Казимира Малевича 15, оф. 506
Киев, Украина
stardak2000@gmail.com Пишите нам на email
+38 (067) 320-41-31 Отдел оптовых продаж
Ru

Опыт и перспективы использования инновационных технологий по стабилизации грунтов

ООО "Днепровская ассоциация-К" - современные биотехнологии

Опыт и перспективы использования инновационных технологий по стабилизации грунтов

Новость опубликована: 29.07.2017

Опыт и перспективы использования инновационных технологий по стабилизации грунтов

Асматулаев Б.А. д.т.н., профессор, Турсумуратов М.Т., к.т.н., Асматулаев  Р.Б., к.т.н., институт КазНИиПИ  Дортранс 

Жеребитский М. И, Фирма «Hobe Associates LLC», (США)  

В настоящее время на дорогах республики осуществляется движение большегрузного транспорта с одноосными шинами, которые создают нагрузку на ось 13 тонн и более, при этом общая масса автотранспорта достигает до 40-80 тонн и выше.Появление аналогичных транспортных нагрузок в Западной Европе в 90-годах, повлекло за собой коренной пересмотр материалов дорожных конструкций, в том числе и асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, из-за появления преждевременных деформаций и колеи на них [1].

Основными причинами, приводящими к преждевременному образованию колеи на покрытиях, являются остаточные деформации, возникающие от воздействия на дорогу динамических транспортных и температурно-климатических нагрузок, которые с годами накапливаются в слоях дорожных конструкций. К этому следует добавить низкое качество поставляемых битумов для производства асфальтобетонов, что также приводит к преждевременным деформациям и  трещинообразованию. Кроме того в Казахстане в летний период покрытия из асфальтобетона нагреваются до 65-75С [2], что не учитывается действующим межгосударственным стандартом  на асфальтобетон (ГОСТ 9128), асфальтобетон при таких температурах полностью утрачивает несущую способность. Последнее также способствует преждевременному образованию колеи на автомобильных дорогах, с возникновением в дальнейшем трещин и других деформаций. При этом, колея распространяется не только на толщину покрытия, но и захватывает слои из щебеночно-песчаных материалов основания и верхней части грунта земляного полотна. Следует отметить, что по результатам испытаний профессора Смирнова А.В. (СИБАДИ), установлено, что при отсутствии в дорожных конструкциях монолитных слоев, асфальтобетонные покрытия деформируясь, передают на грунт рабочего слоя земляного полотна не менее  90% от всей транспортной нагрузки. Это свидетельствует о том, что в дорожных конструкциях с асфальтобетонными покрытиями, для предупреждения возникновения и накопления остаточных деформаций  в грунте, необходимо обязательно укреплять грунты рабочего слоя земляного полотна. В южных жарких регионах Казахстана асфальтобетонные покрытия при нагреве  выше 50оС  теряют свои упруго-пластические свойства. Тогда вся нагрузка, передается на самый слабый конструктивный слой - грунт земляного полотна. При условии переувлажнения грунта или превышения допустимой транспортной нагрузки, в первую очередь, на грунте будут накапливаться остаточные деформации, что недопустимо на автомагистралях с интенсивным и тяжелым транспортным движением.

