Материалы

Современные представления о теории укрепления грунтов органическими вяжущими

С.С. Фадеев, В.Н. Игнатюк

Впервые в нашей стране теоретическую схему взаимодействия при укреплении грунтов битумом дал М.М. Филатов [1]. По его схеме битуминозные вещества способны образовывать особые поглотительные соединения с высокодисперсной частью грунта типа «битум-глина».

Для достижения требуемого эффекта укрепления грунта, по М.М. Филатову, количество битума определяется формулой

S = nA + pK + gЗ,                                                                                                               (1)

где A – количество адсорбированного битума;

K – количество битума, необходимое для сцепления частиц в одно целое;

3 – количество битума, необходимое, чтобы придать массе грунта способность противостоять механическим воздействиям;

n, p, g – количество соответственной функциональной части.

В последующем на основе физико-химических исследований академика П.А. Ребиндера [2] теория М.М. Филатова получила развитие в работах В.М. Безрука, Л.Н. Лысихиной, Л.Н. Ястребовой и др. [3,4]. В этих работах большая роль при укреплении грунтов органическими вяжущими отводится сорбционным процессам.

Под общим термином «сорбция», как известно, понимают те явления, которые приводят к концентрированию одного вещества на другом. Такое концентрирование может происходить как на поверхности вещества, так и в результате поглощения адсорбируемого вещества внутрь адсорбента – абсорбция. Поверхностные химические реакции адсорбата с адсорбентом есть хемосорбция. Рассмотрение теории взаимодействия грунта и вяжущего с этих позиций позволяет различать следующие виды битума в укрепленных грунтах.

Физически адсорбированный битум. Наличие такого битума наблюдается, когда между поверхностью частиц грунта и битумом происходит только физическое взаимодействие, т. е. концентрация веществ, способных понизить поверхностное натяжение на границе раздела вяжущее – грунт. При этом адсорбционная связь грунтов с органическими вяжущими слабее адсорбционных связей грунтов с водой ввиду незначительного дипольного момента вяжущего по сравнению с водой. Поэтому при соприкосновении грунтов укрепленных органическими вяжущими, с водой она может нарушить адсорбционную связь битума с минеральными материалами, оттеснив пленку битума с поверхности грунтовых частиц. Однако при этом всегда надо иметь в виду, что свойства вяжущего в адсорбированном состоянии резко отличается от свойств естественного вяжущего, повышенной плотностью, вязкостью, приближаясь к свойствам упругого тела. Также свойства адсорбированного вяжущего играют положительную роль при укреплении грунтов.

Хемосорбционный битум. Хемосорбционный битум находится на поверхности частиц грунта внутри сферы действия сил молекулярного притяжения. Наличие хемосорбционного битума есть результат химического взаимодействия отдельных компонентов вяжущего и грунта, в результате чего могут существенно изменяться как свойства вяжущего, так и свойства грунта.

Известно, что количество выделенной свободной энергии, характеризующей силу связи адсорбированного вещества при химическом взаимодействии, выражается десятками больших калорий на один моль, а при физическом молекулярном взаимодействии всего лишь 5-10 больших калорий на один моль. Именно поэтому при наличии между вяжущим и грунтом процессов химического взаимодействия сила сорбционной связи этих материалов, может быть выше, чем сила связывания гидрофильного грунта с водой, если последняя обусловлена только физической адсорбцией.

Свободный битум. Свободный битум находится вне сферы действия физико-химических сил дисперсной среды и дисперсной фазы, в данном случае грунта и вяжущего. Следовательно, он обладает малой плотностью, вязкостью и имеет пластические свойства.

Таким образом, рассматривая свойства физически адсорбированного, хемосорбционного и свободного битума можно полагать, что если физически адсорбированный битум может повысить плотность и вязкость укрепленного грунта, а хемосорбционный битум придать грунту водостойкость, то свободный битум понизит плотность, сопротивлению сдвигу и температуроустойчивость укрепленного грунта.

Работами Л.Н. Лысихиной, Л.Н. Ястребовой [3,4], а также автором данной статьи установлено, что процессы взаимодействия грунтов с органическими вяжущими зависят от следующих факторов:

- физико-химической активности адсорбента-грунта, которая, в свою очередь, определяется молекулярной природой грунта, величиной его поверхности, химико-минералогическим составом грунта;

- степени гидрофильности или гидрофобности грунта;

- физико-механических, химических свойств и группового состава органического вяжущего;

- технологических режимов приготовления смесей укрепленных грунтов и др.

Литература

1. Филатов М.М. Почвенный поглощающий комплекс и дорожные свойства грунтов / М.М. Филатов // Труды Главдортранса РСФСР. М., 1952. С. 100–115.

2. Ребиндер П.А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем. / П.А. Ребиндер. М.: Известия АН СССР, 1952. С. 120–150.

3. Безрук В.М. Основы стабилизации грунтов в дорожном строительстве / В.М. Безрук, А.Н. Лысихина: М.: Дориздат, 1951. 130 с.

4. Ястребова Л.Н. Исследование физико-химических процессов взаимодействия битумов с минеральными материалами / Л.Н. Ястребова // О стабильности битумов и их взаимодействии с минеральными материалами: сб. М.: Дориздат, 1957. С. 130–140.