Досвід та перспективи використання інноваційних технологій по стабілізації грунтів

Асматулаев Б. А. д. т. н., професор, Турсумуратов М. Т., к. т. н., Асматулаев Р. Б., к. т. н., інститут КазНИиПИ Дортранс 

Жеребитский М. І, Фірма «Hobe Associates LLC» (США) 

В даний час на дорогах республіки здійснюється рух великовантажного транспорту з одновісними шинами, які створюють навантаження на вісь 13 тонн і більше, при цьому загальна маса автотранспорту сягає до 40-80 тонн і вище.Поява аналогічних транспортних навантажень в Західній Європі в 90-роках, спричинило за собою докорінний перегляд матеріалів дорожніх конструкцій, в тому числі і асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг, із-за появи передчасних деформацій колії на них [1]. 

Основними причинами, що призводять до передчасного утворення колії на покриттях, є залишкові деформації, що виникають від впливу на дорогу динамічних транспортних і температурно-кліматичних навантажень, які з роками накопичуються в шарах дорожніх конструкцій. До цього слід додати низьку якість що поставляються бітумів для виробництва асфальтобетону, що також призводить до передчасних деформацій і тріщиноутворення. Крім того в Казахстані в літній період покриття з асфальтобетону нагріваються до 65-75С [2], що не враховується чинним міждержавним стандартом на асфальтобетон (ГОСТ 9128), асфальтобетон при таких температурах повністю втрачає несучу здатність. Останнє також сприяє передчасному утворенню колії на автомобільних дорогах, з виникненням у подальшому тріщин та інших деформацій. При цьому, колія поширюється не тільки на товщину покриття, але і захоплює шари з щебенево-піщаних матеріалів підстави і верхньої частини ґрунту земляного полотна. Слід зазначити, що за результатами випробувань професора Смирнова А. В. (СІБАДІ), встановлено, що при відсутності в дорожніх конструкціях; монолітних шарів, асфальтобетонні покриття деформуючись, передають на грунт робочого шару земляного полотна не менше 90% від всієї транспортної навантаження. Це свідчить про те, що в дорожніх конструкціях з асфальтобетонними покриттями, для попередження виникнення та накопичення залишкових деформацій в грунті, необхідно обов'язково зміцнювати грунти робочого шару земляного полотна. У жарких південних регіонах Казахстану асфальтобетонні покриття при нагріванні вище 50оС втрачають свої пружно-пластичні властивості. Тоді вся навантаження, що передається на самий слабкий конструктивний шар - грунт земляного полотна. За умови перезволоження грунту або перевищення допустимої транспортної навантаження, в першу чергу, на грунті будуть накопичуватися залишкові деформації, що неприпустимо на автомагістралях з інтенсивним і важким транспортним рухом. 

Багаторічний моніторинг технічного стану автомобільних доріг Казахстану, виконуваний нашим інститутом, показав, що основною причиною деформацій на дорогах, є розущільнення ґрунтів робочого шару земляного полотна і не укріплених нижніх шарів дорожніх конструкцій. Аналогічний висновок був зроблений в 90-х роках професором Н.В. Горелышевым, після обстеження казахстанських залізниць фахівцями інституту «Союздорнии», виконаний за завданням Міністра автодоріг Л. Б. Гончарова. Тому в діючій в Казахстані «Інструкції з проектування дорожніх одягів нежорсткого типів» рекомендується обов'язкова присутність в дорожніх конструкціях; монолітних шарів з температуростійких матеріалів: бетони або кам'яні матеріали і грунти, оброблені неорганічними в'яжучими і стабілізаторами. Наочним прикладом довговічної експлуатації таких конструкцій, є автомобільна дорога «Алма-Ата-Капчагай», побудована в 70-х роках з цементобетонним покриттям, а потім в 90-х роках перекрита асфальтобетонним покриттям, яка ось вже експлуатується понад 40 років. Є досвід багаторічної експлуатації доріг, побудованих 1976-87 роках, з підставами з укріплених кам'яних матеріалів шлаковими, шламовыми і зольными в'яжучими [3]. У зв'язку з цим, найбільш перспективними конструкціями доріг, що дозволяють пропустити сучасний великовантажний транспорт без шкоди для дорожньої конструкції, є цементобетонні покриття або асфальтобетонні покриття типу ЩМА на міцних монолітних підставах. Однак не слід забувати, що не тільки асфальтобетонні покриття, але і цементобетонні покриття вимагають пристрою більш міцних підстав. Загальновідомо, що неминуче щорічне пучение всієї дорожньої конструкції, що відбувається в зимовий період експлуатації автомобільних доріг, допускає підйом асфальтобетонного покриття до 30мм, то цементобетонне не повинно перевищувати 10мм. Звідси й вимоги до таких підстав має бути відповідне. В даний час успішно функціонує перший шести смуговий казахстанський автобан «Астана-Щучинська» протяжністю 215 км, з яких 96 км виконані з цементобетонним покриттям. На ділянці будівництва фірми «К-Дорстрой», вперше в Казахстані, в якості матеріалу підстави використаний золоминеральный матеріал зі стабілізуючою добавкою «Дорзін» (фото 1 і 2). Стабілізуюча добавка «Дорзін» отримала широке застосування в дорожньому будівництві за кордоном і в Казахстані [4]. Ефективність застосування стабілізатора грунтів «Дорзін» в поєднанні з золоминеральным матеріалом відчувається на бездоганною рівності цементобетонного покриття а/д «Астана – Щучинська». 

