Возрастающие нагрузки, скорость и интенсивность движения транспорта на железных и автомобильных дорогах требуют повышения надёжности всех конструктивных элементов сооружений транспортной инфраструктуры. Одной из наиболее актуальных проблем при эксплуатации дорог являются отказы земляного полотна в процессе эксплуатации. По этой причине, зачастую, требуется снижение нагрузок, а, иногда, и закрытие проезда до устранения дефектов, что особенно затратно именно для этого конструктивного элемента дорог.
Вопросам повышения надёжности работы земляного полотна посвящены многочисленные работы российских и зарубежных учёных [1–5]. Учитывая, что тело насыпи земляного полотна возводится из грунта, который является наиболее крупнотоннажным материалом в технологии строительства дорог, особенно актуальны исследования, направленные на возможность использования местных грунтов, что позволяет значительно снизить стоимость строительства железных и автомобильных дорог [6–8].
С учетом многообразия видов местных грунтов достижение нормируемых эксплуатационных показателей для различных функциональных слоев земляного полотна невозможно без кардинального изменения их свойств, что достигается комплексным укреплением грунтов с применением вяжущих и соответствующих стабилизаторов [9, 10].
Основное внимание исследователей сосредоточено на химической совместимости грунтов и стабилизаторов, используемых при их укреплении. По этому принципу для различных видов комплексно укрепляемых грунтов предлагается большое количество импортных и значительно меньше отечественных стабилизаторов, которые в зависимости от содержания в составе поверхностно-активных веществ ионогенного или неионогенного типов обладают свойствами гидрофобизаторов или пластификаторов, что позволяет избирательно изменять химические и водно-физические свойства укрепляемых грунтов.
При этом недостаточно внимания уделяется вопросам возможности направленного изменения свойств укрепленных грунтов за счет интенсификации процессов, вызванных как дезинтеграцией, так и механохимической активацией. Их влияние не учитывают при производстве на стадии объединении всех компонентов при перемешивании смеси, где одновременно наряду с диспергированием возможны и химические процессы, происходящие на границе раздела фаз, которые в зависимости от характеристик смесительного оборудования (за счет физических процессов измельчения или истирания) делают активными ранее «инертные» компоненты смеси.
В настоящей статье в качестве стабилизатора применяемого для комплексного укрепления грунтов принята полимерно-минеральная композиция (ПМК) Nicoflokроссийского производства (представляющая собой гранулированный порошок), и рассмотрена возможность направленного изменения свойств цемента за счет эффекта механохимии при совместном помоле клинкера и ПМК.
Для исследования были использованы клинкер Белгородского цементного завода, природный гипс и ПМК Nicoflok. Химический состав сырьевых материалов был определен на рентгенофлуоресцентном спектрометре серии ARL 9900 WorkStation(табл. 1).
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
|
Наименование материала |
Содержание, % |
|||||||
|
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
F |
SO3 |
Прочие |
|
|
Портландцементный клинкер |
66,93 |
20,81 |
5,73 |
3,56 |
1,05 |
- |
|
1,92 |
|
Гипс |
38,65 |
3,95 |
1,15 |
- |
7,58 |
- |
42,32 |
6,35 |
|
Минеральная часть ПМК Nicoflok |
43,08 |
44,78 |
1,29 |
1,12 |
1,45 |
4,74 |
- |
3,54 |
Универсальность принятой для исследования добавки заключается в том, что она применима для различных типов грунтов, пригодных к укреплению цементом, так как входящие в ее состав компоненты предполагают воздействие на цемент и воду затворения [11].
На начальном этапе исследования было приготовлено 2 вида цементов:
1.Контрольный цемент, полученный совместным помолом 95 % портландцементного клинкера и 5 % гипса;
2. Композиционный цемент, полученный в результате совместного помола 95 % портландцементного клинкера, 5 % гипса и 10 %
ПМК Nicoflok (сверх 100 % клинкера и гипса). Содержание композиции было выбрано исходя из принятой дозировки добавки в цемент при укреплении грунтов [12].
Приготовление цементов было осуществлено в лабораторных условиях кафедры ТКЦМ БГТУ им. В.Г. Шухова. Режим мелющей загрузки на размалываемый материал и время помола подбирались согласно разработанной ими методики [13] (измельчение проводили в стандартной лабораторной мельнице Гипроцемента (Ø 0,5×0,56 м)). В результате были выбраны следующие параметры:
- загружаемая масса материала 4 кг;
- первая загрузка (грубое измельчение): шары диаметром 70 мм и 50 мм в равном количественном соотношении 1:1, общий вес загрузки 55 кг, время помола 5 минут;
- вторая загрузка (окончательное тонкое измельчение): смесь цильпебсов диаметром 25 мм и шаров диаметром 25 мм в соотношении 1:1 по массе, время помола 50 минут.
