Full Text

При производстве материалов, обладающих энергосберегательными функциями, в качестве наполнителя могут применяться различные виды минерального сырья [1]. Использование таких минеральных отходов способствует решению задач, поставленных в приоритетном направлении науки, технологии и техники в России [1]. Конструирование на основе минерального сырья теплоизоляционного материала может способствовать достижению двух целей - природоохранной, суть которой заключается в переработке крупномасштабных отходов промышленности и теплоэнергетики, и научно-технической, которая заключается в воплощении высоких технологий, а именно в производстве новых материалов для строительной индустрии, характеризующихся различными исключительными свойствами [2]. Одним из ярких примеров минеральных отходов является зола уноса (рис. 1). Рис. 1. Зола уноса Fig. 1. The fly ash Зола уноса - это тонкодисперсный материал, который состоит из частиц размером до 0,14 мм, образуется в результате сжигания твердого топлива, после чего улавливается электрофильтрами и в сухом состоянии при помощи пневмотранспорта поступает в силосы-накопители [3]. На сегодняшний день известно широкое применение золы уноса для приготовления строительных материалов [4]: - легких бетонов, используемых при подготовке оснований автодорог [5]; - шлакосиликатных бетонов, которые применяют для ремонта дорог, аэродромов, мостов, а также при устройстве полов, стойких к кислоте, в химических цехах, животноводческих комплексах, металлургических производствах [6]; - пенобетона, повышающего агрегативную устойчивость смеси в период между началом и окончанием схватывания цементного теста [7]; - замещает цемент в производстве строительных растворов, товарных бетонов, готовых изделий, используется в качестве добавки к цементу, при этом, не снижая его активность, применяется в подготовке бетонов для строительства дорог, а также в качестве примеси к глине в процессе изготовления черепицы и кирпича [8]. В зарубежной практике используют золу уноса как альтернативу обратной засыпки [9]. Известно также, что ее применяют на территории нашей страны при строительстве дорог, так как она увеличивает прочность, водостойкость и морозостойкость, водоотталкивающие и теплоизоляционные свойства. При этом зола уноса используется в основном с песком при соотношении 30 % золы уноса и 70 % песка, что повышает прочностные характеристики песка, в частности удельное сцепление [10]. Однако применение золы в качестве самостоятельного основания под фундаменты зданий, особенно взамен слабых глинистых грунтов, изучено недостаточно. Территория Пермского края, как и многие территории РФ, подвержена сезонному промерзанию грунтов [11]. Глинистые грунты при промерзании подвергаются морозному пучению, что приводит к неравномерным деформациям фундаментов зданий и сооружений [12]. Как поведет себя зола уноса в основании фундамента в условиях морозного пучения, также изучено недостаточно. Для установления возможности применения золы уноса в качестве основания под фундаменты были проведены лабораторные испытания с золой уноса в чистом виде, а также с внедрением базальтовых волокон. Базальтовое волокно - это современный фрикционный и теплоизолирующий минеральный материал-изолятор, получаемый обработкой базальта на специальных расплавных печах [13]. Значения характеристик золы уноса сравнивались с характеристиками глинистых мягкопластичных грунтов, результаты лабораторных испытаний которых представлены в статьях [12, 14-16]. Испытания на прочностные характеристики проводились на базе Чешского университета на одноплоскостном приборе прямого среза (рис. 2). Физические характеристики золы уноса представлены в табл. 1. Рис. 2. Одноплоскостной прибор прямого среза Fig. 2. Single-plane direct-cutting device Таблица 1 Физические характеристики золы уноса Table 1 Physical characteristics of fly ash Характеристики Обозначения Значения Влажность ω д. ед. 0,22 Плотность ρ г/см3 1,52 Плотность скелета ρd г/см3 1,25 Испытания проводились согласно ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». Испытания на срез проводились при непрерывно возрастающей горизонтальной нагрузке с постоянной скоростью деформации образца. По результатам исследований были рассчитаны удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ. Значения представлены в табл. 2. Таблица 2 Прочностные характеристики неармированной и армированной золы уноса и мягкопластичной глины Table 2 Strength characteristics of unreinforced and reinforced fly ash and smooth clay Характеристики Зола уноса без армирования Зола уноса, армированная фиброволокном Мягкопластичная глина Удельное сцепление с 11,5 38 11 Угол внутреннего трения φ 39 27 