Укрепление грунта цементом расход цемента

Проблема укрепления дисперсных грунтов, превращения их в полноценный строительный материал имеет большое теоретическое значение.

Разработано много методов укрепления грунтов для дорожного и аэродромного строительства. В табл. 1 (по В. М. Безрукову) приведена их классификация. Каждый из методов, указанных в таблице, имеет свои специфические особенности, как по эффективности воздействия на грунт, так и по условиям технологии работ.

Таблица 1. Классификация методов укрепления грунтов

Метод	Применяемые материалы и способы воздействия
Укрепление гранулометрическими добавками	Щебень, гравий, песок, шлаки, глины, суглинки
Укрепление органическими вяжущими	Битумы твёрдые и жидкие, дёгти, битумные и дегтевые эмульсии и пасты, синтетические смолы, древесные пески и др.
Укрепление минеральными вяжущими материалами	Цемент, известь, силикат натрия (жидкое стекло)
Термическая обработка	Местное топливо (дрова, уголь, электрический ток, газ)
Укрепление солевыми растворами	Хлористый кальций, хлористый натрий и др.
Электрохимические обработки	Электрический постоянный ток (с применением электролитов)
Комплексные методы	Органические и минеральные вяжущие с гранулометрическими добавками, органические вяжущие с активными добавками и т. д.

В рамках данной статьи, мы уделим основное внимание методу укрепления минеральными вяжущими материалами.

Мысль об улучшении свойств грунтов для строительных и дорожных целей давно занимала умы инженерно-технических работников. Ещё в 60-е годы XIX века русские инженеры-дорожники пришли к выводу о необходимости искусственного улучшения грунтов для устройства проезжей части грунтовых дорог. Так, в работах Е. Головачёва излагались методы улучшения грунтов путём уплотнения, а также смешения песка и гравия с глинистым грунтом. Методы укрепления грунтов гранулометрическими добавками получили дальнейшее развитие в работе профессора Г. Д. Дубелира. В 1923 году при Ленинградском областном управлении было создано дорожное научно-исследовательское бюро, которое в 1925 году было реорганизовано в исследовательское бюро ЦУМТа. К 1928 году на основе достижений науки о грунтах, благодаря работам профессоров Н. Н. Иванова, В. В. Охотина, П. А. Замятченского и других, была разработана теория оптимальных смесей и способов производства работ при производстве грунтовых работ с гранулометрическими добавками [6]. На основании своих исследований профессор М. М. Филатов предложил ввести поправочный коэффициент, учитывающий повышенную вяжущую способность коллоидных частиц.

Однако в работах всех ученых-дорожников отмечалось, что даже хорошо подобранные грунтовые смеси легко деформируются вследствие нарушения сцепления между гранулометрическими элементами при проезде автотранспорта, вымывания тонких фракций водой и др. При высыхании такие покрытия сильно пылят и тоже разрушаются. Всё это заставило продолжить поиски надёжных методов укрепления грунтов. Для этих целей решено было использовать различные вяжущие материалы, в том числе и минеральные.

Известкование грунтов

В 1926 году в Ленинградском дорожно-исследовательском бюро были проведены опыты по известкованию грунтов. В ходе опытов было установлено, что добавки гашёной извести в количестве 5 % от массы грунта уменьшает липкость и пластичность глинистых грунтов и увеличивает сопротивление размоканию. С 1927 по 1931 год под Москвой были проведены опытные работы по укреплению известью глинистых и чернозёмных грунтов [6]. В послевоенный период известкование грунтов получило дальнейшее развитие в работах ДорНИИ, Саратовского автодорожного института и других НИИ. Были разработаны практические рекомендации по внедрению метода известкования грунтов в дорожном строительстве. С 1950 по 1955 год был построен ряд опытных участков дорог, где в качестве оснований, а также покрытий, использовался местный грунт, укреплённый известью. По данным С. А. Морозова [6], известкование дерновоподзолистых грунтов обеспечило во всех опытных участках более высокие показатели прочности образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии, чем при укреплении цементом.

Однако известкованные грунты имеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главным образом в основаниях дорожных одежд.

известкованные грунты имеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главным образом в основаниях дорожных одежд

Силикатирование

При взаимодействии жидкого стекла с грунтом образуется гель кремнекислоты, который со временем твердеет (особенно в присутствии катализатора, например, хлористого кальция) и таким образом связывает частицы грунта между собой. Первые производственные опыты по применению жидкого стекла в дорожном строительстве были проведены в 1928 году в Ленинградской области, Белоруссии, Украине и в других регионах [6]. Большой вклад в развитие методов силикатирования грунтов внесли учёные Б. А. Ржаницын и В. В. Аскалонов, которые разработали и теоретически обосновали 2-растворный способ силикатизации песчаных и гравелистых грунтов и 1-растворный способ по укреплению лёссовых грунтов. Оба эти метода нашли широкое применение в метро- и тоннелестроении, а также при укреплении фундаментов и оснований промышленных сооружений. В дорожном строительстве жидкое стекло не получило широкого распространения, за исключением постройки опытных участков, а также силикатирования щебёночных шоссе по методу пропитки и поверхностной обработки. Причина — низкая морозостойкость силикатированных грунтов, а также неудобство в работе в связи с быстрым схватыванием и твердением смеси грунта с силикатом.

Цементация грунтов

Цементно-грунтовая технология основана на смешивании до однородного состояния цемента и естественного грунта при установленном содержании воды и уплотнении с целью придания укреплённому грунту определённых свойств: прочности, устойчивости, морозостойкости и т. д. [4].

Впервые в России цемент для укрепления грунтов был применён для устройства садовых дорожек [1]. После революции первые опыты по укреплению грунтов портландцементом были проведены в 1927 году на опытных дорожках Ленинградского дорожно-исследовательского бюро.

Лабораторные исследования по укреплению грунтов цементом проводились также ЦИАТ и ДорНИИ. Положительные результаты исследований позволили выполнить укрепление грунта цементом под асфальтобетонные покрытия на подъездных путях к территории Всесоюзной сельскохозяйственной выставки. В послевоенный период начинается широкое внедрение цементогрунтов в дорожном и аэродромном строительстве [3]. Цементно-грунтовые основания были применены взамен щебёночных и песчаных слоёв на автомагистралях Москва — Харьков (1946–1949), Москва — Ленинград (1949), Москва — Рязань (1950) и др. Решающее значение для развития метода укрепления грунтов цементами имели работы В. М. Безрука, который в результате многолетних исследований разработал теоретические и практические рекомендации укрепления грунтов цементами [1–3, 6]. Как отмечает Безрук, на эффективность укрепления грунтов цементом оказывает исключительно важное влияние химико-минералогический состав цементов, генезис, состав и свойства грунтов, в частности их заселённость и состав обменных катионов. Введение в цементно-грунтовые смеси некоторых веществ (например, мылонафта, саапстока и др.), образующих с продуктами гидролиза цемента гидрофобные и другие вещества, заполняющие поры, может в ряде случае придавать им повышенную водопроницаемость. С 80-х годов прошлого века успешно велись работы по укреплению грунтов цементами комплексным методом, предусматривающим направленное влияние на процессы цементации грунтов. Но об этом ниже.

За границей, цементно-грунтовые технологии начали развиваться также в первой половине XX века. В 20-х годах в США из цементогрунтов делали покрытия просёлочных дорог [4]. После II мировой войны этот метод получил распространение в Англии, Бельгии, Голландии и других европейских странах. Так, в Голландии, начиная с 1956 года, было укреплены десятки миллионов квадратных метров почвы. Почти всюду она была песчаной и поэтому данная технология получила название пескоцементной. В 80-х годах прошлого века в ФРГ ежегодно около 1 млн. т цемента расходовалось на стабилизацию песков на севере страны (портовые сооружения Гамбурга, складские площадки), при строительстве просёлочных дорог. Во Франции эту технологию начали применять с 1972 года благодаря активности цементных компаний [4].

Во большинстве зарубежных публикациях отмечается, что укрепление грунтов с помощью цемента или смеси цемента с известью для покрытий просёлочных дорог, вместо каменной наброски уплотняемой механическим путём, представляется весьма экономичным решением [4]. Из цементогрунтов, помимо просёлочных дорог, можно сооружать покрытия складских площадок, стоянок автомашин, постели оснований железных дорог, каналов, оснований отдельных типов зданий, а также грунтов, предназначенных для возведения больших земляных плотин. Видимо, большой интерес для строительно-дорожных фирм и читателей журнала представляет цементно-грунтовая технология производства работ.

Попытаемся вкратце осветить этот вопрос.

До начала работ по укреплению грунта необходимо провести в лаборатории его предварительный анализ, а затем, во время работ, осуществлять постоянный контроль. Грунты различаются в основном по их природе, гранулометрии и содержанию воды.

Грунт может быть более или менее связным, содержать в разной пропорции суглинки и глину.

При высоком содержании глины применяют так называемое смешанное укрепление, при котором в грунт предварительно добавляют известь (2–5 %) для улучшения хлопьеобразования и, в конечном итоге, рассыпания грунта при проходе машин. Грунты, содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию с цементом. В этом случае необходимо применять либо цемент с низким содержанием трёхкальциевого алюмината (цемент, предназначенный для морских работ), либо цемент с высоким содержанием минеральных добавок (золы-уноса, доменного шлака, пуццоланов). Особенно нужно быть осторожным, когда дело касается частичного осушения влажного или насыщенного водой грунта после дождей. Это делается с помощью негашёной извести или путём аэрирования грунта «рыхлителем».

грунты, содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию с цементом

Обычно испытания грунта проводят с целью определения основных характеристик грунта: предел текучести, предел пластичности, гранулометрическая кривая и др.; устанавливают оптимальный расход воды и цемента. Расход цемента может меняться в пределах 4–12 % в зависимости от грунта. Чаще всего он составляет 6–20 %. Для примера в табл. 2 приводятся данные, взятые из нормативных документов Германии.

Таблица 2. Расход цемента в зависимости от характера грунта

Характер грунта	Расход Цемента
Характер грунта	% сухого грунта	кг/м 3 уплотненного основания
Гравийно-песчаный	4-7	80-120
Суглинистый песок	6-10	120-160
Песок с одним рядом частиц	8-12	150-200
Суглинок	7-12	120-200
Глина	10-16	180-240

При укреплении пластичного суглинка применяют смесь извести (2–3 %) и цемента [4]. Кроме того, для пластичных грунтов проводят испытания на замораживание. При покрытии просёлочных работ цементогрунтом работу производят в несколько этапов.

1 этап. Выравнивание и очистка грунта с целью устранения органических веществ (дёрн, трава, корни и т. п.) и последующая планировка. Если грунт чрезмерно сухой, производят его увлажнение для выравнивания содержания и достижения однородности состава. Распределение цемента и извести по поверхности производят при небольших объёмах ручных работ, или с помощью навесного механизма — «распределитель» вяжущего.

2 этап. Перемешивание. Перемешивание грунта с вяжущим производят в несколько последовательных проходов машины (4–6 раз до получения однородной смеси) (рис. 1). Такая машина снабжена горизонтальными дисками или горизонтальными либо вертикальными лопатками. Обычно толщина цементно-грунтового слоя составляет 15–35 см.

3 этап. Профилирование и уплотнение. Профилирование полотна производят автогрейдерами. После этого грунт уплотняют несколькими проходами пневмо- или виброкатка. Степень уплотнения должна достигнуть не менее 90 % полученного на образце в лаборатории. После уплотнения цементогрунта катком приступают к окончательной планировке дорожного полотна.

4 этап. Завершающим этапом является защита дорожного покрытия пластиковой плёнкой или другим накрывочным материалом с последующим укрытием слоём песка. Подобная защита необходима для того, чтобы избежать испарения воды из обработанной почвы, и, кроме того, для предохранения дорожного полотна от дождя. Примерно такая же технология применяется для укрепления оснований шоссе некоторых типов. Только в этом случае выровненный и спланированный грунт смешивают с песком.

Рис. 1. Трактор с вращающимися вертикальными фрезами, позволяющими перемешивать и аэрировать грунт на глубину до 40 см

В 1974 году во Франции была построена автодорога А62 (к северу от Бордо) [4]. Дорожная одежда состоит из цементно-песчаной смеси толщиной 30 см., гравийно-песчаной смеси, укрепленной цементом толщиной 30 см, и асфальтобетона толщиной 68 см. Цемент (шлакопортландцемент) вводили в смесь в количестве 6 % от сухой массы песка. Содержание воды в смеси колебалось от 8 до 10 %. Смешивание производилось на месте, машиной с 200 вертикальными лопатками диаметром 12 см и производительностью 4000–5000 м2/сут. [4]. Для уплотнения применяли виброкатки и уплотнители на пневматическом ходу.

