ВКР Шилин (Разработка методики и технических решений по повышению несущей способности опор ВЛ СЦБ в слабых грунтах), страница 8

Одна из известных композиций для упрочнения грунтов, содержит наполнитель и вяжущее вещество. В качестве наполнителя используют щебень, а в качестве вяжущего вещества используют цемент и негашённую известь. Соотношение компонентов в составе следующее:

Таблица 3.5 – Соотношение компонентов укрепляющей композиции

В результате сложного физико-химического и химического взаимодействия дисперсных частиц грунта, вяжущего (извести и цемента) и воды из грунтов укрепляемого слоя происходит образование гидросиликатов и гидроалюминатов Са, обладающих цементирующими свойствами [16].

Водопоглощение в результате цементации приводит к обезвоживанию грунта.

Одновременно образование кристаллов различных типов солей силикатов и карбонатов Са и Мg приводит к уплотнению и упрочнению грунтовой композиции [16].

Грунты упрочнённые таким способом представляют собой грунтовый конгломерат, который обладает высокими прочностными характеристиками (модуль деформации составляет 100-130 МПа), что положительно сказывается на устойчивости опор.

Данная композиция может применяться только при влажности грунта, которая характеризуется пластичностью , не более 17%. То есть прочностные характеристики, которые достаточны для обычных грунтов, недостижимыми для переувлажненных грунтов. Объясняется это тем, что при увеличении влажности грунт переходит в мягкопластичное состояние и перестает уплотняться. Вследствие этого, при длительной эксплуатации грунты теряют прочность.

В случае нахождения линии автоблокировки в непосредственной близости к земляному полотну, под влиянием вибрации с течением времени в теле конгломерата образуются макротрещины. Вода по макротрещинам проникает в конгломерат, увеличивает их, превращается зимой в лед. Это в свою очередь приводит к разрушению грунтового конгломерата, изменяются его физико-механические свойства. Все эти процессы возобновляют процессы вспучивания и деформирования грунта, что в свою очередь негативно скажется на устойчивости опор.

НИЛ Оснований и фундаментов ДВГУПС разработана лучшая по своим характеристикам и достигаемому результату укрепляющая композиция. В её состав входит наполнитель, вяжущее вещество и фермент-уплотнитель. В качестве вяжущего используется доломитовая известь и цеолит, в качестве наполнителя - щебень фракции 20-70 мм с загрязнителем балласта, в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активное вещество на основе протеинов и сахаров [16].

Соотношение компонентов в составе следующее:

Таблица 3.6 – Соотношение компонентов укрепляющей композиции с ферментом-уплотнителем

Укрепляющую композицию необходимо вводить в грунт в количестве 6-10% от общей массы грунта. После смешивания грунта с компонентами укрепляющей композиции начинается процесс кристаллообразования различных типов солей силикатов и карбонатов Са и Мg. Их наличие в укрепленных грунтах упрочняет структуру грунтов.

Фермент-уплотнитель на основе протеинов и сахаров способствует заполнению порового пространства между частицами грунтов, что увеличивает их плотность. В результате укрепленный грунт становится прочным монолитом и сохраняет прочность длительное время [16].

Водопоглощение при цементации грунта и адсорбция цеолитом избыточной воды приводит к осушению переувлажненных грунтов, происходит образование кристаллов силикатов Са и Мg.

За счёт подобранных компонентов укрепляющая композиция осушает грунт. Работа компонентов происходит по замкнутому циклу: извлечение воды ферментом и цеолитом - гидратация доломитовой извести, что приводит к принудительному заполнению пор между грунтовыми частицами и примесями органических и минеральных частиц. Вода переходит в молекулярное состояние и грунт осушается. Далее цикл повторяется.

Постоянное уплотнение и осушение грунта способствует образованию прочного монолита. Таким образом, укрепленный грунт имеет высокие прочностные характеристики, несмотря на наличие влаги, содержащейся в грунте [16].

Однако в процессе эксплуатации происходит потеря прочности укрепленной грунтовой композиции, что нарушает стабильность сооружения. Это обусловлено тем, что укрепленный грунт представляет собой монолит с неоднородной структурой. Неоднородность структуры вызвана тем, что монолит образован наполнителем - щебнем крупной фракции от 20 до 70 мм и тонкодисперсной фракцией вяжущего менее 0,05 мм, в которой отсутствует переходная фракция [16].

При вибродинамическом воздействии поездной нагрузки, в случае нахождения линии автоблокировки вблизи пути, разрушению подвергаются наименее плотные структуры монолита. Вследствие этого в менее плотных структурах образуются микротрещины, из за чего прочность монолита будет снижаться. Вода, попадая в образованные микротрещины, замерзнет в них зимой, увеличиваясь в объеме. Микротрещины увеличатся в размере. Из за наличия трещин, прочность монолита нарушится, что со временем приведёт к его разрушению.

Процесс образования макротрещин усугубляется также истиранием щебня, которое происходит под воздействием вибродинамической нагрузки одновременно с процессами разрушения менее прочных структур монолита [16].

В результате вибрации от щебня отделяются пылеватые фракции скальных пород из отходов производства, которыми загрязнен обычно укладываемый щебень. Кроме того, в результате дополнительного трения друг о друга происходит постоянное истирание самих частиц щебня [16].

Трещины в монолите, заполненные водой, способствуют льдообразованию в упрочненном слое и подстилающих грунтах и, как следствие, их пучению. Все это приводит также к изменению физико-механических свойств защищаемой поверхности и возобновлению процессов вспучивания и деформирования земляного полотна и щебеночной призмы верхнего строения пути. Прочность монолита снижается до 20% [16].

В НИЛ Основания и фундаменты ДВГУПС разработана укрепляющая композиция, введение которой в переувлажненный грунт приведёт к образованию однородного по прочности и структуре грунтового монолита и к повышению его прочности за счет “сшивания” всех его минеральных составляющих и, как следствие, к стабилизации положения опоры.

В известную укрепляющую грунтовую композицию, содержащую наполнитель крупной фракции, вяжущее и фермент-уплотнитель, в которой в качестве наполнителя крупной фракции использован щебень, в качестве вяжущего - доломитовая известь и цеолит, в качестве фермента-уплотнителя - ПАВ на основе протеинов и сахаров, дополнительно введен наполнитель мелкой фракции - известняковый и бруситовый отсев.

Таблица 3.7 – Соотношение компонентов укрепляющей композиции с ферментом-уплотнителем и наполнителем мелкой фракции

Введение в грунт мелкой фракции известнякового и бруситового отсева приводит к образованию равнопрочной структуры грунтового монолита. Это обусловлено образованием дополнительных кристаллов гидроалюминатов Са и Мg. Глина и карбонатная пыль известнякового отсева, а также катионы Мg и гидроксильная группа бруситовой пыли, взаимодействуя друг с другом, создают прочный кристаллический каркас из гидроалюминатов Са и Мg, который “сшивает” крупные фракции наполнителя и вяжущего. Сшивающий эффект мелкой фракции наполнителя приводит к образованию по всему объему равнопрочного монолита [16].

Кроме того, образование кристаллического каркаса из гидроалюминатов Са и Мg повышает прочность грунтового монолита, которая препятствует образованию микротрещин при вибродинамическом воздействии и разрушению структуры монолита.

Введение в грунт мелкой фракции известнякового и бруситового отсева приводит к связыванию пленочной воды и каменной пыли на поверхности щебня. Каменная пыль связывается катионами Са и Мg известнякового отсева и за счет гидроксильной группы бруситового отсева на поверхности каждого камня образуются прочные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg, при этом пленочная вода адсорбируется бруситовым отсевом. В результате этих процессов каждый камень щебня покрыт прочной кристаллической оболочкой, химически связанной с минералами самого камня. Отсутствие на поверхности щебня пленочной воды и каменной пыли делает его поверхность чистой и активной. Наличие чистой активной поверхности обеспечивает высокую адгезию щебня с вяжущим, что в конечном итоге повышает прочность грунтового монолита.

Укрепляющую грунтовую композицию получают путем механического перемешивания доломитовой извести, молотого цеолита, известнякового и бруситового отсевов со щебнем в требуемом соотношении при одновременном введении фермента-уплотнителя.

Укрепляющую грунтовую композицию используют следующим образом. Композицию вносят в разрыхленный укрепляемый грунт естественной влажности в количестве 10-20 % от его массы, при влажности грунта меньше оптимальной, его увлажняют, перемешивают, доводя влажность грунта до оптимальной, и уплотняют.

В результате химического взаимодействия грунта с компонентами укрепляющей композиции начинается процесс его цементации. Активные окислы CaO и МgО доломитовой извести, реагируя с кремнеземом Si0₂ цеолита и окислами алюминия Аl₂O₃ глинистых частиц, образуют различные типы труднорастворимых кристаллов алюмосиликатов и гидроалюмосиликатов Са и Мg, обладающих цементирующими свойствами. За счет взаимодействия глинистых и пылевидных частиц известнякового отсева, а также катионов Мg и гидроксильной группы бруситовой пыли в структуре образуются дополнительные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg. Большое количество кристаллических образований также способствует созданию прочного кристаллического каркаса из гидроалюминатов Са и Мg, который “сшивает” крупные фракции наполнителя и вяжущего [16].

В процессе цементации загрязненный щебень с инертной поверхностью по отношению к вяжущему становится чистым щебнем с активной поверхностью, имеющей высокую адгезию с вяжущим.

Это обусловлено следующими причинами. Мелкие фракции известнякового и бруситового отсева связывают пленочную воду и каменную пыль на поверхности щебня. Каменная пыль связывается катионами Са⁺⁺ и Мg⁺⁺ известнякового отсева и за счет гидроксильной группы бруситового отсева на поверхности каждого камня образуются прочные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg. Пленочная вода при этом адсорбируется бруситовым отсевом. В результате этих процессов каждый камень щебня покрыт прочной кристаллической оболочкой, химически связанной с минералами самого камня. Отсутствие на поверхности щебня пленочной воды и каменной пыли делает его поверхность чистой и активной. Наличие чистой активной поверхности обеспечивает высокую адгезию щебня с вяжущим, что повышает прочность грунтового монолита [16].

Таким образом, по всему объему грунта образовался однородный прочный монолит, состоящий из всех фракций грунта от щебня до пыли.

Постоянное уплотнение и осушение грунта также способствует образованию прочного монолита. В результате упрочненные грунты представляют собой грунтовый конгломерат с высокими прочностными и водопоглощаяющими характеристиками, который при вибродинамическом воздействии поездной нагрузки сохраняет прочность длительное время.

Составы укрепляющей грунтовой композиции и их соотношения в укрепляемом грунте представлены в таблице 3.8. Физико-механические показатели укреплённого грунта представлены в таблице 3.9.

Таблица 3.8 – Составы укрепляющей грунтовой композиции и их соотношения в укрепляемом грунте

Таблица 3.9 – Физико-механические показатели укреплённого грунта

Из выше сказанного можно сделать вывод, что применение укрепляющих композиций, содержащих фермент-уплотнитель и наполнитель мелкой фракции, позволит обеспечить устойчивость опор, как в слабых, так и в болотистых грунтах и полностью исключить морозное выпучивание.