Высокопроникающие быстротвердеющие смеси для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Чернышев, Алексей Юрьевич

• Чернышев, Алексей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернышев, Алексей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Состояние дорожной сети региона.

1.2. Устройство оснований автомобильных дорог на основе щебня

1.2.1. Устройство неукрепленных оснований автомобильных дорог на основе щебня.

1.2.2. Устройство укрепленных оснований автомобильных дорог на основе щебня.

1.3. Применение цементобетона при устройстве оснований дорожных одежд.

1.4. Устройство оснований автомобильных дорог с применением высокопроникающих смесей.

1.5. Выводы к главе.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Методы исследований.

2.1.1. Рентгенофазовый анализ.

2.1.2. Дифференциально-термический анализ.

2.1.3. Изучение свойств малкодисперсных материалов бетона.

2.1.4. Изучение свойств бетонных смесей и бетонов.

2.2. Применяемые материалы.

2.2.1. Добавки, применяемые в работе.

2.3. Выводы к главе.

3. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОСТОЙКИХ ГИПСОВЫХ ВЯ- 44 ЖУЩИХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

3.1. Технологические особенности получения ВГВ.

3.2. Использование отходов промышленности для улучшения качества и повышения долговечности бетонов .на ВГВ. ш 3.3. Выводы к главе. v 4.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ.

4.1. Механохимическая активация как процесс повышения качества материала.

4.2. Реологические свойства смесей на ВГВ с химическими добавками.

4.3. Влияние химических добавок на процессы структурообразования камня на ВГВ.

4.4. Выводы к главе.

5. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНЫХ 99 ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.

5.1. Свойства мелкозернистого бетона на ВГВ.

5.2. Проектирование состава и свойств дорожной бетонной смеси

5.3. Деформативные свойства бетонов на ВГВ.

5.3.1.Прочностные и деформативные свойства бетонов на ВГВ при кратковременном нагружении.

5.3.2. Деформации усадки и набухания.

5.4 Повышение водостойкости и морозостойкости бетонов на ВГВ.

5.5. Выводы к главе.

6. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА ЩЕБЕНОЧНЫХ ОСНОВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ.

6.1. Методы расчета дорожных одежд.

6.2. Требования к устройству укрепленных оснований.

6.3. Основные положения расчета конструкций дорожных одежд

6.4. Технология устройства оснований.

6.4.1. Технология устройства оснований высокопроникающей быстротвердеющей бетонной смесью при помощи одно- 126 проходных машин.

6.4.2. Технология устройства оснований многопроходными машинами.

6.4.3. Технология устройства оснований методом пропитки.

6.5 . Уплотнение готовой смеси.

6.6. Выводы к главе.

7. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

7.1. Анализ парка оборудования дорожно-строительных организаций Белгородской области и возможность реализации результатов работы.

7.2. Порядок выполнения работ по укреплению основания автодороги смесью с высокопроникающей быстротвердеющей сме- 135 сью.

7.3. Расчет экономии материальных затрат при использовании смесей на ВГВ.

7.4. Выводы к главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокопроникающие быстротвердеющие смеси для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог»

При строительстве и ремонте автомобильных дорог, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций, необходимо применять ускоренные технологии. В настоящее время для устройства оснований дорог используются гравийные и щебеночные смеси, требующие значительного времени для фиксации и уплотнения, что увеличивает сроки строительства дорог. Для сокращения сроков строительства высокоэффективным может быть укрепление оснований дорог быстротвердеющими смесями. В качестве вяжущего для таких смесей необходимо применять быстротвердеющие вяжущие, например водостойкие гипсовые, получаемые с применением техногенного сырья, в частности, отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС). Бетоны и растворы на этих вяжущих по своим свойствам сопоставимы с низкомарочными бетонами на основе портландцемента, но превосходят их по скорости схватывания и твердения и обладают возможностью их регулирования в широких пределах. Кроме того, бетоны на водостойких гипсовых вяжущих обладают малой энергоемкостью и простой технологией.

Исследования водостойких гипсовых вяжущих и бетонов на их основе для использования в дорожном строительстве ранее не проводились.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематического плана по заданию Министерства образования в рамках единого заказ-наряда, шифр 1.3.04. и в соответствии с программой «Развитие дорожной сети в сельскохозяйственных населенных пунктах области и их благоустройство на 1999-2005г.г.». (Постановления главы администрации Белгородской области от 23 сентября 1998 года № 494).

