Основание дорожного полотна может казаться прочным до наступления зимы, но терять несущую способность, когда весеннее таяние снега приводит к повторному наполнению его пор водой. Для подрядчика это изменение имеет большее значение, чем поведение грунта в сухую погоду. Полипропиленовые (PP) волокна может помочь уплотнённой почве сохранить прочность в процессе замерзания и оттаивания, однако правильная длина волокон и их дозировка зависят от типа почвы, влажности, степени уплотнения и требуемой прочности.
Компания «Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» поставляет волокна Ecocretefiber™ для цементных и других инженерных материалов. Когда проектная группа рассматривает возможность использования полипропиленовых волокон для грунта, мы начинаем с анализа грунта на объекте и проведения контролируемых испытаний. Полезным примером служит опубликованное лабораторное сравнение мягких грунтов, модифицированных волокном. Оно также демонстрирует, почему многообещающий результат 0,3% должен служить ориентиром при проведении испытаний, а не становиться универсальной формулой.
Почему циклы замораживания и оттаивания ослабляют дорожное основание
Для образования мороза необходимы: почва, подверженная морозу, условия замерзания и вода. Это Руководство Федерального управления автомобильных дорог по геотехническим вопросам выделяет ослабление грунта в результате весеннего таяния и зимнее пучение как отдельные проблемы. Вода может проникать в зону замерзания и образовывать ледяные линзы. Когда этот лёд тает, грунт может стать влажным и утратить способность выдерживать нагрузки.
Волокно изменяет способность части почвенного скелета сопротивляться деформации. Случайным образом распределенные волокна могут пересекать локальные зоны, в которых частицы склонны к разъединению. Частицы почвы цепляются за поверхность волокна, и волокно может воспринимать растягивающие нагрузки, когда сама почва обладает ограниченной прочностью на растяжение. Это практическое объяснение армирования, однако его масштаб зависит от границы раздела волокна с почвой, ориентации волокон, степени их смешивания и степени сжатия.
Сохранение прочности — это не то же самое, что предотвращение морозного пучения. Испытание на сжатие после оттаивания может показать, что армированный образец по-прежнему выдерживает нагрузку. Само по себе оно не позволяет измерить вертикальный пучение, миграцию воды, водопроницаемость или долгосрочные деформации дорожного покрытия. Дорожное покрытие в холодных регионах по-прежнему требует надлежащего дренажа, правильного уклона, расчета глубины промерзания и соответствующего конструктивного сечения. В руководстве FHWA описаны эти более общие меры по подготовке земляного полотна, включая влияние доступности воды на пучение. См. раздел FHWA, посвящённый морозу и воде.
Что на самом деле проверялся в рамках эксперимента с почвой и клетчаткой
Исследование, проведённое Ли Цзюньфа в 2020 году в журнале Журнал Уханьского технологического университета (Транспортные науки и инженерия) Использовался мягкий грунт, отобранный на глубине 3,5 м в восточной части равнины Сунляо. Согласно отчету, предел жидкости этого грунта составлял 42,81 TP3T, предел пластичности — 28,21 TP3T, максимальная сухая плотность — 1,768 г/см³, а оптимальное содержание воды — 18,61 TP3T. Исследовательская группа уплотняла цилиндрические образцы до целевого значения 98% и использовала по шесть образцов в каждой испытательной группе.
Исследователи сравнили номинальные длина волокон диаметром 6, 9 и 12 мм и содержанием 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% и 0,5%. Эти процентные доли представляют собой отношение массы клетчатки к массе сухой почвы. Например, 0,3% означает 3 кг волокна на 1 000 кг сухой почвы. Это не 0,3% влажной почвы и не конкретная дозировка в кг/м³.
В ходе каждого цикла замораживания-оттаивания образец выдерживали при температуре –15 °C в течение 12 часов, а затем при 20 °C — также в течение 12 часов. Группы подвергались 0, 5, 10, 15 или 20 циклам. Исследователи измеряли сдвиговое поведение с помощью испытаний на неуплотнённое недренированное трехосное сжатие при давлении сжатия 50, 100 и 200 кПа. Они также провели испытания на несжатое сжатие. Диаметр образца составлял 39,1 мм, а высота — 80 мм.
| Исследуемая переменная | Значения, использованные в эксперименте | Почему это важно |
| Содержание полипропиленового волокна | от 0,1% до 0,5% массы сухой почвы | Изменяет степень армирования и риск неравномерного распределения |
| Длина отрезанного волокна | 6, 9 и 12 мм | Изменения, влияющие на качество закрепления и простоту равномерного перемешивания |
| Воздействие циклов замораживания-оттаивания | 0, 5, 10, 15 и 20 циклов | Показывает, как изменялась испытанная прочность при данном режиме термообработки |
| Измерение прочности | UU — трехосное сдвиговое упрочнение и несвязанное сжатие | Дает ответы на два связанных между собой, но разных по сути вопроса |
Результаты данного эксперимента зависят от использованных в нём образцов и марок волокон. В ходе исследования не были установлены универсальные технические характеристики, применимые ко всем типам грунтов или ко всем имеющимся на рынке полипропиленовым волокнам. Кроме того, приведённые в нём технические характеристики волокон не должны заменять технический паспорт продукта Ecocretefiber™.
