Full Text

Введение Ежегодно суммарный объем хранящихся на золотвалах РФ золошлаков увеличивается пропорционально росту потребности в энергетических ресурсах. Особенности складирования гидратированных золошлаковых смесей (ЗШС) в отвалах обусловливают перспективность их использования путем прямой многотоннажной утилизации. Большая часть направлений прямого использования золошлаковых материалов требует оценки их свойств и степени влияния на них прочих факторов. Так, например, для золошлаковых смесей гидрозолоудаления наибольшую полезность имеют исследования, направленные на изучение их механических характеристик и факторов, влияющих на их изменение. При использовании золошлаков в земляном полотне автомобильных дорог и вертикальных планировок территории особую роль играют механические характеристики этих материалов. Первые системные исследования механических характеристик золы-уноса, как материала для строительства насыпей, были выполнены коллективами авторов A.M. DiGioia и W.L. Nuzzo [1] и Gray и Lin [2]. Gray и Lin, B. Indraratna и др. [3] подобно изучали гранулометрический и минералогический составы, пуццолановые свойства, уплотняемость и прочностные характеристики активных зол-уноса, отобранных с электростанции Mae Moh в северном Тайланде. Результаты этих исследований подтвердили опыты Singh and Panda [4], Muhardy [5] и Marto [6], в работе которых отмечены те же особенности, характерные для золошлаковых материалов. Оценку прочностных характеристик в приборах трехосного сжатия проводили S.K. Pal и A. Ghost [7], Jakka и др. [8]. Результаты частичных геотехнических испытаний представлены в работах Kumar, Mohanty [9,10]. J.P. Martin и др. [11], опубликовано исследование инертных зол-уноса, отобранных на трех станциях (Delaware Valley: Pensilvania, New Jersey, Delaware), для оценки их применения в дорожных насыпях. N.S. Pandian [12] были проанализированы прочностные характеристики отвальной ЗШС и топливного шлака. А работы S.K. Tiwari [13], B. Kim и пр. [14] и Gimhan и пр. [15] посвящены в значительной мере оценке влияния гранулометрического состава зошлошлаковых смесей (а также комбинаций золы-уноса и шлака) на прочностные характеристики и несущую способность. В работе Muhunthan [16] также проводился анализ влияния гранулометрического состава и структуры ЗШС от сжигания твердых отходов. Специалистами из ТГАСУ М.В. Балюра и В.В. Фурсовым проанализированы физико-механические характеристики ЗШС из отвалов Томской ГРЭС-2, Северской ТЭЦ, Кемеровской ТЭЦ, Новокемеровской ТЭЦ [17,18]. Полезная информация о механических свойствах ЗШС в зависимости от влажности и пористости этого материала приведена в работе П.Ю. Дьяконова [19]. Значительные исследования ЗШС как техногенного грунта проведены в СибАДИ Е.В. Ивановым и В.В. Сиротюком [20-22]. А позднее эти данные дополнены Г.В. Долгих и другими при оценке CBR [23] гидратированных золошлаков Омской ТЭЦ-4. Кроме исследований ЗШС в чистом виде экспериментальные исследования слоистых золо-глинистых образцов в условиях трехосного сжатия были выполнены M.A. Khan с соавт. [24], а схожие исследования по смешению природных и техногенных грунтов проведены J. Prabakar [25]. В этих работах отмечен рост прочностных параметров композита ЗШС и глинистого грунта по сравнению с исходными грунтами. A.K. Sinha и соавт. [26] рассмотрели особенности расчета осадки насыпи из ЗШС на подтопляемом участке, используя Cone penetration test (СPT) и Standard Penetration Test (SPT). Схожие подходы в своей работе рассматривал Gruchot [27] с целью оценки пригодности лабораторных экспресс-методов оценки механических свойств ЗШС (крыльчатки образца армии США, конусного пенетрометра и портативного пенетрометра) для определения параметров прочности недренированной золы ТЭС. Результаты, полученные в [26], были применены при оценке устойчивости откосных частей на болотистом участке между Kalindi Colony и Kalindi Kunj в Нью-Дели, Индия. Расчеты устойчивости подтопляемого участка дамбы из ЗШС с применением метода конечных элементов были выполнены R. Ossowski и K. Gwizdala [28] в рамках проекта “DredgDikes”, проводимого в Польше. Для расчетов использовался программный комплекс Plaxis 2D с моделью Кулона - Мора и параметры из [29, 30]. В то же время основными параметрами, которые позволяют оценить несущую способность грунтовых материалов, являются калифорнийское число несущей способности (CBR) и модуль деформации. Согласно материалам [31-36] для природных грунтов эти параметры могут быть связаны с физическими параметрами, изученными в работах [1-25]: максимальной плотностью сухого грунта, оптимальной влажностью, числом пластичности, границей текучести и пр., но не все из них применимы к ЗШС и не установлена форма этих связей на практике. В современной практике проектирования информация о соотношениях между различными деформационными параметрами механических свойств грунтовых материалов имеет в основном эмпирический характер, выведенный для конкретных видов грунта [37]. В силу эмпирического подхода к проектированию дорожных конструкций в большинстве стран, иностранные специалисты, как правило, работают не со всем спектром деформационных параметров, а ограничиваются только определением CBR - калифорнийского числа несущей способности. Поэтому в литературе в основном связывают между собой CBR, модуль упругости и прочие параметры, определяемые экспресс-методами (OCR, SPT) [26, 27, 38], которые применительно к ЗШС РФ практически не были исследованы. Так, в работе [39] представлены уравнения для связи CBR и модуля упругости грунтов, выведенные W. Heukelom и C.R. Foster [40], W. Heukelomи A.J.G. Klomp [41], Green and Hall [42], Witczak [43] и Powell et. al. [44]. В работе Putri et al. [45] представлена зависимость NAASRA для значений CBR более 5 %. А в Национальной-исследовательской программе по исследованиям в области транспортных перевозок (Board National Research Council) [46] приведены формулы для перехода между модулем упругости и CBR. Текущий уровень исследований по оценке несущей способности ЗШС в основном базируется на оценке через калифорнийское число несущей способности, а значит, не может быть использован в РФ без установления форм связи между этим параметром и ранее определяемыми в работах [17-22] параметрами, что требует более системного изучения CBR ЗШС РФ и сопоставления с традиционными параметрами, такими как модуль деформации и пр. Кроме того, в исследованных работах стандартное уплотнение ведется по методу Проктора, что не соотносится с проводимыми в РФ испытаниями по методу СоюзДорНИИ, а следовательно, этот аспект также требует анализа и определения закономерностей между результатами, полученными различными методами. 1. Методика эксперимента и теоретические подходы 1.1. Использованные материалы Золошлаковые смеси, используемые в исследовании, отбирали на 4 электростанциях Российской Федерации: - Омская ТЭЦ-4 - АО «ТГК-11» (г. Омск, Омская область, Россия, GPS: 55.130423 N, 73.168744 E). ЗШС получали сжиганием угля Экибастузского угольного бассейна в пылеугольном котле; - Новочеркасская ГРЭС - ПАО «ОГК-2» (г. Новочеркасск, Донская область, Россия, GPS: 47.393471 N, 40.219859 E). ЗШС получали сжиганием антрацитового штыба Донецкого угольного бассейна в пылеугольном котле; - Серовская ГРЭС ПАО «ОГК-2» (г. Серов, Сверловская область, Россия, GPS: 59.657878 N, 60.778911 E). ЗШС получали сжиганием угля Экибастузского угольного бассейна в пылеугольном котле; - Апатитская ТЭЦ ПАО «ТГК-1» (г. Апатиты, Мурманская область, Россия, GPS: 67.597608, N, 33.469558E). ЗШС получали сжиганием угля Кузнецкого/Интинского (зависит от точки) угольного бассейна в пылеугольном котле. В соответствии с ASTM C-618-12 золошлаковые смеси были классифицированы как относящиеся к классу F с содержанием CaO менее 15 %. Химический анализ был выполнен на электронном микроскопе JEOL-5700 с рентгеновским энергодисперсионным спектрометром JED-2300 (табл. 1). Плотность частиц грунта определялась по ГОСТ 5180-2015 (аналог ASTM D854-14). Определение зернового состава велось по методике ГОСТ 12536-2014 (аналог ASTM D422) с дополнительными ситами по ASTM E11-09e1. По результатам определения зернового состава устанавливалась степень фракционированности и вычислялся коэффициент кривизны (Unified Soil Classification System ASTM D2487-11), что согласуется с требованиями ГОСТ 25100-2020. Максимальная плотность скелета грунта и оптимальная влажность определялись на большом приборе стандартного уплотнения СоюзДорНИИ в соответствии с ГОСТ 22733-2016 (аналог ASTM D698). Зерновой состав и некоторые физико-механические характеристики образцов исследованных золошлаковых смесей приведены в табл. 2. Таблица 1 Химический состав образцов золошлаковых смесей (мас. %) Table 1 Chemical composition of pond ash. Values in % by weight Источник материала Al203 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Fe2O3 Na20 MgO ПППa Омск 24,37 61,50 0,39 3,41 0,49 2,92 0,78 2,53 0,88 0,29 2,44 Новочеркасск 16,20 38,41 0,00 0,62 2,60 2,81 0,82 12,4 0,82 1,53 23,79 Серов 24,08 59,94 0,00 0,09 0,76 1,38 1,18 4,18 0,44 0,11 7,84 Апатиты 20,32 51,86 0,25 0,56 1,80 2,40 1,18 12,05 1,24 1,96 6,38 Примечание: a - потери при прокаливании, определенные при температуре 900 °C Таблица 2 Зерновой состав и физико-механические характеристики золошлаковых смесей Table 2 Grain composition and engineering properties of pond ash Параметр Источник материала Омск Новочеркасск Серов Апатиты Истинная плотность, г/см3 2,33 2,40 2,14 2,30 Зерновой анализ, мас. % В соответствии с USCS (ASTM D2487-11) Крупные пески (Course sand) 2,3 16,8 0,0 3,9 Средние пески (Medium sand) 6,9 14,1 1,2 2,4 Мелкие пески (Fine sand) 51,5 47,8 2,3 31,5 Пылеватые и глинистые частицы (Silt & clay) 39,3 21,3 96,5 62,2 Степень фракционированности Cu 3,71 37,5 1,67 20,0 Коэффициент кривизны Cc 1,78 0,24 1,07 0,14 Число пластичности - - - - Оптимальная влажность, % 32,1 17,7 46,1 30,0 Максимальная плотность скелета грунта, г/см3 1,23 1,38 1,01 1,21 2.2. Методы исследования 2.2.1. Максимальная плотность скелета грунта и оптимальная влажность по Проктору Максимальная плотность скелета грунта и оптимальная влажность золошлаковых смесей определены в соответствии с методикой ПНСТ 324-2019, который является аналогом ASTM D698. Для теста использовали стальную форму типа Б диаметром 150,0 мм и высотой 120 мм, а также уплотняющий молот типа А. 2.2.2. Калифорнийское число несущей способности (CBR) Определение калифорнийского числа несущей способности велось по методике ПНСТ 323-2019, который является аналогом ASTM D1883-16. Образцы для исследования были приготовлены при оптимальной влажности (unsoaked condition) и различных степенях уплотнения, соответствующих 7,21 и 56 ударам уплотняющего молота типа А на каждый слой, что примерно соответствует интервалам коэффициента уплотнения от 0,85-1,00. Для теста использовали стальную форму типа Б диаметром 150,0 мм и высотой 120 мм, цилиндрический плунжер диаметром 50 мм. Для нагружения образцов использовали универсальную машину AL-7000 LA 10, позволяющую задавать требуемую скорость нагружения (1,27 мм/мин) и прилагать нагрузки ступенями не более 44 Н. 2.2.3. Модуль деформации Модуль деформации определялся по методике ГОСТ 12248-2010 (который является аналогом ASTM D 2435-11). Испытания велись на образцах с оптимальной влажностью и максимальной плотностью скелета грунта. Испытания вели в компрессионном одометре автоматизированного комплекса «АСИС». В процессе испытания проводили две ветви нагружения и одну ветвь разгрузки. Вертикальные напряжения на первой ветви нагружения изменяли ступенями 25, 50, 100 и 200 кПа с контролем вертикальных деформаций, после условной их стабилизации на каждом уровне напряжений. 3. Результаты 3.1. Максимальная плотность скелета грунта и оптимальная влажность по Проктору Результаты определения максимальной плотности сухого грунта и оптимальной влажности по методу Проктора приведены на рис. 1. Рис. 1. Графики стандартного уплотнения ЗШС: - Новочеркасская ГРЭС; - Омская ТЭЦ-4; - Апатитская ТЭЦ; - Серовская ГРЭС Fig. 1. Standard compaction diagrams of pond ash: - Novocherkasskaya PP; - Omsk TPP-4; - Apatity TPP; - Serovskaya PP Данные показывают, что максимальная плотность связана с зерновым составом и плотностью частиц грунта, причем чем выше плотность частиц и больше крупность золошлакового материала, тем выше максимальная плотность скелета грунта. 3.2. Калифорнийское число несущей способности (CBR) Значения CBR в зависимости от плотности и типа ЗШС приведены на рис. 2. Toth с соавт. [47] отмечали, что величина CBR ненасыщенных образцов ЗШС варьируется от 22,0 до 36,4 %, а D. Kumar с соавт. в [9] получали значения CBR от 8,68 до 26,9 % для комбинаций золы-уноса и ЗШС. Это частично подтверждает Pandian [12], которая исследовала CBR отвальных шлаков, золы-уноса и топливного шлака при насыщении их водой и без насыщения. Полученные нами значения CBR сопоставимы с данными [9, 12, 47] для ЗШС другого генезиса при схожей степени уплотнения. Рис. 2. Зависимость CBR от степени увлажнения: - Новочеркасская ГРЭС; - Омская ТЭЦ-4; - Апатитская ТЭЦ; - Серовская ГРЭС Fig. 2. Dependence of CBR on the degree of moisture: - Novocherkasskaya PP; - Omsk TPP-4; - Apatity TPP; - Serovskaya PP 3.3. Модуль деформации Результаты определения модуля деформации, полученного по ветви первичного и вторичного нагружения при уровне напряжений 100-200 кПа, приведены в табл. 3. Таблица 3 Результаты определения модуля деформации Table 3 Deformation modulus results Источник золошлаковой смеси Модуль деформации, МПа 1-я ветвь 2-я ветвь Омская ТЭЦ-4 4,9 11,3 Новочеркасская ГРЭС 5,8 13,1 Серовская ГРЭС 3,9 8,2 Апатитская ТЭЦ 4,8 11,1 4. Обсуждение 4.1. Сопоставление максимальной плотности скелета грунта и оптимальной влажности по методам СоюзДорНИИ и Проктора Анализ полученных данных и результатов ранее проведенных исследований (см. табл. 2) показывает, что есть корреляции между максимальной плотностью скелета грунта и оптимальной влажностью, полученными по методам СоюзДорНИИ и Проктора. Эти корреляции имеют ярко выраженный линейный характер и приведены на рис. 3. а б Рис. 3. Корреляции между: а - оптимальными влажностями различных ЗШС; б - максимальными плотностями скелета грунта различных ЗШС Fig. 3. Correlations between: a - optimal moisture content; b - maximum dry density Предварительно можно говорить о некоторой эмпирической связи для параметров, полученных по различным методам, которые выведены на основе текущего исследования и приведены ниже: (1) (2) где Wp - оптимальная влажность по методу Проктора; Ws - оптимальная влажность по методу СоюзДорНИИ; ρp - максимальная плотность скелета грунта по методу Проктора; ρs - максимальная плотность скелета грунта по методу СоюзДорНИИ. 