Дефицит кондиционных минеральных материалов во многих регионах России является основной причиной резкого увеличения цен дорожного строительства. Применение местного минерального сырья и отходов производства, улучшенных стабилизирующими добавками различной природы, является эффективным способом снижения материально-технических затрат, а также решения комплекса острых экологических проблем [1]. Многочисленные исследования второй половины ХХ века свидетельствуют, что зарубежные стабилизаторы грунта неэффективны ввиду их высокой стоимости и неприменимости в условиях северных регионов [2]. В этой связи перспективным направлением является разработка составов дорожно-строительных материалов на основе местных сырьевых материалов, модифицированных стабилизирующими добавками, улучшающими их водостойкость, морозостойкость и прочностные характеристики [3–5].
Целью настоящей работы является разработка составов эффективных цементогрунтов на основе местных глинистых пород, модифицированных отходами теплоэнергетики Забайкальского края и стабилизирующими добавками различной природы.
Исходными сырьевыми материалами выбраны суглинок и супесь по ГОСТ 25100-2011 (Забайкальский край); зола уноса ТЭЦ-2 (г. Чита). В качестве вяжущего использован портландцемент марки ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б Ангарского цементно-горного комбината (Иркутская область), в качестве стабилизаторов цементогрунта – известные на рынке ANT; Статус; полифилизаторы ПГСЖ 1 и ПГСП 3; полимерная эмульсия М 10 + 50 и добавка полимерного типа Криогелит, разработанная в Забайкальском институте железнодорожного транспорта (ЗабИЖТ ИрГУПС).
Химический состав портландцемента (ПЦ) и золы уноса (ЗУ) определяли спектрометром эмиссионным Optima 5300DV (167-403 нм) PerkinElmer, методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). ИК-спектр ЗУ регистрировали инфракрасным Фурьеспектрометром SHIMADZU FTIR-8400S на таблетках с KBr, приготовленных по стандартной методике. Эффективную удельную активность (Аэфф) природных радионуклидов (226Ra, 232Th, 40K) в пробе ЗУ измеряли в соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Плотность исходных и стабилизированных грунтов определяли пикнометрическим методом, в качестве рабочей жидкости использовали керосин ТС-1 (r = 0,78 г/см3). Удельную поверхность образцов измеряли методом воздухопроницаемости на приборе Товарова Т-3, постоянная прибора, установленная по эталонному минеральному порошку, равна 29,91. Прочностные характеристики изучали в соответствии с ГОСТ 23558-94 на образцах, подвергнутых полному водонасыщению. Электронно-микроскопические фотографии регистрировали растровым электронным микроскопом JEOL JSM-6510LV на базе ЦКП «Прогресс» ФГБОУ ВО ВСГУТУ (г. Улан-Удэ).
Выявлено, что проба ЗУ по радиационному признаку относится к 1 классу, так как величина Аэфф составляет 248 Бк/кг (экспертное заключение ООО «ЛЭП» № 18 от 29.12.2014 г.). Следовательно, в соответствии с ГОСТ 30108-94, сырьевой материал может использоваться в строительстве без ограничений.
Прочность цементогрунтов во многом зависит от качества цемента, которое можно оценить по его химическому составу. Данные табл. 1 указывают на благоприятные значения силикатного и глиноземного модулей исследуемого ПЦ, составляющие 2,4 и 1,8 соответственно. В то же время гидравлический и кремнеземный модули вяжущего равны 1,0 и 3,8 соответственно.
