооружения и требует применения способов омоноличивания внутреннего слоя среды [11]. В данном случае формируется слоистая система типа «насыпной грунт - затвердевшая смесь- строительная конструкция», с разными характеристиками упругих деформаций.
Материал и методы
На базе лаборатории строительных материалов, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО НГАСУ (Сибстрин) разработаны упрочняющие составы для «инъекцирования» основания автомобильной дороги с использованием отходов различных производств в качестве наполнителей, табл.1.
Состав 1 разработан на основе сверхтекучих низковязких смол (эпоксидная смола (ЭИС-1) полиуретан (ПУ), карбомидная смола (КФ-Ж)), которые выполняют функции вяжущих и обладают повышенными показателями в отношении адгезии к материалам основания. В состав 1 в качестве наполнителя вводятся соединения, не снижающие показатели адгезии и проникающей способности растворов: керамзитовая пыль, щавелевая кислота, зола-унос и НКС [4; 9-11]. Ведение в состав упрочняющих растворов НКС- нейтрализованной кислой смолки (которая способна адсорбироваться на зернах наполнителя и выполнять функции разжижителя смолы) приводит к понижению вязкости всей системы в целом. НКС является отходом коксохимического производства при переработке фракций высокомолекулярных углеводородов: БКСТ (бензол, кумарол (изопропилбензол), стирол, толуол), имеющих в своем составе до 30% серной кислоты, до 15% бензольных углеводородов и до 60% полимеров различного состава 11.
Помимо составов на основе синтетических смол разработаны составы на основе неорганических вяжущих веществ (составы 2 и 3, см. табл.1). Состав 2 включает цемент, золу-унос ТЭС, воду, СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка), ННХК (нитрит-нитрат-хлорид калия) и соапсток растительного масла- побочный продукт, получающийся при щелочной обработке растительных масел (подсолнечного, хлопкового, льняного). Этот состав за счет введения золы-уноса ТЭС и СДБ обладает повышенной способностью проникать в трещины, а также высокой водонепроницаемостью и прочностью [ 9,10]. Состав 3 включает цемент, известь, песок молотый, воду и НКС.
Исследование свойств разработанных составов проводили с использованием стандартных методов, позволяющих обеспечить требуемую точность получаемых результатов. При изучении свойств растворов этих составов, определяли условную вязкость (по вискозиметру ВЗ-4), проникающую способность растворов (при этом рабочей жидкостью являлись растворы указанных составов, в которых цемент заменяли на инертный порошок, размеры гранул которого соответствовали тонкости помола цемента) и водонепроницаемость экспериментальных образцов основания [12]. Для испытаний готовили уплотненные образцы-цилиндры из материалов основания дороги диаметром 150 мм. Затем эти образцы помещали в металлические цилиндрические формы с внутренним диаметром 155 мм, зазор между образцом и формой заливали расплавленным уплотняющим материалом (битум, парафин). Подготовленные образцы устанавливали в испытательный прибор, в котором к нижней поверхности подводили под заданным давлением раствор испытуемого состава. Наблюдая за верхней поверхностью образца, регистрировали момент начала просачивания жидкости через структуру образца. Испытания начинали при давлении 0,1 МПа, а затем его повышали по 0.1 МПа через каждые 8 часов. При давлении 1,2 МПа через 1,5 часа начиналось просачивание жидкости из испытуемых растворов.
Таблица 1 - Составы упрочняющих растворов
Наименование компонентов Количественное содержание, масс, %
состав 1 состав 2 состав 3
Карбомидная смола КФ-Ж 65-70
Эпоксидная смола ЭИС-1 65-70
Полиуретан 40-45
Керамзитовая пыль 25-14
Щавелевая кислота 1,20-1,52
Зола-унос (зола ТЭС) 25-16 21-34
Вода 9-11 36-47 21-55
Цемент 17-42 17-23
СДБ 0,05-0,07
Соапсток 0,15-0,21
ННХК 0,42-0,52
Песок молотый 12-34
Известь 20-28
НКС 0.3-0,4 0,2-0,4
Результаты
Практика показывает, что заполнение трещин массива слоев основания дороги упрочняющими смесями способствует преобразованию системы, описываемой раздельно-блочной моделью в систему, описываемую упругой, жесткопластической и упругопластической моделями [4,11]. При испытании упрочняющих растворов предложенных составов были рассмотрены упругая, жесткопластическая и упругопластические модели работы слоев основания дороги.
Испытания состава 1 показали, табл.2, что с учетом только прочностных свойств упрочняющих растворов наиболее приемлемым является состав с использованием эпоксидных смол. Однако, с учетом предельного состояния системы: «материал основания - смола» наиболее эффективным является состав на основе карбомидной смолы, при этом угол внутреннего трения, характеризующий трение между частицами грунта [13], имеет более низкие значения.