4.2. Калифорнийское число несущей способности (CBR) Результаты указывают на однозначно положительное влияние степени уплотнения на CBR для всех представленных ЗШС, а также слабое влияние химического состава на свойства ЗШС, относящихся к классу F (кислым ЗШС). Однако не прослеживается ярко выраженной зависимости между плотностью и величиной СBR (рис. 4) различных типов ЗШС. Это в первую очередь может говорить о влиянии прочих факторов на CBR. Рис. 4. Зависимость CBR от плотности скелета грунта Fig. 4. Dependence CBR on soil skeleton densityю Как и в работе [33], не было обнаружено четкой корреляции между плотностью сухого грунта и CBR, что говорит о необходимости провести дополнительные исследования для определения CBR различных ЗШС и установить возможность корреляции с другими параметрами (степень уплотнения, влажность, зерновой состав). Значения CBR, полученные в ходе исследования, показывают, что ЗШС имеют несущую способность не ниже, чем у прочих природных грунтов, которые были ранее изучены в работах [31-36]. Вероятно, это связано с влиянием при испытаниях на CBR прочностных характеристик материала. Также полученные значения были выше, чем в работе [23], что, по-видимому, говорит о получении заниженных значений CBR при использовании трамбовки от прибора СоюзДорНИИ по сравнению с методом Проктора. 4.3. Сопоставление калифорнийского числа несущей способности (CBR) и модуля деформации Сопоставление данных по определению CBR и модулей деформации не позволяет говорить о наличии четкой корреляции между этими параметрами для золошлаковых материалов различного генезиса, о которой говорится в работах применительно к природным грунтам [39, 42-45] (рис. 5). Рис. 5. Зависимость модуля деформации от калифорнийского числа несущей способности: - ветвь первичного нагружения; - ветвь вторичного нагружения Fig. 5. Dependence of the deformation modulus on the California bearing ratio: - primary loading; - secondary loading Результаты испытаний указывают на некоторую зависимость между плотностью ЗШС и модулем упругости, что отражено на рис. 6. Это говорит о влиянии на CBR не только деформационных характеристик, но и других параметров материала. Рис. 6. Зависимость модуля деформации от плотности скелета грунта: - ветвь первичного нагружения; - ветвь вторичного нагружения Fig. 6. Dependence of the deformation modulus on the dry density of the soil: - primary loading; - secondary loading Эти результаты говорят о необходимости дополнительного сопоставления прочностных характеристик исследованных ЗШС и параметра CBR. Выводы 1. Связь между максимальной плотностью скелета грунта и оптимальной влажностью золошлаковых смесей различного генезиса, полученных по методу СоюзДорНИИ и Проктора, ярко выражена и описывается линейной зависимостью. 2. Рост плотности, хотя и ведет к повышению CBR, не имеет корреляции со значениями плотности сухого грунта при изучении ЗШС различного генеза. Однако при рассмотрении конкретного золошлакового материала положительно влияет на CBR (рост составляет 1,07-1,35 % на 0,01 ед. коэффициента уплотнения). 3. Модуль деформации не имеет статистически значимой корреляции (R2 < 10 %) с CBR при изучении ЗШС различного генеза. Однако имеется ярко выраженная связь между модулями деформации и плотностью скелета грунта (R2 > 98 %). 4. Значения CBR золошлаковых смесей класса F, исследованных в работе, показывают значения выше, чем у ряда природных грунтов, причем одно из наиболее рациональных объяснений этому - повышенные значения угла внутреннего трения. 5. Следует отметить, что требуются более объемные исследования этой тематики для определения причин повышенного CBR и изучения факторов, влияющих на него.

About the authors

A. A Lunev

Siberian State Automobile and Highway University

A. V Iavinskii

Siberian State Automobile and Highway University

References

Statistics

Views

Abstract - 1074

PDF (Russian) - 215

Refbacks

• There are currently no refbacks.