Досвід та перспективи використання інноваційних технологій по стабілізації грунтів

Асматулаєв Б. А. Д. т. н., професор, Турсумуратов М. Т., К. т. н., Асматулаєв Р. Б., К. т. н., інститут страти

Жеребитський м. і, фірма "Hobe Associates LLC", (США)
В даний час на дорогах Республіки здійснюється рух великовантажного транспорту з одновісними шинами, які створюють навантаження на вісь 13 тонн і більше, при цьому загальна маса автотранспорту досягає до 40-80 тонн і вище.Поява аналогічних транспортних навантажень в Західній Європі в 90-роках, спричинило за собою докорінний перегляд матеріалів дорожніх конструкцій, в тому числі і асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг, через появу передчасних деформацій і колії на них [1].

Основними причинами, що призводять до передчасного утворення колії на покриттях, є залишкові деформації, що виникають від впливу на дорогу динамічних транспортних і температурно-кліматичних навантажень, які з роками накопичуються в шарах дорожніх конструкцій. До цього слід додати низьку якість поставляються бітумів для виробництва асфальтобетонів, що також призводить до передчасних деформацій і тріщиноутворення. Крім того в Казахстані в літній період покриття з асфальтобетону нагріваються до 65-75С [2], що не враховується чинним міждержавним стандартом на асфальтобетон (ГОСТ 9128), асфальтобетон при таких температурах повністю втрачає несучу здатність. Останнє також сприяє передчасному утворенню колії на автомобільних дорогах, з виникненням надалі тріщин та інших деформацій. При цьому, колія поширюється не тільки на товщину покриття, але і захоплює шари з щебенево-піщаних матеріалів підстави і верхньої частини грунту земляного полотна. Слід зазначити, що за результатами випробувань професора Смирнова А.В. (СИБАДІ), встановлено, що при відсутності в дорожніх конструкціях монолітних шарів, асфальтобетонні покриття деформуючись, передають на грунт робочого шару земляного полотна не менше 90% від всієї транспортної навантаження. Це свідчить про те, що в дорожніх конструкціях з асфальтобетонними покриттями, для попередження виникнення і накопичення залишкових деформацій в грунті, необхідно обов'язково зміцнювати грунти робочого шару земляного полотна. У південних жарких регіонах Казахстану асфальтобетонні покриття при нагріванні вище 50оС втрачають свої пружно-пластичні властивості. Тоді все навантаження, передається на найслабший конструктивний шар-грунт земляного полотна. За умови перезволоження грунту або перевищення допустимого транспортного навантаження, в першу чергу, на грунті будуть накопичуватися залишкові деформації, що неприпустимо на автомагістралях з інтенсивним і важким транспортним рухом.

