Сложной является также связь между плотностью и морозостойкостью цементогрунта. Она существенно изменяется в зависимости от вида укрепляемого грунта, содержания цемента в смеси, технологии производства работ и других факторов. Однако во всех случаях с повышением плотности цементогрунта повышается и его морозостойкость.

На дорожном строительстве рыхлые материалы уплотняют укаткой, вибрацией или трамбованием. Возможно также объединение двух различных видов уплотнения в одном процессе, например при использовании виброкатков (которые подвергают материал одновременно укатке и вибрации). По мере повышения степени уплотнения эффективность затрат энергии на уплотнение цементогрунта снижается.

Рис. 9.12. Зависимость пределов прочности цементогрунта при растяжении от степени уплотнения (тяжелый суглинок + 12% цемента + 16% воды)

Цементогрунт чаще уплотняют укаткой. Под действием катка в уплотняемом слое возникают упругие и остаточные деформации. Соотношение между их величинами определяется параметрами катка (массой, удельным давлением, площадью, по которой передается давление на уплотняемую поверхность) и свойствами уплотняемого материала, прежде всего его упругостью. Эффективность затрат энергии на уплотнение конструктивного слоя дорожных одежд характеризуется величиной остаточной деформации. Чем больше после каждого прохода катка остаточная деформация и меньше упругая, тем эффективнее используются затраты энергии на уплотнение цементогрунтового слоя.

В процессе укатки свойства цементогрунтового слоя изменяются: увеличиваются его плотность, прочность и упругость. Соответственно уменьшаются остаточные деформации и возрастают упругие. Эффект уплотнения максимален при первом проходе и снижается при каждом последующем проходе катка. После определенного количества проходов катка дальнейшее уплотнение практически прекращается. В уплотняемом слое при проходе катка возникают только упругие деформации, и дальнейшая работа по уплотнению данным катком не дает положительного эффекта.

Изменение плотности суглинистого цементогрунта в зависимости от количества проходов 10-тонного катка показано на рис. 9.13. Уплотнение цементогрунта наиболее эффективно происходит в начальной стадии. После четвертого-пятого проходов катка дальнейшее нарастание степени уплотнения резко замедляется. Эффективность уплотнения существенно снижается также по глубине слоя.

Рис. 9.13. Изменение плотности цементогрунтового слоя в зависимости от количества проходов катка (тяжелый суглинок + 20% песка + 10% цемента + 12% воды): 1 — плотность цементогрунтового слоя на глубине 5 см; 2 — то же, на глубине 12 см

На глубине 12 см плотность цементо-грунта на 6-8% ниже, чем на глубине 5 см.

Применяемые в практике дорожного строительства 8—10-тонные самоходные и прицепные катки в большинстве случаев не обеспечивают получения требуемой степени уплотнения цементогрунтовых слоев. Для их уплотнения необходимо применять тяжелые, преимущественно на пневматических шинах, катки массой 20-30 т и более.

В супесчаных цементогрунтовых слоях толщиной 10—20 см значение коэффициента уплотнения, полученного при использовании 5-тонных катков, составляет 0,95-0,97 и при использовании 25-тонных катков — 0,97-0,98. Для суглинистых цементогрунтов в аналогичных условиях значения коэффициента уплотнения колеблются в пределах 0,92—0,96. Некоторое повышение степени уплотнения цементогрунтового слоя может быть достигнуто путем снижения толщины укатываемого слоя. Однако следует учитывать, что в тонких слоях (менее 5-8 см) под действием тяжелых катков могут возникать разрушающие деформации сдвига. Поэтому (и по экономическим соображениям) толщину цементогрунтовых слоев, уплотняемых укаткой, обычно принимают не менее 8—10 см. Эффективность укатки может быть повышена также путем регулирования состава и изменяющихся во времени свойств цементогрунтовой смеси.

Затраты энергии на уплотнение цементогрунтовых слоев и характер кривой затухания эффекта уплотнения в значительной мере определяются пластично-вязкими свойствами цементогрунта в период укатки. Минимальные затраты энергии будут при оптимальной влажности смеси.

В момент уплотнения вода в смеси играет роль смазки, уменьшающей трение между твердыми частицами смеси. Следовательно, ее количество должно быть достаточным для смачивания суммарной поверхности всех частиц твердой фазы в смеси.

