Строительство конструктивных слоев дорожных одежд из грунтов, укрепленных вяжущими материалами

СТРОИТЕЛЬСТВО КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ИЗ ГРУНТОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ВЯЖУЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ

В данном выпуске обзорной информации обоснованы необходимость и целесообразность применения укрепленных грунтов в дорожном строительстве, а также усовершенствования существующих методов подбора, контроля и испытания песчаных и глинистых грунтов, укрепленных минеральными вяжущими. Обобщен зарубежный опыт использования укрепленных грунтов. Приведены экспериментальные данные и рекомендации по операционному контролю удобоукладываемости укрепленных грунтов, а также измененные методы их подбора и испытания. Даны технологические приемы устройства дорожных одежд из укрепленных грунтов с учетом их структурно-механических свойств.

Обзор подготовил канд. техн. наук С.Г.Фурсов (ОАО "Союздорнии")

1. ВВЕДЕНИЕ

Восемьдесят лет назад в нашей стране были начаты исследования в области строительства автомобильных дорог. Уже в начальный период исследований ставилась задача по максимальному использованию различных грунтов, залегающих вдоль трассы, для устройства дорожной одежды.

В середине 20-х годов прошлого века в нашей стране сформировалась новая отрасль науки - дорожное грунтоведение. Грунтоведение - это геологическая наука по своему содержанию. Предметом ее изучения являются любые горные породы, а также почвы и искусственные грунты. Под грунтами принято понимать любые горные породы или почвы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые в качестве основания, материала или среды (при сооружении тоннелей) для возведения зданий и других инженерных сооружений, в том числе автомобильных и железных дорог и аэродромов [1, 2, 3]. Свойства грунтов предопределяются их генезисом, условиями залегания, влажностью, плотностью, химическим и минералогическим составом и другими особенностями.

Очень важной в практическом отношении и неотделимой частью грунтоведения является техническая мелиорация грунтов, которая включает широкий круг вопросов, охватывающих изучение и разработку как способов улучшения отдельных свойств грунтов путем их осушения, уплотнения и кольматации, так и методов коренного преобразования грунтов путем придания им новых, качественно иных и более высоких свойств. Изменение первоначальных свойств природных и техногенных (искусственных) дисперсных грунтов различного состава и генезиса и преобразование их в монолитный, прочный и морозоустойчивый конструктивный слой дорожной или аэродромной одежды принято называть укреплением грунтов. Такое превращение дисперсной системы в монолитную массу с заданными новыми физико-механическими свойствами достигается путем внесения оптимальных добавок вяжущих и других веществ и последовательного выполнения установленных технологических операций с обязательным использованием высокопроизводительных комплектов (отрядов) грунтосмесительных и других машин [4, 5, 6].

Укрепление грунтов - принципиально новый подход к конструированию дорожных и аэродромных одежд. При устройстве слоев основания и морозозащитного слоя проезжей части и обочин [7, 8] из укрепленных грунтов поступление влаги к материалу земляного полотна сверху через дорожную одежду практически исключается. В результате этого влажность верхней части земляного полотна всегда бывает меньше, чем при устройстве традиционных щебеночных оснований на дренирующем песчаном слое. Вследствие хорошей распределяющей способности слоев из укрепленных грунтов ровность покрытий на таких основаниях обычно лучше, чем на щебеночном или гравийном основании [9, 10].

В дорожной технической литературе и практике часто пользуются термином местные материалы. При этом всегда учитывают важную особенность и преимущество использования местных материалов в дорожном строительстве. Эти материалы не требуют дальних перевозок автомобильным транспортом и исключают надобность в перевозках таких материалов железнодорожным транспортом. Исходя из этого, к местным, а следовательно, к доступным для применения и дешевым материалам, подвергаемым укреплению вяжущими и другими материалами, следует относить как повсеместно залегающие, широко распространенные природные грунты различного состава, так и твердые обломочные отходы производства и некондиционные каменные материалы, называемые искусственными (техногенными) грунтами в соответствии с ГОСТ 25100-95.