На споруджуваній автомагістралі «Західна Європа - Західний Китай», протяжністю понад 2700 км, також передбачаються на більшій її частині цементобетонні покриття. На деяких ділянках цього міжнародного коридору, грунт робочого шару земляного полотна обробляється малими дозами цементу з добавкою стабілізатора «Дорзін» (фото 3 і 4) . Вітчизняна фірма «К-Дорстрой» продовжує використовувати стабілізатор «Дорзін» на будівництві 58 км автодороги «Західна Європа - Західний Китай» на ділянці «межа Південного Казахстану - Тараз», категорія дороги-1б і підтверджує ефективність його застосування у поєднанні з добавкою 2% цементу. Міцнісні показники таких укріплених грунтів аналогічні при застосуванні укріплених грунтом з 5-ю % цементу, але без добавки стабілізатора «Дорзін» (табл. 1 і рис.1) 

Фізико-механічні характеристики зразків з укріплених грунтів в проектному віці 90 діб 

Таблиця 1 

Рис. 1. Міцнісні характеристики водонасичених зразків укріпленого глинистого грунту проектного віку 90 діб. 

За ступенем водопроникності згідно з умовами ГОСТ 25100-95, зразки з вихідного і укріпленого (у проектному віці 90 діб) глинистого грунту - легкого суглинку піскуватого, поділяються наступним чином: склади -1, 2 і 3 віднесено до водонепроникним, склад -4 до слабоводопроницаемым, вихідний грунт без укріплення – до водопроникним. Це свідчить про обов'язкову необхідність зміцнення ґрунту робочого шару земляного полотна і про ефективність стабілізатора «Дорзін». Механізм взаємодії стабілізатора і ґрунту пояснюється наступним [4]. В результаті розчинення стабілізатора у воді, остання активізується за рахунок іонізації (Н+, ВІН, Н3О). Розчин стабілізатора активно впливає на стан, в першу чергу, глинистих і колоїдних частинок грунту. Він змінює заряд глинисто – колоїдних частинок за рахунок обміну електричними зарядами між іонізованої водою і частками ґрунту, яка підтверджується дослідженнями рН середовища розчину стабілізатора і рН водяної витяжки ґрунту. Обмінявшись зарядами з іонізованою водою, між ґрунтовими частинками порушуються природні зв'язку з капілярної і плівковою водою. Вона легко відділяється від частинок ґрунту, тим самим, створюючи сприятливі умови для високого ущільнення грунту при стисненні. Крім обміну між електричними зарядами водного розчину стабілізатора і ґрунтовими частинками відбувається процес іонного обміну між компонентами стабілізатора і поглинаючим комплексом глинисто - колоїдної фракції. Це призводить до підвищення щільності і несучих властивостей грунту при економії вологи на 15-25% і зниження витрати цементу на 50-60%, що дуже важливо в посушливих регіонах будівництва автомагістралі «Західна Європа - Західний Китай» (Рис.2.). 

Рис. 2. Карта автомагістралі «Західна Європа - Західний Китай», свідчить, що основна траса вилягає в посушливих регіонах Казахстану 

Фото 1 Перевірка ущільнення золоминерального шару динамічним щільності на а/д «Астана-Щучинська», співробітники лабораторій «До-Дорстрой» і КазНИиПИ «Дортранс» на приймання робіт . 

Фото 2. Готове золоминеральное підставу на а/д «Астана-Щучинська» км. 7-57, підрядник «До-Дорстрой» 

Реконструкцію ділянки км. 536-593 а/д «Алмати –Кордай - Благовіщенка - Міркою - Ташкент – Термез» під 1-Б категорії також виконувала фірма «К-Дорстрой» (фото-3, 4, 5, 6), враховуючи позитивний досвід та зарубіжні фірми стали використовувати стабілізатор «Дорзін» в поєднанні з малими дозами цементу. На ділянках км 1398-1578 автомобільної дороги «Кордон РФ ( на Самару) -Шимкент», Кызылординская Область, італійська фірма АТ «Саліні Коструттори С. П. А.» (фото 7, 8, 9), виробляла зміцнення робочого шару ґрунту земляного полотна з застосування ферментного препарату «Дорзін» в поєднанні з 3% цементу. При використанні даної технології зміцнення грунтів здійснюється обов'язковий жорсткий поопераційний контроль якості, як з боку виробника стабілізатора, так і розробника технології інституту КазНИиПИ «Дортранс». У позитивних відгуках вітчизняних підрядників і зарубіжних фірм, а також інженерних служб засвідчується про ефективність такої спільної роботи, тому висока якість гарантується. 

Фото 3.Завантаження цементу в «цементораспределитель», в якості якого використаний щебені розподільник 

Фото 4. Внесення водного розчину Дорзін у ґрунтову суміш 

Фото 5.Перемішування грунтоцементной суміші після внесення водного розчину Дорзина грунтосмесителем 

Фото 6. Ущільнення ущільнення ґрунту котками на пневмоходу на ділянці км 536-593 а/д «Алмати –Кордай-Благовіщенка - Міркою-Ташкент –Термез», підрядник фірма «К-Дорстрой» 

Фото 7.Розподіл цементу цементораспределителем по підготовленій і спрофільовані поверхні земляного полотна. 

Фото 8. Фрезерування ресайклером, змішування грунту з цементом з одночасною подачею водного розчину з «Дорзином» 

Фото 9. Готовий ділянку дороги зі стабілізованим ґрунтом земляного полотна «Кордон РФ ( на Самару) -Шимкент», Кызылординская Область, підрядник-італійська фірма АТ «Саліні Коструттори С. П. А.» 

Автомагістраль «Західна Європа - Західний Китай» пролягає за посушливих регіонах Казахстану, з високою температурою нагріву покриттів, особливо асфальтобетонних (Рис.1). Основна технічна проблема асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг - прогресуюча втрата їх несучої здатності при русі великовантажних транспортних засобів, особливо при високих температурах їх експлуатації, з утворенням колії і температурних тріщин. Для усунення причин колієутворення, з урахуванням світового досвіду [4,5,6], в нижніх шарах покриття з ЩМА, слід влаштовувати не пористі шари з асфальтобетону, а щільні, мають каркасну структуру. Деякі проектувальники вважають, що якщо вони передбачили третій шар з битумоминерального матеріалу, то інші шари можуть бути із зв'язкових кам'яних матеріалів. Це в корені невірне рішення. Так як щебенево-піщані та щебеневі основи, які до цих пір використовуються без зміцнення в'яжучими, не можуть виконувати функції несучого шару при температурах нагріву асфальтобетонного покриття понад 50°С. Такі шари добре чинять опір навантажень на стиск, але не володіють міцністю на розтяг і тим більше при вигині. Приклади практичних інженерних прорахунків наявності на деяких дільницях, недавно побудованих, автомобільних доріг «Алмати - Астана» і «Алмати – Бішкек», мають передчасні дефекти. Такі конструктивні помилки є і в нових проектах автомобільних доріг «Кордон РФ (на Омськ)-Майкапшагай(вихід на КНР) через р. р. Павлодар, Сімей» км792-828 і «Омськ-Павлодар_Майкапшагай» км 324-408, в яких запроектовані три шару із асфальтобетону, в тому числі пористі і високопористі суміші в покриттях. Наші спроби змінити і включити в конструкцію монолітний шар з використанням бокситового шламу, або замінити пористі асфальтобетонні суміші на каркасні, не прийняті. Хоча практичний багаторічний досвід експлуатації такої конструкції, з основою з бокситового шламу є, рівність і міцність конструкцій забезпечує пропуск інтенсивного великовантажного транспорту. Одним з недоліків є поява відображених температурних тріщин, які можна усунути технологічними або конструктивними методами. 

Основні висновки і пропозиції: 

Аналіз світових тенденцій, що виникли в останнє десятиліття в транспортно-розвинених країнах: США, Західна Європа, а також у Росії, Китаї та Казахстані свідчить про значне збільшення транспортних навантажень на автомобільних дорогах. Традиційне будівництво доріг низької вартості під 20-ти річну перспективу, стає не ефективним, такі дороги передчасно піддаються колееобразованию та інших деформацій. Для пропуску сучасного транспортного руху на автомобільних дорогах зарубіжних країн збільшується будівництво цементобетонних покриттів, а також щебенево-мастикових асфальтобетонних покриттів на монолітних підставах. Вважаємо, що для підвищення рентабельності будівельних витрат та їх окупності, необхідно проектувати дороги на більш тривалу перспективу їх експлуатації до 40-50 років. Для цього потрібно не тільки будувати дорогі цементобетонні покриття, але і широко використовувати в покриттях і підставах монолітні конгломерати з місцевих матеріалів, вторинної сировини і грунтів, отримані на основі застосування нових інноваційних ресурсозберігаючих технологій та матеріалів. Ширше використовувати ресурсозберігаючі та енергозберігаючі холодні хімічні технології, що дають можливість утилізувати різні дешеві багатомільйонні відвали техногенних відходів енергетичної, хімічної, металургійної та кольорової промисловості для дорожнього будівництва натомість традиційним витратним технологіям.

Всі вищевказані ефективні розробки та напрямки поряд з готовністю до застосування в дорожньому будівництві, вимагають подальших детальних наукових досліджень і дослідно-експериментальних випробувань з метою уточнення і розширення області їх використання. Це вимагає відновлення фінансування НДДКР. Наприклад, відсутність міждержавної нормативно-технічного документа на бетони дорожні на основі традиційних цементів стримують широкому використанню їх в дорожньому будівництві. 

При використанні пропонованих ресурсозберігаючих технологій і матеріалів, практично, у всіх регіонах країни, є можливість відмовитися від застосування традиційних витратних технологій, при цьому, одночасно будуть вирішуватися такі державні завдання: 

Можливість зниження позики на інвестиційне фінансування із Зарубіжних Банків на будівництво нових автомобільних доріг, за рахунок використання ресурсозберігаючих і енергозберігаючих інноваційних технологій і матеріалів, розроблених вітчизняними вченими і апробованих в Казахстані.
Повторно утилізуватися будівельні матеріали існуючих автодоріг. У нижніх шарах дорожніх і аеродромних покриттів по країні, як непотрібного баласту щорічно залишаються, а потім перекриваються новими шарами, мільйони тонн «старого» асфальту і щебеню. Встановлено, що при повторному їх використання можливе повне відновлення і поліпшення їх будівельних властивостей, за рахунок їх зміцнення мінеральними в'яжучими на основі техногенних відходів промисловості Казахстану.
Для перекриття необхідного величезного дефіциту в дорожньо-будівельних матеріалах є можливість використовувати техногенні відходи та побічні продукти промисловості, що покриє потребу в нових дорожньо-будівельних матеріалах і буде сприяти охороні навколишнього середовища в багатьох регіонах країни. Обсяг накопичених різних шлаків і шламів по республіці перевищує 1 мільярд тонн, а золи виносу гидроудаления до 2 млрд. тонн. Щорічно обсяг зазначених відходів продовжує зростати.

Використана література: 

1. Розробка та обґрунтування нових технологій дорожньо-будівельних і ремонтних робіт, у т. ч. стабілізації ґрунтів, матеріалів і нових дорожніх конструкцій, у т. ч. з використанням техногенних відходів промисловості дорожньо-будівельного виробництва. Науково - технічний звіт т. I . Минтранском РК, КАД і СІК, Алмати, 2003, с. 210. 
   
   Телтаев Б. Б. та ін. До районуванням території Казахстану за розрахунковою річною температурі асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг //Міцність матеріалів і конструкцій на транспорті/ том III, Алмати: КАЗАТК, 1996, с. 134-139. 
   
   
2. Асматулаев Б. А. Будівництво дорожніх одягів з повторним використанням матеріалів реконструйованих доріг //Изд. Эверо, Алмати, 1999, С .210.
3. Асматулаев Б. А., Турсумуратов М. Т., Асматулаев Р. Б. та ін Рекомендації по застосуванню «Дорзін» при будівництві і ремонті автомобільних доріг. //ПР РК 218-67-2008, МТК РК КАД, Астана,2008, 21 С.
4. Илиополов С. Н. Колія: Нові аспекти, проблеми. //Ж. 
   Автомобільні дороги. М. 2003. 
5. Мірошниченко С. В. Стратегічний матеріал. //Ж. Автомобільні дороги. №04 (953), М. 2011,З 47-52. 
   
6. Фінські норми на асфальт.// PANK, Гельсінкі,1995. С. 70