При использовании однопроходных грунтосмесительных машин и производстве работ сразу по всей ширине проезжей части (двумя-тремя машинами одновременно) все производственные операции от начала приготовления цементогрунтовой смеси до окончания ее уплотнения могут быть выполнены за короткий период (1-1,5 ч). При выполнении работ многопроходными машинами (фрезами и автогрейдерами) на большой захватке (в несколько сот метров) цементогрунтовая смесь подвергается внешним механическим воздействиям в течение 6-7 ч, а иногда и более.

При производстве работ цементогрунтовая смесь подвергается периодической обработке (смешению, уплотнению) рабочими органами машин, а также воздействию их ходовых частей (колес, гусениц). Происходящие при этом нарушения структурных связей не опасны, пока в цементогрунтовой смеси преобладает тиксотропная коагуляционная структура. Но с развитием кристаллизационных новообразований механические воздействия на цементогрунтовую смесь постепенно приобретают все более ярко выраженный отрицательный характер. Чем позже подвергнется разрушению под действием машин недостаточно окрепшая и несформировавша-яся кристаллизационная структура, тем больше снизится конечная прочность цементогрунта.

Кроме того, развитие кристаллизационной структуры и снижение пластичности цементогрунтовой смеси сопровождаются повышением ее сопротивления механическим воздействиям. В конечном итоге наступает момент, когда с помощью современных машин уже невозможно закончить с требуемым качеством укладку и уплотнение цементогрунтового слоя.

Для получения плотного цементогрунтового слоя с высокими прочностными свойствами все технологические операции по приготовлению смеси, ее укладке в дорожную одежду и уплотнению необходимо производить в течение первого этапа, т. е. в период преобладания тиксотропной коагуляционной структуры.

Допустимую длительность технологического процесса в настоящее время определяют весьма приближенно. Существуют различные рекомендации, разработанные в результате исследований, проводимых по различным методикам и с различной полнотой.

В большинстве случаев предельную длительность технологического процесса от момента увлажнения смеси (или введения цемента во влажный грунт) до окончания ее уплотнения назначают исходя из сроков схватывания цемента, определенных стандартным методом. Однако эти сроки недостаточно характеризуют изменение пластичности и удобообрабаты-ваемости цементогрунтовых смесей, так как время возникновения и развития кристаллизационной структуры зависит не только от активности и состава цемента, но и от активности грунтовой среды.

Кристаллизационная структура развивается быстрее в песчаных и супесчаных грунтах с малой емкостью поглощения и медленнее „в глинистых грунтах с большой емкостью поглощения.

Удобообрабатываемость цементогрунтовых смесей можно оценить также их пластической прочностью (В. Б. Пермяков, СибАДИ). При этом в процессе структурообразования цементогрунта выделяют два периода:
индукционный период, характеризующийся преобладанием обратимой коагуляционной структуры. Кристаллизационная структура проявляется в виде отдельных кристаллов. Цементогрунтовая смесь обладает пластичностью, обеспечивающей ее уплотнение до максимальной плотности; период упрочнения структуры цементогрунта, характеризующийся интенсивным кристаллообразованием с появлением кристаллических сростков, создающих жесткий каркас. Пластичность смеси резко снижается. Механическое воздействие на нее в этот период приводит к необратимому разрушению новообразований кристаллической структуры и к снижению конечной прочности цементогрунта.

Переход от одного периода к другому происходит постепенно, однако его можно с достаточной для практических целей точностью определить с помощью конического пластомера (рис. 9. 6).

Рис. 9.6. Схема конического пластомера:
1 — штатив; 2 — грузовая площадка; 3 — направляющие кронштейны; 4 — стрелка-указатель для измерения глубины погружения; 5 — металлический стержень; 6 — стопорный винт конуса; 7 — конус; 8 — стопорный винт стержня; 9 — опорная площадка прибора

Он представляет собой прибор Вика, в котором игла заменена конусом с углом при вершине 30°. Принцип его действия основан на измерении меняющейся нагрузки, необходимой для погружения металлического конуса в цементогрунтовую смесь на глубину, постоянную для всех измерений.

В коагуляционных структурах с помощью конического пластомера определяют предельное напряжение сдвига. В коагуляционно-кристаллизационных структурах при погружении конуса возникают также явления смятия. Поэтому для таких систем показатели, полученные с помощью конического пластомера, являются условными.

Конец индукционного периода характеризуется резким увеличением показателей пластической прочности цементогрунтовой смеси. Производство работ при такой ее пластической прочности приводит к резкому снижению конечного качества цементогрунтового слоя. Некоторое (менее интенсивное и постепенное) повышение пластической прочности смеси наблюдается также в течение всего периода индукции. Следовательно, чем раньше после начала индукционного периода будет обработана смесь (перемешана, уложена слоем заданной толщины и уплотнена), тем меньше для этой цели потребуется затрат энергии и тем выше будут качественные показатели цементогрунта.

В наибольшей степени отражается ухудшение удобообрабатываемос-ти смеси на ее уплотнении. При одинаковых затратах энергии степень уплотнения цементогрунтовой смеси снижается с увеличением продолжительности технологического процесса. Снижение степени уплотнения в сочетании с необратимыми повреждениями части кристаллизационной структуры при запаздывании уплотнения приводит в свою очередь к снижению прочности и морозостойкости цементогрунта. Отрицательное влияние оказывает как удлинение промежутка времени между увлажнением смеси и началом уплотнения, так и увеличение продолжительности самого процесса уплотнения.