Что происходило при замораживании и размораживании образцов
При заданном содержании волокон и длине отрезков зарегистрированные значения прочности на сдвиг и на сжатие, как правило, снижались по мере увеличения числа циклов. Наиболее значительные изменения наблюдались на ранних этапах испытаний. Исследователи отметили, что после примерно 15 циклов в их установке кривая зависимости становилась более пологой.
Подробные результаты и выводы свидетельствуют о том, что средняя прочность на сдвиг грунт, модифицированный волокном был 10,71 TP3T ниже после 15 циклов по сравнению с показателями до начала циклирования. После 20 циклов среднее снижение составило 12,11 TP3T. Что касается прочности на сжатие без ограничения, то согласно подробным результатам среднее снижение составило 34,51 TP3T после 15 циклов и 38,01 TP3T после 20 циклов. Таким образом, в данном эксперименте при сжатии наблюдалась гораздо большая процентная потеря, чем при сдвиге.
Эти процентные показатели отражают изменение по сравнению с соответствующими образцами, модифицированными волокном, при нулевом числе циклов. Они не позволяют количественно оценить преимущество по сравнению с неармированным контрольным образцом грунта. Это различие имеет значение, когда в тендерной или проектной документации задается вопрос: “Насколько данный продукт превосходит необработанный грунт?” Для ответа на этот вопрос в отношении грунта, используемого в проекте, необходимо провести сравнительные испытания с использованием необработанного контрольного образца.
В аннотации статьи и в основной части приводятся разные значения процентной доли прочности на сжатие после 15 циклов. Мы используем подробные результаты и вывод, в которых указано значение 34,51 TP3T, и рекомендуем проверить исходный протокол эксперимента, прежде чем цитировать эту цифру в официальной спецификации. Это расхождение не меняет общей картины: циклы замораживания-оттаивания по-прежнему приводили к ослаблению исследуемой почвы, модифицированной волокнами.
Стабильная динамика после 15 лабораторных циклов не является доказательством того, что 15 циклов полностью отражают условия любого климата или проектный срок службы. Температуры в полевых условиях, уровень влажности, скорость замерзания и интенсивность движения отличаются от условий контролируемого воздействия. Соответствующие условия лабораторной подготовки и пороговое значение приемлемости должны быть указаны в плане геотехнических испытаний проекта.
Почему оптимальной дозировкой, подтвержденной испытаниями, оказалась 0,3 процента
При фиксированной длине и сопоставимых условиях испытаний прочность сначала увеличивалась, а затем снижалась по мере того, как исследователи добавляли всё больше волокон. Как результаты испытаний на сдвиг, так и на несвязанное сжатие достигали пиковых значений при 0,31 TP3T сухой массы почвы среди пяти протестированных продуктов. Большее содержание клетчатки не всегда означало лучший результат.
Когда содержание увеличивалось с 0,1% до 0,3%, отмеченное среднее увеличение предела сдвига зависело от длины волокон и давления сжатия. В рамках сравнений, описанных исследователями, оно составляло не менее 3,2%. Среднее увеличение прочности при несвязанном сжатии составило 136% для серии 6 мм, 82% для серии 9 мм и 79% для серии 12 мм. Каждое увеличение представляет собой сравнение двух армированное волокно смеси, использованные в эксперименте. Это не следует рассматривать как преимущество по сравнению с необработанной почвой.
При одинаковом количестве циклов и длительности испытания смесь 0,3% также продемонстрировала в среднем на 9,8% более высокую прочность на сжатие, чем смесь 0,4% в описанном сравнении. Вероятное инженерное объяснение заключается в том, что добавленные волокна со временем становится сложнее распределить равномерно и уплотнить. В исследовании не был выделен микроскопический механизм, поэтому мы подтвердили бы эту интерпретацию, изучив скопления, пустоты, содержание воды и плотность в ходе нового испытания.
Используйте 0.3% в качестве испытательный центр когда пробные образцы грунта и волокна соответствуют исследуемой системе. Проведите испытания на более низком и более высоком уровнях рядом с ней. Если для другого типа грунта требуется другое количество, руководствуйтесь результатами измерений. Записывайте процентное соотношение в пересчете на сухую массу в каждом протоколе испытаний, чтобы оператор установки не перепутал его с показателем в кг/м³ бетона.