Багаторічний моніторинг технічного стану автомобільних доріг Казахстану, що виконується нашим інститутом, показав, що основною причиною деформацій на дорогах, є розущільнення грунтів робочого шару земляного полотна і не укріплених нижніх шарів дорожніх конструкцій. Аналогічний висновок був зроблений в 90-х роках професором Н.В. Горелишевим, після обстеження Казахстанських доріг фахівцями Інституту «Союздорнії», виконаний за завданням Міністра автодоріг Л. Б. Гончарова. Тому в діючій в Казахстані "інструкції з проектування дорожніх одягів нежорстких типів" рекомендується обов'язкова присутність в дорожніх конструкціях монолітних шарів з температуростійких матеріалів: бетони або кам'яні матеріали і грунти, оброблені неорганічними в'яжучими і стабілізаторами. Наочним прикладом довговічної експлуатації таких конструкцій, є автомобільна дорога «Алма-Ата-Капчагай», побудована в 70-х роках з цементобетонним покриттям, а потім в 90-х роках перекрита асфальтобетонним покриттям, яка ось уже експлуатується більше 40 років. Є досвід багаторічної експлуатації доріг, побудованих в 1976-87 роках, з основами з укріплених кам'яних матеріалів шлаковими, шламовими і зольними в'яжучими [3]. У зв'язку з цим, найбільш перспективними конструкціями доріг, що дозволяють пропустити Сучасний великовантажний транспорт без шкоди для дорожньої конструкції, є цементобетонні покриття або асфальтобетонні покриття типу ЩМА на міцних монолітних підставах. Однак не слід забувати, що не тільки асфальтобетонні покриття, але і цементобетонні покриття вимагають пристрою більш міцних підстав. Загальновідомо, що неминуче щорічне здимання всієї дорожньої конструкції, що відбувається в зимовий період експлуатації автомобільних доріг, допускає підйом асфальтобетонного покриття до 30мм, то цементобетонне не повинно перевищувати 10мм. звідси і вимоги до підстав має бути відповідне. В даний час, успішно функціонує перший шести смуговий Казахстанський автобан «Астана-Щучинськ» протяжністю 215 км, з яких 96 км виконані з цементобетонним покриттям. На ділянці будівництва фірми "К-Дорстрой«, вперше в Казахстані, в якості матеріалу підстави використаний золомінеральний матеріал зі стабілізуючою добавкою» Дорзін" (фото 1 і 2). Стабілізуюча добавка» Дорзін " отримала широке застосування в дорожньому будівництві за кордоном і в Казахстані [4]. Ефективність застосування стабілізатора грунтів "Дорзін «в поєднанні з золомінеральним матеріалом відчувається на бездоганній рівності цементобетонного покриття а/д»Астана – Щучинськ".

На споруджуваній автомагістралі» Західна Європа - Західний Китай", протяжністю понад 2700 км, також передбачаються на більшій її частині цементобетонні покриття. На деяких ділянках цього міжнародного коридору, грунт робочого шару земляного полотна обробляється малими дозами цементу з добавкою стабілізатора «Дорзін» (фото 3 і 4) . Вітчизняна фірма "К-Дорстрой" продовжує використовувати стабілізатор "Дорзін" на будівництві 58км автодороги "Західна Європа-Західний Китай «на ділянці» кордон Південного Казахстану - Тараз", Категорія дороги-1б і підтверджує ефективність його застосування в поєднанні з добавкою 2% цементу. Показники міцності таких укріплених грунтів аналогічні при застосуванні укріплених грунтом з 5-ю % цементу, але без добавки стабілізатора " Дорзін "(табл. 1 і рис.1)

Фізико-механічні характеристики зразків з укріплених ґрунтів у проектному віці 90 діб

Таблиця 1

Найменування показника	Фактичне значення показника
	Состав 1  Грунт 88%  Зола -10%  Цемент-2%  ДМ-0,002%	Состав 2  Грунт 83%  Зола -15%  Цемент-2%  ДМ-0,002%	Состав 3  Грунт 78%  Зола -20%  Цемент-2%  ДМ-0,002%	Состав 4  Грунт 88%  Зола -15%  Цемент-5%
Середня щільність свіжовідформованих зразків, г / см3	2,08	2,00	1,93	2,04
Середня щільність затверділих зразків, г / см3	2,06	1,98	1,91	2,02
Середня вологість затверділих зразків, %	19,09	19,69	21,25	22,65
Межа міцності при стисненні водонасичених зразків, МПа	2,69	3,78	3,01	3,94
Межа міцності на розтяг при вигині водонасичених зразків, МПа	0,54	0,76	0,60	0,79
Межа міцності на розтяг при розколі водонасичених зразків, МПа	0,22	0,30	0,24	0,32
Марка по міцності укріплених грунтів (по співвідношенню міцності rсж і Rізг	М20	М20	М20	М20
Модуль пружності, МПа	807	1134	904	1183
Марка по морозостійкості, число циклів	F10	F15	F15	F15
Вологість зразка після випробування на заморожування-відтавання, % по масі	2,08	2,00	1,93	2,04

Рис. 1. Характеристики міцності водонасичених зразків укріпленого глинистого грунту проектного віку 90 діб.