В 1952-1967 годах УНИИОСП и ЦНИИЭП Сельстрой, совместно с другими организациями, провели исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению цементогрунта при возведении фундаментов малоэтажных зданий и сооружений. В этот период в Новороссийской и Омской областях, Алтайском и Краснодарском краях было возведено около 70 зданий и сооружений, в основном малоэтажных, передающих на фундаменты сравнительно небольшие (до 150 кН/м) сжимающие нагрузки. Обследование фундаментов этих зданий после 20 лет эксплуатации не выявило следов разрушения материала [5].

В конце 80-х годов в Краснодарском крае строились усадебные дома и секционные двухэтажные здания с короткими (до 3 м.) сваями из цементогрунта диаметром 0,5 м. Построено 17 зданий, насосная станция и другие сооружения. Стоимость 1 м3 цементогрунта свай составляет, в зависимости от грунтовых условий, количества цемента и технологии изготовления, 8–12 руб., что на 5–10 руб. дешевле тяжёлого бетона (в ценах 1980-х годов). При этом снижается расход материала.

Фундаменты из цементогрунта были рекомендованы для внедрения научно-производственной программы «Металл-90».

Как показали исследования, скорость твердения цементогрунта значительно меньше, чем у обычного бетона, поэтому его прочность определяется в возрасте 90, а не 28 сут. [5] Плотность цементогрунта при незначительных уплотняющих давлениях 0,10–0,15 МПа колеблется от 1,6 до 1,9 т/м3. Расход цемента по отношению к массе сухого грунта колеблется от 15 до 25 %, в зависимости от гранулометрического состава грунта и требований к цементогрунту. При этих условиях прочность цементогрунта сжатию составляет 2–8 МПа, морозостойкость — 15–50 циклов замораживания (марка по морозостойкости F15–50). При введении добавок, например полиизоцианата, морозостойкость можно повысить до F100. Водопоглощение цементогрунта изменяется в пределах 15–18 % [5].

В России в 1958–1976 годах лесхозами Ленинградской области, совместно со специалистами Ленинградской лесотехнической академии, было построено и испытано 40 опытных участков просёлочных дорог с применением побочных продуктов и отходов лесохимической промышленности — древесной смолы, древесносмолистого пека, а также цемента, извести, жидкого стекла, чёрного сульфатного щёлока (ЧСЩ), хлористого кальция и др. Особенно хорошие результаты показали опытные участки Новгородской дороги Лисинского лесхоза Ленинградской области. При строительстве этих участков в качестве добавок для укрепления грунтов использовались цемент и ЧСЩ. Перемешивание грунтов с реагентами производили дорожной фрезой Д-530, а также с помощью передвижного смесителя Д-370.

Характеристики дороги [6]:
высота насыпи — 0,3–0,4 м;
грунт — суглинок;
тип покрытия — цементогрунт;
дозировка вяжущего — 6Ц + 0,2ЧСЩ;
материал основания — песок;
год устройства износа — 1975 г.;
материал слоя износа — битум, песок;
требуемый модуль деформации — 300 (кг•сек)/см2;
фактический модуль деформации — 640 (кг•сек)/см2;
годовой объём перевозки леса составил 10 тыс. м3.

Рис. 2. Прочность глин, активированных нефтешламами

Проверочная комиссия после года эксплуатации оценила состояние дорожного покрытия как отличное. В конце XX — начале XXI вв. в России активизировались научно-исследовательские работы в этом направлении (СПбГУПС, СПбГАСУ и др.). Так, в Самарском государственном архитектурно-строительном университете под руководством д. т. н. С. Ф. Кореньковой и к. т. н. Т. В. Шейны были проведены интересные исследования физикомеханической активации улучшения качества местного сырья [7]. Исследованиям установлено, что добавка нефтешламов различного происхождения существенно изменяет такие характеристики исследуемых грунтов, как вязкость, предельное сопротивление сдвигу, способность к тиксотропии и др.

