THE USE OF FLY ASH AS FOUNDATION BASES

Abstract


Environmental issues are gaining more and more attention from public and environmental organizations. Nowadays there has been a great discussion in finding the forms and methods of energy production for the future. At the moment there is a huge amount of industrial waste in Russia which contributes to environmental pollution and occupies large areas. It is possible to single out a certain group of production wastes which create typical environmental problems in each region of Russia. Recycling of large-scale waste requires a developed network of enterprises that will implement modern technologies and produce necessary products from wastes. The building materials industry is such a promising industry where large-scale waste is used. Scientific and technological progresses in the building production are not possible without the use of new materials in structures that comply with such parameters as lightweight, technological effectiveness, low thermal conductivity and high chemical resistance. The article presents the laboratory tests of fly ash. The strength, deformation and heaving properties of ash are determined. The results are compared with the previously obtained results of laboratory investigations of soft plastic clay soils. There is also an attempt to improve the mechanical characteristics of fly ash by reinforcement with geosynthetic materials. Basalt chopped fiber was chosen as a reinforcement. The article presents the test methods, results and analysis of studies. The test results are given in tables and the conclusions are given too.

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

  1. Исследование свойств современных строительных материалов на основе промышленных отходов / В.В. Барахтенко, А.Е. Бурдонов, Е.В. Зелинская [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-12. - С. 2599-2603.
  2. Nayak G.C., Jain S.C., Omran M.E. Use of fly ash for roller compacted concrete // Proceedings of the National Workshop on Utilization of Fly Ash. - Roorkee, India, 1998. - P. A-111-A-117.
  3. Kaniraj S.R., Gayathri V. Geotechnical behavior of fly ash mixed with randomly oriented fiber inclusions // Geotextiles and Geomembranes. - 2003. - Vol. 21, iss. 3. - P. 123-149.
  4. Смоленский О.В. Использование зол уноса ТЭЦ в производстве строительных материалов в строительстве автодорог // Технологии бетонов. - 2012. - № 1-2 (66-67). - С. 10-11.
  5. Нетеса Н.И., Паланчук Д.В., Нетеса А.Н. Легкие бетоны с золой уноса приднепровской ТЭС // Наука та прогрес транспорту. - 2013. - № 5 (47). - С. 137-145.
  6. Путилин Е.И., Цветков В.С. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. - М.: Изд-во СоюздорНИИ, 2003. - 58 с.
  7. Бартеньева Е.А., Машкин Н.А., Шоева Т.Е. Использование золы уноса в производстве пенобетона // Естественные и технические науки. - 2015. - № 11. - С. 600-603.
  8. Энтин З.Б., Стржалковская Н. Еще раз о золах уноса ТЭС для производства цемента // Цемент и его применение. - 2009. - № 2. - С. 106-111.
  9. Chauhan M.S., Mittal S., Mohanty B. Performance evaluation of silty sand subgrade reinforced with fly ash and fibre // Geotextiles and Geomembranes. - 2008. - № 26. - P. 429-435.
  10. Malysev M.A. Investigation of the deformation of clayey soils resulting from frost heaving and thawing in foundations due to loading // IV International Conference on Permafrost. - USA, Washington. National Academy Press, 1984. - P. 259-263.
  11. Мащенко А.В. Влияние армирования геосинтетическими материалами на пучинистые свойства грунтов // Вестник гражданских инженеров. - 2015. - № 6 (53). - С. 100-103.
  12. Бабаев В.Б., Строкова В.В., Нелюбова В.В. Базальтовое волокно как компонент для микроармирования цементных композитов // Вестник Белгород. гос. технолог. ун-та им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 4. - С. 58-61.
  13. Анализ влияния различных типов армирования на деформационные характеристики глинистого грунта [Электронный ресурс] / А.Н. Богомолов, А.Б. Пономарев, А.В. Мащенко, А.С. Кузнецова // Интернет-вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. - 2014. - № 4 (35). - URL: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/11BogomolovPonomarevMashchenkoKuznetsova-20 14_4(35).pdf (дата обращения: 10.04.2017).
  14. Гришина А.С., Мащенко А.В., Пономарев А.Б. Результаты исследований прочностных характеристик глинистых грунтов, армированных различными геосинтетическими материалами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2015. - № 4 (20). - С. 9-21.
  15. Kuznetsova A.S., Ofrikhter V.G. Strength evaluation of fiber reinforced sand by triaxial testing // EuroGeo 5. 5th European Geosynthetics Congress, 16-19 September 2012. - Valencia, Spain, 2012. - Vol. 4. - P. 353-356.

Statistics

Views

Abstract - 12

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Mashchenko A.V., Ponomarev A.B., Spirova T.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies