Применение цементов, извести и других вяжущих в дорожном строительстве
Рассматриваются методыукрепления грунтов для дорожного строительства.
Дороги в России всегда имелибольшое значение. К сожалению, никогда не было последовательной, долгосрочной,целенаправленной программы их строительства. В послании президента Федеральномусобранию, а также в принимаемом 3-летнем бюджете РФ, дорожному строительствууделяется значительное внимание. На наш взгляд, заслуживает рассмотрения вопросстроительства недорогих грунтовых дорог укреплённых цементом, известью идругими вяжущими, так называемые дороги «экономкласса».
Грунты широко используются вкачестве местных строительных материалов при сооружении дорог, аэродромов,плотин, оснований под фундаменты и т. д. Известно, что основная частьповерхности представлена дисперсными, в большинстве своём глинистыми грунтами.Дисперсные грунты отличаются большой изменчивостью свойств в зависимости отвоздействия внешней среды: влаги, температуры, нагрузок и т. д. Проблемаукрепления дисперсных грунтов, превращения их в полноценный строительныйматериал имеет большое теоретическое значение.
Разработано много методовукрепления грунтов для дорожного и аэродромного строительства. В табл. 1 (по В. М. Безрукову) приведенаих классификация. Каждый из методов, указанных в таблице, имеет своиспецифические особенности, как по эффективности воздействия на грунт, так и поусловиям технологии работ.
Применяемые материалы и способы воздействия
Укрепление гранулометрическими добавками
Щебень, гравий, песок, шлаки, глины, суглинки
Укрепление органическими вяжущими
Битумы твёрдые и жидкие, дёгти, битумные и дегтевые эмульсии и пасты, синтетические смолы, древесные пески и др.
Укрепление минеральными вяжущими материалами
Цемент, известь, силикат натрия (жидкое стекло)
Местное топливо (дрова, уголь, электрический ток, газ)
Укрепление солевыми растворами
Хлористый кальций, хлористый натрий и др.
Электрический постоянный ток (с применением электролитов)
Органические и минеральные вяжущие с гранулометрическими добавками, органические вяжущие с активными добавками и т. д.
Таблица 1. Классификация методов укрепления грунтов
В рамках данной статьи, мыуделим основное внимание методу укрепления минеральными вяжущими материалами.
Мысль об улучшении свойствгрунтов для строительных и дорожных целей давно занимала умыинженерно-технических работников. Ещё в 60-е годы XIX века русские инженеры-дорожникипришли к выводу о необходимости искусственного улучшения грунтов для устройствапроезжей части грунтовых дорог. Так, в работах Е. Головачёва излагались методыулучшения грунтов путём уплотнения, а также смешения песка и гравия с глинистымгрунтом. Методы укрепления грунтов гранулометрическими добавками получилидальнейшее развитие в работе профессора Г. Д. Дубелира. В 1923 году приЛенинградском областном управлении было создано дорожноенаучно-исследовательское бюро, которое в 1925 году было реорганизовано висследовательское бюро ЦУМТа. К 1928 году на основе достижений науки о грунтах,благодаря работам профессоров Н. Н. Иванова, В. В. Охотина, П. А. Замятченскогои других, была разработана теория оптимальных смесей и способов производстваработ при производстве грунтовых работ с гранулометрическими добавками [6]. Наосновании своих исследований профессор М. М. Филатов предложил ввестипоправочный коэффициент, учитывающий повышенную вяжущую способность коллоидныхчастиц.
Однако в работах всехученых-дорожников отмечалось, что даже хорошо подобранные грунтовые смеси легкодеформируются вследствие нарушения сцепления между гранулометрическимиэлементами при проезде автотранспорта, вымывания тонких фракций водой и др. Привысыхании такие покрытия сильно пылят и тоже разрушаются. Всё это заставилопродолжить поиски надёжных методов укрепления грунтов. Для этих целей решенобыло использовать различные вяжущие материалы, в том числе и минеральные.
В 1926 году в Ленинградскомдорожно-исследовательском бюро были проведены опыты по известкованию грунтов. Входе опытов было установлено, что добавки гашёной извести в количестве 5 % отмассы грунта уменьшает липкость и пластичность глинистых грунтов и увеличиваетсопротивление размоканию. С 1927 по 1931 год под Москвой были проведены опытныеработы по укреплению известью глинистых и чернозёмных грунтов [6]. Впослевоенный период известкование грунтов получило дальнейшее развитие вработах ДорНИИ, Саратовского автодорожного института и других НИИ. Былиразработаны практические рекомендации по внедрению метода известкования грунтовв дорожном строительстве. С 1950 по 1955 год был построен ряд опытных участковдорог, где в качестве оснований, а также покрытий, использовался местный грунт,укреплённый известью. По данным С. А. Морозова [6], известкованиедерновоподзолистых грунтов обеспечило во всех опытных участках более высокиепоказатели прочности образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии, чем приукреплении цементом.
Однако известкованные грунтыимеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главным образом воснованиях дорожных одежд.
известкованныегрунты имеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главнымобразом в основаниях дорожных одежд
При взаимодействии жидкогостекла с грунтом образуется гель кремнекислоты, который со временем твердеет(особенно в присутствии катализатора, например, хлористого кальция) и такимобразом связывает частицы грунта между собой. Первые производственные опыты поприменению жидкого стекла в дорожном строительстве были проведены в 1928 году вЛенинградской области, Белоруссии, Украине и в других регионах [6]. Большойвклад в развитие методов силикатирования грунтов внесли учёные Б. А. Ржаницын иВ. В. Аскалонов, которые разработали и теоретически обосновали 2-растворныйспособ силикатизации песчаных и гравелистых грунтов и 1-растворный способ поукреплению лёссовых грунтов. Оба эти метода нашли широкое применение в метро- итоннелестроении, а также при укреплении фундаментов и оснований промышленныхсооружений. В дорожном строительстве жидкое стекло не получило широкогораспространения, за исключением постройки опытных участков, а такжесиликатирования щебёночных шоссе по методу пропитки и поверхностной обработки.Причина — низкая морозостойкость силикатированных грунтов, а также неудобство вработе в связи с быстрым схватыванием и твердением смеси грунта с силикатом.
Цементно-грунтовая технологияоснована на смешивании до однородного состояния цемента и естественного грунтапри установленном содержании воды и уплотнении с целью придания укреплённомугрунту определённых свойств: прочности, устойчивости, морозостойкости и т. д.[4].
Впервые в России цемент дляукрепления грунтов был применён для устройства садовых дорожек [1]. Послереволюции первые опыты по укреплению грунтов портландцементом были проведены в1927 году на опытных дорожках Ленинградского дорожно-исследовательского бюро.
Лабораторные исследования поукреплению грунтов цементом проводились также ЦИАТ и ДорНИИ. Положительныерезультаты исследований позволили выполнить укрепление грунта цементом подасфальтобетонные покрытия на подъездных путях к территории Всесоюзнойсельскохозяйственной выставки. В послевоенный период начинается широкоевнедрение цементогрунтов в дорожном и аэродромном строительстве [3].Цементно-грунтовые основания были применены взамен щебёночных и песчаных слоёвна автомагистралях Москва — Харьков (1946–1949), Москва — Ленинград (1949),Москва — Рязань (1950) и др. Решающее значение для развития метода укреплениягрунтов цементами имели работы В. М. Безрука, который в результате многолетнихисследований разработал теоретические и практические рекомендации укреплениягрунтов цементами [1–3, 6]. Как отмечает Безрук, на эффективность укреплениягрунтов цементом оказывает исключительно важное влияние химико-минералогическийсостав цементов, генезис, состав и свойства грунтов, в частности ихзаселённость и состав обменных катионов. Введение в цементно-грунтовые смесинекоторых веществ (например, мылонафта, саапстока и др.), образующих спродуктами гидролиза цемента гидрофобные и другие вещества, заполняющие поры,может в ряде случае придавать им повышенную водопроницаемость. С 80-х годовпрошлого века успешно велись работы по укреплению грунтов цементами комплекснымметодом, предусматривающим направленное влияние на процессы цементации грунтов.Но об этом ниже.
