Малопрочные карбонатные породы, обработанные модифицированной композицией на основе аддукта гидролизного производства

Во введении рассматривается и анализируется актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность, обосновывается целесообразность обработки слабых карбонатных пород щебня органическими и неорганиче- скими композициями различной природы. Сформулированы цели и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость рабо-
ты.
Первая глава посвящена аналитическому обзору отечественного и за- рубежного опыта применения в дорожном строительстве щебня карбонатных пород слабой прочности, рассмотрены и изучены теоретические предпосыл- ки повышения прочностных характеристик местных слабопрочных каменных материалов карбонатных пород и основные направления исследований. При- ведена выборочная классификация карбонатных пород с их характеристика- ми и перспективными областями применения. Проводился критический ана-
лиз существующих технологических процессов, оцениваются их как положи-
тельные, так отрицательные стороны. Проанализированы и классифицирова- ны запасы местных каменных материалов, используемых в дорожном строи- тельстве, и объемы их разработки. Показано, что не все местные каменные материалы имеют необходимые прочностные характеристики, отвечающие требованиям действующих нормативных документов, и могут быть исполь- зованы в слоях дорожных одежд.
Изучив проведенные исследования ученых Ю. М. Сухорукова, А. П. Кузнецова, В. А. Кейльман, Е. Д. Бушина, В. С. Исаева, Б. А. Асматула- ева, Н. А. Еркина, В. Н. Макаренкова и др., можно сделать вывод, что камен- ные материалы малой прочности, обработанные минеральными, органиче- скими и неорганическими составами (вяжущими), допускается использовать в дорожном строительстве. Экспериментальными исследованиями В. Л. Сви- ридова и А. К. Бируля доказано, что карбонатный щебень слабых пород мо- жет быть использован в слоях дорожных одежд в естественном и в укреплен- ном состоянии, при ограничении доступа влаги из грунтового основания и через асфальтобетонное покрытие.
Повышение прочностных свойств известнякового щебня с естественны- ми низкими прочностными характеристиками позволит существенно расши- рить границы его применения в дорожной отрасли. Над проблемой расшире- ния области применения щебня в укрепленном состоянии в дорожном строи- тельстве работали Н. В. Горелышев, И. А. Рыбьев, И. В. Королев, В. В. Ми- хайлов, Л. Б. Гезенцвей, Б. И. Ладыгин, В. К. Некрасов, Н. Н. Иванов, М. А. Зелейщиков.
Для повышения прочностных показателей карбонатных каменных мате- риалов малой прочности, используемых в конструктивных слоях дорожных одежд, определен комплекс улучшения их характеристик. Показана класси- фикация способов повышения прочностных характеристик каменных мате- риалов, а также основные технологические схемы по улучшению их физико- механических свойств.
Доказано, что приготовление и применение упрочненного известняково- го каменного материала в слоях дорожных одежд является актуальным и перспективным направлением.
Во второй главе представлены характеристики применяемых материа- лов и методы исследования. В качестве компонентов обрабатывающей орга- нической композиции были рассмотрены отход гидролизного производства (АГП), изопропиловый спирт и подготовленная вода. Физико-химические показатели АГП: влажность – 50…65 %, непрогидролизованные (трудногид- ролизуемые) полисахариды – 20…30%, не отмытые моносахариды – 2…10 %, вещества лигногуминового комплекса – 5…15 %, зольность АПЛ –
4…10 %, остаточное содержание серной кислоты – 0,5…1,5 %, размер ча- стиц – 0,001…10 мм, насыпная масса сухого АПЛ – 200…300 кг/м3, влагоем- кость – 300…450 %. Химический состав: C – 33,9 %; O – 46,8 %; S – 9,5 %; Na – 5,7 %; K – 0,18 %; Mg – 0,8 %; Ca – 3,12 %. Изопропиловый спирт соот- ветствует требованиям действующих нормативных документов. Химический состав подготовленной хлорид-гидрокарбонатной натриевой воды, содержа- щей оптимальный набор ионов, представлен в таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав подготовленной воды
Химиче- с к и й э л е – мент Дозировка (мг/л)
Гидрокарбо- Сульфаты
Хлориды Кальций
350–600 5–30
Магний
0,5–26
Натрий + к а л и й
1200–1650
н а т ы –6 (SO )
8 2000–4000 1–27
В качестве объекта исследования использованы карбонатные породы малой прочности Зимовского, Липкинского и Арчединского карьеров Фро- ловского месторождения Волгоградской области, характерные для Нижнего Поволжья. Отобранные образцы щебня соответствовали фракции 40–70 с маркой по дробимости М400, с маркой по истираемости И-3 (И-2), водопо- глащением от 4,2 до 5,7 % и маркой по морозостойкости F50.