Уже в самый ранний период исследований (1928-1932 г.г.), проводимых в целях дорожного строительства, начали разрабатывать методы по широкому использованию разнообразных местных материалов не только для устройства земляного полотна, но и для конструктивных слоев дорожных одежд (оснований) из грунтов, укрепленных различными вяжущими. Весьма парадоксально, но разработка различных методов укрепления грунтов началась с наиболее сложного и наиболее трудного для решения вопроса - укрепления глинистых видов грунтов (тяжелых суглинков и тощих глин). Это объяснялось тем, что в районах, где нет прочных каменных материалов и их использование является дорогостоящим мероприятием, как правило, широко распространены и залегают на большой территории глинистые виды грунтов. Несмотря на большие трудности укрепления указанных видов грунтов, уже в те годы было получено положительное решение этого вопроса.

В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где применены укрепленные грунты (в основном цементогрунты) для оснований и покрытий дорожных одежд. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает в настоящее время 3 млрд. м [11].

Актуальность использования укрепленных грунтов в настоящее время обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог, в том числе в восточной части страны, и дефицитом (высокой стоимостью) каменных материалов. Большая часть территории России лишена каменных материалов, и дорожное строительство в ее пределах базируется на применении каменных материалов, доставляемых из горных частей страны или зарубежья (Украины) на расстояние до 400-500 км. Значительные затраты на транспортирование материалов вызывают увеличение общей стоимости строительства автомобильных дорог. Поэтому на этих территориях для устройства дорожных одежд целесообразно применять местные материалы, укрепленные различными вяжущими.

На необходимость возобновить широкое использование незаслуженно забытого метода укрепления грунтов при строительстве дорог отмечалось на заседании круглого стола Федерального дорожного агентства, состоявшегося 17 ноября 2006 г., по вопросу: "Стабилизация грунтов при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог". С целью повышения качества дорожных работ, расширения круга применяемых технологий, продления строительного сезона решено:

1. Считать целесообразным расширить практику применения укрепления грунтов в ходе строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог.

2. Рекомендовать проведение технико-экономического сравнения вариантов дорожных конструкций с применением укрепленных грунтов при разработке проектов строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог. Особо важна проработка вариантов укрепления грунтов для регионов, характеризующихся дефицитом прочных горных пород.

Следует отметить, что для реализации принятых решений в России (во всех регионах) имеются в наличии грунты, отходы промышленности и вяжущие, которые будут рассмотрены в гл.2 в качестве рекомендуемых для укрепления грунтов и материалов.

2. ТИПЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИХ УКРЕПЛЕНИЯ

2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ГРУНТАМ

Для устройства дорожных и аэродромных оснований и покрытий из укрепленных грунтов, приготовленных в смесительных установках, применяют осадочные несцементированные крупнообломочные и песчаные грунты, супеси всех разновидностей, а при укреплении методом смешения на дороге - и глинистые грунты с числом пластичности не более 22 по ГОСТ 25100-95.

При этом зерновой состав суглинков с числом пластичности свыше 12 и глин с числом пластичности до 22 необходимо предварительно улучшать добавками извести, золы уноса и песка из отсевов дробления карбонатных пород или природного крупнозернистого песка с доведением числа пластичности до 12.

Кроме естественных грунтов, соответствующих классификации ГОСТ 25100-95, допускается использовать техногенные грунты (в том числе материалы дробления и фрезерования дорожных одежд) и промышленные отходы в соответствии с этим стандартом. Разрешается также применять песчано-гравийные, песчано-щебеночные, песчано-гравийно-щебеночные смеси и пески, отвечающие требованиям ГОСТ 23735-79 и ГОСТ 8736-93.

Максимальный размер зерен крупнообломочных и техногенных грунтов должен быть не более 40 мм.

Содержание частиц размером более 5 мм в измельченном, подготовленном к обработке органическими вяжущими глинистом грунте не должно быть более 25% по массе, в том числе содержание частиц размером более 10 мм - не более 10% по массе.

2.2. ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЖУЩИМ МАТЕРИАЛАМ

2.2.1. Органические вяжущие материалы

В качестве органических вяжущих для приготовления укрепленных грунтов применяют битумы нефтяные дорожные жидкие по ГОСТ 11955-82 с вязкостью при С не более 100, эмульсии битумные дорожные по ГОСТ Р 52128-2003.