Таблица 1
Содержание некоторых оксидов в составе портландцемента
|
ω, мас. % |
|||||
|
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
MgO |
SiO2 |
SO3 |
|
8,51 |
46,89 |
4,83 |
4,48 |
32,07 |
3,22 |
Исследуемая ЗУ имеет алюмосиликатный состав, w, мас. %: 36,1 SiO2; 10,2 Al2O3; 7,80 Fe2O3; 1,42 MgO; 0,56 Na2O; 1,21 K2O; 0,41 TiO2; 0,61 SO3; 9,37 CaO; 0,4 CaOсв. Показатели гидравлической активности исследуемой ЗУ Читинской ТЭЦ-2 представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели гидравлической активности исследуемой золы уноса
|
Показатели |
Значения |
|
Модуль основности М0 |
0,27 |
|
Силикатный модуль Мс |
2,00 |
|
Коэффициент качества К |
0,57 |
|
Содержание СаОобщ, мас. % |
9,37 |
|
Содержание СаОсвоб, мас. % |
0,40 |
Рис. 1. ИК-спектр золы уноса ТЭЦ-2
Рис. 2. Зависимость удельной поверхности (а) и плотности (б) модифицированных золой уноса (ω = 10 мас. %) цементогрунтов от содержания в них портландцемента: 
суглинок; 
супесь
Анализ данных табл. 2 показал, что ЗУ Читинской ТЭЦ-2 по гидравлическим свойствам относятся к скрыто-активным. Методом инфракрасной спектроскопии (ИКС) в составе ЗУ обнаружен кальцит, что подтверждают полосы поглощения с максимумами при 1454; 1435 и 876 см-1, связанные с валентными и деформационными колебаниями группы СО32- (рис. 1).
Характеристические полосы поглощения с максимумами при 797; 779 см-1 и 692; 671 см-1, свидетельствуют о наличии в пробе ЗУ кварца и кристобалита. Полосы поглощения с максимумами при 563 и 461 см-1 (Fe-O) принадлежат гематиту, а при 3458 и 1092 см-1 отвечают валентным колебаниям групп ОН и Si-O-Si (Al).
Методом подбора установлено, что оптимальное содержание ЗУ в системе грунт – зола уноса – портландцемент составляет 10 мас. %, а ПЦ – 8 мас. %. Зависимость удельной поверхности и плотности цементогрунтов от массовой доли портландцемента приведена на рис. 2.
Выявлено, что в модифицированных цементогрунтах на основе супеси плотность и удельная поверхность равны r = 2,38 г/см3, Sуд = 920 см2/г, а на основе суглинка – r = 2,36 г/см3, Sуд = 1230 см2/г. Следовательно, образцы цементогрунта с оптимальным содержанием вяжущего имеют практически одинаковую плотность материала. Пределы прочности на сжатие (Rсж) и при изгибе (Rизг), марка по морозостойкости цементогрунтов, модифицированных 10 мас. % ЗУ в зависимости от содержания ПЦ и типа стабилизирующих добавок представлены в табл. 3.
Выявлено, что тип грунта (суглинок, супесь) не влияет на величину предела прочности на сжатие для исходных образцов без стабилизаторов. Несмотря на то, что наивысшая прочность цементогрунтов, стабилизированных добавкой ANT, имеет место при массовой доле вяжущего 10 %, их марка по морозостойкости менее F15, что не соответствует нормативным требованиям. Кроме того, образцы с массовой долей ПЦ 6 и 8 мас. % имеют близкие значения прочностных характеристик. В этой связи целесообразно применять 6 мас. % вяжущего, что согласуется с рекомендациями разработчика стабилизатора грунта ANT.
Использование стабилизатора Статус позволяет получать морозостойкий материал только при содержании ПЦ 12 мас. %, при этом максимальная прочность на сжатие при 20 °С наблюдается при 10 мас. % ПЦ, вне зависимости от типа грунта. Образцы цементогрунта, улучшенные полифилизатором ПГСЖ 1 и ПГСП 3 (wПЦ = 6–12 мас. %) имеют высокие прочностные характеристики, соответствующие нормативным требованиям, однако они не соответствуют требуемой марке по морозостойкости. Требуемая марка по прочности и морозостойкости цементогрунтов, стабилизированных добавкой М10 + 50, имеет место исключительно у образцов с массовой долей ПЦ 12 мас. %.
Максимум прочности для образцов цементогрунта, стабилизированных полимерной добавкой Криогелит, наблюдается при массовом содержании ПЦ равном 8 %. Найдено, что все цементогрунты, кроме образцов на основе супеси с массовой долей ПЦ 6 мас. %, имеют требуемую марку по морозостойкости. Следовательно, среди всех исследуемых стабилизирующих добавок только ANT и Криогелит позволяют получать материал с наиболее высокой прочностью и морозостойкостью, марки не менее F15, при содержании ПЦ 8 мас. % (рис. 3).
Таблица 3
Физико-механические характеристики цементогрунтов, стабилизированных добавками ANT (w= 0,0071 мас. %); Статус (w= 0,25 мас. %); ПГСЖ 1 и ПГСП 3 (w = 0,04 и 2,00 мас. %); М10+50 (w = 1,5 мас. %); Криогелит (w = 1,0 мас. %)
|
Грунт |
Стабилизирующая добавка |
wПЦ, мас. % |
Rсж, МПа |
Rизг, МПа |
Rсж 20 °С, МПа |
Марка по морозостойкости |
||
|
водонасыщение |
||||||||
|
капилляр. |
полное |
капилляр. |
полное |
|||||
|
Суглинок |
ANT |
6 |
3,06 |
2,30 |
1,00 |
0,55 |
2,95 |
F15 |
|
8 |
2,98 |
2,27 |
1,58 |
1,27 |
3,04 |
|||
|
10 |
2,88 |
2,25 |
1,42 |
1,40 |
3,48 |
< F15 |
||
|
12 |
2,75 |
2,00 |
1,46 |
1,44 |
2,52 |
|||
|
Супесь |
6 |
2,30 |
1,95 |
1,00 |
0,95 |
3,00 |
F15 |
|
|
8 |
2,30 |
2,03 |
1,31 |
1,27 |
2,98 |
|||
|
10 |
2,97 |
2,45 |
1,40 |
1,25 |
3,05 |
< F15 |
||
|
12 |
2,77 |
2,75 |
1,40 |
1,30 |
2,48 |
|||
|
Суглинок |
Статус |
6 |
2,45 |
2,20 |
1,28 |
1,20 |
1,80 |
< F15 |
|
8 |
2,50 |
2,29 |
1,43 |
1,37 |
1,88 |
|||
|
10 |
2,65 |
2,27 |
1,32 |
1,27 |
3,33 |
|||
|
12 |
3,12 |
3,10 |
0,96 |
0,67 |
2,52 |
F15 |
||
|
Супесь |
6 |
2,12 |
2,00 |
1,00 |
0,98 |
1,78 |
< F15 |
|
|
8 |
2,30 |
1,98 |
1,45 |
1,34 |
1,80 |
|||
|
10 |
2,28 |
2,25 |
1,27 |
1,12 |
2,98 |
|||
|
12 |
2,95 |
2,20 |
1,00 |
0,71 |
2,75 |
F15 |
||
|
Суглинок |
ПГСЖ 1 ПГСП 3 |
6 |
2,15 |
2,00 |
0,49 |
0,40 |
2,55 |
< F15 |
|
8 |
2,63 |
2,14 |
0,57 |
0,49 |
2,60 |
|||
|
10 |
2,86 |
2,96 |
0,53 |
0,64 |
4,32 |
|||
|
12 |
2,74 |
2,59 |
0,71 |
0,64 |
4,88 |
|||
|
Супесь |
6 |
2,00 |
2,00 |
0,44 |
0,40 |
2,40 |
< F15 |
|
|
8 |
2,45 |
2,20 |
0,60 |
0,51 |
2,45 |
|||
|
10 |
2,65 |
2,58 |
0,60 |
0,58 |
3,85 |
|||
|
12 |
2,70 |
2,60 |
0,65 |
0,50 |
4,00 |
|||
|
Суглинок |
М10 + 50 |
6 |
2,28 |
– |
1,15 |
– |
2,64 |
– |
|
8 |
2,85 |
2,48 |
1,30 |
0,90 |
2,87 |
|||
|
10 |
2,80 |
2,15 |
1,40 |
0,98 |
3,03 |
< F15 |
||
|
12 |
2,78 |
1,89 |
1,40 |
1,10 |
3,00 |
|||
|
Супесь |
М10 + 50 |
6 |
1,84 |
1,20 |
0,87 |
– |
1,88 |
< F15 |
|
8 |
2,65 |
2,38 |
1,00 |
0,78 |
2,56 |
|||
|
10 |
2,65 |
2,41 |
1,20 |
1,00 |
2,61 |
|||
|
12 |
2,20 |
2,20 |
1,35 |
1,05 |
2,35 |
F15 |
||
|
Суглинок |
Криогелит |
6 |
2,02 |
2,08 |
1,08 |
1,04 |
3,69 |
F15 |
|
8 |
