Особливості застосування технології стабілізації і зміцнення ґрунтів в Російській Федерації
В останні роки перед дорожньою галуззю РФ гостро стоять завдання, спрямовані на подальший розвиток мережі федеральних, регіональних і сільськогосподарських доріг, які повинні привести до прискорення зростання економіки країни, поліпшенню якості життя населення, збільшення їх мобільності, зниження транспортних витрат. Необхідно більш активно впроваджувати кращі світові та вітчизняні інноваційні рішення. При цьому особливо актуально використовувати такі технології, які дозволяють вирішити проблеми зменшення вартості і скорочення термінів будівництва доріг при одночасному підвищенні їх надійності та забезпеченні всесезонні експлуатації.
Одним з таких напрямків, що дозволяє успішно вирішувати поставлені перед країною інфраструктурні завдання, є технологія стабілізації і зміцнення ґрунтів, яка знаходить все більш широке поширення в світі. Для цих цілей використовується досить велика група поверхнево-активних речовин (ПАР) - стабілізаторів грунтів на органічній, лужної і кислотною основі, смоли, полімерні стабілізатори грунтів.
Вітчизняне дорожнє будівництво грунтується на застосуванні інертних матеріалів (пісок, щебінь) і повністю залежить від їх наявності в тому чи іншому регіоні, так як саме вони припускають використання типових конструкцій дорожнього одягу для будівництва та ремонту об'єктів транспортної інфраструктури. Але такий підхід веде до збільшення вартості будівництва і обмеженню можливості створення широкої мережі автомобільних доріг в досить стислі терміни, тому що в багатьох регіонах нашої країни ці матеріали відсутні або є в обмежених кількостях. При цьому дуже часто місцеві грунти абсолютно непридатні для використання в дорожньому будівництві, а доставка інертних матеріалів, особливо якісного щебеню, до місця виробництва дорожньо-будівельних робіт веде до подорожчання цих матеріалів в кілька разів. Одним з варіантів розв'язання проблеми поряд з використанням традиційних технологій могло б стати більш широке застосування при будівництві та ремонті доріг технології стабілізації і зміцнення місцевих ґрунтів.
У дорожній технічній літературі і практиці часто користуються терміном «місцеві матеріали», враховуючи при цьому важливу особливість і перевага їх використання в дорожньому будівництві. Ці матеріали не вимагають далеких перевезень автомобільним або залізничним транспортом. До місцевих, а отже, доступним для застосування і дешевих матеріалів, що піддаються зміцненню в'яжучими і іншими матеріалами, слід відносити як повсюдно залягають, широко поширені природні грунти різного складу, так і тверді уламкові відходи виробництва і некондиційні кам'яні матеріали, звані штучними (техногенними) грунтами відповідно до ГОСТ 25100-95.
Сучасні ПАР-стабілізатори грунтів вже багато років успішно застосовують в США, Німеччині, Голландії, ПАР, Австралії, Канаді та інших країнах. Останнім часом на цю технологію звернули увагу і вітчизняні фахівці, її почали активно застосовувати при будівництві автомобільних доріг, аеродромів, паркінгів та інших промислових об'єктів.
ПАР-стабілізатори представляють собою широкий клас різних за складом і походженням речовин, які в малих дозах позитивно впливають на формування властивостей дорожньо-будівельних матеріалів як за рахунок активізації фізико-хімічних процесів, так і за рахунок оптимізації технологічних процесів. Ці речовини можуть використовуватися майже на всіх технологічних етапах в дорожньому і аеродромному будівництві, починаючи від спорудження земляного полотна і закінчуючи будівництвом конструктивних шарів основ і покриттів дорожніх одягів. Стабілізатори зв'язкових (глинистих) грунтів можуть відрізнятися за походженням, властивостями, але їх об'єднує те, що вони збільшують щільність, вологостійкість і морозостійкість грунтів, знижують ступінь сдимистості оброблених стабілізатором грунтів. Кожен конкретний стабілізатор має індивідуальне назву, що відображає специфіку країни-виробника і особливості застосування. Використовувані для модифікації грунтів ПАР-стабілізатори можуть бути катіоноактивні, аніоноактівние і неіоногенні. У зв'язку з цим їх взаємодія з одним і тим же глинистим мінералом буде протікати неоднотипних.
Відмінною особливістю застосування ПАР-стабілізаторів є зміна гидрофильной природи глинистого грунту на гидрофобную. Тому для забезпечення стабілізації зв'язкових грунтів необхідне знання основ процесів гідрофобізації, яка являє собою зміну природи поверхні мінеральних часток впливом на грунт невеликими дозами поверхнево-активних речовин. Фізична її сутність полягає в тому, що смачиваемость або несмачиваемость грунту залежить від кристалічної структури його мінералів, характеру їх межпакетное і міжмолекулярних зв'язків. Основною причиною змочування є наявність на поверхні мінералів не компенсуються енергетично активних центрів. Більшість глинистих частинок в природному стані заряджена негативно, що пояснюється присутністю на їх поверхні аніонів, що входять в їх кристалічні решітки. Негативно заряджена частинка (міцела) і навколишні її катіони утворюють подвійний електричний шар. Катіони, що становлять зовнішній шар, здатні обмінюватися на катіони розчину, з яким стикається колоїдна частка, причому обмін цей відбувається в еквівалентних відносинах. Загальна кількість обмінних катіонів - величина постійна, яка не залежить від природи катіона. Вона називається катионной ємністю обміну колоїду і виражається в мг-екв на 100 г колоїду або грунту, що містить колоїди. Сума всіх катіонів при повному насиченні колоїду або грунту, виражена в мг-екв на 100 г, дорівнює ємності обміну. Чим більше заряд частинок, тим стійкіше колоїдна система. Як тільки частинки втрачають свій заряд і стають нейтральними, які оточують водні оболонки руйнуються, частинки збираються в пластівці і виділяються з розчину, в результаті колоїдна система руйнується. Процес, пов'язаний з втратою електричного заряду і злиттям окремих частинок в пластівці, називається коагуляцією. Часто коагуляція відбувається в результаті підвищення концентрації електролітів в навколишньому частки розчині, так як при цьому зменшується товщина ущільнених оболонок навколо колоїдних частинок і частки легко злипаються. Однією з найбільш характерних особливостей глинистих ґрунтів є їх здатність поглинати речовини з навколишнього розчину або суспензії. Залежно від способу поглинання речовин, розрізняють кілька видів поглинальної здатності глинистих ґрунтів: механічну, фізичну, фізико-хімічну, хімічну та біологічну. Для стабілізації глинистих ґрунтів важливі фізична, фізико-хімічна і хімічна поглинювальні здатності.
Таким чином, можна відзначити, що адсорбція різних ПАР-стабілізаторів на поверхні одного і того ж мінералу протікає по-різному. За сорбційної активності їх можна поставити в наступний ряд: КПАВ → НПАВ → АПАВ. Отже, фізико-механічні характеристики стабілізованих різних глинистих ґрунтів будуть різко відрізнятися один від одного.
- Стосовно до вітчизняної практики дорожнього будівництва, слід розрізняти такі технології: стабілізацію, комплексну стабілізацію і комплексне зміцнення ґрунтів. Технології обробки ґрунтів для їх стабілізації (модифікації) та / або зміцнення реалізуються за допомогою схожої технології виробництва робіт, в основі якої лежить рівномірний об'єднання грунту з добавками (гомогенізація) і його максимальне ущільнення при оптимальній вологості. Різниця в фізико-механічні властивості отриманої грунтовій суміші залежить від виду і кількісних співвідношень стабілізатора і в'яжучого в грунті. Структуроутворення в таких системах залежить:
- від складу і властивостей зв'язкових грунтів;
- кількості та концентрації в'яжучого;
- складу і властивостей стабілізатора;
- кількості та концентрації стабілізатора.
- Сучасні ПАР-стабілізатори мають складні, багатокомпонентні системи, що включають:
а) кислі органічні продукти, суперпластифікатори і інші речовини, такі як Roadbond (США), «Дортех» (РФ), RRP-235-Special (Німеччина), ЕН-1 (США), SPP (ПАР), «Статус 3» (РФ), CBR + (ПАР), RoadPacker Plus (Канада), Terrastone (Німеччина), Stabibud (Польща), Enviroseal LBS (США) та інші. ПАР-стабілізатор тут грає роль пластифицирующей добавки, що дозволяє при меншій оптимальної вологості грунту досягати більш високих показників його ущільнення. Для грунтів кислих різновидів застосовують катіоноактивні ПАР-стабілізатори. Для карбонатних грунтів (лесси, лесовидні суглинки і супіски, що містять вуглекислий кальцій) доцільно застосовувати аніоноактівние ПАР-стабілізатори. Цей вид іонних стабілізаторів є найбільш поширеним, хоча має ряд важливих особливостей щодо застосування, а саме: обмеження по кислотності оброблюваних грунтів, високий клас небезпеки, висока корозійний вплив на дорожньо-будівельну техніку;
б) низькомолекулярні органічні комплекси, такі як «Дорзин» (Україна), Perma-Zume (США), Eсоroads (США), «AНT» (РФ) і інші. Іоноактівние органічні ПАР-стабілізатори глинистих ґрунтів можуть перетворювати їх, використовуючи наявні в них ферменти. Такі ферменти є композицією речовин, в основному утворилися в процесі культивування біоорганізмів на комплексної живильному середовищі з деякими добавками. Встановлено, що органічна частина органічних стабілізаторів грунтів (ферментів) в основному представлена наступними сполуками: олігосахаридами (від моносахаридів до пентасахарідов), аминосоединений типу аргініну, манітолом, оксисоединениями типу трегалози, азотсодержащими похідними молочної кислоти. Застосування цього виду стабілізаторів найдоцільніше при будівництві тимчасових сільськогосподарських доріг. Оброблений таким ПАР-стабілізатором грунт в подальшому може бути використаний для агропромислових цілей;
в) рідкі сілікатно-, акрілово-, вініл-ацетатні, стирол-бутадієновий полімерні композиції, такі як Nanostab (Німеччина), Enviro Solution JS (США), Technisoil (США), Andor (Ізраїль), Соnsolid (Швейцарія), Solitac ( США), Enviroseal М10 + 50 (США) та інші. Дослідження, проведені в США, Європі та ряді інших країн, показали, що полімерні стабілізатори грунтів при їх технологічності і екологічності забезпечують значне збільшення несучої здатності оброблених ґрунтів і можуть використовуватися для вирішення складних інженерних завдань.
Обробка грунту тільки ПАР-стабілізаторами або спільно з іншими добавками (органічні і неорганічні в'яжучі, скелетні матеріали і т. Д.) Дозволяє майже без обмеження використовувати місцеві, як правило, глинисті грунти в конструктивних шарах дорожніх одягів. Застосування технології стабілізації і зміцнення ґрунтів з використанням ПАР-стабілізаторів, крім того, забезпечує більш високу несучу здатність поверхні в порівнянні з традиційними рішеннями, що, в свою чергу, веде до збільшення міжремонтного терміну експлуатації доріг. Необхідно відзначити, що при цьому:
- структурообразование глинистої складової зв'язкових грунтів при взаємодії з ПАР-стабілізатором пов'язана з блокуванням активних гідрофільних центрів дисперсних мінералів, що призводить до зниження питомої поверхні грунту, катионной ємності і підвищення гідрофобності;
- вплив КПАВ-стабілізаторів на зв'язні грунти призводить до повного обміну катіонами. Зниження здатності стабілізованого грунту адсорбувати воду і пов'язані з цим структурні перетворення обумовлюють зміна фізико-механічних властивостей ґрунтів;
- для застосування АПАВ-стабілізаторв краще використовувати карбонатні грунти, в яких може помітніше проявитися взаємодія негативно заряджених органічних аніонів стабілізатора з катіонами мінеральної поверхні грунту (Ca 2+. Al 3+. Si 4+ і ін.);
- іони полімерних стабілізаторів грунтів на додаток до електростатичних силам утримуються молекулярними і водневими силами. Вони адсорбуються сильніше, утворюючи складні органомінеральні комплекси. У зв'язку з цим реакція середовища грунту (рН) і його сольовий склад не роблять істотного впливу при стабілізації грунтів, спеціально розробленими для цих цілей, полімерними стабілізаторами грунтів;
- при ущільненні грунту, обробленого ПАР-стабілізатором, легко відокремлюються капілярна і плівкова вода, створюючи умови високої уплотняемость грунтовій суміші.
При цьому ПАР-стабілізатори мають як очевидні переваги, так і серйозні недоліки, такі як вартість матеріалу, клас небезпеки, термін ефективної дії, обмеження щодо застосування за типом і кислотності ґрунтів, їх мінералогічному і хімічним складом.
Вибір методу стабілізації і зміцнення ґрунтів залежить від типу грунтів, проектованої пропускної здатності і типу транспорту, розрахункового навантаження, а також кліматичної зони дорожнього будівництва.
Журнал «Шляховики» - це галузеве інформаційне періодичне видання, що висвітлює діяльність підприємств дорожнього господарства.
На інформаційних майданчиках видання www.dorogniki.com і в групах журналу публікується інформація про будівництво доріг, відомості про які застосовуються сьогодні технологіях і матеріалах, інноваціях при будівництві доріг, ремонті доріг, ямковий ремонт, благоустрій територій та багато іншого, пов'язаному з будівництвом доріг, ремонтом доріг, ямковий ремонтом, благоустроєм території, з технологіями проектування, з bim, з інноваціями, з безпекою дорожнього руху.