За ступенем водопроникності згідно з умовами ГОСТ 25100-95, зразки з вихідного і укріпленого (в проектному віці 90 діб) глинистого грунту - суглинку легкого піщанистого, поділяються наступним чином: склади -1, 2 і 3 віднесені до водонепроникним, склад -4 до слабоводопроніцаемим, вихідний грунт без зміцнення – до водопроникним. Це свідчить про обов'язкову необхідність зміцнення грунту робочого шару земляного полотна і про ефективність стабілізатора «Дорзін». Механізм взаємодії стабілізатора і грунту пояснюється наступним [4]. В результаті розчинення стабілізатора у воді, остання активізується за рахунок іонізації (Н+, ОН, Н3О). Розчин стабілізатора активно впливає на стан, в першу чергу, глинистих і колоїдних частинок грунту. Він змінює заряд глинисто-колоїдних частинок за рахунок обміну електричними зарядами між іонізованою водою і частинками грунту, яка підтверджується дослідженнями рН середовища розчину стабілізатора і рН водяної витяжки грунту. Обмінявшись зарядами з іонізованою водою, між грунтовими частинками порушуються природні зв'язки з капілярної і плівковою водою. Вона легко відділяється від частинок грунту, тим самим, створюючи сприятливі умови для високого ущільнення грунту при стисненні. Крім обміну між електричними зарядами водного розчину стабілізатора і грунтовими частинками відбувається процес іонного обміну між компонентами стабілізатора і поглинаючим комплексом глинисто - колоїдної фракції. Це призводить до підвищення щільності і несучих властивостей грунту при економії вологи на 15-25% і зниження витрати цементу на 50-60%, що дуже важливо в посушливих регіонах будівництва автомагістралі " Західна Європа-Західний Китай» (Рис.2.).

Рис. 2. Карта автомагістралі "Західна Європа-Західний Китай", яка свідчить, що основна траса вилягає в посушливих регіонах Казахстану

Фото 1 Перевірка ущільнення золомінерального шару динамічним щільноміром на А/д «Астана-Щучинськ», співробітники лабораторій «К-Дорстрой» і «Дортранс» на прийманні робіт .

Фото 2. Готове золомінеральне підставу на а / д» Астана-Щучинськ "км. 7-57, підрядник" К-Дорстрой»

Реконструкцію ділянки км. 536-593 а/д "Алмати-Кордай-Благовіщенка-Мерке-Ташкент-Термез" під 1-Б категорію також виконувала ФІРМА "К-Дорстрой" (фото-3, 4, 5, 6), з огляду на її позитивний досвід і зарубіжні фірми стали використовувати стабілізатор «Дорзін» в поєднанні з малими дозами цементу. На ділянках км 1398-1578 автомобільної дороги " кордон РФ (на Самару) - Шимкент», Кизилординська Область, італійська фірма АТ «Саліні Кострутторі С.П. а.» (фото 7, 8, 9), виробляла зміцнення робочого шару грунту земляного полотна з застосування ферментного препарату «Дорзін» в поєднанні з 3% цементу. При використанні даної технології зміцнення грунтів здійснюється обов'язковий жорсткий поопераційний контроль якості, як з боку виробника стабілізатора, так і розробника технології інституту страти «Дортранс». В позитивних відгуках вітчизняних підрядників і зарубіжних фірм, а також інженерних служб свідчить про ефективність такої спільної роботи, тому висока якість гарантується.