Многолетний мониторинг технического состояния автомобильных дорог Казахстана, выполняемый нашим институтом, показал, что основной причиной деформаций на дорогах, является разуплотнение грунтов рабочего слоя земляного полотна и не укрепленных нижних слоев дорожных конструкций. Аналогичный вывод был сделан в 90-х годах профессором Н.В. Горелышевым, после обследования казахстанских дорог специалистами института «Союздорнии», выполненный по заданию Министра автодорог Л.Б.Гончарова. Поэтому в действующей в Казахстане «Инструкции по проектированию дорожных одежд нежестких типов» рекомендуется обязательное присутствие в дорожных конструкциях  монолитных слоев из  температуростойких  материалов: бетоны или каменные материалы и грунты, обработанные неорганическими вяжущими и стабилизаторами. Наглядным примером долговечной эксплуатации таких конструкций, является автомобильная дорога «Алма-Ата-Капчагай», построенная в 70-х годах с цементобетонным покрытием, а затем в 90-х годах перекрыта асфальтобетонным покрытием, которая вот уже эксплуатируется  более  40 лет. Имеется опыт многолетней эксплуатации дорог, построенных в 1976-87 годах, с основаниями из укрепленных каменных материалов шлаковыми, шламовыми и зольными вяжущими [3]. В связи с этим, наиболее перспективными конструкциями дорог, позволяющими пропустить современный большегрузный транспорт без ущерба для дорожной конструкции, являются цементобетонные покрытия или асфальтобетонные покрытия типа ЩМА на прочных монолитных основаниях.  Однако не следует  забывать, что не только асфальтобетонные покрытия, но и цементобетонные покрытия требуют устройства более прочных оснований. Общеизвестно, что неизбежное ежегодное пучение всей дорожной конструкции, происходящее в зимний период эксплуатации автомобильных дорог, допускает подъем асфальтобетонного покрытия до 30мм, то цементобетонное не должно превышать 10мм. Отсюда и требования к основаниям должно быть соответствующее. В настоящее время, успешно функционирует первый шести полосный казахстанский  автобан «Астана-Щучинск» протяженностью 215 км, из которых 96 км выполнены с цементобетонным покрытием. На участке строительства фирмы «К-Дорстрой», впервые в Казахстане, в качестве материала основания использован золоминеральный материал со стабилизирующей  добавкой «Дорзин» (фото 1 и 2). Стабилизирующая добавка «Дорзин» получила широкое применение в дорожном строительстве за рубежом и в Казахстане [4]. Эффективность применения стабилизатора грунтов «Дорзин» в сочетании с золоминеральным материалом ощущается на безупречной ровности цементобетонного покрытия а/д «Астана – Щучинск».

На строящейся автомагистрали «Западная Европа - Западный Китай», протяженностью более 2700 км, также предусматриваются на большей ее части цементобетонные покрытия. На некоторых участках этого международного коридора, грунт рабочего  слоя земляного полотна  обрабатывается малыми дозами цемента  с добавкой стабилизатора «Дорзин» (фото 3 и 4) . Отечественная фирма «К-Дорстрой» продолжает использовать стабилизатор «Дорзин» на строительстве 58км автодороги «Западная Европа - Западный Китай» на участке «граница Южного Казахстана - Тараз», категория дороги-1б и подтверждает эффективность его применения в сочетании с добавкой 2% цемента. Прочностные показатели таких укрепленных грунтов аналогичны при применении укрепленных грунтом с   5-ю % цемента, но без добавки стабилизатора  «Дорзин»  (табл. 1 и рис.1)

Физико-механические характеристики образцов из укрепленных грунтов в проектном возрасте 90 сут

Таблица 1


Наименование показателя

Фактическое значение показателя

Состав 1 
Грунт 88% 
Зола -10% 
Цемент-2% 
ДМ-0,002%

Состав 2 
Грунт 83% 
Зола -15% 
Цемент-2% 
ДМ-0,002%

Состав 3 
Грунт 78% 
Зола -20% 
Цемент-2% 
ДМ-0,002%

Состав 4 
Грунт 88% 
Зола -15% 
Цемент-5%

Средняя плотность свежеотформованных образцов, г/см³

2,08

2,00

1,93

2,04

Средняя плотность затвердевших образцов, г/см³

2,06

1,98

1,91

2,02

Средняя влажность затвердевших образцов, %

19,09

19,69

21,25

22,65

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа

2,69

3,78

3,01

3,94

Предел прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов, МПа

0,54

0,76

0,60

0,79

Предел прочности на растяжение при расколе водонасыщенных образцов, МПа

0,22

0,30

0,24

0,32

Марка по прочности  укрепленных грунтов (по соотношению прочностных характеристик Rсж и Rизг

М20

М20

М20

М20

Модуль упругости, МПа

807

1134

904

1183

Марка по морозостойкости, число циклов

F10

F15

F15

F15

Влажность образца после испытания на замораживание-оттаивание, % по массе

2,08

2,00

1,93

2,04


Рис. 1. Прочностные характеристики водонасыщенных образцов укрепленного глинистого грунта проектного возраста  90 сут.