Таблица 2 - Свойства упрочняющих растворов на основе сверхтекучих низковязких смол
Нормальное напря- Касательное напряВид мате- жение МПа при уг- жение МПа при уг- Угол внутреннериала ле ле го трения, град.
ЭИС-1 2,8 6,4 4,8 6,4 25
ПУ 1,6 4,0 2,8 4,0 30
КФ-Ж 3,9 7,8 6,7 7,8 18
Это связано с тем, что система, образованная слоями основания дороги и упрочняющим раствором на основе карбомидной смолы работала по упру-гопластической модели и разрушилась по когезионному механизму, в отличие от системы, образованной с применением эпоксидной смолы, которая работала по жесткопластической модели, а утратила монолитность по адгезионному механизму.
Испытания составов упрочняющих растворов на основе минеральных вяжущих показали характеристики с улучшенными проникающими свойствами [14]. С учетом показателей вязкости, прочности, водонепроница-емсти эти составы целесообразно применять при устройстве автомобильных дорог в сложных климатических условиях с целью укрепления слабых грунтов [15].
Таблица 3 - Свойства упрочняющих растворов _на основе минеральных вяжущих_
Показатели свойств Упрочняющий состав, номер
состав 2 состав 3
Условная вязкость, с 45-60 45-70
Прочность, МПа 5,5-7,0 1,5-5,0
Проникающая способность, ч 1,6-1,7 1,5-1,6
Водонепроницаемость, МПа 1.4-1,8 1,2-1,3
Заключение
В целом, рассмотренные технологические приемы и составы упрочняющих растворов ориентированы на защиту дорожной конструкции, что целесообразно при использовании технологического приема «стена в грунте» и опасности образования так называемой «чаши прогиба» [16] в виде различных трещин. Нами предложен метод [17] определения подвижек вмещающих грунтов при устройстве дорожной одежды, который позволяет определить деформационные свойства составов оснований дороги при нагрузках, заведомо превышающих предельно допустимые нормы нагрузки для дороги.
Для укрепления основания автомобильной дороги в условиях высоких деформационных нагрузок следует применять инъекционные растворы на основе полимерных материалов (полимерные смолы), а на слабых грунтах - на основе минеральных вяжущих.
Список литературы
Pimenov Alexander Trofimovich, doctor of technical Sciences, Professor Federal state budgetary institution of higher education Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Sibstrin).
Barakhtenova Lyudmila Alekseevna, doctor of biology, Professor
Federal state budgetary institution of higher education Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Sibstrin). (e-mail: lyudmila.barahtenva@yandex.ru) Dyakova Ksenia Sergeevna, master&s degree student
Federal state budgetary institution of higher education Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Sibstrin). (email: kseniya-perevalova@yandex.ru)
TECHNOLOGICAL METHODS FOR INCREASING THE STABILITY OF ROAD FOUNDATIONS
Abstract. Considered technological techniques and compositions of hardening solutions focused on the protection of road construction: "retaining wall" (a design designed to counteract the lateral pressure of the ground, when the change in its height exceeds the angle of natural slope; retaining walls must withstand the hydrostatic pressure of water on the base of the road; "wall in the ground" (a design designed to reduce the spread of deformations towards the moving ground of the road during its operation; "injection" (the process of restoring the integrity of the construction structure by pumping at high pressure injectable solutions based on mineral astringent or polymeric materials.
Hardening compounds have been developed to "inject" the base of the road using waste from various industries as fillers.
Composition 1 is developed on the basis of superfluid low viscous resins (epoxy resin (EIS-1) polyurethane (PU), carbomide resin (KF-z)), which perform the functions of astringent and have increased indicators in relation to adhesion to the materials of the base. In this composition as a filler are introduced compounds, non-reducing indicators of adhesion and penetrating ability of solutions: keramsite dust, sorrel acid, ash-ulos and NKS - neutralized acid tar (which is a waste of coking production in the processing of fractions of high-molecular hydrocarbons and is able to absorb on the grains of the filler performing the function of a resin thinner), which leads to a reduction in the binding of the whole system.
In addition to synthetic resins, compounds based on inorganic astringent substances have been developed: composition 2 includes cement, ash-uos TPP, water, SDS (sulfite-yeast), NNHC (nitrite-nitrate-potassium chloride) and co-apstock of vegetable oil- a product derived from alkaline processing of vegetable oils (sunflower, cotton). This composition due to the introduction of ash-nosed TPP and SBB has an increased ability to penetrate the cracks, as well as high waterproofness and durability. Composition 3 includes cement, lime, ground sand, water and NKS.
It has been shown that injectable solutions based on polymeric materials (polymer resins) should be used to strengthen the base of the road in conditions of high deformation loads, and on weak soils - on the basis of mineral astringents.
