Опыт использования грунтов, укрепленных цементом с применением модификатора «ДорЦем ДС-1»

Как показала практика, не всегда удается обеспечить надлежащие физико-механические показатели отдельных типов грунтов, укрепленных только минеральными вяжущими, особенно морозо – и трещиностойкость, а также требуемые эксплуатационные характеристики конструктивных слоев дорожных одежд, устроенных с их применением.

Обусловлено это, в первую очередь, особенностью структуры укрепленных грунтов и ионно-электростатических связей грунтовых частиц и агрегатов. Так порово-структурные характеристики грунтов, укрепленных цементом, значительно отличаются от аналогичных показателей укатываемых цементобетонов – материала по технологии приготовления и укладки в конструктивные слои дорожных одежд, близкого к укрепленным грунтам (табл.1).

Таблица 1

Примечание: х – прочность заполнителя на стадии уплотнения смеси: в цементобетоне заполнитель-щебень, в укрепленном глинистом грунте – грунтовые агрегаты.

Для обеспечения требуемой удобоукладываемости укрепленных грунтов (при коэффициенте раздвижки ниже 1,0) требуется повышенный расход воды, что зачастую  является причиной трещинообразования в конструктивном слое дорожной одежды. Высокая пористость естественных грунтов не всегда компенсируется только введением требуемого количества вяжущего. Как и в случае улучшения удобоукладываемости и повышения прочности цементных растворов для снижения пористости укрепленных грунтов, а также повышения прочности при подборе их составов необходимо предусматривать специальные мероприятия, например такие, как введение гранулометрических добавок. В большинстве случаев при укреплении грунтов гранулометрические добавки не используют, снижая пористость укрепленного грунта повышенным расходом минерального вяжущего, что также обусловливает трещинообразование конструктивного слоя.

Значительное влияние на физико-механические показатели глинистых грунтов, укрепленных минеральными вяжущими материалами, оказывают размеры и прочность грунтовых агрегатов, которые изменяются в процессе перемешивания и уплотнения смеси.

При измельчении и уплотнении глинистых минералов между глинистыми частицами могут возникать ионно-электростатические связи, обусловленные наличием в кислой среде разноименных потенциалов на боковых сколах и базальных поверхностях глинистых частиц. В.И. Осиповым [1] установлено, что отрицательный заряд у глинистых минералов всегда сохраняется на базальных поверхностях, а на сколах, которые являются наиболее энергетически активными местами, знак заряда меняется в зависимости от рН взаимодействующего с ними раствора. При рН менее 7 он становится положительным, и тогда на сколах в двойном электрическом слое должны находиться анионы; при рН более 7 скол заряжается отрицательно, а вокруг глинистого минерала адсорбируются только катионы (рис. 1).

Рис. 1. Заряд базальных поверхностей и скола глинистых минералов в зависимости от рН раствора (среды).

Это обстоятельство имеет принципиальное значение при укреплении (гидрофобизации) глинистых грунтов различными вяжущими и добавками, определяющими рН взаимодействующего раствора. Важно, чтобы вводимые в укрепляемый грунт вяжущие и добавки обеспечивали компенсацию активных центров на сколах и базальных поверхностях частиц и агрегатов, в противном случае они являются центрами притяжения воды, обусловливая низкие показатели водо- и морозостойкости материала.

В зависимости от кристаллической решетки минерала и поверхности его расщепления различны скорость и количество адсорбированной им воды. По вопросу непосредственного взаимодействия минеральной поверхности с водой имеются две концепции: физическая и физико-химическая.

По электрической теории Б.В. Ильина и его сотрудников [2], смачивание рассматривается как адсорбция жидкости твердым телом, обладающим электрическим полем. Под влиянием этого поля возрастает полярный момент полярных молекул внешней среды, вследствие чего последние приобретают ориентировку. Расположенные на поверхности минералов грунта ионы с нескомпенсированными зарядами, или, иначе говоря, энергетически активные центры, по этой концепции являются основным источником энергетического поля, а молекулы воды рассматриваются как адсорбтив, имеющий дипольный характер.

Под влиянием электрического поля дипольные молекулы воды занимают на поверхности частиц и агрегатов грунта ориентированное положение, т.е. адсорбируются поверхностью. Скорость адсорбции воды поверхностью и является характеристикой смачивания. Так как нейтральные молекулы воды не могут нейтрализовать индуцирующего их заряда иона, то ближайшие к ним молекулы воды также поляризуются.

Процесс наслаивания ориентированных молекул воды ослабевает по мере удаления от источника электрического поля вследствие уменьшения электростатических сил, а также вследствие теплового движения молекул. Чем большими электростатическими силами обладает минеральная частица, тем толще слой ориентированных молекул воды будет образовываться на ее поверхности. Что касается знака заряда энергетически активных центров, то он не имеет здесь какого-либо значения.

Исходя из физической концепции сорбции воды минеральной поверхностью, гидрофильные минералы по-разному будут смачиваться водой. Быстрее всего будут смачиваться монтмориллонит и кварц, вследствие наибольшего содержания на их поверхности энергетически активных центров, медленнее других каолинит, поверхностные ионы кристаллической решетки которого наиболее скомпенсированы. Гидрофобные же минералы, не имеющие на поверхности энергетически активных центров, в заметных количествах воду не адсорбируют.

Физико-химическая концепция сорбции воды минеральной поверхностью основана на наличии у кислорода воды и кислорода минерала водородной связи. Атомы кислорода, расположенные на поверхности минерала, притягивают водородные атомы воды. Что касается ионов (ОН)-, имеющихся на поверхности некоторых минералов, то присоединение к ним структурной сетки воды происходит еще легче вследствие присоединения атомов кислорода гидроксила к атомам кислорода воды. Как при взаимодействии с ионами (ОН)₂, так и при взаимодействии с ионами (ОН)- считается, что эти ионы не скомпенсированы и имеют слабый отрицательный заряд.

Таким образом, в глинистых грунтах, укрепленных минеральными вяжущими, всегда присутствуют частицы и грунтовые агрегаты, в том числе разрушенные при перемешивании и уплотнении, на поверхности которых имеются нескомпенсированные ионы, обусловливающие притяжение воды и определяющие водо- и морозостойкость материала.

Как правило, минеральное вяжущее агрегирует при перемешивании с грунтом и для компенсации активных центров базальных поверхностей грунтовых агрегатов его недостаточно (рис. 2). Обусловлено это и тем, что значительная часть разрушения грунтовых агрегатов происходит на стадии уплотнения, когда подвижность цементного теста невысока (происходит формирование кристаллизационной структуры). В данном случае имеет место образование неоднородной структуры укрепленного грунта, цементный камень в которой занимает незначительную часть, не связывая основную массу грунта (рис. 3).

Рис. 2.Состояние грунтовых агрегатов после перемешивания суглинка с цементом: а-агрегаты, покрытые цементом, б-«голые» агрегаты, не покрытые цементом.

Рис. 3. Электронномикроскопический снимок среза суглинка, укрепленного 6% цемента (Ув.10): а-цементный камень (серый цвет), б-грунтовые агрегаты (коричневый цвет).

Частично решить вышеотмеченные проблемы при укреплении грунтов позволяет использование совместно с цементом модификатора «ДорЦем ДС-1». Модификатор «ДорЦем ДС-1» специально разработан с целью использования для укрепления грунтов. Продукт представляет собой мелкозернистый материал, в основе которого щелочноземельные металлы и синтетические цеолиты, дополненные сложным активатором. «ДорЦем ДС-1» усиливает и повышает прочность и гибкость укрепленных грунтов на молекулярном уровне, модифицирует и расширяет химический состав процесса гидратации цемента. «ДорЦем ДС-1» формирует длинноигольчатую нанокристаллическую структуру в укрепленном грунте, образуя большее количество кристаллов и соответствующие кристаллические матрицы, заполняющие поры и «сплетающие» частицы и агрегаты грунта (рис. 4).

Рис. 4. Кристаллизационная структура (эффект «сплетения») продукта цемент+модификатор «ДорЦем ДС-1» в укрепленном грунте

При добавлении модификатора «ДорЦем ДС-1» в укрепляемом грунте задерживается вода, позволяя полностью реализовать частицам цемента свойства гидравлического вяжущего (за счет завершения процессов гидролиза и гидратации). При этом расход воды (в том числе для достижения оптимальной влажности укрепляемого грунта) значительно снижен, что обеспечивает более высокую трещиностойкость конструктивного слоя из укрепленного грунта.

Сохраняя более длительное время коагуляционную структуру, модификатор «ДорЦем ДС-1» и цементное тесто в большей степени компенсируют активные центры частиц и агрегатов, в том числе и разрушенных при уплотнении.

Заключение: Применение добавки «ДорЦем ДС-1» при укреплении грунтов позволяет повысить показатели водо- и морозостойкости, особенно это проявляется при укреплении песчаных и песчано-гравийных материалов. 2. В песчаных и песчано-гравийных грунтах увеличение количества добавки «ДорЦем ДС-1» приводит к росту водо- и морозостойкости укрепленного материала, в глинистых грунтах – существует оптимум добавки (обеспечивающий ионный обмен с коллоидными и глинистыми частицами), повышенное содержание модификатора может снизить морозостойкость укрепленного грунта.

С.Г. Фурсов,  Д.В. Кондратюк, П.Л. Федоров

Список используемой литературы:

1. Ильин Б. В. Природа адсорбционных сил. – М., 1952.

2. Сергеев Е.М. Инженерная геология. – М., Издательство Московского университета, 1978, 384 с.