Цель работы. Разработка быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований дорог, способствующих ускорению строительства, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, путем применения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: -обоснование основных положений получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего для укрепления щебеночных оснований;

-исследование влияния добавок кремнеземсодержащих отходов промышленности (ММС) на свойства затвердевшей смеси;

-разработка нормативной документации для реализации экспериментальных исследований в промышленных условиях;

-апробация результатов исследований в промышленных условиях и расчет экономической эффективности разработанных бетонных смесей.

Научная новизна. Предложены принципы получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе концепции создания композиционных водостойких гипсовых вяжущих модифицированием гипсового вяжущего органо-минеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащих и химических добавок.

Выявлены оптимальные параметры механо-химической активации компонентов композиционных вяжущих на основе гипсового вяжущего, портландцемента и отходов ММС для оптимизации гранулометрического состава частиц вяжущего с повышенным содержанием мелких фракций, обеспечивающих интенсификацию твердения высокопроникающих смесей на его основе.

Установлено, что период проникающей способности разработанных смесей соответствует индукционному периоду структурообразования в системе вяжущее-вода и характеризуется преобладанием квазиобратных по прочности коагуляционных контактов, при которых механические воздействия на тесто не снижают прочности затвердевшего вяжущего.

Установлено влияние комплексной химической добавки, состоящей из суперпластификатора и замедлителя сроков схватывания на длительность индукционного периода существования коагуляционной структуры.

Установлены оптимальные составы высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

Практическое значение работы. Разработана технология получения и состав быстротвердеющих высокопроникающих смесей для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых смесей из гипсового вяжущего, портландцемента, отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог III-IV категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей (ВВС).

Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси на основе водостойкого гипсового вяжущего (ВГВ), позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 3.7 МПа и морозостойкостью до 50 циклов.

Внедрение результатов исследований Проведены опытные испытания высокопроникающих быстротвердеющих смесей на водостойких гипсовых вяжущих при устройстве укрепленных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог в х.Игнатово Алексеевского района, г.Строитель и в п.Веселая Лопань Белгородской области общей протяженностью 4,5 км, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические и практические положения по созданию высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных проектов при обучении студентов по специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международном студенческом форуме: «Образование. Наука, Производство» (г.Белгород, 2002); Международной научно-практической конференции «Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве» (г.Белгород, 2002); 11 Международном студенческом форуме «Образование. Наука, Производство» (г.Белгород, 2004), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005).

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 209 страницах машинописного текста, включающего 33 таблицы, 45 рисунков и фотографий, списка литературы из 131 наименования, 6 приложений.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Чернышев, Алексей Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность использования техногенного — сырья — отходов ММС железистых кварцитов для получения высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких гипсовых вяжущих для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

2. Разработан состав водостойкого гипсового вяжущего, включающий отходы ММС при следующем соотношении компонентов (по массе) — 70:15:15 (гипсовое вяжущее:портландцемент:отходы ММС), при котором устраняется возможность разрушения структуры затвердевшего камня и повышается его водостойкость и долговечность.

3. Выявлено влияние механохимической активации компонентов ВГВ на основе отходов ММС на характер распределения частиц по размерам, кривая гранулометрического состава которого имеет более равномерный характер, чем отдельных составляющих его компонентов и характеризуется повышенным, по сравнению с портландцементом, содержанием мелких фракций, что оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы структурообразования затвердевшего камня.

4. В результате выполненных экспериментов по принятой матрице получены оптимальные составы ВГВ для получения высоко.(роникающих быстротвердеющих смесей.

5.Установлено влияние комплексной химической добавки (суперпластификатора СБ-З+замедлителя сроков схватывания ЦФ) в составе гидратирующейся водной системы ВГВ, способствующей увеличению индукционного периода существования коагуляционной структуры, замедляющей процесс гидратации в целом на ранних стадиях (в первые минуты твердения) с последующей интенсификацией процесса твердения.

6. Установлены характерные зависимости прочностных и деформативных свойств бетонов на ВГВ в зависимости от их состава, условий твердения и влажности. Определены характеристики бетонов, используемые при расчете конструкций: призменная прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Величины начального модуля упругости находятся в пределах от 4700 до 9600 МПа, коэффициент Пуассона 0,180,3.

7. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог IIT-IV категории с использованием высокопроникающих быстротвердеющих смесей на основе композиционных вяжущих, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены высокопроникающие быстротвердеющие смеси, позволяющие получить укрепленное щебеночное основание с прочностью на сжатие 6-8 МПа и морозостойкостью 50 циклов.