10 По данным, приведенным в табл. 2, видно, что у неармированных образцов золы уноса значения удельного сцепления совпадают со значениями глины, а у образцов, армированных базальтовым волокном, возрастают почти в 3,5 раза. Угол внутреннего трения золы выше, чем у глины, также в 3,5 раза, однако при внедрении базальтовых волокон он снижается на 29 %. Лабораторные испытания золы уноса на деформационные характеристики проводились на базе кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета (СПГ ПНИПУ) в компрессионных приборах согласно ГОСТ 12248-2010. Для этого были сформированы образцы в компрессионных кольцах диаметром 71 мм и высотой 20 мм (рис. 3). В ходе испытаний к образцам прикладывалась нагрузка ступенями 12, 25, 50, 100, 200, 300 кПа. Нагружение образцов на каждой ступени продолжали до момента достижения условной стабилизации деформации образца. В качестве критерия условной стабилизации деформации образца принималось ее приращение, не превышающее 0,05 % за 3 ч. После испытаний был рассчитан модуль деформации Е, результаты представлены в табл. 3. По результатам исследований, приведенным в табл. 3, можно сделать вывод, что у образцов золы уноса модуль деформации выше, чем у глинистых грунтов, на 12 %. Внедрение в образцы золы базальтовых волокон снижает модуль деформации на 35 %. Рис. 3. Образцы золы уноса в компрессионных кольцах (без армирования и с армированием базальтовым волокном) Fig. 3. Samples of fly ash in compression rings (without reinforcement and those reinforced by basalt fiber) Таблица 3 Модуль деформации армированной и неармированной золы уноса и мягкопластичной глины Table 3 Deformation modulus of reinforced and unreinforced fly ash and soft clay Характеристики Зола уноса без армирования Зола уноса, армированная фиброволокном Мягкопластичная глина Модуль деформации Еoed, МПа 5,14 3,37 4,5 Лабораторные испытания золы уноса на пучинистые свойства проводились также на базе кафедры СПГ ПНИПУ с помощью прибора «УПГ-МГ4 Грунт» (рис. 4) согласно ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости». Для этого были сформированы образцы диаметром 100 мм и высотой 150 мм. Во время испытаний образец золы сначала выдерживался при температуре +1 оС в течение суток, затем на верхнем торце образца температура опускалась до -4 оС. Испытание продолжалось до тех пор, пока на нижнем торце образца температура не достигала 0 оС. При этом осуществлялся непрерывный поток воды к образцу с температурой +2 оС. После испытаний замерялась глубина промерзания образца и рассчитывалась относительная деформация пучения [12]. Результаты приведены в табл. 4. Рис. 4. Прибор для определения пучинистости грунтов «УПГ-МГ4 Грунт» Fig. 4. UPG-MG4 Soil - a device aimed at determining the degree of soils heaving По результатам исследований, приведенным в табл. 4, видно, что образцы магкопластичной глины являются среднепучинистыми, а образцы золы уноса - непучинистыми. Внедрение в золу базальтовых волокон приводит к увеличению деформаций пучения, хотя и к незначительному. Таблица 4 Относительная деформация пучения армированной и неармированной золы уноса и мягкопластичной глины Table 4 Relative deformation of heaving of reinforced and unreinforced fly ash and soft clay Характеристики Зола уноса без армирования Зола уноса, армированная фиброволокном Мягкопластичная глина Глубина промерзания образцов, мм 150 150 100 Относительная деформация пучения ɛth 0 0,0003 0,06 В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1) удельное сцепление золы уноса не отличается от значений мягкопластичной глины, однако угол внутреннего трения выше в 3,5 раза; 2) модуль деформации золы уноса выше, чем у мягкопластичной глины, на 12 %; 3) в отличие от мягкопластичной глины, зола уноса является непучинистой; 4) внедрение в золу уноса базальтового волокна в качестве армирования увеличивает сцепление золы в 3,5 раза, однако угол внутреннего трения при этом снижается на 29 %, а модуль деформации - на 35 %. В заключение можно отметить, что внедрение в золу уноса базальтовых волокон может быть актуально при увеличении устойчивости откосов и котлованов. Однако для снижения осадок и увеличения несущей способности оснований армирование золы уноса базальтовым волокном нецелесообразно. Зола уноса является непучинистой, что позволяет ее использовать в качестве противопучинистых мероприятий. Таким образом, есть возможность использования золы уноса в качестве оснований.

About the authors

A. V Mashchenko

Perm National Research Polytechnic University

A. B Ponomarev

Perm National Research Polytechnic University

T. A Spirova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 112

Refbacks

• There are currently no refbacks.