Учитывая, что тонкость помола значительно влияет на конечные свойства цемента, дисперсность полученных цементов оценивалась по нескольким характеристикам: удельная поверхность по Блейну, измеренная на приборе ПСХ-12; распределение частиц по размерам и рассчитанная из него удельная поверхность, определенные на лазерном анализаторе размеров частиц ANALYSETTE 22 NanoTecplus [14] (рис. 1, табл. 2).
Согласно полученным результатам, цемент с введенной композицией превосходит контрольный по значениям удельной поверхности (табл. 2). Из этого можно заключить, что стабилизатор ПМК положительно влияет на размалываемость цементного клинкера и способствует получению более тонкого вяжущего, о чем можно судить по кривым распределения частиц по размерам – график композиционного цемента располагается левее контрольного состава, т.е. в области более мелких частиц (рис. 1).
На втором этапе исследования для выявления эффекта механохимии были определены технические и технологические характеристики (табл. 2) и исследована микроструктура (рис. 2) следующих составов вяжущих:
1. Ц1– Контрольный цемент (без ПМК Nicoflok);
2. Ц2– Контрольный цемент с добавлением 10 % ПМК Nicoflok и перемешиванием вручную до равномерного её распределения;
3. Ц3– Композиционный цемент (ПМК Nicoflok использованкак механохимический активатор).
Рис. 1. Интегральные кривые распределения частиц по размерам контрольного цемента (1) и композиционного цемента (2)
Таблица 2
Технические и технологические характеристики исследуемых составов
|
Наименование состава |
Удельная поверхность, см2/г |
НГ,% |
Начало схватывания, мин |
Предел прочности цемента (28 сутки), МПа |
Класс цемента |
||
|
по Блейну |
по лазерной дифракции |
при сжатии |
при изгибе |
||||
|
Ц1 |
3731 |
4877 |
28 |
130 |
29,74 |
5,1 |
22,5Н |
|
Ц2 |
–* |
–* |
27 |
125 |
33,55 |
5,5 |
32,5Н |
|
Ц3 |
4999 |
6701 |
26 |
120 |
45,55 |
6,5 |
42,5Н |
*удельная поверхность определялась только для вяжущих, приготовленных в лабораторной мельнице
Анализируя данные табл. 2, можно увидеть значительное влияние эффекта механохимии на свойства цемента, т.к. по сравнению с Ц2, композиционное вяжущее, приготовленное совместным помолом портландцементного клинкера с ПМК (Ц3) показывает увеличение предела прочности при сжатии на 35 %, а предела прочности при изгибе на 18 %.
При сопоставлении характеристик с нормируемыми показателями ГОСТ Р 55224-2012 «Цементы для транспортного строительства» полученный композиционный цемент относится к более высокому классу цемента, применяемого при укреплении грунтов (нормативные требования - 22,5Н; 32,5Н), что может дать возможность снизить расход добавки для достижения нормативных показателей или уменьшить содержание композиционного вяжущего при комплексном укреплении грунта.
Несмотря на то, что получаемое вяжущее Ц3 является более тонким, содержание воды для получения теста нормальной густоты, снижается, что оказывает положительное влияние и дает прирост прочности. Постепенное снижение водопотребности (Ц2, Ц3) при введении ПМК можно объяснить положительным действием добавки, которое в значительной степени проявляет себя при механохимических процессах.
Влияние механохимиина вяжущее можно четко проследить при исследовании микроструктурных особенностей порошков. При стандартном перемешивании добавки с цементом (рис. 2, в)видны цельные гранулы и кристаллы различного размера, входящие в состав ПМК (рис. 2, а), а при совместном помоле происходит их дробление с равномерным распределением образовавшихся обломков по объему порошка(рис. 2, г).Визуально разница между Ц1 (рис. 2, б) и Ц3 (рис. 2, г) незначительна, поскольку темные достаточно крупные гранулы (до 300 мкм) и игольчатые кристаллы, входящие в состав полимерно-минеральной композиции, диспергируются совместно с зернами клинкера и гипса, в результате чего все компоненты композиционного вяжущего имеют близкие размеры частиц. За счет уменьшения размеров компонентов добавки можно объяснить их лучшую растворимость и большее влияние на свойства цементной системы.
Рис. 2. Микроструктурные особенности принятых для исследования порошкообразных материалов
(увеличение 50×) а – ПМКNicoflok, б – Ц1, в – Ц2, г – Ц3
Таким образом, при исследовании было выявлено:
- Особенности состава и свойств ПМК Nicoflok указывает на возможность регулирования технических и технологических свойств композиционного цемента в зависимости от технологии введения стабилизатора.
- Процессы механохимии оказывают существенное влияние на свойства цемента при его совместном измельчении с ПМК Nicoflok, которое заключается в повышении дисперсности материала, класса цемента и сниженииводопотребности.
- При введении ПМК Nicoflok в качестве активатора цемента, предположительно можно снизить стандартный расход добавки.
- Применение композиционного вяжущего при строительстве дорог исключит необходимость дозирования, распределения и перемешивания добавки с цементом, что может оптимизировать технологию строительства.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования на базе Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова
