Смеси с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА

Развитие дорожной сети России необходимо и должно осуществляться путем перехода на создание сложных композитных конструкций дорожных одежд полифункционального значения, которые обеспечивают повышенную комфортность, долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. Такой качественный скачок возможен за счет реализации концепции перехода на строительство укрепленных конструкций дорожных одежд. Снижение материалоемкости и себестоимости строительства подобных дорогих инженерных сооружений до уровня традиционных конструкций возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, отходов промышленности. Об этом свидетельствует, в частности, структура себестоимости строительства автомобильных дорог по Белгородской области, где транспортные расходы составляют около 20%.

Решение проблемы комплексного использования минеральных ресурсов КМА позволило начать широкомасштабное использование отходов горнорудного производства для производства дорожно-строительных материалов, тяжелого и легкого бетонов, силикатного кирпича, штукатурных и кладочных растворов и т. д.

В качестве рабочей гипотезы было высказано предположение, что в дорожном строительстве в качестве наполнителя при производстве дорожного бетона могут применяться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС), содержащие 70−75% кварца. Выполненный авторами анализ сырьевых ресурсов КМА показал, что отходы ММС являются наиболее крупнотоннажным техногенным сырьем, и на их долю ежегодно приходится около 80% добытой из недр горной массы.

В то же время высокая себестоимость устройства дорожных оснований традиционными способами предопределяет необходимость широкого использования для строительства укрепленных оснований смесей с высокой проникающей способностью (СВПС). Для снижения самого дорогостоящего компонента смеси — цемента — актуальной является задача разработки многокомпонентного вяжущего, обладающего необходимыми реологическими и физико-механическими параметрами с повышенной удельной поверхностью.

Применение смесей с высокой проникающей способностью из тонкомолотых цементов (ТМЦ) с использованием отходов ММС железистых кварцитов требует особого регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости этих смесей. Процессы течения и структурообразования в водных минеральных суспензиях и способы их регулирования относятся к числу наиболее актуальных проблем коллоидной химии. Одним из наиболее эффективных способов регулирования этих процессов является применение пластификаторов и суперпластификаторов.

Таким образом, разработка и применение СВПС с использованием отходов ММС и пластифицирующей добавки является актуальной задачей и позволит снизить материалоемкость дорожных одежд и улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации отходов ММС.

Работа выполнялась в рамках Российского фонда фундаментальных исследований, проект 03−03−96 426 «Агрегативная устойчивость водных минеральных суспензий с полиэлектролитами» .

Цель и задачи работы. Разработка эффективных смесей с высокой проникающей способностью с использованием отходов ММС железистых кварцитов и технологий их производства и применения в дорожном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— исследование вещественного состава и строения техногенных отходов ММС как компонента вяжущего;

— изучение фазового состава новообразований при твердении ТМЦ и влияние отходов ММС на этот фазовый состав;

— изучение коллоидно-химических закономерностей в цементных пастах на основе ТМЦ при использовании суперпластификатора СБ-3;

— разработка технологии производства и изучение физико-механических свойств многокомпонентных вяжущих с использованием отходов ММС;

— разработка методики определения проникающей способности СВПС;

— разработка технологии производства смесей с высокой проникающей способностью на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и применения их для устройства оснований автомобильных дорог;

— подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлена размалываемость компонентов разработанных вяжущих, увеличивающаяся в ряду клинкер—> шлак—ютходы ММС. Выявлен характер зависимости удельной поверхности от времени помола и состава смеси, при этом показано, что введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что с введением 50% отходов ММС в ТМЦ возможно достижение прочности, соизмеримой с прочностью исходного портландцемента, за счет механохимиче-ского модифицирования системы и, как следствие, оптимизации структуры новообразований при твердении.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатором СБ-3, заключающиеся в снижении прочности контактов в коа-гуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жид-кообразным характером течения.

Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов практически не влияет на фазовый состав структуры. При этом образуется скрытокристаллическая структура гидросиликатов кальция, а также гидроалюминаты и гидрофериты кальция.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования крупнотоннажных отходов железорудных месторождений — отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов — в качестве сырьевых компонентов при производстве многокомпонентных вяжущих.

Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием смесей с высокой проникающей способностью.

Получены СВПС с прочностью на сжатие 45−62 МПа, позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 16−25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

Внедрение результатов исследований.

Проведены опытные испытания СВПС при устройстве укрепленных дорожных оснований, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.06 и 29.10. На защиту выносятся:

— результаты исследования особенностей минерального состава и гранулометрии отходов ММС железистых кварцитов;

— закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатора СБ-3;

— зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости ТМЦ с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3;

— методика определения проникающей способности СВПС;

— зависимости свойств СВПС от вида и характеристик ТМЦ;

— оптимальные составы и технологии устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием СВПС;

— результаты внедрения.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ. Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена настраницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 31 рисунок и фотографии, списка литературы из 184 наименований, 2приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

2. Установлена энергоемкость помола компонентов разработанных вяжущих, уменьшающаяся в ряду клинкер шлак—>отходы—"ММС. Показано, что кинетика помола вяжущих хорошо описывается уравнениями теории переноса, при этом, введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

3. Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что введение 50% отходов ММС в ТМЦ приводит к незначительному снижению прочности по сравнении с исходными портландцементами, что обусловлено механохимической активацией системы и оптимизацией структуры при твердении.

4. Установлены закономерности изменения реологических, седиментаци-онных и электроповерхностных свойств СВПС, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора и увеличения одноименного заряда частиц. Это позволяет получить предельно агрегативно-устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения.

5. Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

6. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог IIV категории с использованием СВПС, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены СВПС с прочностью на сжатие 45−62 МПа, позволяющие получить укрепленное основание с прочностью на сжатие 16−25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

7. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составит 516 329 руб на 1 км строящейся дороги. I.