Results of Laboratory Studies of Strengthening Subgrade Soil with Modifier

Full Text

1. Введение В настоящее время в результате увеличения количества большегрузных автомобилей увеличиваются и нагрузки на автомобильные дороги. В результате до истечения срока службы автомобильных дорог возникают различные деформации. Кроме того, дефицит сырья, используемого для основания дороги, и транспортные затраты на транспортировку материалов приводят к увеличению общей стоимости дорожного строительства [1-4]. Поэтому в местах, где наблюдается дефицит местных каменных материалов, актуальным является вопрос использования грунта, армированного вяжущими материалами. В качестве технического решения с целью повышения прочности местных грунтов рассматривается проведение стабилизирующих работ путем внесения в грунт земляного полотна дороги различных добавок и модификаторов [5-9]. Как показали результаты многолетних исследований дорожных институтов, а также практический опыт проектирования и строительства денежные и материальные затраты могут быть значительно снижены, если для устройства дорожных одежд вместо каменных материалов применять местные грунты [10-12]. В настоящее время широко используются органические вяжущие для укрепления грунтов, но в связи с удорожанием нефти и нефтепродуктов, а также трудностями разработки нефти в Узбекистане, использование органических вяжущих как основных веществ для укрепления грунтов становится невыгодным. В современных условиях настоятельно необходимы новые эффективные технологии и более дешевые материалы, обеспечивающие высокое качество дорожных работ, новые методы улучшения грунтов. 2. Методы и материалы В ходе исследовательских работ грунт был взят с территории города Ташкента. Для определения типа грунта в лабораторных условиях по межгосударственному стандарту ГОСТ 25100-2011[18] сначала определяли его влажность в пределах текучести и набухания (табл. 1), а на основании этого определяли число пластичности. Таблица 1 / Table 1 Показатели грунта в зависимости от влажности / Soil indicators depending on humidity Число пластичности: Ip = WТ - Wр = 5,7 Затем определяли зернистость грунта по межгосударственному стандарту ГОСТ 12536-2014[19]. Таблица 2 / Table 2 Установлено, что тип грунта, использованный в лабораторных условиях, - супесь пылеватая. После этого определяли максимальную плотность грунта при оптимальной влажности по межгосу- дарственному стандарту ГОСТ 22733-2016[20]. При определении максимальной плотности грунта исходная влажность составляла 6 %, а затем для испытаний была увеличена до 3 %. Полученные результаты представлены в табл. 3. На основе приведенной таблицы был составлен график максимальной плотности грунта при оптимальной влажности (рис. 1). Как видно из рис. 1, при влажности W = 14 % имеет максимальную плотность ρ = 1,83 г/см3. В настоящее время разработано много поверхностно-активных веществ (модификаторов) для использования на автомобильных дорогах развитых стран, многие из которых также не дали эффекта на практике. По этой причине были проведены экспериментальные испытания в лабораторных условиях применения модификатора Акропол ГСМ [13, 14], разработанного зарубежными странами и широко используемого на практике, на земляном полотне. Худайкулов Р.М., Аралов Д.Э Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2024. Т. 20. № 1. С. 84-93 Таблица 3 / Table 3 Влажность, W % / Humidity, W% Рис. 1. График максимальной плотности грунта при оптимальной влажности Источ ник: выполнено авторами Figure 1. Graph of maximum soil density at optimal humidity Sou rce: made by the authors Образцы подготовили для проведения исследовательских работ с использованием модификатора. Изготовление образцов выполняли по межгосударственному стандарту ГОСТ 23558-944, аналогично схеме, показанной на рис. 2. Были получены образцы портландцемента марки M400 грунта в количестве 4, 6, 8 и 10 %, модификатора Акропол ГСМ в количестве 0,10, 0,12, 0,14, 0,16 % по отношению к полной массе, а также с помощью пресса, смешанного с водой в количестве 14 % для достижения оптимальной влажности. Портландцемент является одним из самых распространенных универсальных и дешевых минеральных вяжущих, применяемых для укрепления грунтов. Рис. 2. Технологическая схема подготовки и испытания образцов армированного грунта Источ ник: выполнено авторами Figure 2. Technological scheme for the