За границей, цементно-грунтовыетехнологии начали развиваться также в первой половине XX века. В 20-х годах в США изцементогрунтов делали покрытия просёлочных дорог [4]. После II мировой войны этот метод получилраспространение в Англии, Бельгии, Голландии и других европейских странах. Так,в Голландии, начиная с 1956 года, было укреплены десятки миллионов квадратныхметров почвы. Почти всюду она была песчаной и поэтому данная технологияполучила название пескоцементной. В 80-х годах прошлого века в ФРГ ежегоднооколо 1 млн. т цемента расходовалось на стабилизацию песков на севере страны(портовые сооружения Гамбурга, складские площадки), при строительствепросёлочных дорог. Во Франции эту технологию начали применять с 1972 годаблагодаря активности цементных компаний [4].
Во большинстве зарубежныхпубликациях отмечается, что укрепление грунтов с помощью цемента или смесицемента с известью для покрытий просёлочных дорог, вместо каменной наброскиуплотняемой механическим путём, представляется весьма экономичным решением [4].Из цементогрунтов, помимо просёлочных дорог, можно сооружать покрытия складскихплощадок, стоянок автомашин, постели оснований железных дорог, каналов,оснований отдельных типов зданий, а также грунтов, предназначенных длявозведения больших земляных плотин. Видимо, большой интерес длястроительно-дорожных фирм и читателей журнала представляет цементно-грунтоваятехнология производства работ.
Попытаемся вкратце осветить этотвопрос.
До начала работ по укреплениюгрунта необходимо провести в лаборатории его предварительный анализ, а затем,во время работ, осуществлять постоянный контроль. Грунты различаются в основномпо их природе, гранулометрии и содержанию воды.
Грунт может быть более или менеесвязным, содержать в разной пропорции суглинки и глину.
При высоком содержании глиныприменяют так называемое смешанное укрепление, при котором в грунтпредварительно добавляют известь (2–5 %) для улучшения хлопьеобразования и, вконечном итоге, рассыпания грунта при проходе машин. Грунты, содержащиесульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию сцементом. В этом случае необходимо применять либо цемент с низким содержаниемтрёхкальциевого алюмината (цемент, предназначенный для морских работ), либоцемент с высоким содержанием минеральных добавок (золы-уноса, доменного шлака,пуццоланов). Особенно нужно быть осторожным, когда дело касается частичногоосушения влажного или насыщенного водой грунта после дождей. Это делается спомощью негашёной извести или путём аэрирования грунта «рыхлителем».
грунты,содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает вреакцию с цементом
Обычно испытания грунта проводятс целью определения основных характеристик грунта: предел текучести, пределпластичности, гранулометрическая кривая и др.; устанавливают оптимальный расходводы и цемента. Расход цемента может меняться в пределах 4–12 % в зависимостиот грунта. Чаще всего он составляет 6–20 %. Для примера в табл. 2 приводятся данные, взятые изнормативных документов Германии.
Дорожный бетон и его особенности
Дорожный бетон служит для укладки полотна автомобильных дорог и аэродромных покрытий. Он выделяется в отдельную группу бетонов. При эксплуатации материал подвергается различным разрушающим факторам: действию большегрузов, резким перепадам температур, атмосферным осадкам.
Производство, контроль качества и свойства дорожного бетона регламентирует ГОСТ 26633-2012.
Требования, предъявляемые к дорожному бетону
Часто дорожное покрытие находится в экстремальных условиях эксплуатации, поэтому к дорожному бетону предъявляются особые требования:
Состав дорожного бетона
Нужные для получения дорожного бетона вещества: вода, вяжущее вещество, мелкий и крупный заполнитель. В роли мелкого заполнителя выступает песок, а в качестве крупного обычно используют базальтовый, реже известняковый гравий или щебень.
Вяжущим веществом служит гидрофобный и пластифицированный портландцемент. Содержание С3А (трехкальциевого алюмината) в бетоне дорожном согласно ГОСТ должно быть менее 10%.
Существует специальный дорожный портландцемент, бывает он двух марок: М300 и М400, обладает повышенной морозостойкостью, деформативностью, прочностью при изгибе, стойкостью к ударной нагрузке, низкими показателями по усадке и истираемости.