8. На основе результатов исследований разработаны: Технические условия на быстротвердеющее гидравлическое композиционное вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината в качестве кремнеземсодержащего компонента. Технологический регламент производства быстротвердеющего композиционного вяжущего для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог, БГТУ им.В.Г.Шухова.

9. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями при устройстве укрепленных щебеночных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог Белгородской области общей протяженностью 4,5 к.л. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды, изменения технологии устройства и снижения материалоемкости экономический эффект составит 273500 руб на 1 км строящейся дороги.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Чернышев А.Ю. Влияние химических добчвок на реологические свойства ГЦП теста (Лесовик B.C.) // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: Сб. науч. трудов Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2002.- 4.2. -С.138-139.

2. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на свойства гипсовых и ГЦП паст (Лесовик В.С.)//Актуальные вопросы строительства: Материалы Всероссийской науч.-технич. конф. — Саранск: изд-во МГУ, 2002. - С. 181-183.

3. Чернышев А.Ю. Использование отходов ММС железистых кварцитов для разработки долговечных составов ГЦПВ (Лесовик Р.В.)// Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2003. - №5. - С. 319-321.

4. Чернышев А.Ю. Применение ГЦП вяжущих для укрепления дорожных оснований (Лесовик Р.В.,Чернышева Н.В.)//Вестник БГТУ им.

B.Г.Шухова. - 2004. - №8. - С.314 - 315. 5.Чернышев А.Ю. Влияние дисперсности компонентов ГЦПВ на свойства твердеющей композиции (Лесовик B.C., Елистраткин М.Ю.) //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005.-№9.- С.284 -286.

6. Чернышев А.Ю. Исследование реологических свойств ГЦП смесей с добавками поверхностно-активных веществ (Дороганов Е.А., Чернышева П.В.) // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005. - №9.

C.287 - 289

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернышев, Алексей Юрьевич, 2005 год

1. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: Изд-во АСВ, 1994. - 264 с.

2. Баженов Ю.М., Плотников В.В. Активация вяжущих композиций в роторно-пульсационных аппаратах. Брянск.: БГИТА, 2001- 336 с.

3. Удачкин Н.Б. Активные кремнеземсодержащие компоненты как ин-тенсификаторы производства автоклавных материалов и изде-лий//Автореф. дисс. док. техн. наук. М., 1987. - 32 с.

4. Баженов Ю.М. Многокомпонентные бетоны с техногенными отхода-ми//Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы международной конференции.-Самара,1995.-Ч.4., с.3-4.

5. Шлакощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе/Под ред. проф. Глуховского В.Д. Ташкент: Узбекистан, 1980. - 484с.

6. Рыбьев И.А. Общий курс строительных материалов: Учебное пособиедля ВУЗов. М.: Высшая школа, 1987. - 584 с.

7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Строй-издат, 1986.-325 с.

8. Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость. -Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 1999. №3-4.-С. 21-23.

9. Комохов П.Г., Грызлов B.C. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда, 1992. - 318 с.

10. Беляев А.М. Асфальтобетон с использованием минерального порошка из промышленных отходов Курской магнитной аномалии. Автореф. дис. .канд. тех. наук. Москва, 1999. - 21 с.

11. Программа совершенствования и развития автомобильных дорог РФ "Дороги России" на 1995- 2000 гг. М.: Минтранс РФ, 1994. - 78 с.

12. Кубасов А.У., Чумаков Ю.Л., Широков С. Д.Строительство, ремонт и ы содержание автомобильных дорог. Москва: Транспорт, 1985. - 254 с.

13. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. - 396 с.

14. Королев И.В. Модель строения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетона. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура, 1981 - № 8. - С. 63- 67.

15. Иващенко С.И., Комар А.Г. и др. Исследование влияния минеральных и органических добавок на свойства цементов и бетонов//Изв. вузов. Строительство. 1993. -№ 9. - С. 16- 19.

16. Афанасьев И.А., Макарова JI.E. влияние структуры цементогрунта на его прочность // Проектир., стр-во и эксплуат. зданий и сооружений / Перм. гос. техн. ун-т, строит, фак. Пермь, 1997. - С. 171 - 179.

17. Васильев Ю.М., Агафонцева В.П., Исаев B.C. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М.: Транспорт, 1989. -191 с.