Экспериментальные исследования, проводившиеся в лабораторных и производственных условиях, были направлены на решение основной задачи – повышение прочностных характеристик малопрочного известнякового щебня и дорожных оснований из него. Положительный результат достигнут за счет пропитывающей композиции и создания на поверхности материала прочной защитной пленки, способствующей повышению не только прочно- сти, но и водоустойчивости в процессе эксплуатации.
Определение физико-механических свойств щебня проводилось в соот- ветствии с требованиями национальных стандартов, а также калориметриче- ских и электронно-микроскопических методов исследований. Для оптимиза- ции параметров технологии упрочнения щебня слабых пород и составов про- питывающей органической композиции применены современные математи- ческие методы. Статистическая обработка результатов выполнена на ПЭВМ с помощью современных комплексов статистической обработки данных.
В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные предпосылки улучшения физико-механических свойств каменных материа- лов малой прочности. Рассмотрены процессы капиллярного движения жид- ких вяжущих веществ в каменных материалах, а также получена пропитыва- ющая композиция, состоящая из подготовленной воды, АГП и изопропило- вого спирта. Составы КАГП с учетом варьирования ингредиентов представ- лены в таблице 2.

Компоненты
Вода подготовленная АГП
Изопропиловый спирт
Таблица 2 – Состав пропитывающей композиции Содержание компонентов, масс. % в составе
No1No2No3No4No5No6
79,5 69,7 62,0 7,9 13,9 18,5 12,6 16,4 19,5
55,8 50,7 48,1 22,3 25,4 28,0 21,9 23,9 23,9
Серия экспериментов позволила определить оптимальную концентра- цию АГП, температуру раствора и минимальное время пропитки с целью по- лучения максимальной прочности обрабатываемого щебня. Пропитка щебня осуществлялась при температуре 60 °С с выдержкой материала в гидрофо- бизирующим растворе и с последующей сушкой до постоянной массы.
Анализ полученных экспериментальных данных (рис. 1, 2) показывает, что с увеличением концентрации в органической композиции АГП наблюда- ется снижение дробимости известнякового щебня в сухом и водонасыщен- ном состоянии и увеличение марки с М400 до марки М1000 с дальнейшей стабилизацией прочности при увеличении концентрации раствора. Анало- гичная ситуация наблюдается и при определении марки щебня по истираемо- сти (рис. 3).
Рис. 1 Влияние концентрации АГП на дро- бимость известнякового щебня в сухом со- стоянии, после его пропитки
Рис. 2 Влияние концентрации АГП на дро- бимость известнякового щебня в насыщен- ном воде состоянии после его пропитки
Рис. 3 Влияние концентрации АГП на истираемость
известнякового щебня после его пропитки

Данный эффект является результатом физических процессов, протека- ющих на границе раздела фаз «известняковый щебень – капиллярная струк- тура, заполненная КАГП». Гидрофобизирующие свойства обработанного ма- лопрочного материала проявляются в формировании плотной и однородной структуры, созданной пропитывающей композицией на поверхности зерен и в капиллярах щебня. Это объясняется уменьшением количества и размеров микропор, возникновением контакта, имеющего обратный угол смачивания, при котором силы поверхностного натяжения вытесняют воду из пор с обра- зованием на поверхности плотной гидрофобной пленки.
Физико-механические свойства исходного и пропитанного образцов щебня рассмотренных месторождений приведены в таблицах 3–5.