На рис. 9.7 показаны кривые, характеризующие снижение плотности цементогрунта с увеличением времени, затрачиваемого на приготовление влажной смеси, ее укладку и уплотнение. Кривые построены по результатам испытания образцов из супесчаных и суглинистых цементогрунтов с различным (6-14%) содержанием цемента. На ординате по вертикали отложены отношения показателей плотности, полученных при различной продолжительности технологического процесса (через т часов), к максимальной плотности, полученной стандартным методом. Уравнения кривых, показанные на рис. 9.7, справедливы при значениях т в пределах от 0,5 до 8 ч, т. е. в пределах, с достаточной полнотой характеризующих реальные производственные условия.

Как видно из рисунка, изменение содержания цемента не отразилось на закономерности снижения конечной плотности. При удлинении технологического процесса в большей степени снижается плотность песчаных цементогрунтов и в меньшей — глинистых. Это объясняется тем, что в суглинистых цементогрунтах с большим содержанием глинистоколло-идной фракции структурообразующие процессы протекают медленнее, чем в песчаных грунтах и, следовательно, большую длительность имеет индукционный период с наибольшей (для данного состава смеси) удобообрабатываемостью.

Рис. 9.7. Влияние длительности технологического процесса х на плотность цементогрунтов:
О — 6% цемента; Д — 14% цемента; 5тах — плотность контрольных образцов; 5Т — плотность образцов при различных значениях т

В результате физико-химических процессов, протекающих между продуктами гидролиза цемента и глинисто-коллоидной фракцией грунта, последний поглощает часть структурообразующих веществ и этим задерживает рост кристаллизационных новообразований.

Соответственно уменьшаются и повреждения кристаллизационной части структуры при уплотнении. В песчаных цементогрунтах образование кристаллизационной структуры происходит с большей скоростью и поэтому у них быстрее возрастает сопротивление уплотнению при его запаздывании. Увеличение длительности технологического процесса до такой степени, что уплотнение цементогрунтовой смеси приходится выполнять в неблагоприятных условиях, при снижении его удобоукладываемос-ти приводит к недоуплотнению цементогрунта, сохранению в нем повышенной пористости, ухудшению условий для физико-химических процессов, протекающих между его компонентами, к необратимому нарушению сплошности части кристаллического каркаса. В итоге конечная прочность цементогрунта также получается ниже прочности лабораторных образцов, изготовленных и уплотненных в короткие сроки, не выходящие за пределы индукционного периода.

На рис. 9. 8 показана зависимость пределов прочности цементогрунта при сжатии от длительности технологического процесса, полученная экспериментальным путем по результатам испытаний образцов супесчаных и суглинистых цементогрунтов с различным содержанием цемента. У супесчаных цементогрунтов, имеющих более короткий индукционный период, с увеличением длительности технологического процесса происходит более резкое снижение относительной прочности. Менее интенсивное снижение прочности суглинистых грунтов объясняется замедлением реакций гидролиза и гидратации цемента под влиянием тонкодисперсной глинистой части грунта с меньшим объемом кристаллизационных новообразований, подвергающихся повреждениям при механическом воздействии на смесь.

Всякое удлинение времени обработки грунтовой смеси снижает не только прочность цементогрунтовых слоев, но и их морозостойкость и долговечность.

Положительные результаты по повышению качества цементогрунта могут быть получены при искусственном замедлении процессов струк-турообразования в цементогрунтовой смеси при введении в нее специальных добавок. В СибАДИ (В. Б. Пермяков) изучалось влияние на ход структурообразования в цементогрунтах добавок сульфитно-спиртовой барды (ссб) и смеси ссб с добавкой карбоната калия К2СОэ. Эти добавки значительно замедляют процессы структурообразования, что при неизменной длительности технологического процесса приводит к значительному повышению прочностных свойств цементогрунтов (рис. 9.9). Замедление структурообразующих процессов в цементогрунтовых смесях происходит в результате адсорбции ссб на частицах цемента с образованием гидрофильной пленки. Последняя удерживает относительно толстый слой воды и ослабляет силы молекулярного сцепления между частицами, что в свою очередь увеличивает подвижность цементогрунтовой смеси.

Рис. 9.9. Влияние добавки ссб на интенсивность изменения прочности (а) и плотности (б) цементогрунта:
1 — супесчаный грунт + 10% цемента + 11,2% воды; 2 — то же + 0,2% ссб; Л(сж)тш, р(ск)тах — прочность и плотность контрольных образцов; Ясж, рск — прочность и плотность при различных значениях х

Повышение удобообрабатываемости смеси при введении ссб позволяет получить более высокие показатели плотности цементогрунта без увеличения затрат энергии на его уплотнение. Соответственно увеличиваются и пределы прочности цементогрунта при сжатии и растяжении. Последнему способствуют также некоторые изменения в процессах кристаллообразования. Наличие ссб в смеси способствует увеличению количества мелких кристаллов, образующих более плотные сростки.

Однако прочность цементогрунтов повышается только при малых количествах добавок ссб (0,1-0,2% массы грунта). Превышение оптимального количества добавок ведет к снижению прочности. Это объясняется тем, что при значительном насыщении смеси ссб и усилении адсорбционной пленки на цементных частицах она нарушает сплошность кристаллического каркаса. Кроме того, воздухововлекающее действие добавки ссб повышает его пористость и также снижает прочность. Влияние добавок ссб результативнее при укреплении супесчаных грунтов с меньшим содержанием глинистых частиц. В суглинистых грунтах адсорбция ссб тонкодисперсными грунтовыми частицами происходит более интенсивно, поэтому дозировка ссб после соответствующей лабораторной проверки может быть повышена.

Комплексные добавки увеличивают индукционный период в 2,6-5 раз и повышают прочность цементогрунтов на 30-48%.

Рис. 9.10. Влияние поверхностно-активных добавок на продолжительность индукционного периода (/ивд):
а — легкий суглинок + 10% цемента + 12% воды; б — супесчаный грунт + 10% цемента + 11,2% воды