+7 (495) 374-66-21 Обратный звонок

 Дорожные полимеры от производителя.

Строительство без вреда окружающей среде.

Стабилизаторы грунтов в отечественном дорожном и аэродромном строительстве

Ст. научн. сотрудник Т.Т. Абрамова
(МГУ им. М.В. Ломоносова),
А.И. Босов
(ФГУП «РОСДОРНИИ»),
К.Э. Валиева
(МГУ им. М.В. Ломоносова)
________________________________________

Введение

В настоящее время отмечается бурный рост объемов строитель-ства различных объектов транспортной инфраструктуры. На большей части территории России отсутствуют традиционные дорожно-строительные материалы, что предопределяет их дефицит и вызывает увеличение общей стоимости объекта строительства. В связи с этим для устройства дорожных одежд целесообразно применять местные грунты. Для того, чтобы иметь возможность использовать, например, наиболее распространенные в РФ глинистые грунты, как известно, обладающие высокой связностью и прочностью в сухом и ничтожно малой в водона-сыщенном состоянии и являющиеся пучинистыми, требуется обеспече-ние их долговечности и устойчивости, вне зависимости от изменения влажности, погодных условий и переменных нагрузок при движении транспорта. Этого можно достичь лишь при условии коренного каче-ственного изменения природных свойств таких грунтов.
    Разработкой составов на основе грунта с неорганическими (це-мент, известь, зола уноса и др.) и органическими (битумы, битумные эмульсии, дегти, полимерные смолы и др.) вяжущими занимались мно-гие научные школы, начиная с 20-х годов прошлого столетия. Анализ результатов их работ показал, что составы на основе цемента отличают-ся высокой жесткостью и, соответственно, трещинообразованием. Кро-ме этого, цементогрунты имеют повышенную истираемость, что не поз-воляет использовать их для устройства дорожных покрытий без защит-ного слоя износа. Известкование грунтов не придает им морозостой-кость. Органические вяжущие способствуют развитию колееобразова-ния, а также пластических деформаций слоя основания.
Многолетние исследования в различных странах мира показали, что повышение водоустойчивости глинистых грунтов можно обеспе-чить, используя поверхностно-активные вещества (ПАВ), позволяющие стабилизировать такие грунты при небольшом расходе ПАВ. Введением активных реагентов можно снизить потребность в вяжущих материалах, значительно улучшить физико-механические характеристики глинистых грунтов и сделать их пригодными для использования в строительных работах.
    Современное дорожно-строительное оборудование (грунтовые фрезы, ресайклеры, передвижные грунтосмесительные установки) поз-воляет эффективно проводить стабилизацию и укрепление грунтов непосредственно на месте на большую глубину (до 50 см) за один рабо-чий проход с большой точностью дозировки вносимых в грунт материалов. Высокопроизводительное грунтосмесительное оборудование, которое выпускают такие известные компании, как Bomag, Caterpillar, FAE, Wirtgen и другие, позволяет получать однородную смесь даже при работе с переувлажненными грунтами. В связи с этим в последнее время к стабилизаторам грунтов заметно возрос интерес специалистов-дорожников как у нас в стране, так и за рубежом.
Стабилизаторы – это очень широкий класс разных по составу и происхождению веществ, которые в малых дозах положительно влияют на формирование свойств дорожно-строительных материалов, как за счет активизации физико-химических процессов, так и за счет оптими-зации технологических процессов. Эти вещества могут использоваться почти на всех технологических этапах в дорожном и аэродромном стро-ительстве, начиная от сооружения земляного полотна и заканчивая строительством твёрдых покрытий, искусственных инженерных соору-жений и обустройством дорог.
    Стабилизаторы могут быть различного происхождения, отлича-ясь по свойствам, но всех их объединяет то, что они увеличивают плот-ность, влагостойкость и морозостойкость грунтов, снижая их пучини-стость.
Каждый конкретный стабилизатор имеет свое индивидуальное название, отражающее специфику страны-производителя и особенности применения. К числу наиболее известных можно отнести следующие стабилизаторы глинистых грунтов: ЕН – 1(США), SPP (ЮАР), Roadbond (США), RRP-235 Special (Германия), Perma-Zume (США), Terrastone (Германия), «Дорзин» (Украина) и LBS (США), «Дортех» (РФ), ECOroads (США), М10+50 (США).

1. Теоретические основы гидрофобизации связных грунтов

   Отличительной особенностью стабилизаторов является измене-ние гидрофильной природы глинистого грунта на гидрофобную. Поэтому для обеспечения стабилизации связных грунтов необходимо знание основ процессов гидрофобизации.
   Гидрофобизация – изменение природы поверхности минераль-ных частиц воздействием на грунт небольшими дозами поверхностно-активных веществ. Физическая ее сущность заключается в том, что сма-чиваемость или несмачиваемость грунта находится в зависимости от кристаллической структуры его минералов, характера их межпакетных и межмолекулярных связей. Основной причиной смачивания является наличие на поверхности минералов нескомпенсированных энергетиче-ски активных центров. В молекулах ПАВ содержится полярная (гидро-фильная) группа и углеводородный (гидрофобный) радикал. Полное или частичное устранение смачивания минералов грунта водой может быть достигнуто путем уравновешивания энергетически активных центров поверхности минералов грунта поверхностно-активными веществами, обладающими такой способностью, и в то же время, вследствие своей молекулярной природы не смачиваемыми водой. Крупные органические катионы обладают большими объемом и молекулярным весом, вследствие чего энергично и прочно сорбируются грунтом, вытесняя неорганические катионы с их обменных позиций.
    Второй путь уравновешивания нескомпенсированных связей на поверхности минеральных систем основан на адсорбции дипольных органических молекул поверхностными ионами на базальных плоско-стях кристаллической решетки глинистых минералов.
   Третий путь заключается в сорбции катионами минеральной по-верхности (Ca2+, Al3+, Si4+ и др.) отрицательно заряженных полярных анионов реагента. Этот путь уравновешивания нескомпенсированных связей грунтовых систем может иметь только частное значение, глав-ным образом для карбонатных грунтов.
   Придание четко выраженных гидрофобных свойств грунту вы-зывает определенные трудности, что обусловлено его сложностью как коллоидно-дисперсной, полиминеральной системы, с содержанием не-которого количества адсорбированной воды. Легче достигается частич-ная гидрофобизация грунта, которая во многих случаях приводит к из-менениям структуры и свойств обработанных грунтов. Уже на ранних этапах исследований (в 50-х годах прошлого столетия) гидрофобизации дисперсных грунтов в инженерных целях было установлено, что их обработка катионогенными ПАВ приводит к увеличению значений краевого угла смачивания до 90° и более (для бентонита – с 15° до примерно 103º). Такое значительное изменение свойств поверхности твердых фаз грунта сопровождается явлением флокуляции и агрегации грунтовых систем. Этот механизм может быть описан как результат взаимодействия коллоидного катиона ПАВ с коллоидным анионом грунтовой системы. При этом гидрофильная часть катиона адсорбируется грунтовыми частицами, а углеводородные цепи, соединяясь между собой, образуют агрегаты частиц, что приводит к огрублению системы в целом по признаку гранулометрического состава. В качестве переменных, влияющих на флоккулирующую способность ПАВ часто выступают: а) дозировка реагента; б) рН грунта и в) концентрация и тип неорганических солей в грунте [1].
   Из-за уменьшения способности гидрофобизированного грунта адсорбировать воду и связанных с этим структурных преобразований происходят изменения физических свойств грунтов, а именно: а) сни-жение способности грунта к перемещению воды под действием капил-лярных и гравитационных сил; б) уменьшение стремления грунта к объемным изменениям (набухание и усадка) при увлажнении и высушивании; в) повышение прочности грунтовой системы в водонасыщенном состоянии и сохранение ее в течение длительного времени.
Известно, что причиной улучшения реологических свойств дис-персных глинистых грунтов за счет добавок малых количеств ПАВ яв-ляется изменение характера гидратных оболочек глинистых частиц [2,3] и адсорбция ПАВ на поверхности глинистых минералов [4]. Любое взаимодействие между молекулами или ионами приводит к изменению их межатомных расстояний. И.С. Чоборовская [5], изучая адсорбцию ССБ (высокомолекулярное ПАВ) на различных мономинералах, считает, что она носит избирательный характер. Изменение свойств глинистых грунтов различного состава и состояния при взаимодействии с растворами ПАВ представлено в работе Ю.К. Егорова [6]. Исследовалось влияние трех типов ПАВ: неиногенных (ОС-20, словатон), катионактивных (синтегал, трансферин) и анионактивных (вотамол, сульфанол) с концентрацией от 0,1 до 10 г/л. Автором установлено, что глины каолинитового состава сорбируют ПАВ меньше, чем глины монтмориллонитового состава. Катионактивные ПАВ (КПАВ) сорбируются лучше, чем неионогенные (НПАВ). Взаимодействие КПАВ с глинами ведет к коагуляции глинистых частиц, что увеличивает проницаемость глин для растворов. АПАВ практически не сорбируются, так как заряд их активных групп совпадает с зарядом глинистых частиц. Изучение адсорбции НПАВ и АПАВ показало, что большое значение имеет их критическая концен-трация мицелообразования (ККМ). При адсорбции ПАВ ниже этого значения адсорбционный слой приблизительно соответствует мономо-лекулярной структуре с горизонтальной ориентацией главной оси молекулы относительно поверхности раздела фаз [7]. Более сложная структура адсорбционного слоя возникает, когда концентрация ПАВ больше ККМ, то есть в том случае, когда молекулы ассоциированы. В этом случае изотерма резко возрастает, что происходит, вероятно, в результате формирования полимолекулярного адсорбционного слоя [8,9].
   Таким образом, можно отметить, что адсорбция разных ПАВ на поверхности одного и того же минерала протекает по-разному. По сорбционной активности их можно поставить в следующий ряд: КПАВ → НПАВ →АПАВ. Следовательно, и прочностные характеристики стабилизированных различных глинистых грунтов будут резко отличаться друг от друга.

2. Стабилизация связных грунтов

   Крупные научные исследования по гидрофобизации, выполнен-ные в ХХ веке как в СССР, так и за рубежом, показали, что достаточно важным остается вопрос длительности процесса гидрофобизации при постоянном увлажнении и водонасыщении грунтов на протяжении сро-ка их службы в конструкциях дорожных одежд.
Современные стабилизаторы уже много лет успешно применяют в США, Германии, ЮАР, Канаде и многих других странах, а в послед-нее время и в России для строительства покрытий и оснований автомо-бильных дорог, аэродромов, паркингов и др. Среди стабилизаторов за-рубежного и отечественного производства можно выделить следующие, известные под торговыми названиями: Roadbond, «Статус», «Дортех», ANT, ECOroads, «Маг-ГФ», RRP-235-Special, Perma-Zume, «Дорзин», «Топ-сил», LBS, М10+50, LDC+12, Nanostab. Они могут быть кислыми, основными или нейтральными. Химический состав современных стабилизаторов либо запатентован, либо, являясь собственностью авторов или фирм, полностью не раскрывается.
Современные стабилизаторы имеют сложные, многокомпонент-ные составы, включающие:
•    кислые органические продукты, суперпластификаторы и другие вещества;
•    жидкие силикатно-, акрилово-, винил-ацетатные, стирол-бутадиеновые полимерные эмульсии;
•    низкомолекулярные органические комплексы.
   Стабилизаторы могут быть катионо-, анионоактивные и неионо-генные. В связи с этим их взаимодействие с одним и тем же глинистым минералом будет протекать не однотипно.
   Стабилизаторы первого типа имеют сложный состав, включа-ющий кислые органические продукты, суперпластификаторы и другие добавки. Все они характеризуются кислой реакцией среды с рН в пределах 1,72 – 2,65. Вода при введении таких стабилизаторов активизируется за счет ионизации (H+, OH¯ и H3O+). Раствор стабилизатора, в свою очередь, изменяет заряд на поверхности глинистых частиц за счет энергетического обмена электрическими зарядами между ионизированной водой и минеральными частицами грунта. Обмениваясь зарядами с ионизированной водой, частицы грунта нарушают природные связи с капиллярной и пленочной водой. При уплотнении грунта, обработанного раствором стабилизатора, легко отделяется капиллярная и пленочная вода, создавая условия высокой уплотняемости смеси. Таким образом, стабилизатор играет роль пластифицирующей добавки, позволяющей при меньшей оптимальной влажности грунта достигать более высоких показателей его плотности. Для грунтов кислых разновидностей применяют катионоактивные ПАВ. Для карбонатных грунтов целесообразно применять анионоактивные ПАВ. По мнению авторов, разработчиков материала АПАВ «Статус-3» [10,11], микроучастки поверхности глинистого грунта, несущие определенный заряд, адсорбируют противоположно заряженные ионы, но при этом ионы ПАВ, одноименно заряженные с поверхностью, непосредственно ею не адсорбируются, а под действием электростатических сил вблизи адсорбированных ионов образуют вместе с ними на поверхности адсорбента двойной электрический слой (ДЭС). При наличии ДЭС [12] поверхностная плотность отрица-тельного заряда образует как бы внутреннюю обкладку, а частицы грун-та (анионы, катионы), находящиеся на границе раздела фаз, образуют внешнюю обкладку противоположного знака (соответственно адсорб-ционная и диффузная части ДЭС), а в целом система электронейтраль-на.
   Исследования, проведенные в МАДИ, показали, что после взаи-мовоздействия грунта со «Статус» изменяется его структура. На по-верхности минеральных зерен образуется гидрофобная пленка [13]. В грунтах, обработанных стабилизатором «Статус», происходит значи-тельное сокращение пор диаметром 0,0741-0,1480 мкм по сравнению с грунтами без стабилизатора (метод фотометрирования негатива). Одно-временно происходит и увеличение коэффициента ориентации пор Ka в выбранном направлении, который составляет 11,26 и 10,57 % соответ-ственно для обработанного и необработанного грунтов. Вышесказанное свидетельствует о направленных закономерностях изменения обрабо-танного грунта и образовании более устойчивой структуры материала. Удалось добиться снижения оптимальной влажности глинистых грун-тов, повышения их водостойкости, а также снижения размокаемости, водопоглощения, набухаемости. Скорость размокания необработанного грунта в 1,5-2 раза выше, чем грунта, обработанного стабилизатором. При этом стабилизированный грунт не приобретает водостойкость.
   Потери прочности после водонасыщения можно избежать, ис-пользуя для преобразования грунтов другие современные материалы – полимерные эмульсии (второй тип стабилизаторов), с широким диапа-зоном свойств. Типичная полимерная эмульсия содержит приблизи-тельно 40-60 % полимера, 1-2 % эмульгатора, а оставшейся частью яв-ляется природная вода. Полимер также может значительно изменяться по своему химическому составу, молекулярному весу, степени разветв-ленности, размеру боковых цепей, составу и т.д. Большинство полимер-ных продуктов, используемых для стабилизации и укрепления грунтов, являются сополимерами на основе винилацетата или акрила.
   Исследования, проведенные в США, показали, что полимерные эмульсии действительно обеспечивают значительный прирост прочно-сти, в частности дополнительно в условиях влажности [14]. Процесс отверждения эмульсии состоит из «расслоения» и последующего осво-бождения от воды путем испарения. Расслоение эмульсии происходит тогда, когда отдельные капельки эмульсии, находящиеся во взвешенном состоянии в водной фазе, соединяются друг с другом. На смоченной эмульсией поверхности частицы грунта происходит осаждение полимера, количество которого зависит от концентрации полимера, добавленного в смесь, и от пропорции смешивания с грунтом.
   Одним из таких полимерных материалов является LBS – жидкий силикатно-полимерный стабилизатор грунта – КПАВ. При внесении водного раствора LBS в грунт обеспечивается необратимое изменение физико-механических свойств грунта за счет химического воздействия, путем ионного замещения пленочной воды на поверхности пылеватых частиц молекулами стабилизатора, которые обладают водоотталкиваю-щим действием.  Пленочная вода в результате уплотнения обработанно-го глинистого грунта легко выводится из него. Улучшенный таким об-разом грунт становится более прочным и практически водонепроницае-мым, что делает его устойчивым к воздействию любых климатических условий и способным воспринимать увеличенную полезную нагрузку даже в условиях длительных обильных осадков. Модуль упругости для грунтов (от супеси песчанистой до суглинка тяжелого), стабилизиро-ванных LBS, достигает 160-180 МПа. Такие грунты имеют также более высокие (~ на 50 %) по сравнению с нестабилизированными грунтами в сухом состоянии показатели устойчивости на сдвиг. Эффективность использования полимерного стабилизатора LBS наиболее заметно про-является при работе с высокопластичными пучинистыми глинистыми грунтами. Такие грунты после обработки переходят в разряд слабопу-чинистых и непучинистых. Такой результат достигается благодаря пе-реводу в свободное состояние пленочной воды, находящейся ранее на поверхности глинистых частиц [15]. Грунты, стабилизированные с по-мощью LBS, обладают высокими деформационными характеристиками. Например, образцы супеси пылеватой с числом пластичности 12 и влажностью 14,4 % (влажность на границе раскатывания – 18 %, на границе текучести – 30 %) после стабилизации полимерной эмульсией и продолжительного (28 сут.) капиллярного водонасыщения (плотность образцов – 2,26 г/см2, скелета – 1,98 г/см2) были подвергнуты лабораторным испытаниям жестким штампом. Модуль упругости для них составил 179-182 МПа. Степень пучинистости стабилизированных грунтов определялась в соответствии с ГОСТ 28622-90 с помощью специально разработанной установки. Результаты исследований показали, что глинистые грунты после воздействия на них LBS переходят в разряд непучинистых или слабопучинистых и ненабухающих или слабонабухающих.
   Инновационными разработками для стабилизации грунтов и строительства дорог являются такие материалы, как LDC+12 (жидкий акриловый полимерный продукт) и Enviro Solution JS (жидкое винил-ацетатное соединение), а также M10+50 – жидкая полимерная эмульсия на акриловой основе, являющаяся вяжущим материалом. Последний был разработан специально для значительного улучшения таких харак-теристик грунта, как: прилипание, сопротивление истиранию, воздей-ствию изгибающей силы, а также для увеличения долговечности слоя дорожной одежды. Грунты, обработанные материалом M10+50, приме-няются при строительстве и ремонте объектов транспортной инфра-структуры, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими ста-билизаторами, производимыми на современном этапе [14]. М10+50 ис-пользуется в грунтах с числом пластичности до 12. Эмульсия хорошо растворяется в пресной и соленой воде. Стабилизированный грунт при-обретает водоустойчивость. Грунтовый слой, обработанный эмульсией М10+50, может использоваться для проезда техники уже через 2 часа после проведения работ. Такой слой не требует специального ухода в отличие от слоя, укрепленного цементом или известью. Грунт, обрабо-танный составом М10+50, обладает наибольшей способностью к сопро-тивлению разрушению от атмосферных воздействий и ультрафиолето-вого излучения. Более чем 20-летний опыт использования этого поли-мерного стабилизатора показывает значительно более высокие резуль-таты применения акриловых стабилизаторов по сравнению с неакрило-выми полимерами [14].
Глинистые грунты можно преобразовывать, используя и другие ионоактивные современные материалы (Perma-Zume, «Дорзин») – ста-билизаторы третьего типа, основанные на ферментах. Такие фермен-ты являются композицией веществ, в основном образовавшихся в про-цессе культивирования организмов на комплексной питательной среде с некоторыми добавками. Perma-Zume 11Х снижает поверхностное натяжение воды, что способствует быстрому и равномерному проникновению и впитыванию влаги в глинистый грунт. Насыщенные влагой частицы глины вдавливаются в пустоты грунта и полностью заполняют их, формируя таким образом плотный, твердый и долговременный пласт. Благодаря повышенной смазывающей способности частиц грунта, необходимая плотность грунта достигается меньшим усилием сжатия. Результаты исследования ученых в ИХН СО РАН (г. Томск) показали, что «Дорзин» представляет собой продукт микробиальной ферментации сахаросодержащих продуктов типа мелассы (патоки). Установлено, что органическая часть препарата в основном представлена следующими соединениями: олигосахаридами (от моносахаридов до пентасахаридов), аминосоединениями типа аргинина, маннитолом (D-маннитом), оксисоединениями типа трегалозы, азотсодержащими производными молочной кислоты.
   Т.В. Дмитриевой удалось определить, что эффективность воздей-ствия органических комплексов на породообразующие минералы нахо-дится в прямой зависимости от структурно-химической природы слои-стых алюмосиликатов  и снижается в ряду: рентгеноаморфные фазы → смектит → смешаннослойные образования → иллит → хлорит → као-линит. При этом катионная емкость является интегральной характери-стикой, использование которой позволяет при экспресс-оценке выявить степень эффективности структурообразования стабилизированного грунта. При введении добавки в систему наблюдается снижение удель-ной поверхности исследуемых образцов (табл. 1). Полученные данные свидетельствуют о «склеивании» микроразмерных индивидов глини-стых минералов органическими комплексами стабилизатора. Степень воздействия добавки наиболее выражена в образцах мономинеральной смектитовой глины [16].

Таблица 1

Активная удельная поверхность глинистых пород


Примечание: активная удельная поверхность – усредненная характеристика пористости или дисперсности, учитывающая морфологические особенности исследуемого вещества.

   После взаимодействия препаратов на ферментной основе с гли-нистыми грунтами они приобретают следующие характеристики: высо-кие физико-механические показатели, температуростойкость, водостой-кость, коррозионную стойкость.
   Из вышесказанного следует, что структурообразование глини-стой составляющей связных грунтов при  взаимодействии со стабилиза-тором обусловлено блокированием активных гидрофильных центров дисперсных минералов, что приводит к снижению удельной поверхно-сти грунта, катионной емкости и повышению гидрофобности.
   Воздействие КПАВ на связные грунты приводит к полному об-мену катионами. Снижение способности стабилизированного грунта адсорбировать воду и связанные с этим структурные преобразования обусловливают изменение физических свойств грунтов.
   Для АПАВ лучше использовать карбонатные грунты, в которых может заметнее проявиться взаимодействие отрицательно заряженных органических анионов стабилизатора с катионами минеральной поверхности грунта  (Ca2+, Al3+, Si4+ и др.).
   Органические ионы полимерных эмульсий в дополнение к элек-тростатическим силам удерживаются молекулярными и водородными силами. Они адсорбируются сильнее, образуя сложные органомине-ральные комплексы. В связи с этим, возможно, реакция среды грунта (рН) и его солевой состав не оказывают существенного влияния при стабилизации грунта полимерными эмульсиями.
   При уплотнении грунта, обработанного стабилизатором, легко отделяются капиллярная и пленочная вода, создавая условия высокой уплотняемости грунтовой смеси. В настоящее время установлено, что грунты, обработанные стабилизаторами, должны иметь коэффициент гидрофобности не менее 0,45, а значение максимальной плотности вы-ше, чем у исходного более чем на 0,02 %. Содержание пылеватых и глинистых частиц в используемых грунтах должно составлять не менее 15 % по массе грунта. Допускается применение грунтов для стабилиза-ции с содержанием пылеватых и глинистых частиц менее указанного предела при условии улучшения зернового состава глинами, суглинка-ми и доведением количества пылеватых и глинистых частиц до требуе-мого уровня. Глинистые грунты с числом пластичности более 12 до введения в грунт стабилизирующих и вяжущих материалов необходимо размельчить до требуемой по СП 34.13330 [17] степени размельчения. Относительная влажность глинистых грунтов при этом должна состав-лять 0,3-0,4 влажности на границе текучести.

3. Комплексные методы преобразования связных грунтов

   Для усиления процессов взаимодействия связных грунтов со ста-билизатором в систему можно дополнительно вводить в небольшом количестве вяжущие (цемент, известь, органические вяжущие). В ре-зультате этого можно ожидать улучшения всех характеристик искус-ственно преобразованных грунтов. Чтобы определить, какие процессы протекают в сложной системе «грунт-стабилизатор-вяжущее», рассмот-рим результаты, полученные Ю.М. Васильевым [18] для глинистых грунтов после взаимодействия с различным количеством вяжущего на примере цемента. Обычно полагают, что при обработке грунта цемен-том развиваются структурные связи только кристаллизационного типа. Экспериментальным путем им было выявлено, что с введением цемента происходит развитие не только связей кристаллизационного типа, но и упрочнение связей, имеющих водно-коллоидную природу. Прочность коагуляционных связей и интенсивность роста прочности возрастают с увеличением дисперсности грунта, что указывает на влияние активной поверхности частиц грунта на физико-химические процессы взаимодействия цемента с грунтом. При содержании цемента до 2 % – для тяжелых суглинков, 4 % – для супесей, прочность коагуляционных связей превышает прочность кристаллизационных. Соотношение жестких (кристаллизационных) и гибких (коагуляционных) связей в цементогрунтах определяет их деформационные свойства. Следовательно, деформационные свойства в грунтовой системе с небольшим введением цемента будут определяться прочностью коагуляционных связей. Данные, полученные А.А. Федуловым [13] при введении в систему «грунт-стабилизатор» («Статус») 2 % цемента, также указывают на изменения не только водно-коллоидных свойств, но и прочностных характеристик. Например, водно-коллоидные силы ∑w при сопротивлении сдвигу су-глинка, преобразованного с помощью стабилизатора и цемента (2 %) составляют 0,084 МПа и соответственно без цемента – 0,078 МПа, с водой – 0,051 МПа (табл. 2).

Таблица 2

Результаты определения параметров прочности суглинка

   Таким образом, можно отметить, что добавки в грунт вяжущих (портландцемента и/или извести)в сравнительно небольших дозировках, способствует улучшению некоторых его физико- механических свойств: понижению пластичности, повышению несущей способности. Количество вносимого в данном случае цемента и/или извести достаточно для того, чтобы в результате их взаимодействия с пылеватыми и глинистыми фракциями грунта обеспечивалась потеря их гидрофильных свойств, но недостаточно для того, чтобы удерживать всю массу грунтовых частиц в связной системе. В результате получается улучшенный грунт за счет усиления коагуляционных связей.
   Добавками ПАВ-стабилизаторов возможно регулировать сроки твердения цементных и грунтоцементных смесей, управлять процесса-ми структурообразования при укреплении грунтов. Действие ПАВ зависит от его состава и концентрации в смеси. В работе О.И. Лукьяновой, П.А. Ребиндера [19] показано изменение фазового состава продуктов гидратации С3А в присутствии возрастающих добавок ПАВ – концентрата ССБ. Поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на минеральных частицах грунта и цемента, в первой фазе твердения вяжущего блокируют потенциальные центры коагуляционного и кристаллизационного структурообразования, чем способствуют сближению фаз твердения и, как следствие, приводят к уменьшению микротрещиноватости структуры материала и к повышению его прочности.
   Установлено, что минеральный состав глинистой фракции в си-стеме «грунт – цемент – ПАВ» оказывает существенное влияние на плотность и упрочнение грунта [20]. Образовавшиеся глинистые микрокомпозиты совместно с каркасными минералами выступают в качестве заполнителя и микронаполнителя при формировании грунтоцемента. Скрытокристаллические (рентгеноаморфные) алюмосиликатные фазы являются активным пуццолановым компонентом, связывающим свободный портландит на больших сроках твердения.
Для укрепления глинистых переувлажненных грунтов, влажность которых на 4-6 % выше оптимальной, эффективно применение негашеной извести. При введении извести в систему «грунт – стабилизатор» она выполняет, помимо своей основной функции как вяжущего, функцию носителя гранулометрической добавки, которая позволяет равномерно распределять стабилизатор в грунте. Все это создает условия качественной укладки смеси и ее уплотнения. Поэтому наибольшего эффекта можно достичь при укреплении тяжелых суглинков и глин. В комплексной системе «грунт – стабилизатор – известь» образуются одновременно кристаллизационные и коагуляционные структуры. Присутствие стабилизатора в такой системе позволяет регулировать скорость кристаллизации и скорость образования зародышей кристаллов гидросиликатов тоберморитовой группы, так как компоненты стабили-затора – ПАВ в силу адсорбции на поверхности зародышей могут пре-пятствовать их росту.
   Действие поверхностно-активных веществ всегда связано с обра-зованием структур в поверхностных слоях глинистых частиц и приле-гающих к ним объемах дисперсной среды. Следствием, вытекающим из термодинамики, является то, что именно ПАВ обладают способностью накапливаться в избытке на границе раздела и таким образом как бы уплотняться в тонком слое. Адсорбционный слой ПАВ имеет предельно малую толщину, поэтому даже очень незначительные добавки ПАВ могут резко изменять условия молекулярного взаимодействия на поверхности раздела. Рациональной технологией применения стабилизаторов является та, при которой создаются условия, необходимые для достижения ПАВ соответствующих поверхностей. Для получения требуемого результата количество ПАВ должно быть оптимальным. Если количество стабилизатора больше оптимального, то адсорбция ПАВ приводит к понижению прочности взаимосвязи между частицами. Кроме того, как установил Ф.Д. Овчаренко [21], одна и та же концентрация ПАВ в водном растворе для глинистых грунтов, разного минерального состава, может также дать противоположный эффект.
   Анализ работ по изучению различных видов строительства поз-воляет отметить, что введение стабилизаторов в глинистые грунты улучшает их плотность, прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости, морозостойкость, уменьшает оптимальную влажность, ка-пиллярное водопонижение, пучинистость и набухаемость. Так, установ-лено, что скорость размокания у необработанного суглинка в 1,5-2 раза выше, чем у обработанного стабилизаторами «Статус» и Roadbond. Об-щая величина деформации морозного пучения обработанного ими гли-нистого грунта соответственно на 15 % и 35 % меньше, чем у необрабо-танного. Следовательно, обработка глинистых грунтов при их уплотне-нии приводит к снижению общей деформации морозного пучения.
   Эксперимент по устройству опытных участков автомобильных дорог с основаниями из тяжелых суглинков с органическими вяжущими (7-8 %), обработанными стабилизатором «Статус» и цементом (6 %), показал, что модуль общей деформации, определяемый методом динамического штампа, увеличивается в два раза. В глинистых грунтах, обработанных стабилизатором «Статус», возрастает удельное сцепление Сw за счет значительного увеличения водно-коллоидных сил ∑w (в 5 раз в образце супеси и почти в 2 раза в образце суглинка) (табл. 2). Введение стабилизатора совместно с вяжущим позволяет увеличить как угол трения φw, так и силы сцепления Сw [13].
   В связи с тем, что многие современные стабилизаторы имеют кислую реакцию среды за счет содержания в их составе серной и суль-фоновых кислот, целесообразно вводить органические вяжущие в виде карбамидной смолы с отвердителем.  Это, в свою очередь, обеспечивает значительное повышение водостойкости и прочности обработанного грунта, а также увеличение числа разновидностей грунтов, подлежащих обработке [22].
В качестве перспективной комплексной добавки можно рассмат-ривать известь, применяемую совместно с ПАВ. Введение в систему «грунт-стабилизатор» незначительного количества извести или цемента (до 2 %) больше чем в 2 раза улучшает все приобретаемые свойства грунтов. Например, прочность образцов капиллярно-водонасыщенных стабилизированных супесей (LBS – 0,01 %) возрастает с 4,5 до 15,5-18,8 кг/см2 в зависимости от вяжущего, а после 10 циклов заморажива-ния-оттаивания – до 14,7-22,0 кг/см2. Для переувлажненных грунтов наиболее эффективна негашеная известь.
   Использование комплексных методов для укрепления грунтов с повышенным содержанием вяжущих показывает высокую их эффек-тивность (табл. 3). Например, прочность после 10 циклов заморажива-ния-оттаивания капиллярно-водонасыщенных образцов может дости-гать высоких значений в пределах 22,6-30 кг/см2 в зависимости от со-става грунта и количества вяжущего (4-8 %). Применение комплексных методов позволяет укреплять тяжелые суглинки и глины [23].
   Исследования, проведенные специалистами СоюздорНИИ по изучению влияния комплексных вяжущих (М10+50 и цемент в количе-стве от 6 до 10 %) на свойства супесчаных грунтов, показали следую-щие результаты. Прочность на растяжение образцов при изгибе увели-чивается на 36,3-40,8 %, значения коэффициента жесткости снижаются на 27,5-36,5 %. Введением ПАВ в комплексную систему улучшаются физико-механические характеристики грунтов по сравнению с образца-ми, упрочненными только цементом (рис. 1).
   В то же время, сопротивление укрепленного грунта сдвигу уве-личивается в несколько раз, что делает такой грунт оптимальным для строительства временных взлетно-посадочных полос и автомобильных дорог как при устройстве основания, так и в качестве покрытия. Это наиболее актуально при выполнении дорожно-ремонтных работ мето-дом «холодного ресайклинга» при устройстве верхнего слоя основания дорожной одежды или нижнего слоя покрытия. Результаты такого укрепления грунта значительно превосходят применяемые обычно для этой технологии битумные эмульсии или цементы.

Таблица 3

Физико-механические свойства грунтов,
укрепленных путем применения комплексных методов

Примечание:* смеси приготовлены при естественной влажности грунта ниже оп-тимальной;
** смеси приготовлены при естественной влажности грунта выше оптимальной (для условий переувлажненного грунта);
ч.п. – число пластичности;
цемент Щуровский марки М400.

   Стабилизация глинистых грунтов материалом «Дорзин» показала очень хорошие результаты. Для широкого спектра суглинков (от легких пылеватых до тяжелых пылеватых) и глин (легких пылеватых) предел прочности при сжатии соответствует 4,0-4,3 МПа, а при изгибе –  0,9-1,4 МПа. Стабилизированные грунты приобретают водо- и морозоустойчивость (F5). Использование стабилизации для таких грунтов с введением в систему 2 % цемента только незначительно улучшает прочностные характеристики, в среднем 4,3-4,6 МПа, но резко увеличивает водо- и морозостойкость (F10). Это, в свою очередь, позволяет уменьшить количество цемента в цементогрунтах без изменения прочностных характеристик [16].

   Оптимальное количество цемента при введении его в стабилизи-рованный «Дорзином» глинистый грунт составляет 6-8 %. Это позволя-ет получить прочностные показатели для исследуемых глинистых грун-тов, соответствующие маркам по прочности М40-М60 и морозостойко-сти – F10-F25, определяемые в соответствии с [24]. Совместное приме-нение ПАВ и неорганических вяжущих при выполнении дорожно-строительных работ по укреплению грунтов оснований дорожных одежд позволяет сократить количество вяжущего на 30-40 % по сравне-нию с бездобавочными составами без изменения их прочностных характеристик. Различный эффект от введения стабилизаторов в связные грунты обусловлен как составом грунтов, стабилизаторов, вяжущих (при использовании комплексных методов), так и их количеством.
    Применение комплексных методов для преобразования связных грунтов позволяет значительно улучшить их физико-механические и водно-физические характеристики по сравнению с обычной стабилиза-цией.
Таким образом, при внесении стабилизатора и вяжущего в гли-нистый грунт физико-химические и коллоидные процессы начинают протекать уже на первых стадиях при слабых механических воздействиях (перемешивании грунта). Ионный обмен, адсорбция, коагуляция тонкодисперсной части грунта дополняются химическими процессами (пуццолановыми реакциями), в результате которых образуются гидросиликаты кальция и другие соединения, которые дополнительно обусловливают изменение свойств грунтов. Следовательно, поверхностно-активные вещества, входящие в состав стабилизаторов, позволяют регулировать процессы структурообразования в комплексных системах.
Структурообразование в таких системах зависит от следующих параметров:

  • состава и свойств связных грунтов;
  • количества и концентрации вяжущего;
  • состава и свойств стабилизатора;
  • количества и концентрации стабилизатора.

4. Технологии стабилизации и укрепления грунтов

   Классификацией стабилизаторов [25], разработанной для дорож-ного строительства, учтен накопленный отечественный и зарубежный опыт использования химических добавок (стабилизаторов) и вяжущих. Отмечено, что применительно к отечественной практике дорожного строительства, следует различать следующие существующие техноло-гии: стабилизацию, комплексную стабилизацию и комплексное укреп-ление грунтов.
   Технология стабилизации грунтов рекомендуется к применению для грунтов, укладываемых в рабочем слое земляного полотна, так как наиболее интенсивно процессы водно-теплового режима (ВТР) и влаго-переноса затрагивают, главным образом, верхнюю часть земляного по-лотна дорожной конструкции. При этом стабилизация грунтов рабочего слоя не только благоприятно влияет на ВТР, но и дает возможность использовать местные глинистые грунты, ранее не пригодные для этих целей (рис. 2). Это становится возможным за счет улучшения их водно-физических характеристик по водопроницаемости (ГОСТ 25584-90), пучинистости (ГОСТ 28622-90), набухаемости (ГОСТ 24143-80) и размокаемости (ГОСТ 5180-84) до требуемых величин. Основная функция этой технологии – гидрофобизация грунтов в рабочем слое или нижних слоях оснований дорожных одежд.

   Технология комплексной стабилизации грунтов отличается от технологии стабилизации грунтов тем, что глинистые грунты обрабатываются стабилизаторами и неорганическими вяжущими материалами в количестве, не превышающем 2 % от массы грунта. Использование этой технологии позволяет улучшить водно-физические и физико-механические свойства обрабатываемых грунтов за счет упрочнения связей, имеющих водно-коллоидную природу. Увеличение прочностных и деформационных характеристик комплексно стабилизированных глинистых грунтов дает возможность использовать их для устройства не только рабочего слоя, но и для обочин, а также грунтовых оснований дорожных одежд и покрытий местных (сельских) дорог. Основная функция этой технологии – структуризация и гидрофобизация грунтов в основаниях дорожных одежд.
   Технологией комплексного укрепления грунтов называется такая технология, при которой в грунты вводятся в небольшом количестве (до 0,1 %) ПАВ и вяжущие – более 2 % (по массе грунта). Наличие в укрепленном глинистом грунте добавок стабилизаторов приводит к снижению требуемого расхода вяжущего и дает возможность увеличить морозостойкость и трещиностойкость укрепленных грунтов (рис. 3). Основная функция этой технологии – повышение морозостойкости и трещиностойкости укрепленных грунтов в конструктивных слоях до-рожных одежд.

ВЫВОДЫ

•    Структурообразование глинистой составляющей связных грун-тов при взаимодействии со стабилизаторами обусловлено блоки-рованием активных гидрофильных центров дисперсных минера-лов, что приводит к уменьшению удельной поверхности, катионной емкости и повышению гидрофобности грунта.
•    Воздействие КПАВ на связные грунты приводит к полному об-мену катионами. Для АПАВ лучше использовать карбонатные грунты, в которых более заметно может проявиться взаимодей-ствие отрицательно заряженных органических анионов стабили-затора с катионами минеральной поверхности грунта (Ca2+, Al3+, Si4+ и др).
•    При стабилизации грунтов количество вводимого стабилизатора в грунт должно быть оптимальным для получения требуемого результата.
•    Стабилизаторы по своему воздействию на глинистые грунты можно разделить на «стабилизаторы-гидрофобизаторы» и «ста-билизаторы-упрочнители».
•    Введение «стабилизаторов-гидрофобизаторов» в связные грунты улучшает их водно-физические свойства. Целесообразность и эффективность их использования определяются в основном сни-жением процессов пучения при промерзании грунтов.
•    Преобразование глинистых грунтов с помощью «стабилизато-ров-упрочнителей» способствует значительному изменению их физико-механических и водно-физических показателей. Предел прочности при сжатии может достигать значений 4,3 МПа, при изгибе – 1,4 МПа. Стабилизированные грунты водо- и морозо-устойчивые.
•    Внесение минеральных вяжущих в небольших дозировках (до 2 % – для тяжелых суглинков, 4 % – для супесей) в систему «грунт-стабилизатор» позволяет улучшить ее физико-механические и водно-физические характеристики по сравнению с обычной стабилизацией.
•    Основным отличием между двумя типами стабилизаторов явля-ется неустойчивость грунтов, обработанных «стабилизаторами-гидрофобизаторами» в водной среде. Такое количество (2-4 %) вносимого в систему цемента или извести достаточно для того, чтобы в результате взаимодействия с пылеватыми и глинистыми фракциями грунта обеспечить потерю ими свойств гидрофильности, но не достаточно для того, чтобы удерживать всю массу грунтовых частиц в связной системе за счет усиления коагуляционных связей.
•    В комплексной системе «грунт-стабилизатор-вяжущее» в струк-турообразовании принимают участие все компоненты. Физико-химические и химические процессы при затворении водой вя-жущего имеют существенное значение, так как процесс создания кристаллической структуры новообразований происходит парал-лельно с формированием структуры комплексно преобразован-ного грунта.
•    Различный эффект от ПАВ-стабилизаторов в комплексной си-стеме обусловлен их химическим составом и различной избира-тельной адсорбцией по отношению к клинкерным минералам вяжущего и минералам грунта.
•    Комплексные методы укрепления грунтов позволяют обеспечи-вать их прочностные показатели на сжатие до 7,0 МПа, при изгибе – до 2,0 МПа, что соответствует марке по прочности М60, марки по морозостойкости – до F25.
•    В комплексной системе экранирующая роль стабилизаторов на скорость кристаллизации минеральных вяжущих способствует формированию органо-глинистого композита, который придает преобразованным грунтам упруго-эластичные свойства.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.    Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов // С.Д. Воронкевич. – М.: Научный мир, 2005. – 504 с.
2.    Кульчицкий Л.И., Усьяров О.Г. Физико-химические основы фор-мирования свойств глинистых пород / Л.И. Кульчицкий, О.Г. Усьяров. – М.: Недра, 1981. – 178 с.
3.    Круглицкий Н.Н. Физико-химические основы регулирования свойств дисперсий глинистых грунтов / Н.Н. Круглицкий. – Киев: Наукова думка, 1968. – 320 с.
4.    Шаркина Э.В. Строение и свойства органоминеральных соеди-нений / Э.В. Шаркина. – Киев: Наукова думка, 1976. – 91 с.
5.    Чоборовская И.С. Зависимость эффективности укрепления грунтов сульфитно-спиртовой бардой от их свойств (без укре-пителей) при строительстве дорожных покрытий и оснований. // Материалы VI Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. – М.: Изд-во МГУ, 1968. – С. 153-158.
6.    Егоров Ю.К. Типизация глинистых грунтов Центрального Пред-кавказья по потенциалу набухания-усадки при воздействии при-родных и техногенных факторов: автореф. дис. …канд. геол.-мин. наук. – М., 1996. – 25 с.
7.    Ветошкин А.Г., Кутепов A.M.// Журнал прикладной химии. – 1974. – Т.36. – №1. – С.171-173.
8.    Круглицкий Н.Н. Структурно-реологические особенности фор-мирования минеральных дисперсных систем / Н.Н. Круглицкий // Успехи коллоидной химии. – Ташкент: Фан, 1987. – С. 214-232.
9.    Grohn H., Augustat S. Die mechano-chemishe depolymerisation von kartoffelstarke durch schwingmahlung // J. Polymer Sci. — 1958. V.29. – P.647-661.
10.    Добров Э.М. Формирование и эволюция техногенных грунтовых массивов земляного полотна автомобильных дорог в эпоху тех-ногенеза / Э.М. Добров, С.Н. Емельянов, В.Д. Казарновский, В.В. Кочетов // Труды Междунар. научн. конференции «Эволю-ция инж.-геол. условий земли в эпоху техногенеза». – М.: Изд-во МГУ, 1987. – С. 124-125.
11.    Кочеткова Р.Г. Особенности улучшения свойств глинистых грунтов стабилизаторами / Р.Г. Кочеткова // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2006. № 3.
12.    Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества / П.А. Ребин-дер. – М.: Знание, 1961. – 45 с.
13.    Федулов А.А. Применение поверхностно-активных веществ (стабилизаторов) для улучшения свойств связных грунтов в условиях дорожного строительства. – Дисс. …канд. техн. наук / Федулов Андрей Александрович, МАДГТУ(МАДИ). – М., 2005.      – 165 с.
14.    K. Newman, J.S. Tingle Emulsion polymers for soil stabilization. Pre-sented for the 2004 FAA worldwide airport technology transfer con-ference. Atlantic City. USA. 2004.
15.    Автомобильные дороги и мосты. Строительство конструктив-ных слоев дорожных одежд из грунтов, укрепленных вяжущими материалами: Обзорная информация / Подгот. Фурсов С.Г. – М.: ФГУП «Информавтодор», 2007. – Вып. 3. –
16.    Дмитриева Т.В. Стабилизированные глинистые грунты КМА для дорожного строительства: автореф. дис. …канд. техн. наук. (05.23.05) / Дмитриева Татьяна Владимировна, Белгородский ГТУ имени В.Г. Шухова. – Белгород, 2011. – 24 с.
17.    СП 34.13330. 2012. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Министерство регионального развития Российской Федерации. – Москва, 2012. – 107 с. Васильев Ю.М. Структурные связи в цементогрунтах // Материалы VI Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. – М.: Изд-во МГУ, 1968. – С. 63-67.
18.    Лукьянова О.И., Ребиндер П.А. Новое в применении неорганиче-ских вяжущих веществ для закрепления дисперсных материалов. // Материалы к VI Всесоюзному совещанию по закреплению и уплотнению грунтов. – М.: Изд-во МГУ, 1968. – С. 20-24.
19.    Гончарова Л.В., Баранова В.И. Исследование процессов струк-турообразования в цементогрунтах на разных стадиях упрочне-ния в целях оценки их долговечности / Л.В. Гончарова // Матери-алы VII Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. – Ленинград: Энергия, 1971. – С. 16-21.
20.    Овчаренко Ф.Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов / Ф.Д. Овчаренко. – Киев: Изд-во АН УССР, 1961. – 291 с.
21.    Методические рекомендации по укреплению обочин земляного полотна с применением стабилизаторов грунтов.                            – Введ.23.05.03. – М., 2003.
22.    Абрамова Т.Т., Босов А.И., Валиева К.Э. Использование стабили-заторов для улучшения свойств связных грунтов / Т.Т. Абрамова, А.И. Босов, К.Э. Валиева // Геотехника. – 2012. – № 3. – С. 4-28.
23.    ГОСТ 23558-94. Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами для дорожного и аэродромного строительства. Технические усло-вия. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – 8 с.
24.    ОДМ 218.1.004-2011. Классификация стабилизаторов грунтов в дорожном строительстве / РОСАВТОДОР. – М., 2011. – 7 с.