По стандартам дорожный бетон для магистралей должен иметь морозостойкость F150, а для дорог в пределах города – F100. Различные модификационные добавки обеспечивают требуемое значение морозостойкости.
Гравий и щебень могут быть разных фракций. Для верхнего слоя многослойной конструкции используется щебень или гравий с диаметром 20 мм, для однослойных же покрытий – 40 мм. Марка крупного заполнителя не должна быть меньше указанных в таблице значений.
Песок тоже может быть разный. Обычно используется мелкий или средний зернистый песок. Для ускорения твердения в бетон добавляют химические добавки – пластификаторы, количество добавок должно быть менее 60 г/кг цемента.
Классификация дорожного бетона по назначению
Виды дорожного бетона по назначению:
Марки дорожных бетонов
Чаще всего для устройства дорог пользуются бетоном В20 М250 и дорожным бетоном В15 М200. При изготовлении бетонных плит для строительства аэродромных покрытий, виадуков и мостов используют дорожный бетон марки В30 М400, который наделен большой прочностью, морозостойкостью, долговечностью и износостойкостью.
Сфера применения дорожного бетона
Дорожный бетон применяется при строительстве городских дорог и автомагистралей, возведении дорог на аэродромах, для устройства тротуаров и пешеходных дорожек, подъездных путей к производственным участкам и прочим промышленным объектам.
Заключение
Бетон для дорожных покрытий должен соответствовать всем требованиям, нормам и стандартам. В разных случаях оптимальные свойства и технические характеристики бетона будут разными, поэтому марка и состав бетонных смесей подбираются индивидуально. Все работы по укладке дорожного покрытия следует проводить, строго соблюдая технологию.
Дорожный цемент
Чтобы добиться таких показателей, при помоле этого цемента следует добавить пластифицирующие, а также гидрофобно-пластифицирующие добавки. Здесь допустимо и добавление гранулированного доменного шлака, однако его количество не должно превышать 15% от всей массы цемента. Что касается С3А, то его количество в клинкере не должно быть больше 8%.
Дорожный цемент, как для однослойных, так и для двухслойных дорожных покрытий обязательно должен быть не ниже марки 300. Это очень важно, в противном случае, качество покрытия будет оставлять желать лучшего. В качестве основного составляющего дорожного покрытия может служить и шлакопортландцемент.
Шлакопортландцемент – это вид цемента, в состав которого входят портландцементный клинкер, гранулированный доменный шлак (30-60%) и гипс (5%). Характерно то, что для изготовления этого вида цемента можно использовать и основные и кислые доменные шлаки. Если говорить о прочности, то шлакопортландцемент выпускают 200-500 марки. Самым оптимальным вариантом для дорожного покрытия послужат 400 и 500 марки цемента.
Особенностью шлакопортландцемента является то, что при застывании он выделяет намного меньше тепла, чем обычный портландцемент. Он обладает большей водостойкостью, а также сопротивляемостью сульфатной коррозии. Что касается такого качества, как морозостойкость, то здесь шлакопортландцемент немного проигрывает обычному цементу. Отсюда, география применения его в качестве дорожного цемента достаточно ограничена.
Главной особенностью любого дорожного цемента является то, что он начинает схватываться не раньше, чем через несколько часов (тогда как обычный портландцемент схватывается через 45 минут) после затвердения. Такое положение дел позволяет привозить уже готовую бетонную смесь к месту ее заливки. Помимо шлакопортландцемента, при строительстве дорог и дорожных покрытий допустимо применение и напрягающего цемента.
Напрягающий цемент – это одна из многих разновидностей расширяющегося цемента. Он получается в итоге помола портландцементного клинкера (до 65%), гипсового камня и извести (5%) и глиноземистого шлака (15%). Напрягающий цемент в затвердевшем состоянии обладает высокой водостойкостью. Напрягающий цемент с малой энергией самонапряжения может послужить прекрасной основой для дорожного покрытия.
Если в состав цемента, который будут использовать для строительства дороги, изначально не входят пластифицирующие, гидрофобные или смешанные (гидрофобно-пластифицирующие) добавки, то их необходимо ввести самостоятельно во время приготовления бетонной смеси. Активные минеральные добавки в составе дорожного цемента допускать не следует, так как они значительно снижают его морозостойкость.