Действия таких добавок имеют избирательный характер, поэтому для каждого конкретного случая отдельно выбирается и устанавливается необходимое их количество и концентрация.

С целью определения влияния нефтешламов на технологические и эксплуатационные показатели дисперсных грунтов, стабилизированных вяжущими, в лабораторных условиях были приготовлены опытные составы. В этих составах грунты были предварительно обработаны нефтешламами и стабилизированы цементом.

На рис. 2 и 3 показана прочность различных типов глин, активизированных нефтешламами, и кинетика изменения прочности грунтов, стабилизированных цементом [7]. Концепция укрепления нефтешламов минеральными вяжущими построена на выборе соотношения между структурой нефтешламов и активностью их составляющих. Направленное формирование извести и цементошламовых коагулиционно-кристиллизационных структур, способных к компенсации внутренних напряжений, возникающих при перепадах температур, позволяют обходиться в дорожных покрытиях бетонам, без слоёв из щебня или гравия, выполняющих роль трещинопрерывающих прослоек.

Максимальная прочность в цементогрунтобетонах, независимо от генетического типа грунта достигается при их стабилизации 20 % цемента. Наибольшую прочность имеют грунтобетоны на Алексеевском суглинке и приволжской глине (Rсж = 4,4 и 3,8 МПа соответственно). На основании своих исследований авторы статьи делают вывод: активированные грунты в дорожном и аэродромном строительстве позволяют полностью заменить традиционные материалы в основаниях, усовершенствовать конструкцию и увеличить сроки службы безремонтных работ.

максимальная прочность в цементогрунтобетонах, независимо от генетического типа грунта достигается при их стабилизации 20 % цемента

Данная технология защищена патентами.

Рис.3 Кинетика изменения прочности грунтов, стабилизированных цементом

Таким образом, цементно-грунтовая технология продолжает развиваться, что позволяет снижать стоимость строительно-дорожных работ.

Зарубежные страны резко увеличивают объёмы работ, используя вышеописанную технологию. С 1980 по 1990 год в Японии разработано 13 типов установок для изготовления свай различными методами из грунтобетона. В США цементогрунт использовали на строительстве 60 водохранилищ для защиты берегов от эрозии, а также при устройстве земляных плотин. В Италии объём свай из цементогрунта составил 11 млн. м3. Во Франции, начиная с 80-х годов прошлого столетия, ежегодно укрепляется более 10 000 км покрытия просёлочных дорог [4, 5]. В Германии, Италии, Японии разработаны и разрабатываются дополнительно нормативные документы, регламентирующие метод изготовления и применения цементогрунта для строительных целей. В США большое распространение получила цементно-грунтовая технология для защиты откосов водохранилищ, каналов, а также при строительстве земляных плотин.

К сожалению, в России, при её огромных территориях, вопрос дешёвых, быстро возводимых дорог ещё не находят должного разрешения.

Известный французский учёный-бетоновед, профессор М. Венюа писал: «Можно с уверенностью сказать, что цементно-грунтовая технология будет развиваться и впредь, учитывая её высокую экономичность, возможность применения недорогих машин (распределителями и смесителями легко оборудовать обычный трактор мощностью 100 л. с.), внедрение в последнее время новой техники, позволяющей получать цементно-грунтовый слой большой глубины, а также применение цементов с поверхностно-активными добавками» [4].

Литература:

1. Безрук В. М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. — М.: Автотрансиздат, 1956.
2. Безрук В. М. Укрепление грунтов. — М.: Транспорт, 1965.
3. Безрук В. М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. — М.: Транспорт, 1971.
4. Венюа М. Цементы и бетоны в строительстве. — М.: Стройиздат, 1980.
5. Жуков Н. В., Шапошников А. В. Определение нормативных и расчётных сопротивлений цементогрунта // Бетон и железобетон. — 1990. — № 2.
6. Колбас Н. С. Вопросы теории комплексного укрепления грунтов вяжущими материалами с применением лесохимических реагентов и отходов промышленности. — Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1978.
7. Шейна Т. В., Коренькова С. Ф. Производство грунтобетона дорожного и аэродромного назначения // Строительные материалы XXI века. — 2006. — № 2.

Подробнее с текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка извести можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок строительной извести в России».

Источник