Укрепление песчаного земляного полотна
Т.И. ФАЗИЛОВ, Т.Ш. ОСМАНОВ
Для предотвращения деформаций основной площадки (просадок, пучин, сплывов и др.) при эксплуатации железных дорог в условиях пустынь песчаное земляное полотно укрепляют различными вяжущими веществами на основе органических, минеральных, а чаще всего комплексных связующих материалов.
Тонкослойные вяжущепесчаные покрытия предназначены временно блокировать перевеваемые пески и создавать благоприятные условия развития песколюбивых растений. В связи с этим к защитному слою в отличие от укрепленных грунтов предъявляются особые и достаточно жесткие требования.
Покрытие должно служить в течение трех лет при отсутствии механического воздействия на него (движение транспорта, хождение людей и др.). Его долговечность полностью зависит от погодоустойчивости вяжущего. Необходимо чтобы вяжущепесчаный слой, кроме атмосферостойкости, обладал способностью пропускать через себя атмосферную влагу и сохранять влажность песка, что особенно важно в аридных и экстрааридных условиях.
Получить такое защитное покрытие можно, используя термопластичные материалы, закономерность формирования оптимальной структуры которых подчиняется правилу створа и теориям прочности, деформативности и конгруэнтности свойств искусственных строительных конгломератов. Для этого специалистами различных научно-исследовательских институтов предложены и испытаны жидкое стекло, цемент, известь с добавкой фурфуроланилиновых, акриловых, фенольных, резорцино-формальдегидных, сланцевых и других смол, битуминозных вяжущих, сульфитно-спиртовой барды, сырой нефти и др.
Все без исключения продукты переработки нефти обладают высокой адгезией к минеральной поверхности песчинок, что способствует переводу песка из свободнодисперсной системы в связнодисперсную.
Темные продукты нефтепереработки с точки зрения коллоидной химии относятся к гидрофобным системам. При нанесении гидрофобных маслянистых жидкостей на песок происходит структурообразование, когда протекают разнонаправленные явления: притяжение и отталкивание взаимодействующих компонентов, так как песок — это полиминеральный материал, имеющий как положительно, так и отрицательно заряженные частицы.
Описанные в литературе явления гигантизма растений в местах, где ранее почва была насыщена нефтью, известные геоботанические методы поиска месторождений нефти, в которых индикатором наличия ее в недрах являются растения, опыт применения нефти в качестве удобрений, проявляемая олефильность к минералам песка дают основание сформулировать гипотетические предпосылки возможности создания вяжущепесчаного материала для закрепления песков на основе отходов нефтепереработки.
Из множества испытанных в натурных условиях и предложенных для внедрения в производство комплексных вяжущих только несколько используются в дорожном строительстве, как например, цемент+ССБ (сульфитно-спиртовая барда), известь+битумная эмульсия, цемент+госсиполовая смола. Более 70 предложенных вяжущих не применяют в основном из-за высокой стоимости полимерных добавок, сложной технологии и по другим причинам.
Авторы статьи предлагают комплексное вяжущее, состоящее из отходов производства — зола уноса Ангренской ГРЭС+отработанное масло+отходы полистирольного производства.
Зола состоит из активных соединений, которые при взаимодействии с кремнесодержащими минералами проявляют вяжущие свойства с образованием структуры кристаллизационного типа, формирующей каркас компонента.
На основе физико-химического анализа отработанных машинных, индустриальных масел, в состав которых входят турбинные, компрессорные, гидравлические, вакуумные, приборные, трансформаторные, кабельные и технологические масла различного назначения, и смесей отходов нефтепереработки установлено, что наиболее вязкими продуктами являются отработанные моторные масла. Смесь сливов нефтепродуктов имеет значительное обводнение и наименьшую вязкость, что требует введения добавок для улучшения сцепления смеси с поверхностью частиц песка.
Учитывая, что полистирол растворяется в органических растворителях, предполагается, что при определенных технологических режимах он образует в смеси с отработанным маслом коллоидный раствор, который в формирующемся каркасе займет ячейки смеси и придаст ей деформативные свойства, создавая структуру коагуляционного типа.
Сформулированные гипотетические предпосылки проверены лабораторными исследованиями. В качестве субстрата взяли песок Учкудукского месторождения с преобладанием кварца (60 %), полевого шпата и глинистой фракции (2 %), представленный в основном монтмориллонитом с примесью каолинита и гидрослюды. На поверхности многих зерен кварца имеются пленки окислов железа и примазка железисто-глинистого вещества, являющиеся, очевидно, теми веществами, через которые образуются связи между песком и вяжущим.
Зола уноса содержит СаО+МgО (16 — 20 %), полуторные окислы Al203+Fe203 (23 — 28 %), органические соединения (19 — 21 %).
Известно, что при укреплении песчаных грунтов цементом в количестве 5 % получаются такие же результаты, как при использовании примерно 30 % золы уноса от массы песка.
Масляно-полистирольную смесь с содержанием 3,5 % отходов полистирола готовят при помощи шестеренчатого насоса Д-161 производительностью 30 м3/ч и приводом от электродвигателя мощностью 4,5 кВт с частотой вращения вала 3000 об/мин при температуре 150 — 175 °С.
Математический метод планирования эксперимента позволил выявить оптимальное количество комплексного вяжущего, включающего в себя золу уноса (26,5 %) и масляно-полистирольную смесь (4 % от массы закрепляемого песка).
В результате перемешивания смеси формируется каркас и водо-морозоустойчивая кристаллизационно-коагуляционная структура материала смешанного типа, имеющая следующие пределы прочности:
на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов 8 кг/см2 и после периодического замораживания-оттаивания 6 кг/см2;
при сдвиге водонасыщенных образцов 4 кг/см2 и после периодического замораживания-оттаивания 3 кг/см2.
Применяя отходы нефтеперерабатывающей промышленности, важно соблюдать действующие законы об охране окружающей среды.
Следует также иметь в виду, что уровень токсичности отработанных моторных масел значительно ниже, чем у нэрозина, разрешенного для закрепления подвижных песков.
Заключение Московского научно-исследовательского института гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана № 03/ПМ8 подтверждает, что при исследовании пенополистирола в пробах воздуха стирола не обнаружено. Во всем мире ПСБ-С разрешено применять как при строительстве, так и при перевозке в контейнерах для пищевых продуктов. До настоящего времени никаких вредных для здоровья воздействий не наблюдалось.
Разработанный состав вяжущего для закрепления песчаных грунтов рекомендован к применению при текущем содержании пути и капитальном ремонте на участке Навои — Учкудук.