По степени водопроницаемости согласно условиям ГОСТ 25100-95,  образцы из исходного и укрепленного (в проектном возрасте 90 сут) глинистого грунта - суглинка легкого песчанистого, подразделяются следующим образом: составы -1, 2 и 3 отнесены к водонепроницаемым, состав -4 к слабоводопроницаемым, исходный грунт без укрепления  – к водопроницаемым. Это свидетельствует  об  обязательной необходимости укрепления грунта рабочего слоя земляного полотна и об эффективности стабилизатора «Дорзин». Механизм  взаимодействия стабилизатора и грунта объясняется следующим [4]. В результате растворения стабилизатора в воде, последняя активизируется за счет ионизации (Н+, ОН¬, Н3О¬). Раствор стабилизатора активно влияет на состояние, в первую очередь, глинистых и коллоидных частиц грунта. Он изменяет заряд глинисто – коллоидных частиц за счет обмена электрическими зарядами между ионизированной водой и частицами грунта, которая подтверждается исследованиями рН среды раствора стабилизатора и рН водяной вытяжки грунта. Обменявшись зарядами с ионизированной водой, между грунтовыми частицами нарушаются естественные связи с капиллярной и пленочной водой. Она легко отделяется от частиц грунта, тем самым, создавая благоприятные условия для высокого уплотнения грунта  при сжатии. Кроме обмена между электрическими зарядами водного раствора стабилизатора и грунтовыми частицами происходит процесс ионного обмена между компонентами стабилизатора и поглощающим комплексом глинисто - коллоидной фракции.  Это приводит к повышению плотности  и  несущих свойств грунта при экономии влаги на 15-25% и снижения расхода цемента на 50-60%, что очень важно в засушливых регионах строительства автомагистрали «Западная Европа - Западный Китай» (Рис.2.).

Рис. 2. Карта автомагистрали «Западная Европа - Западный Китай», свидетельствующая, что основная трасса полегает в засушливых регионах Казахстана

Фото 1 Проверка уплотнения золоминерального слоя  динамическим плотномером на а/д «Астана-Щучинск», сотрудники лабораторий  «К-Дорстрой» и КазНИиПИ «Дортранс» на приемке работ .

Фото 2. Готовое золоминеральное основание на а/д «Астана-Щучинск» км.7-57,  подрядчик «К-Дорстрой» 

Реконструкцию участка км. 536-593 а/д «Алматы –Кордай - Благовещенка- Мерке - Ташкент – Термез» под 1-Б категорию также выполняла фирма «К-Дорстрой» (фото-3, 4, 5, 6), учитывая ее  положительный опыт и зарубежные фирмы стали использовать стабилизатор «Дорзин» в сочетании с малыми дозами цемента. На участках  км 1398-1578 автомобильной дороги «Граница РФ ( на Самару) -Шымкент», Кызылординская Область, итальянская фирма АО «Салини Коструттори С.П.А.» (фото 7, 8, 9), производила укрепление рабочего слоя грунта земляного полотна с применение ферментного препарата «Дорзин»  в сочетании с 3% цемента. При использовании данной технологии укрепления грунтов осуществляется обязательный жесткий пооперационный контроль качества, как со стороны производителя  стабилизатора, так и разработчика технологии института КазНИиПИ «Дортранс». В положительных отзывах отечественных подрядчиков и зарубежных фирм, а также  инженерных служб свидетельствуется об эффективности такой совместной работы, поэтому высокое  качество гарантируется.