preparation and testing of reinforced soil samples Sou rce: made by the authors 3. Результаты и обсуждение Образцы сушили в течение 28 суток и определяли максимальные плотности (табл. 4). Готовые образцы проверяли на прочность на сжатие с помощью современного пресса Universal Test Machine. Результаты отображаются на компьютерном графике (рис. 3). Рис. 3. Результаты, полученные в графической форме от пресса Universal Test Machine Источ ник: выполнено авторами Figure 3. Results obtained in graphical form from the Universal Test Machine Sou rce: made by the authors По результатам исследования показатель прочности грунта на сжатие в сухом состоянии составил 3,6 МПа. Показатели при добавлении в него цемента и модификатора изображены на графике (рис. 4). Грунт+4% цемент / Грунт+6% цемент / Soil+4% cementSoil+6% cement Грунт+8% цемент / Грунт+10% цемент / Soil+8% cement Soil+10% cement Рис. 4. График изменения прочности при сжатии с добавлением модификатора к укрепленному грунту Источ ник: выполнено авторами Figure 4. Graph of changes in compressive strength with the addition of a modifier to reinforced soil Sou rce: made by the authors Проведенные лабораторные исследования показали, что добавление цемента и модификатора в грунт значительно увеличивает прочность грунта на сжатие. Согласно данным, например, прочность на сжатие при добавлении в грунт 8 % цемента составила 10,41 МПа, тогда как Акропол ГСМ показал более высокий результат при добавлении 0,14 %, то есть 12,96 МПа. Это указывает на увеличение консистенции на 24 %. Аналогичным образом, в то время как прочность на сжатие составляла 12,38 МПа при добавлении в грунт 10 % цемента, Акропол ГСМ показал более высокий результат при добавлении 0,14 %, что составляет 14,21 МПа. Это указывает на увеличение консистенции на 15 %. Мы видим, что те же показатели также увеличиваются при добавлении 4 и 6 % цемента. Грунт и укрепленный грунт изучались с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), который сканирует структурное состояние образцов. С помощью СЭМ изучаются структурные изменения грунтов, а также содержащиеся в них химические элементы. Многие ученые проводят исследования и разработки в области СЭМ-анализа [15-20]. С помощью СЭМ образцы фотографировали на расстоянии 10 μm (увеличение × 2000) и сравнивали. Результаты изменения показаны на фотографиях и в табл. 5. Результаты СЭМ-анализа показали, что, хотя заполнители грунта стояли в рассеянном состоянии на изображении, на котором был отсканирован сам грунт, при добавлении цемента они выглядели в сколотом состоянии. Под действием цемента и модификатора мы можем увидеть кристаллические связи и скалообразное состояние вокруг заполнителя грунта. Из табл. 5 можно сделать вывод, что кристаллические связи служат для увеличения максимальной плотности и упругости грунта, увеличивая его прочность. 4. Заключение 1. Лабораторные исследования и СЭМ-анализа показали, что добавление модификатора на грунт приводит к увеличению его максимальной плотности, значительному увеличению прочности на сжатие и что модификатор служит для улучшения свойств связывания, образуя кристаллическую связь с цементом. Худайкулов Р.М., Аралов Д.Э. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2024. Т. 20. № 1. С. 84-93 Таблица 5 / Table 5 Фотографии анализа СЭМ / Photos of SEM analysis Материал / Material Изображение сделано СЭМ / Image taken by SEM Химические элементы в образцах, полученных методом СЭМ / Chemical elements in samples obtained by SEM 2. Применение стабилизационных работ на земляном полотне дает возможность уменьшить объем земляных работ, сокращает расход перевозимого песчано-гравийного материала, обеспечивает устойчивость откоса дорожного полотна, уменьшает неровностей просадки и увеличивает срок службы автомобильной дороги.

About the authors

Rashidbek M. Hudaykulov

Tashkent State Transport University

Email: Rashidbek_19_87@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-0133-2361

PhD, professor, Department of Research and Design of Automobile Roads

Tashkent, Republic of Uzbekistan

Dilshod E. Aralov

Tashkent State Transport University

Author for correspondence.
Email: dilshod.aralov.96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-1707-1788

PhD student, Department of Research and Design of Automobile Roads

Tashkent, Republic of Uzbekistan

References

Supplementary files