Фото 3.Завантаження цементу в "цементорозподільник" , в якості якого використаний щебені розподільник

Фото 4. Внесення водного розчину Дорзін в грунтову суміш

Фото 5.Перемішування грунтоцементної суміші після внесення водного розчину Дорзину грунтозмішувачем

Фото 6. Ущільнення укріпленого грунту катками на пневмоходу на ділянці км. 536-593 а/д «Алмати –Кордай-Благовіщенка - Мерке-Ташкент –Термез", підрядник ФІРМА " К-Дорстрой»

Фото 7.Розподіл цементу цементорозподільником по підготовленій і спрофільованій поверхні земляного полотна.

Фото 8. Фрезерування ресайклером, змішання грунту з цементом з одночасною подачею водного розчину з " Дорзином»

Фото 9. Готова ділянка дороги зі стабілізованим грунтом земляного полотна» кордон РФ ( на Самару) -Шимкент«, Кизилординська Область, підрядник італійська фірма АТ " Саліні Кострутторі С. П. А.»

Автомагістраль "Західна Європа-Західний Китай" пролягає по посушливих регіонах Казахстану, з високою температурою нагріву покриттів, особливо асфальтобетонних (Рис.1). Основна технічна проблема асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг-прогресуюча втрата їх несучої здатності при русі великовантажних транспортних засобів, особливо при високих температурах їх експлуатації, з утворенням колії і температурних тріщин. Для усунення причин колееобразования, з урахуванням світового досвіду [4,5,6], в нижніх шарах покриття з ЩМА, слід влаштовувати не пористі шари з асфальтобетону, а щільні, що мають каркасну структуру. Деякі проектувальники вважають, що якщо вони передбачили третій шар з бітумомінерального матеріалу, то інші шари можуть бути з не зв'язкових кам'яних матеріалів. Це в корені невірне рішення. Так як щебенево-піщані і щебеневі підстави, які досі використовуються без зміцнення в'яжучими, не можуть виконувати функції несучого шару при температурах нагріву асфальтобетонного покриття понад 50°С.такі шари добре чинять опір навантаженням на стиск, але не володіють міцністю на розтяг і тим більше при вигині. Приклади практичних інженерних прорахунків в наявності на деяких ділянках, недавно побудованих, автомобільних доріг "Алмати-Астана «і» Алмати – Бішкек", що мають передчасні дефекти. Такі конструктивні помилки є і в нових проектах автомобільних доріг» кордон РФ (на Омськ)-Майкапшагай(вихід на КНР) через Г.Г. Павлодар, сімей «км792-828 і» Омськ-Павлодар_Майкапшагай " км 324-408, в яких запроектовані три шари з асфальтобетону, в тому числі пористі і високопористі суміші в покриттях. Наші спроби змінити і включити в конструкцію монолітний шар з використанням бокситового шламу, або замінити пористі асфальтобетонні суміші на каркасні, не прийняті. Хоча практичний багаторічний досвід експлуатації такої конструкції, з основою з бокситового шламу є, рівність і міцність конструкцій забезпечує пропуск інтенсивного великовантажного транспорту. Одним з недоліків є поява відбитих температурних тріщин, які можна усунути технологічними або конструктивними методами.

Основні висновки та пропозиції:

Аналіз світових тенденцій, що виникли в останнє десятиліття в транспортно-розвинених країнах: США, Західна Європа, а також в Росії, Китаї та Казахстані свідчить про значне збільшення транспортних навантажень на автомобільних дорогах. Традиційне будівництво доріг низької вартості під 20-ти річну перспективу, стає неефективним, такі дороги передчасно піддаються колееобразованию і інших деформацій. Для пропуску сучасного транспортного руху на автомобільних дорогах зарубіжних країн збільшується будівництво цементобетонних покриттів, а також щебенево-мастичних асфальтобетонних покриттів на монолітних підставах. Вважаємо, що для підвищення рентабельності будівельних витрат і їх окупності, необхідно проектувати дороги на більш тривалу перспективу їх експлуатації до 40-50 років. Для цього слід не тільки будувати дорогі цементобетонні покриття, але і широко використовувати в покриттях і підставах монолітні конгломерати з місцевих матеріалів, вторинної сировини і грунтів, отримані на основі застосування нових інноваційних ресурсозберігаючих технологій і матеріалів. Ширше використовувати ресурсозберігаючі та енергозберігаючі холодні Хімічні технології, що дають можливість утилізувати різні дешеві багатомільйонні відвали техногенних відходів енергетичної, хімічної, металургійної та кольорової промисловості для дорожнього будівництва замість традиційних витратних технологій.
Всі вищевказані ефективні розробки і напрямки поряд з готовністю до застосування в дорожньому будівництві, вимагають подальших детальних наукових досліджень і дослідно-експериментальних випробувань з метою уточнення і розширення області їх використання. Це вимагає відновлення фінансування з НДДКР. Наприклад, відсутність міждержавного нормативно-технічного документа на бетони дорожні на основі не традиційних цементів стримують широкому використанню їх у дорожньому будівництві.