Таблица 3 – Физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щеб-
ня (Липкинский карьер), фракция 40–70 мм
No п/п
Показатели
Марка щебня по дробимости Марка щебня по истираемости Марка щебня по морозостойкости Водопоглощение щебня, %
Состав КАГП No3 No4 400 1000 1000
И-3 И-1 И-1 F50 F150 F200 4,2 1,3 0,78
Исходный
1 2 3 4
No п/п
Показатели
Марка щебня по дробимости Марка щебня по истираемости Марка щебня по морозостойкости Водопоглощение щебня, %
Состав КАГП No3 No4 400 1000 1000
И-2 И-1 И-1 F50 F150 F150 5,7 1,8 1,3
Таблица 4 – Физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щеб-
ня (Арчединский карьер), фракция 40–70 мм
Исходный
1 2 3 4
Таблица 5 – Физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щеб-
ня (Зимовской карьер), фракция 40–70 мм
No п/п.
1 2 3 4
Показатели
Марка щебня по дробимости Марка щебня по истираемости Марка щебня по морозостойкости Водопоглощение щебня, %
Состав КАГП No3 No4 400 1000 1000
И-2 И-1 И-1 F50 F200 F250 4,7 1,5 0,9
Исходный
Установлено, что в процессе обработки КАГП каменного материала происходит обволакивание раствором всей поверхности зерна щебня, глубо- кое проникновение композиции в его капилляры, с равномерным распреде- лением в них и полным заполнением. Затем наблюдается процесс кольмата- ции и закупоривания пор и микротрещин. Одновременно появляется эффект адсорбционного увеличения прочности щебня, уменьшение проникновения воды в поры, повышение водостойкости и увеличение толщины прочносвя- занной ориентированной пленки КАГП. Малопрочный известняк с большим
содержанием пылеватой фракции следует обрабатывать маловязкой компо- зицией. Это позволяет повысить когезионную и адгезионную прочность про- питки карбонатной поверхности в условиях высокой адсорбционной способ- ности мелких частиц известняка.
В четвертой главе исследовано влияние на глубину проникновения в капилляры каменного материала КАГП, которая зависит от концентрации функциональных ингредиентов композиции. С повышением концентрации АГП возрастает вязкость органической композиции. Формирование каче- ственной защитной пленки на поверхности обрабатываемого материала зави- сит от глубины проникновения композиции в матрицу камня. Этот параметр связан с поверхностным напряжением на границе раздела «камень — КАГП» и определяется структурой капилляров.
Глубину пропитки оценивали с помощью металлографического микро- скопа Olympus BX-61 для щебня максимального размера (70 мм) (рис. 4). Фиксация микроструктур компонентов КАГП и слабопрочного каменного материала выполнена цифровой камерой микроскопа DP12 при увеличениях 50–500. Обработку цифровых фотографий и измерение различных парамет- ров структуры образцов осуществляли на ЭВМ с использованием программ- ного комплекса AnalySIS®.
Рис. 4 Оптические снимки глубины пропитки щебня с металлографического микроскопа Olympus BX-61: 1) состав КАГП No 3; 2) состав КАГП No 4
Установлено, что наибольшее проникновение в капилляры щебня имеет КАГП состава No 3, что объясняется меньшей вязкостью композиции. По ха- рактеру проникновения композиции в образцы обработке в большей степени подвергались крупнозернистые участки породы с примесью пылеватого ве- щества, зоны развитой пористости породы. Достигнута равномерная пропит- ка образцов щебня. Гидрофобизирующие свойства обработанного материала проявляются в формировании плотной и однородной структуры КАГП на поверхности зерен щебня.

Измерение пористости материала осуществлялось по цифровым фото- графиям с увеличением ×100, окрашиванием пор и определением их про- центного содержания по площади фотографии (рис. 5). Точность измерений обеспечивалась высокими возможностями применяемого современного обо- рудования и программного обеспечения: при увеличении фотоснимков ×200 разрешающая способность составляла 0,18 мкм/пикс.