18. Bodenstabilisierung mit hydraulischen Bindemittelh im Erd und Stra-benbau / Neumann A. // Tiefbau Tiefbau-Berufsgenoss. - 1997. - 109, №12.-C. 759-767.

19. Грушко И.М., Королев И.В., Борщ И.Н., Мищенко Г.Н. Дорожно-строительные материалы. -М.: Транспорт, 1991.

20. Gement-treated subgrajle provides support, economy in Denver's E-470 // enr.-1998.-240.-№20.

21. Соломатов В.И., Тахиров M.K., Коротин M.M. Бетон с АЦФ-добавкой для транспортного строительства. М.: Транспорт, 1986. - 61с.

22. Сычев М.М. Активация твердения портландцемента с помощью глинистых добавок // Цемент, 1982. № 1. - С. 12-13.

23. Технология и механизация укрепления грунтов в дорожном строительстве / под ред. проф. В.М. Безрука. М.: Транспорт, 1976. - 230 с.

24. Агафонцева В.П., Васильев Ю.М. Улучшение уплотняемости цемен-тогрунта // Автомобильные дороги, 1973. № 4. - С. 26-27.

25. Елькин Б.П., Агейкин В.Н. К вопросу о прочности оснований дорожных одежд из сухих цементогрунтовых смесей // Проектир., стр-во, ремонт и содерж. трансп. сооруж. в усл. Сибири / Томск, архит. -строит, ун-т-Томск, 1997. С. 142-144.

26. Herzog A., Mitchell J.K., Reaktions Accompaning Stabilization of Clay With Cement. "Cement-Tread Soil Mixtures 10 Reports" Highway Research Record. P 36, Washington, 1962.

27. Compactage des materiaux traites avec des liants hydrauliques / Fernandez Montes L. // Rout actual. 1996. - №60. - C. 69-75.

28. Bodenstabilizierung // Tiefbau Tiefbau-Berufsgenoss. 1997. - 109. - № 12. - C. 793-794.

29. Verfahren und Bindenmittel zur Verbesserung und / oder Verfestigung von Boden / Заявка 19706498 Германия, МПКбЕ 01 С 21 / 00 Rohbach G. -№ 19706498/Заявл. 19.2.97; Опубл. 1.12.97.

30. Renhe Yang, Christopher D Lawrence, Cyril J. Lynsdale, John H. Sharp, Cement and Concrete Research Vol.29, pp 17- 25, 1999.

31. Liant hydraulique pour le traitement des sols ou materiaux arqileux: Заявка 2736047 Франция, МПК 6 С 04 В 28/02/ Vecoven Jacque Н., Musikas Nicolas, Haad Emmanuel R.; Group Origny S.A. №9507824; Заявл. 29.6.95.; Опубл. 3.1.97

32. Beton de ciment et beton de ciment mince colle. L'experience americaine/ Col L. W.// Revue Generale des Routes. 1999. - № 769. - P. 28-32.

33. Neuerungen bei Fahrbahndecken aus Beton. Teil I. Grundlagen und Fortschritten / Fleischer W., Grossmfhn D., Moschwitzer H.// Beton. -2000.-№ 7.-S. 376-380.

34. Маслов H.H. механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними): Учеб. пособ. для студ. дор.-строит. спец. вузов.- М.: Стройиздат, 1997.-328с.

35. Крупнообломочные грунты в дорожном строительстве // Э.М. Добров, В.А. Любченко, В.А.Анфимов и др.- М.: Транспорт, 1981.-184с.

36. Щербакова Р.П., Шестакова В.Н. Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения влажного цементогрунта. Л.: Энергия, 1971.-357 с.

37. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочник ингженера-дорожника. Под ред. А.П.Васильева, М.: Транспорт, 1989. - 287 с.

38. Строительство автомобильных дорог. Учебник. Под ред. д.-ра техн.наук, прф. В.К.Некрасова. М.: Транспорт, 1980, т.1- 416 е., т.2 -416 с.

39. Сборник: Новое в разработке комплексных методов укрепления при строительстве автомобильных дорог, Труды Союздорнии. -М., 1984.

40. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон. Технология производства работ.-М.: Стройиздат, 1991, -576 с.

41. ГОСТ 8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.

42. ГОСТ 8269.0-97 Щебень и гравий из плотнгых горных пород и отхор-дов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.

43. СниП 2.05.02-85 Автомобильные дороги. 36 с.

44. Гридчин A.M. Производство и применение щебня из анизотропного сырья в дорожном строительстве /Белгород: Из-во БелГТАСМ, 2001, -151 с.47.