Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Скрыпников А.В. 1 Козлов В.Г. 1 Ломакин Д.В. 1 Логойда В.С. 1
1 Воронежский государственный университет инженерных технологий
Цель исследования – изучить вопрос укрепления грунтов нефтеполимерными вяжущими. Объект исследования – грунт, укрепленный комплексным вяжущим. Предмет исследования – физико-химический и химический процесс, протекающий со времени внесе­ния реагентов в грунт. С целью выяснения условий работы дорожных одежд с покрытием из слабопрочных известняков, а также для установления видов деформаций разрушений щебе­ночных покрытий и их состояния было выполнено обследование ряда участков лесовозной автомобильной дороги. Метод исследования – натурные наблюдения и экспери­мент. Для качественного улучшения структурно-механических свойств нефтегрунтов пред­лагается модифицирование сырой нефти полимерными добавками, что приведет к направ­ленным изменяющим процессам структурообразования различного рода нефтеполимеро­грунтовых материалов. Ввиду малой изученности вопроса укрепления грунтов нефтеполи­мерными вяжущими сделаны предположения по взаимодействию компонентов комплексных вяжущих, влаги и минералов грунта. Как показали лабораторные исследования и опорное строительство, грунты, укрепленные данным комплексным вяжущим, пригодны для устрой­ства конструктивных слоев дорожных одежд. При укрепле­нии песчаных грунтов происходит чисто механическое пронизывание и обволакивание грун­товых частиц (ввиду малого количества глинистых частиц) без образования прочной про­странственной структуры. Процесс структурообразования ускоряется благодаря оптималь­ному механическому уплотнению смеси, так как происходит сближение частиц и увеличение числа контактов в единице объема. На втором этапе структурообразования (свыше 60–90 су­ток) происходит увеличение набора прочности укрепления грунтов за счет испарения легких фракций нефти, полимеризации нефти под действием природных факторов (солнечный свет и тепло) и окисления нефти в результате взаимодействия ее с кислородом воздуха. Образованные полимеры способны хорошо связывать минеральные заполнители, что в свою очередь ведет к увеличению прочностных характеристик укрепленного грунта.
комплексные вяжущие
нефть
песчаный грунт
дорожная одежда
поли­меры
1. Анализ тягово-динамических качеств тракторов [Электронный ресурс] / А.В. Скрыпников [и др.] // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4; URL: www.science-education.ru/110-9803.
2. Информационные технологии для решения задач управления в условиях рационального лесопользования / А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова, В.Н. Логачев, А.И. Вакулин // «Международный журнал экспериментального образования» № 2: материалы VI международной научной конференции «Современные проблемы науки и образования». – Москва, 27–29 февраля 2012 г. – С. 77–78.
3. Методы, модели и алгоритмы повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесных автомобильных дорог в процессе проектирования, строительства и эксплуатации: монография / А.В. Скрыпников [и др.]. – Москва: издательство ФЛИНТА: Наука, 2012. – 310 с.
4. Повышение безопасности движения автомобилей и автопоездов по дорогам в районах лесозаготовок / А.В. Скрыпников [и др.] // «Международный журнал экспериментального образования» № 2: материалы VI международной научной конференции «Современные проблемы науки и образования». – Москва, 27–29 февраля 2012 г. – С. 76–77.
5. Скрыпников А.В. Роль состояния лесовозных автомобильных дорог в обеспечении удобства и безопасности движения в неблагоприятные периоды года / Скрыпников А.В., Умаров М.М., Чернышова Е.В. // Ежемесячный научный журнал «Актуальные вопросы науки, технологии и производства». – Санкт-Петербург, 2015. – № 2 (6). – С. 66–68.
6. Скрыпников А.В. Метод оптимизации планов ремонта участков лесных автомобильных дорог [Электронный ресурс] / А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6; URL: www.science-education.ru/100-5155 (дата обращения: 04.10.2014).
7. Скрыпников А.В. Модель определения экономических границ зон действия поставщиков материалов в условиях вероятностного характера дорожного строительства лесовозных автомобильных дорог / А.В. Скрыпников [и др.] // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8. – С. 379–385.
8. Скрыпников А.В. Оптимизация межремонтных сроков лесовозных автомобильных дорог / А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8–3. – С. 667–671.
9. Козлов В.Г. Исследование и проектирование структуры информационного обес­печения автомобильного транспорта / В.Г. Козлов, И.Н. Журавлев, Г.И. Котов, М.М. Умаров // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2016. – № 1 (67). – С. 57–62.
10. Козлов В.Г. Математическая модель статистической идентификации информационного обеспечения автомобильного транспорта / В.Г. Козлов, И.Н. Журавлев, Е.В. Кондрашова, М.М. Умаров // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2016. – № 1 (67). – С. 45–51.
11. Козлов В.Г. Микроскопические модели движения транспортных потоков при пере­возке грузов в агропромышленном комплексе / Козлов В.Г., Чан Ван Зы, Кондрашова Е.В., Скворцова Т.В., Чернышова Е.В. // Материалы международной научно-практической конфе­ренции «Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инноваци­онном развитии агропромышленного комплекса». – Воронеж, ВГУИТ, 2015. – С. 104–113.
12. Козлов В.Г. Модернизация имитационной системы процесса функционирования автомобильных дорог с использованием информационных технологий / В.Г. Козлов, Е.В. Кондрашова, А.А. Заболотная, Т.В. Скворцова // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1–1.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view id=19651).

Грунты, укрепленные сырой нефтью и жидкими битумами, имеют ряд отрицательных черт: недостаточная адгезия, излишняя пластичность или деформативность, недостаточные водо- и теплоустойчивость.

В то же время применение одних полимерных материалов для укрепления грунтов в дорожном строительстве приводит к образованию грунтовых смесей, имеющих высокие адгезионные и когезионные связи, а также прочностные свойства. Недостатком применения полимерных веществ при укреплении грунтов является их относительная дефицитность и большая стоимость, а также большая хрупкость и жесткость грунтовых смесей, трещинообразование и истираемость после их уплотнения.

При использовании нефтегрунтов для устройства конструктивных слоев дорожных одежд важнейшей задачей является придание данным материалам повышенной механической прочности и теплоустойчивости, уменьшения пластичности в летнее время года.

Для качественного улучшения структурно-механических свойств нефтегрунтов наиболее верным средством является модифицирование сырой нефти полимерными добавками, что приведет к направленным изменяющим процессам структурообразования различного рода нефтеполимерогрунтовых материалов.

На наш взгляд, отходы целлюлозно-бумажного производства – сульфатно-дрожжевой бражки типа КБЖ в комплексе с высокосмолистой нефтью – должны обладать хорошими вяжущими (склеивающими) способностями, а также гидрофобностью. Первое из этих предложений вытекает из природы КБЖ, так как в КБЖ содержатся активные группы – ОH, СО, СН, ОН и др., а в составе нефти более 60 % составляют смолистоасфальтеновые вещества, смолы, парафины, асфальтены, то есть вязкие составляющие [1–2].

В результате взаимодействия КБЖ и нефти с минеральными частицами грунта и отвердителями (окислителями) должны происходить процессы окисления, конденсации и полимеризации, а также испарения легких фракций нефти и воды, что и обуславливает их склеивающие и вяжущие свойства. Второе предложение о гидрофобности рассматриваемых реагентов объясняется наличием в нефти поверхностно-активных веществ – смол, асфальтеновых кислот и ангидридов.

Комплексные вяжущие – нефть + КБЖ, являются механическими смесями, которые не вступают в реакцию полимеризации между собой и при вводе в них отвердителей. Длительное хранение вяжущих показывает, что происходит расслоение компонентов комплексного вяжущего на составляющие части.

Ввиду малой изученности вопроса укрепления грунтов нефтеполимерными вяжущими можно сделать некоторые предположения по взаимодействию компонентов комплексных вяжущих, влаги и минералов грунта. Данный процесс представляет собой сложный физический, физико-химический и химический процесс, протекающий со времени внесения реагентов в грунт, так и во времени.

Имеющиеся результаты позволяют сделать предположение, что структурообразование нефтеполимергрунтовых смесей происходит в два этапа. На первом этапе, в начальный период, главная роль в формировании структуры укрепленного грунта принадлежит полимерной добавке. За счет введения в грунт отвердителей происходит полимеризация смол.

При укреплении глинистых грунтов происходит физико-химическое взаимодействие на разделе фаз с комплексным вяжущим чаще всего за счет электростатической неуравновешенности грунтовой системы.

Важную роль в данном процессе играет взаимодействие асфальтогенных и нефтеновых кислот, содержащихся в нефти с карбонатами кальция грунта с образованием водонерастворимых солей, что, в свою очередь, ведет к водостойкости укрепленного грунта.

Химические взаимодействия происходят по следующим схемам:

а) между лигнином КБЖ и бихроматом натрия и хромистыми соединениями катализатора К-5 [3–7]

skr01.wmf;

б) между карбонатами грунта с асфальтогенными и нефтеновыми кислотами нефти с образованием водонерастворимых кальциевых солей

skr02.wmf;

в) между нефтеновыми и асфальтогеновыми кислотами нефти с содержаниями гидросиликатов кальция грунта

skr03.wmf.

В приведенной схеме нефтеновые и асфальтогеновые кислоты представляются в виде

skr04.wmf.

