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.

Метод	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)
Термическая обработка	Местное топливо (дрова, уголь, электрический ток, газ)
Укрепление солевыми растворами	Хлористый кальций, хлористый натрий и др.
Электрохимические обработки	Электрический постоянный ток (с применением электролитов)
Комплексные методы	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.

Известкование грунтов

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

Силикатирование

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.

Цементация грунтов

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.

Характер грунта	Расход Цемента
	% сухого грунта	кг/м3 уплотненного основания
Гравийно-песчаный	4-7	80-120
Суглинистый песок	6-10	120-160
Песок с одним рядом частиц	8-12	150-200
Суглинок	7-12	120-200
Глина	10-16	180-240

Таблица 2. Расход цемента в зависимости от характера грунта

При укреплении пластичногосуглинка применяют смесь извести (2–3 %) и цемента [4]. Кроме того, дляпластичных грунтов проводят испытания на замораживание. При покрытиипросёлочных работ цементогрунтом работу производят в несколько этапов.

1 этап. Выравнивание и очистка грунта с целью устранения органическихвеществ (дёрн, трава, корни и т. п.) и последующая планировка. Если грунтчрезмерно сухой, производят его увлажнение для выравнивания содержания идостижения однородности состава. Распределение цемента и извести по поверхностипроизводят при небольших объёмах ручных работ, или с помощью навесногомеханизма — «распределитель» вяжущего.

2 этап. Перемешивание. Перемешивание грунта с вяжущим производят внесколько последовательных проходов машины (4–6 раз до получения однороднойсмеси) (рис. 1). Такая машинаснабжена горизонтальными дисками или горизонтальными либо вертикальнымилопатками. Обычно толщина цементно-грунтового слоя составляет 15–35 см.

3 этап. Профилирование и уплотнение. Профилирование полотнапроизводят автогрейдерами. После этого грунт уплотняют несколькими проходамипневмо- или виброкатка. Степень уплотнения должна достигнуть не менее 90 %полученного на образце в лаборатории. После уплотнения цементогрунта каткомприступают к окончательной планировке дорожного полотна.

4 этап. Завершающим этапом является защита дорожного покрытияпластиковой плёнкой или другим накрывочным материалом с последующим укрытиемслоём песка. Подобная защита необходима для того, чтобы избежать испарения водыиз обработанной почвы, и, кроме того, для предохранения дорожного полотна отдождя. Примерно такая же технология применяется для укрепления оснований шоссенекоторых типов. Только в этом случае выровненный и спланированный грунтсмешивают с песком.

В 1974 году во Франции была построенаавтодорога А62 (к северу от Бордо) [4]. Дорожная одежда состоит изцементно-песчаной смеси толщиной 30 см., гравийно-песчаной смеси, укрепленной цементомтолщиной 30 см,и асфальтобетона толщиной 68 см. Цемент (шлакопортландцемент) вводили в смесь вколичестве 6 % от сухой массы песка. Содержание воды в смеси колебалось от 8 до10 %. Смешивание производилось на месте, машиной с 200 вертикальными лопаткамидиаметром 12 сми производительностью 4000–5000 м2/сут. [4]. Для уплотненияприменяли виброкатки и уплотнители на пневматическом ходу.

В 1952-1967 годах УНИИОСП иЦНИИЭП Сельстрой, совместно с другими организациями, провели исследовательскиеи опытно-конструкторские работы по применению цементогрунта при возведениифундаментов малоэтажных зданий и сооружений. В этот период в Новороссийской иОмской областях, Алтайском и Краснодарском краях было возведено около 70 зданийи сооружений, в основном малоэтажных, передающих на фундаменты сравнительнонебольшие (до 150 кН/м) сжимающие нагрузки. Обследование фундаментов этихзданий после 20 лет эксплуатации не выявило следов разрушения материала [5].

В конце 80-х годов вКраснодарском крае строились усадебные дома и секционные двухэтажные здания скороткими (до 3 м.)сваями из цементогрунта диаметром 0,5 м. Построено 17 зданий, насосная станция и другиесооружения. Стоимость 1 м3цементогрунта свай составляет, в зависимости от грунтовых условий, количествацемента и технологии изготовления, 8–12 руб., что на 5–10 руб. дешевле тяжёлогобетона (в ценах 1980-х годов). При этом снижается расход материала.

Фундаменты из цементогрунта былирекомендованы для внедрения научно-производственной программы «Металл-90».

Как показали исследования,скорость твердения цементогрунта значительно меньше, чем у обычного бетона,поэтому его прочность определяется в возрасте 90, а не 28 сут. [5] Плотностьцементогрунта при незначительных уплотняющих давлениях 0,10–0,15 МПа колеблетсяот 1,6 до 1,9 т/м3. Расход цемента по отношению к массе сухогогрунта колеблется от 15 до 25 %, в зависимости от гранулометрического составагрунта и требований к цементогрунту. При этих условиях прочность цементогрунтасжатию составляет 2–8 МПа, морозостойкость — 15–50 циклов замораживания (маркапо морозостойкости F15–50).При введении добавок, например полиизоцианата, морозостойкость можно повыситьдо F100. Водопоглощениецементогрунта изменяется в пределах 15–18 % [5].

В России в 1958–1976 годахлесхозами Ленинградской области, совместно со специалистами Ленинградскойлесотехнической академии, было построено и испытано 40 опытных участковпросёлочных дорог с применением побочных продуктов и отходов лесохимическойпромышленности — древесной смолы, древесносмолистого пека, а также цемента,извести, жидкого стекла, чёрного сульфатного щёлока (ЧСЩ), хлористого кальция идр. Особенно хорошие результаты показали опытные участки Новгородской дорогиЛисинского лесхоза Ленинградской области. При строительстве этих участков вкачестве добавок для укрепления грунтов использовались цемент и ЧСЩ.Перемешивание грунтов с реагентами производили дорожной фрезой Д-530, а также спомощью передвижного смесителя Д-370.

Характеристики дороги [6]:

высота насыпи — 0,3–0,4 м;