Оптимальная влажность цементогрунтовой смеси обычно на 2-3% больше оптимальной влажности, определенной для укрепляемого грунта до введения в него цемента. Укатку цементогрунтовых смесей следует производить в сжатые сроки, пока они (смеси) сохраняют необходимую для успешного уплотнения пластичность, обеспечиваемую достаточным содержанием свободной воды и отсутствием значительного количества кристаллизационных связей.

Повысить пластичность цементогрунтовой смеси в целях создания условий, благоприятных для уплотнения, без увеличения содержания воды можно введением в ее состав пластификаторов. Наиболее исследовано (на Дорогах Западной Сибири) применение в качестве пластификатора сульфитно-спиртовой барды.

На рис. 9.14 показаны графики повышения плотности с увеличением количества проходов катка на смежных участках цементогрунтового основания, построенных с добавками ссб и без добавок. Для укрепления цементом (12%) были использованы суглинистые грунты.

Рис. 9.14. Нарастание плотности цементогрунтового слоя с добавками и без добавок ссб:
1 — цементогрунт без добавки ссб, Ку — 0,89; 2 — цементогрунт с добавкой 2% ссб, Ку = 0,95; 1 — грунт до обработки; 11 — после прохода грунтосмесительной машины Д-391; 1—15 — количество проходов катка по
одному следу

Содержание воды принимали 14%. Уплотнение осуществлялось прицепным 10-тонным катком на пневматических шинах. Введение в смесь 2% (от массы цемента) ссб повысило плотность цементогрунта на 6%.

При использовании 25- и 45-тонных катков введение в смеси пластифицирующих добавок позволит строить цементогрунтовые слои толщиной 10—20 см плотностью, характеризуемой коэффициентом уплотнения, близким к 1.

Для каждого вида цементогрунтовой смеси ссб необходимо строго дозировать. Положительные результаты получаются только при введении оптимального количества ссб. Отклонение от оптимальной дозировки в ту или другую сторону существенно снижает положительное влияние пластификатора.
Исследования, выполненные в Харьковском автомобильно-дорожном институте В. Д. Ставицким, показали, что снижение скорости укатки способствует формированию структуры цементогрунта повышенной прочности, причем наиболее эффективно снижение скорости укатки в конце процесса уплотнения, т. е. при последних (но еще эффективных) проходах катка.

При уплотнении цементогрунтовых слоев лучшие результаты дает применение катков на пневматических шинах. Это объясняется значительной площадью контакта шин с поверхностью укатываемого слоя, а также высоким и сравнительно равномерным давлением в пределах площади контакта.

В то же время катки на пневматических шинах не всегда обеспечивают получение требуемой плотности в поверхностном слое цементогрунта. Из-за деформации пневматических шин под нагрузкой на поверхность уплотняемого слоя действуют, кроме вертикальных, также касательные (сдвигающие) усилия. В поверхностном слое цементогрунта возникают повышенные напряжения в местах воздействия на него протекторов шин. Следовательно, каждый проход катка на пневматических шинах воздействует на тонкий поверхностный слой цементогрунта двояким образом: во-первых, уплотняет его, во-вторых, частично разрушает уже возникшие в цементогрунте связи и в некоторой степени разрыхляет его на глубину 1-3 см. Поэтому для обеспечения достаточной плотности и прочности поверхностного слоя цементогрунта целесообразно заканчивать его уплотнение тремя-четырьмя проходами самоходного катка с жесткими гладкими вальцами.
Исследования СоюзДорНИИ показали, что эффективность уплотнения цементогрунтовых смесей катками на пневматических шинах существенно зависит от давления воздуха в шинах. Для связных грунтов давление в течение первых двух-трех проходов должно быть не менее 0,4-0,5 МПа.

С увеличением времени после начала смешения грунта с цементом свыше 2 ч первоначальное давление в шинах должно возрастать примерно на 0,1-0,15 МПа на каждый час задержки начала уплотнения. В процессе уплотнения давление в шинах следует постепенно повышать примерно на ОД МПа на каждые два прохода катка. Повышение влажности смеси позволяет несколько снижать давление в шинах.

Скорость самоходных катков на пневматических шинах рекомендуется принимать 2—3 км/ч на первых двух и двух последних проходах. На промежуточных проходах для сокращения длительности укатки скорость катков можно повышать до 12—15 км/ч.