Рис. 5 Микрофотографии шлифов щебня: 1) необработанный – пористость 34 %; 2) обра- ботанный составом КАГП No 3 – пористость 22 %; 3) обработанный составом КАГП No 4 – пористость 13 %
Установлено, что обработка щебня составом КОПГ No 2 позволила сни- зить его пористость в 1,5–2,1 раза за счет закупорки капилляров и образова- ния гидрофобной пленки на поверхности материала.
Измерения микротвердости зерен щебня проводились на микротвердо- мере ПМТ-3 методом восстановленного отпечатка. Исследование микротвер- дости не обработанных КАГП образцов щебня показало среднюю твердость в районе 0,5ГПа. После гидрофобизации микротвердость образца щебня фракции 40–70 мм увеличилось в 2 раза и составила 1,0 Гпа.
Анализ структуры зерен известнякового щебня, обработанного компо- зицией, выполнен на универсальной двулучевой системе Versa 3D (рис. 6).

Рис. 6 Микроскопическое трехмерное изображение контрольных образцов зерен извест- някового щебня: 1) Необработанный, 2) Обработанный составом КАГП No3, 3) —//— со- ставом КАГП No4
Установлено, что структура зерен известнякового щебня, обработанного КАГП, отличается от контрольного необработанного образца (М400) наличи- ем в трещинах и капиллярах дополнительного количества новообразований в виде плотных скоплений сцементированных между собой обломков породы длиной от 0,5 до 10 мкм, шириной от 0,3 до 1,0 мкм, с закристаллизованным поровым пространством.
Статистическая обработка экспериментальных данных проекции откли- ка (рис. 7) и уравнение регрессии в кодированных значениях марки по дро- бимостищебнявсухомсостоянии( )>:
(> 1 o, 2o) 13,083 3,54 1 o 2,922 2o 4,720 12o 2,931 2o 1,387 1 o2o,
где х1 – концентрация АГП в композиции; х2 – время пропитки.
Установлено, что на первом этапе пропитки увеличение концентрации АГП (фактор х1) и времени пропитки (фактор х2) способствует снижению дробимости зерен известнякового щебня и повышению его прочности. В дальнейшем на втором этапе происходит полное насыщение пор и обволаки- вание материала гидрофобизирующим раствором, повышается стойкость щебня к воздействию воды и, как следствие, незначительное повышение дро-
бимости.
Рис. 7 Проекция поверхности отклика дробимости известнякового щебня М400 фракции 40–70 мм в трехмерном пространстве
Были получены аналогичные зависимости влияния концентрации АГП и времени пропитки на водостойкость, истираемость и прочность при дроби- мости в водонасыщенном состоянии. Адекватность моделей проверена по критерию Фишера. Для каждой модели проверена значимость коэффициен- тов по критерию Стьюдента при доверительной вероятности 0,95. Установ- лено, что для повышения прочностных характеристик низкомарочного щебня фракций 40–70 и 20–40 мм оптимальным является состав композиции КАГП No 3 и времени пропитки 20–25 мин.
В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испы- таний, разработаны рекомендации по устройству щебеночного основания по методу заклинки с пропиткой КАГП. Рассчитан экономический эффект.
Опытно-экспериментальные испытания выполнены на участках автомо- бильных дорог Волгоградской области и Республики Калмыкия. Силами ГБУ «Волгоградавтодор» 3–4 октября 2016 года на объекте «Строительство авто- мобильной дороги “Подъезд от автомобильной дороги М-21 Волгоград – Ка- менск-Шахтинский (ПК0+00 – ПК 2+00) к поселку Жирковский в Сурови- кинском муниципальном районе Волгоградской области”» был устроен слой щебеночного основания из щебня фракции 40–70 мм с заклинкой фракцией 20–40 мм, марки М400, толщиной 20 см, способом пропитки композицией на основе АГП. Пропитка слоя основания производилась поливомоечной маши- ной через распылительные сопла, расположенные в передней части автомо- биля, с расходом КАГП 20 л/м2. Площадь обрабатываемого участка состави- ла 1400 м2. С ПК 2+00 до конца участка было устроено щебеночное основа- ние методом заклинки известнякового щебня марки М600 по стандартной технологии. Оценка модуля упругости экспериментальной дорожной кон-
струкции показала его увеличение в 1,5 раза по сравнению со стандартной конструкцией.