Длина волокна по-разному влияет на сдвиг и сжатие
В данном сравнении прочность на несвязанное сжатие в целом увеличивалась по мере увеличения длины разреза с 6 до 9 и до 12 мм. Увеличение прочности при переходе от 9 до 12 мм было относительно небольшим. По всем пяти сериям дозировок средние заявленные приросты для этого последнего этапа составили 7,61 TP3T, 2,91 TP3T, 4,31 TP3T, 4,31 TP3T и 5,41 TP3T.
Результаты испытаний на сдвиг демонстрировали иную картину. При более низком содержании волокон прочность на сдвиг достигала максимума при длине 9 мм, а затем снижалась при длине 12 мм. При содержании 0,3% и выше отмечаемая прочность на сдвиг, как правило, продолжала расти с увеличением длины. Авторы исследования рекомендовали длину 9 мм в качестве оптимальной для данной почвы и условий испытаний.
Более длинное волокно может перекрывать большее пространство, однако оно также может препятствовать равномерному перемешиванию или влиять на характер уплотнения материала. Короткое волокно может легко распределяться, но обеспечивает менее эффективное закрепление. При реализации строительного проекта длину волокна следует выбирать исходя из основных требований к прочности, а также с учетом того, как рабочая бригада сможет распределить его по всему уплотненному слою.
В настоящее время в списке Ecocretefiber™ указаны монофиламентное полипропиленовое волокно в нескольких длины отрезов, в том числе 6, 9 и 12 мм. На опубликованной странице продукта указана плотность 0,91 г/см³ и диапазон диаметров. В экспериментальной статье приведены другие значения плотности волокна и других характеристик данного сорта. Совпадение длины отрезка не означает, что эти два волокна идентичны или обеспечат одинаковую прочность грунта. Обратитесь к нашей команде за актуальной спецификацией по сортам материала и проверьте, подходит ли выбранный материал для вашей почвы.
Как превратить полученные результаты в полезное судебное разбирательство
Начните с отбора репрезентативной пробы с участка строительства. Определите её гранулометрический состав, пластичность, естественную влажность, кривую уплотнения и соответствующую морозостойкость. Мягкий грунт из одного региона может вести себя иначе, чем илистая насыпь, сыпучий наполнитель или грунт, обработанный известью. Если в проекте используется вяжущее, рассматривайте его как новую смесь и испытывайте соответственно.
Подготовьте набор контрольных образцов. Включите в него необработанная почва с такой же целевой влажностью и степенью уплотнения, затем сравните длину волокон и содержание сухой массы при одинаковых условиях подготовки. Запишите массу сухой почвы, массу волокон, количество добавленной воды, фактическую влажность и достигнутую плотность в сухом состоянии для каждой партии. Определите порядок смешивания, при котором волокна будут отделяться друг от друга, не образуя комков. Точную последовательность следует проверить на запланированном оборудовании.
Уплотните испытательные образцы с помощью контролируемого метода и измерьте их фактическую плотность. Соответствие номинальной дозе волокон без учета плотности может привести к вводящему в заблуждение сравнению прочности. Подвергните параллельные образцы воздействию выбранного для проекта режима замораживания-оттаивания и защитите их от неконтролируемой потери или поступления воды. Проведите испытания образцов, не подвергавшихся циклам воздействия, и образцов, прошедших циклы воздействия, и зафиксируйте любые трещины или изменения формы.
Выберите показатель эффективности до того, как ознакомитесь с результатами. ASTM D2166/D2166M-24 охватывает прочность на сжатие в свободном состоянии подходящих связных грунтов. ASTM D2850-26 Охватывает испытания на трехосное сжатие в условиях неконсолидированного, недренированного материала с ограничением. Данные методы предназначены для различных условий напряжённости, и их численные результаты не подлежат взаимному замещению. Следуйте действующей редакции договора и утверждённой лабораторией методике.
При проектировании дорожного покрытия следует учесть, требуются ли для данного проекта также прямые данные о пучистости и ослаблении при оттаивании. Прекращенный ASTM D5918-13e1 Исторически этот документ регулировал данные показатели, однако в 2022 году он был отозван. Не следует представлять его в качестве действующего стандарта приемки. Согласуйте соответствующую актуальную программу испытаний с проектировщиком-геотехником и заказчиком. Результаты испытаний на прочность после оттаивания сами по себе не могут служить основанием для подтверждения контроля пучения.