Ионы кальция являются мостиками, одновременно между кислотами и минеральными частицами грунта.

Химические взаимодействия при применении в качестве окислителя извести (пушонку) могут проходить в следующем порядке [3–7]:

а) между сульфогруппами лигнина КБЖ и кальцием извести

лигнин skr05.wmf – лигнин;

б) между фенолами лигнина КБЖ или нефти с кальцием извести

лигнин (нефть) skr06.wmf лигнин (нефть);

в) между нефтью и известью

skr07.wmf;

г) между кремнеземом грунта и известью [3–7]

skrip1F.tif

Окисление высокомолекулярных углеводородов в нефти в настоящее время объясняется теорией разветвляющихся цепей реакций, развитой академиком И.Н. Семеновым. Согласно этой теории, в окисляющемся веществе при взаимодействии с кислородом образуются активные радикалы, являющиеся новыми центрами дальнейшего развития реакции.

Первичным процессом при окислении является образование свободного углеводородного радикала. При этом, если в соединении имеется боковая метильная группа, то это способствует разрыву цепей, если же содержание легко образует двухвалентный радикал за счет раскрытия двойной связи, то происходит агрегация молекул, то есть сшивание или разветвление.

Схемы сшивания имеют вид

skrip2F.tif

Схемы разветвления

skrip3F.tif

Таким образом, процессы старения органических высокомолекулярных соединений нефти протекают по типу цепных реакций.

Наибольшее количество кислорода и нефти поглощается:

– соединениями, имеющими в цепях главных валентностей двойные углерод-углеродные связи;

– присутствием метильного радикала у атома углерода;

– светом с длиной волны 2800А-3000А и повышением температуры ускоряют поглощение кислорода.

При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных веществ с выделением газообразных и жидких веществ (СО, СО2, Н2О, СН2О, СН3СНО, RCOOH).

skri1a.tif skri1b.tif

Дифрактометр Дрон-1

Ненасыщенные группы углеводородов, содержащиеся в нефти, сравнительно легко отдают водород, соединяющийся с кислородом воздуха, и переходят в разряд еще более ненасыщенных соединений, которые затем полимеризуются и образуют сложные высокоуглеродистые соединения.

Этот процесс протекает по следующей схеме:

skr08.wmf,

skr09.wmf.

В процессе старения нефти происходит изменение группового состава в начале в результате испарения легких фракций и масел, а затем накопления смол и асфальтенов и наконец превращение смол в асфальтены. Параллельно с изменением группового состава происходит изменение их структуры, повышается вязкость, теплоустойчивость, понижается пластичность [8].

Выводы

Грунт, укрепленный комплексным вяжущим, имеет смещенную структуру: коагуляционно-кристализационную, так как нефть при укреплении грунта образует эластичные связи ввиду малой когезии, а полимерная добавка – жесткие.

Отличительная особенность грунтов, укрепленных нефтеполимерными вяжущими, состоит в том, что структурообразование и набор прочности происходит как в воздушно-сухой, так и во влажной средах.

Данными вяжущими эффективно укреплять грунты разного гранулометрического и химико-минералогического состава.

Процесс взаимодействия грунта, воды и комплексного вяжущего можно представить по следующей схеме: при смещении вяжущего с грунтом из водного раствора КБЖ выпадают первичные полимерные агрегаты. В течение времени происходит рост цепей смол с образованием пространственных структур. Нефть и вода частично механически защемляются в образующейся сетке, частично ориентируется, а часть связывается химически. Избыточная вода будет при этом вытесняться и испаряться с легкими фракциями нефти.

Как показали лабораторные исследования и опорное строительство, грунты, укрепленные данными комплексным вяжущим, пригодны для устройства конструктивных слоев дорожных одежд. При укреплении песчаных грунтов происходит чисто механическое пронизывание и обволакивание грунтовых частиц (ввиду малого количества глинистых частиц) без образования прочной пространственной структуры [8, 12].

Процесс структурообразования ускоряется благодаря оптимальному механическому уплотнению смеси, так как происходит сближение частиц и увеличение числа контактов в единице объема. На втором этапе структурообразования (свыше 60–90 суток) происходит увеличение набора прочности укрепления грунтов за счет испарения легких фракций нефти, полимеризации нефти под действием природных факторов (солнечный свет и тепло) и окисления нефти в результате взаимодействия ее с кислородом воздуха. Образованные полимеры способны хорошо связывать минеральные заполнители, что в свою очередь ведет к увеличению прочностных характеристик укрепленного грунта.

Рентгенограммы снимались на дифрактометр Дрон-1 (рисунок).


Библиографическая ссылка

Скрыпников А.В., Козлов В.Г., Ломакин Д.В., Логойда В.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 12-1. – С. 102-106;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41054 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074