2,91 |
2,54 |
1,28 |
1,36 |
3,92 |
|||
|
10 |
2,50 |
2,40 |
1,42 |
1,42 |
3,12 |
|||
|
12 |
2,65 |
2,38 |
1,50 |
1,48 |
3,00 |
|||
|
Супесь |
6 |
2,00 |
2,00 |
0,98 |
1,00 |
3,00 |
< F15 |
|
|
8 |
2,48 |
2,16 |
1,10 |
1,10 |
3,50 |
F15 |
||
|
10 |
2,45 |
2,10 |
1,34 |
1,25 |
3,15 |
|||
|
12 |
2,40 |
2,10 |
1,45 |
1,42 |
3,20 |
|||
Стабилизирующая добавка полимерного типа Криогелит может взаимодействовать с глинистыми минералами в грунте, тем самым способствовать образованию вторичных грунтовых микроагрегатов. Полимер не вступает в химическое взаимодействие с портландцементом, а выполняет роль пластификатора, образуя вокруг частиц пластифицирующую пленку. Это подтверждается микрофотографиями исходных и стабилизированных добавкой Криогелит цементогрунтов, представленными на рис. 4.
Рис. 3. Предел прочности на сжатие при 20 °С морозостойких стабилизированных цементогрунтов: Г – суглинок; П – супесь; ПЦω – портландцемент (ω = 6–12 мас. %)
Рис. 4. Микрофотографии СЭМ образцов исходных и стабилизированных добавкой Криогелит цементогрунтов (ω, мас. %: ПЦ-8; ЗУ-10): а, в – на основе суглинка; б, г – на основе супеси
Анализ рис. 4 показал, что модифицированные стабилизирующей добавкой полимерного типа Криогелит цементогрунты имеют плотную коагуляционную структуру.
Выводы
1. Установлена принципиальная возможность использования отходов теплоэнергетики Забайкальского края, на примере золы уноса ТЭЦ-2 г. Чита, в составе эффективных цементогрунтов, что позволяет утилизировать крупнотоннажные отвалы золошлаковых материалов.
2. Показана зависимость прочностных характеристик модифицированных цементогрунтов на основе суглинка и супеси от массовой доли вяжущего (портландцемент марки ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б Ангарского цементно-горного комбината, Иркутская область) и золошлакового материала. Найдено, что для получения дорожно-строительных композитов с максимальной прочностью оптимальное содержание в цементогрунтах золы уноса и портландцемента составило 10 и 8 мас. % соответственно.
3. Установлено, что применение стабилизаторов грунта ANT и Криогелит позволяет получать композиционные материалы с наиболее высокой прочностью и морозостойкостью не менее F15, при оптимальном содержании вяжущего в модифицированных золой уноса цементогрунтах.
4. Изучена морфология цементогрунта исходного и стабилизированного добавкой Криогелит, разработанной в Забайкальском институте железнодорожного транспорта (ЗабИЖТ ИрГУПС). Выявлено, что стабилизирующая добавка полимерного типа Криогелит способствует образованию вторичных грунтовых микроагрегатов и приводит к образованию плотной коагуляционной структуры в цементогрунтах.