Подготовка смеси и проверка участка перед полномасштабной укладкой
Волокно может оказать положительное воздействие только в том случае, если оно равномерно распределяется в почве. Проверьте, легко ли распушивается выбранное волокно в конкретной смесительной машине. Осмотрите несколько образцов из одной партии, включая материал с начала и конца разгрузки. Обратите внимание на скопления и участки с необычно высоким содержание клетчатки. Затем убедитесь, что смесь по-прежнему можно укладывать и уплотнять с соблюдением заданной толщины слоя.
При расчетах на объекте следует учитывать показатели в пересчете на сухую массу. Если партия содержит 2 000 кг сухой почвы, 0,31 TP3T соответствует 6 кг волокна. Масса влажной почвы может быть выше и изменяется в зависимости от содержания воды. Поэтому бригада на объекте должна пересчитывать целевое значение на основе измеренной сухой массы или согласованной сухой плотности и объема партии, а не ориентироваться на номинальный вес грузовика.
На испытательной площадке измерьте влажность и плотность на месте, а также проверьте готовую поверхность. Отберите образцы или керны в соответствии с согласованным планом отбора проб. Даже хорошие лабораторные результаты не спасут слой с плохой уплотнённостью, влажными участками или неравномерным распределением. Проектирование дренажа и дорожного покрытия по-прежнему является частью решения проблемы морозоразорения, как указано в документе FHWA’s рекомендации по обработке земляного основания ясно показывает.
Компания «Шандун Цзяньбан» может предоставить образцы волокон и актуальные технические характеристики для проведения квалификационных испытаний. Сообщите нам классификацию грунта, требуемую длину волокон, планируемое оборудование для смешивания, диапазон влажности и необходимые испытания. Мы поможем выбрать марку полипропилена для испытаний, а инженер проекта определит критерии приемки.
Вопросы, которые часто задают покупатели и инженеры
Означает ли 0,3 процента 0,3 килограмма на кубический метр?
Нет. В данном исследовании это означает 0,3 кг волокна на 100 кг сухой почвы или 3 кг на 1 000 кг сухой почвы. Дозировка в кг/м³ зависит от плотности уплотнённой сухой почвы. Не следует применять нормы дозировки волокна для бетона при проведении испытаний почвы.
Помогло ли волокно предотвратить морозное пучение?
В ходе эксперимента были проведены испытания на сдвиг и сжатие после завершения цикла. При этом не было проведено непосредственных измерений морозового пучения, а также не был предусмотрен контрольный участок без обработки, что не позволило количественно оценить эффективность обработанного участка. Эти результаты требуют отдельной оценки в рамках проекта.
Должны ли все проекты в холодных регионах предусматривать 15 циклов замерзания-оттаивания?
Нет. Согласно отчёту, изменения прочности стали менее заметными примерно после 15 циклов в рамках одной лабораторной программы испытаний. В рамках проекта следует выбрать правила воздействия и приемки, отражающие климатические условия, характеристики воды, используемые материалы и требования контракта.
12 миллиметров — это лучше, чем 9 миллиметров?
Это зависит от конкретной задачи. Исследование показало небольшой средний прирост сжатия — от 9 до 12 мм, тогда как тенденции сдвига зависели от состава грунта и условий сдерживания. Исследователи рекомендовали использовать волокно толщиной 9 мм в качестве оптимального варианта для исследуемого грунта. Выбор следует подтвердить в ходе проектных испытаний.
Можно ли вбивать бетонное стержень с полипропиленовым волокном прямо в грунт?
Продукт, предназначенный для бетона, может быть доступен в подходящей длине отрезка, однако его поверхность, диаметр, дисперсия и эксплуатационные характеристики в грунте требуют подтверждения. Перед тем как указывать его в техническом задании, воспользуйтесь паспортом продукта и результатами испытаний на смешиваемость и прочность, проведенных с учетом конкретного грунта.
Заключение
Наиболее полезным выводом является характер реакции материала. В исследуемом мягком грунте многократные циклы замерзания и оттаивания привели к снижению прочности; из пяти испытанных уровней содержания волокон наилучшие результаты продемонстрировал уровень со средним содержанием волокон, а оптимальная длина отрезка зависела от того, что являлось основной задачей — сопротивление сдвигу или сжатию. Дозировка 0,3% для сухого грунта и рекомендация по длине нарезки 9 мм являются надежными отправными точками для сопоставимых испытательный срок, а не гарантированные расчетные значения для другого типа грунта или марки Ecocretefiber™.
Компания «Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» поставляет Ecocretefiber™ Варианты полипропиленовых волокон а также может помочь проектной группе выбрать образцы для лабораторной и полевой оценки. Свяжитесь с нашей командой с учетом данных о почве, плана подготовки грунта и целевых показателей приемки. Повторяемое испытание обеспечивает гораздо более надежную основу для принятия решения о закупке и определения технических требований к основанию.