При використанні пропонованих ресурсозберігаючих технологій і матеріалів, практично, у всіх регіонах країни, є можливість відмовитися від застосування традиційних витратних технологій, при цьому, одночасно будуть вирішуватися наступні державні завдання:

Можливість зниження позики на інвестиційне фінансування із зарубіжних банків на будівництво нових автомобільних доріг, за рахунок використання ресурсозберігаючих та енергозберігаючих інноваційних технологій і матеріалів, розроблених вітчизняними вченими і апробованих в Казахстані.
Повторно утилізуватися будівельні матеріали існуючих автодоріг. У нижніх шарах дорожніх і аеродромних покриттів по країні, в якості марного баласту щорічно залишаються, а потім перекриваються новими шарами, мільйони тонн «старого " асфальту і щебеню. Встановлено, що при повторному їх використання можливе повне відновлення і поліпшення їх будівельних властивостей, за рахунок їх зміцнення мінеральними в'яжучими на основі техногенних відходів промисловості Казахстану.
Для перекриття необхідного величезного дефіциту в дорожньо-будівельних матеріалах є можливість використовувати техногенні відходи і побічні продукти промисловості, що покриє потребу в нових дорожньо-будівельних матеріалах і сприятиме охороні навколишнього середовища в багатьох регіонах країни. Обсяг накопичених різних шлаків і шламів по Республіці перевищує 1 мільярд тонн, а золи винесення гідроудалення до 2 млрд.тонн. Щорічно обсяг зазначених відходів продовжує зростати.
Використана література:

Розробка і обґрунтування нових технологій дорожньо-будівельних і ремонтних робіт, в т.ч. стабілізації грунтів, матеріалів і нових дорожніх конструкцій, в т. ч. з використанням техногенних відходів промисловості дорожньо-будівельного виробництва. Науково-технічний звіт т .і. Мінтранському РК, КАД і сік, Алмати, 2003, с.210.

Телтаєв Б.Б. та ін. До районування території Казахстану по розрахунковій літній температурі асфальтобетонних покриттів автомобільних доріг //міцність матеріалів і конструкцій на транспорті/ том III, Алмати: КОЗАТК, 1996, с. 134-139.

Асматулаєв Б.А. Будівництво дорожніх одягів з повторним використанням матеріалів реконструйованих доріг //Вид. Еверо, Алмати, 1999, С .210.
Асматулаєв Б.А., Турсумуратов М. Т., Асматулаєв Р. Б. та ін рекомендації щодо застосування «Дорзін» при будівництві та ремонті автомобільних доріг. // ПР РК 218-67-2008, МТК РК КАД, Астана,2008, с. 21
Илиополов С. Н. Колія: Нові аспекти, проблеми. // Ж.
Автомобільний шлях. М. 2003.
Мірошниченко С. і. стратегічний матеріал. // Ж. автомобільні дороги. №04 (953), М.2011, С 47-52.
Фінські норми на асфальт.// PANK, Гельсінкі, 1995. С. 70