1 августа 2017 года силами МУП ДСУ-1 г. Элиста на объекте «Строи- тельство автомобильной дороги “Подъезд от автомобильной дороги Р-216 Астрахань – Элиста – Ставрополь к пос. Вознесеновка в Целинном муници- пальном районе республики Калмыкия ПК15+00 по ПК16+50”» было устрое- но щебеночное основание из щебня фракции 40–70 мм с заклинкой фракцией 20–40 мм, марки М400, толщиной 28 см, способом пропитки композицией на основе АГП. Пропитка слоя основания производилась поливомоечной маши- ной через распылительные сопла, расположенные в передней части автомо- биля, с расходом КАГП 20 л/м2. Площадь обрабатываемого участка состави- ла 1050 м2. С ПК 16+50 до конца участка было устроено щебеночное основа- ние методом заклинки известнякового щебня марки М800 по стандартной технологии. На основе экспериментально-теоретического исследования и опытно-промышленного внедрения была проведена оценка общего модуля упругости экспериментальной конструкции, которая показала его увеличение в 1,2 раза по сравнению со стандартной конструкцией.
Сметная стоимость строительства экспериментальной конструкции до- рожной одежды (без затрат на транспортировку) выше традиционного базис- ного варианта на 16 580 руб./км. Сметная стоимость строительства дорожной одежды (с учетом затрат на транспортировку) по обоим вариантам сравняет- ся при разности в дальности транспортировки щебеночных материалов 430 м. Экономическая эффективность проектного (экспериментального) варианта возрастает в сравнении с базовой конструкцией с увеличением дальности возки каменных материалов свыше 500 м. Ожидаемый экономический эф- фект при устройстве щебеночного основания из малопрочного известняково- го щебня М400 обработанного КАГП, составляет 321 387,45 рублей на 1 км или 45,91 руб./м2 (в ценах на 2 квартал 2021 г).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ зарубежной и отечественной научной, патентной и техниче- ской литературы показал целесообразность создания композиции на основе АГП для укрепления малопрочных каменных материалов.
2. Исследованы закономерности изменения структуры и физико- механических свойств малопрочного камня, обработанного КАГП, в зависи- мости от фракции и свойств щебня, концентрации и состава композиции.
3. Определена оптимальная концентрация АГП, температура пропиты- вающей композиции и минимальное время пропитки с целью получения мак- симальной прочности обрабатываемого щебня.
4. Экспериментально-теоретически исследован процесс проникновения
жидких вяжущих веществ в малопрочные карбонатные каменные материалы. Установлено, что с увеличением концентрации в органической композиции АГП происходит снижение дробимости известнякового щебня в сухом и во- донасыщенном состоянии и изменение марки с М400 до М1000 с дальнейшей стабилизацией прочности при увеличении концентрации раствора. Проведе- на оценка эффективности воздействия КАГП на глубину проникновения в капилляры малопрочного каменного материала, достигнута равномерная пропитка образцов щебня с образованием плотной и однородной структуры, созданной пропитывающей композицией на поверхности зерен щебня.
5. Выполнена опытно-промышленное внедрение предложенных соста- вов (КАГП) и технологий укрепления дорожных оснований модифицирован- ных низкопрочных карбонатных пород, экономический эффект составляет 45,91 руб./м2.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы диссер- тации
В перспективе исследования целесообразно продолжить в направлении:
– расширения области применяемых компонентов (ПАВ, микроармиру- ющие компоненты) в составе упрочняющей композиции, обеспечивающих повышение физико-механических свойств.
– исследования изменения физико-механических свойств и структурных особенностей упрочненного щебня при длительном воздействии транспорт- ных и знакопеременных климатических нагрузок.
– изучения влияния разничных ПАВ, микроармирующих компонентов, а также комплексных компонентов на их основе, на физико-механические свойства и эксплуатационную долговечность упрочненого щебеночного ма- териала.
– обоснования расчетных характеристик упрочненного каменного мате- риала с учетом его диградации в процессе длительной эксплуатации дорож- ных оснований.