Фото 3.Загрузка цемента в «цементораспределитель», в качестве которого использован щебне распределитель

Фото 4. Внесение водного раствора  Дорзин в грунтовую смесь

Фото 5.Перемешивание грунтоцементной смеси после внесения водного раствора Дорзина грунтосмесителем

Фото 6. Уплотнение укрепленного грунта катками на пневмоходу на участке км. 536-593 а/д «Алматы –Кордай-Благовещенка- Мерке-Ташкент –Термез», подрядчик фирма «К-Дорстрой»

Фото 7.Распределение цемента цементораспределителем по подготовленной и спрофилированной поверхности земляного полотна. 

Фото 8. Фрезерование ресайклером, смешение грунта с цементом с одновременной подачей водного раствора с «Дорзином»

Фото 9. Готовый участок дороги со стабилизированным грунтом земляного полотна «Граница РФ ( на Самару) -Шымкент», Кызылординская Область, подрядчик итальянская фирма АО «Салини  Коструттори С.П.А.»

Автомагистраль «Западная Европа - Западный Китай» пролегает по засушливым регионам Казахстана, с высокой температурой нагрева покрытий, особенно асфальтобетонных (Рис.1). Основная техническая проблема асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог - прогрессирующая потеря  их несущей способности при движении большегрузных транспортных средств, особенно при высоких температурах их эксплуатации, с образованием колеи и температурных трещин. Для устранения причин колееобразования, с учетом мирового опыта [4,5,6],  в нижних слоях покрытия из ЩМА, следует устраивать не пористые слои из асфальтобетона, а плотные, имеющие каркасную структуру. Некоторые проектировщики считают, что если они предусмотрели третий слой из битумоминерального материала, то остальные слои  могут быть из не связных каменных материалов. Это в корне неверное решение. Так как щебеночно-песчаные и щебеночные основания, которые до сих пор используются без укрепления вяжущими, не могут выполнять функции несущего слоя при температурах нагрева асфальтобетонного покрытия свыше 50°С. Такие слои хорошо сопротивляются нагрузкам на сжатие, но не обладают прочностью на растяжение и тем более при изгибе. Примеры практических инженерных просчетов налицо на некоторых участках, недавно построенных, автомобильных дорог «Алматы - Астана» и «Алматы – Бишкек», имеющие преждевременные дефекты. Такие конструктивные ошибки имеются и в новых проектах  автомобильных дорог «Граница РФ (на Омск)-Майкапшагай(выход на КНР) через г.г. Павлодар, Семей» км792-828 и «Омск-Павлодар_Майкапшагай» км 324-408, в которых запроектированы три слоя из  асфальтобетона, в том числе пористые и высокопористые смеси в покрытиях. Наши попытки изменить и включить в конструкцию монолитный слой с использованием бокситового шлама, или заменить пористые асфальтобетонные смеси на каркасные, не приняты. Хотя практический многолетний опыт эксплуатации такой конструкции, с основанием из бокситового шлама имеется, ровность и прочность конструкций обеспечивает пропуск интенсивного большегрузного транспорта. Одним из недостатков являются появление отраженных температурных трещин, которые можно устранить технологическими или конструктивными  методами.

Основные выводы и предложения:

  • Анализ мировых тенденций, возникших в последнее десятилетие в транспортно-развитых странах: США, Западная Европа, а также в России, Китае и Казахстане свидетельствует о значительном увеличении транспортных нагрузок на автомобильных дорогах. Традиционное строительство дорог низкой стоимости под 20-ти летнюю перспективу, становится не эффективным, такие дороги преждевременно подвергаются  колееобразованию и другим деформациям. Для пропуска современного транспортного движения на автомобильных дорогах зарубежных стран увеличивается  строительство цементобетонных покрытий, а также щебеночно-мастичных асфальтобетонных покрытий на монолитных основаниях. Считаем, что для повышения рентабельности строительных затрат и их окупаемости, необходимо проектировать дороги на более длительную перспективу их эксплуатации до 40-50 лет. Для этого следует не только строить дорогостоящие цементобетонные покрытия, но и широко использовать в покрытиях и основаниях монолитные конгломераты из местных материалов, вторичного сырья и грунтов, полученные на основе применения новых инновационных ресурсосберегающих технологий и материалов. Шире использовать  ресурсосберегающие и энергосберегающие холодные химические технологии, дающие возможность утилизировать различные дешевые многомиллионные отвалы техногенных отходов энергетической, химической, металлургической и цветной промышленности для дорожного строительства взамен традиционным затратным технологиям.

Все вышеуказанные эффективные разработки и направления наряду с готовностью к применению в дорожном строительстве, требуют дальнейших детальных научных исследований и опытно-экспериментальных испытаний с целью уточнения и расширения области их использования. Это требует возобновление финансирования по НИОКР. Например, отсутствие межгосударственного нормативно-технического документа на бетоны дорожные на основе не традиционных цементов сдерживают широкому использованию их в дорожном строительстве.

При использовании предлагаемых ресурсосберегающих технологий и материалов, практически, во всех регионах страны, имеется возможность отказаться от применения традиционных затратных технологий, при этом, одновременно будут решаться следующие государственные задачи:

  • Возможность снижения займа на инвестиционное финансирование из Зарубежных Банков на строительство новых автомобильных дорог, за счет использования ресурсосберегающих и энергосберегающих инновационных технологий и материалов, разработанных отечественными учеными  и апробированных в Казахстане.
  • Повторно утилизироваться строительные материалы существующих автодорог. В нижних слоях дорожных и аэродромных покрытий  по стране, в качестве бесполезного балласта  ежегодно остаются, а затем  перекрываются новыми слоями, миллионы тонн «старого» асфальта и щебня. Установлено, что при повторном их использования возможно полное восстановление и улучшение их строительных свойств, за счет их укрепления минеральными вяжущими на основе техногенных отходов промышленности Казахстана.
  • Для перекрытия требуемого огромного дефицита в дорожно-строительных материалах имеется возможность использовать техногенные отходы и побочные продукты промышленности, что покроет потребность в новых дорожно-строительных материалах и будет содействовать охране окружающей среды во многих регионах страны. Объем накопленных различных шлаков и шламов по республике превышает 1 миллиард тонн, а золы уноса гидроудаления до 2 млрд. тонн. Ежегодно объем указанных отходов продолжает возрастать.

Использованная литература:

  1. Разработка и обоснование новых технологий дорожно-строительных и ремонтных работ, в т.ч. стабилизации грунтов, материалов и новых дорожных конструкций, в т.ч. с использованием техногенных отходов промышленности дорожно-строительного производства. Научно- технический отчет т. I . Минтранском РК, КАД и СИК, Алматы, 2003, с.210. 

    Телтаев Б.Б. и др. К районированию территории Казахстана по расчетной летней температуре асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог //Прочность материалов и конструкций на транспорте/ том III, Алматы: КАЗАТК, 1996, с. 134-139. 

  2. Асматулаев Б.А. Строительство дорожных одежд с повторным использованием материалов реконструируемых дорог //Изд. Эверо, Алматы, 1999, С .210.
  3. Асматулаев Б.А., Турсумуратов  М. Т., Асматулаев Р.Б. и др. Рекомендации по применению «Дорзин» при строительстве и ремонте автомобильных дорог. //ПР РК 218-67-2008, МТК РК КАД, Астана,2008, С.21
  4. Илиополов   С.Н.   Колея:   Новые   аспекты,   проблемы.  //Ж.  
    Автомобильные дороги. М. 2003. 
  5. Мирошниченко С.И. Стратегический материал. //Ж.Автомобильные дороги. №04 (953), М.2011,С 47-52. 
  6. Финские нормы на асфальт.// PANK, Хельсинки,1995. С.70

Читайте другие наши новости

Мы не оставим Вас без ответа!

Напишите вопрос, мы Вам обязательно перезвоним!

Подпишитесь на рассылку, чтобы первым получать
интересные предложения, новости и скидки:
31
подписчиков

Этот сайт использует файлы cookie, чтобы ваше пользование сайтом было удобнее.
Узнать больше о файлах cookie и с Политикой использования cookies. Нажимая ОК, вы соглашаетесь с ней.

Заказать звонок