sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2020-17-5-624-635sibadi-1144Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАCONSTRUCTION AND ARCHITECTUREПрогнозирование величины морозного пучения золошлаковых смесей для проектирования автомобильных дорогPredicting the frost heaving of bottom ash value for road designЛунёвА. А.LunevA. A.

Лунёв Александр Александрович - кандидат технических наук, руководитель НИЛ «ИТСМ», доцент кафедры проектирования дорог.644008, Омск, пр. Мира, 5.тел. 8-999-453-39-30

Alexander A. Lunev - Cand. of Sci., Head of the Technogenic Building Materials Studying Research Laboratory, Associate Professor of the Road Design Department, Siberian State Automobile and Highway University.644080, Omsk, Prospect Mira, 5.tel .: 8-999-453-39-30

lunev.al.al@gmail.comРазуваевД. А.RazuvaevD. A.

Разуваев Денис Алексеевич - кандидат технических наук, заведующий НИЛ «Контроль качества дорожных одежд и земляного полотна», доцент кафедры изысканий, проектирования и постройки железных и автомобильных дорог.630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

Denis A. Razuvaev - Cand. of Sci., Head of the Quality Control of Road Clothing and Soil Research Laboratory, Associate Professor of the Research, Design and Construction of iron and steel Roads Department, Siberian State Transport University.630049, Novosibirsk region, Novosibirsk, Dusi Kovalchuk st., 191.

ГолубенкоВ. В.GolubenkoV. V.

Голубенко Владимир Владимирович - кандидат технических наук, директор ООО «АДМ», доцент кафедры проектирования дорог.644008, Омск, пр. Мира, 5.

Vladimir V. Golubenko - Cand. of Sci., Associate Professor, Road Design Department, Siberian State Automobile and Highway University.644080, Omsk, Prospect Mira, 5.

ЧахловМ. Г.ChakhlovM. G.

Чахлов Михаил Геннадьевич - инженер НИЛ «Контроль качества дорожных одежд и земляного полотна».630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

Mikhail G. Chakhlov - Engineer of the Quality control of road clothing and soil Research Laboratory, Siberian State Transport University.630049, Novosibirsk Region, Novosibirsk, Dusi Kovalchuk st., 191.

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университетРоссияSiberian State Automobile and Highway UniversityRussian FederationСибирский государственный университет путей сообщенияРоссияSiberian State Transport UniversityRussian Federation202011112020175624635Copyright © Лунёв А.А., Разуваев Д.А., Голубенко В.В., Чахлов М.Г., 20202020Лунёв А.А., Разуваев Д.А., Голубенко В.В., Чахлов М.Г.Lunev A.A., Razuvaev D.A., Golubenko V.V., Chakhlov M.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/1144

Введение. Большинство исследователей, занимающихся вопросами использования золошлаковых материалов (в особенности в строительной области), концентрируют свое внимание на вопросах определения механических характеристик или изучения особенностей их влияния на окружающую среду. В то же время проектирование автомобильных дорог с насыпями из грунтовых материалов в северных регионах требует обязательного учета поведения материала в суровых климатических условиях.Хотя золошлаковые материалы являются типичным представителем дисперсных грунтовых материалов, они в некоторой степени подвержены морозному пучению (за счет особенностей внутренней структуры). Кроме того, данные материалы не были всесторонне исследованы при разработке стандартов и сводов правил РФ по проектированию дорог. По этим причинам в профессиональной среде развивается гипотеза о недопустимости применения золошлаков в насыпях автомобильных дорог из-за избыточного морозного пучения этого материала, что, по нашему мнению, является несколько некорректным упрощением.Методика исследования. Для выяснения реальных свойств морозного пучения золошлаковых смесей специалистами СГУПС были проведены дополнительные исследования по определению относительных деформаций морозного пучения образцов среднезернистой и крупнозернистой ЗШС, а специалистами СибАДИ выполнено сопоставление полученных результатов с более ранними исследованиями по определению относительных деформаций морозного пучения образцов мелкозернистых ЗШС, а также проведен анализ всего массива полученных данных.Результаты. В результате совместной работы получена эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать величину морозного пучения золошлакового материала в зависимости от его степени уплотнения, начальной влажности (при работе по закрытой схеме или влажности при промерзании по открытой системе), гранулометрического состава и температуры промораживания, что позволяет определить степень морозного пучения ЗШС по зерновому составу и расчетным характеристикам земляного полотна.Заключение. На основе полученных результатов исследований и их анализа были выведены эмпирические зависимости для прогнозирования величины морозного пучения, которые требуют дополнительной опытной проверки на прочих видах ЗШС.

Introduction

Introduction. Most of the researchers dealing with the use of ash and slag materials (especially in the construction) have focused on the study of their mechanical characteristics or assessment of their impact on the environment. At the same time, the design of roads with embankments of soil materials in the Northern regions requires taking into account the behavior of materials in cold climates.Although ash and slag materials are a typical dispersed soil, it is prone to frost heaving (due to the peculiarities of the internal structure). In addition, these materials have not been sufficiently tested in the development of the Russian Federation standards and codes for road design. Therefore, the professional environment is developing a hypothesis about the inadmissibility of using ash and slag materials in road embankments due to excessive frost heaving of this material, which, in our opinion, is not the case.Methods of research. To obtain real values of ash and slag frost heaving, specialists of Siberian State Transport University carried out additional studies to determine the relative deformations of frost heaving of medium-grained samples and coarse-grained ash slabs. SibADI specialists compared the results obtained with earlier studies to determine the relative deformations of frost heaving of fine-grained ash slabs samples, and analyzed the entire array of data obtained.Results. As a result of joint work, an empirical model was obtained that makes it possible to predict the amount of frost heaving of ash and slag material depending on its degree of compaction, initial moisture content (when working in a closed circuit or moisture in freezing through an open system), particle size distribution and freezing temperature. This makes it possible to determine the degree of frost heaving of ash and slag systems based on the grain size composition and the calculated characteristics of the subgrade.

 

 

строительствоавтомобильные дорогигрунтызолошлаковые смесиморозное пучениеconstructionhighwayssoilash and slag mixturesfrost heaveReferencesYang L., Sihong L., Eduardo A., Liujiang W., Lei X., Zhuo L. Volume changes and mechanical degradation of a compacted expansive soil under freeze-thaw cycles // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 157. Pp. 206-214. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.10.008.Yang L., Sihong L., Eduardo A., LiujiangW., Lei X., Zhuo L. Volume changes and mechanical degradation of a compacted expansive soil under freeze-thaw cycles. Cold Regions Science and Technology. 2019; 157: 206-214. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.10.008.Isakov A., Razuvaev D., Gudkova I., Chakhlov M. Modeling the operation of road pavement during the thawing of soil in the subgrade of highways // MATEC Web of. Conferences. X. 2018. Vol. 239. 05001. DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/201823905001.Isakov A., Razuvaev D., Gudkova I., Chakhlov M. Modeling the operation of road pavement during the thawing of soil in the subgrade of highways. MATEC Web of Conferences. X. 2018. 239. 05001. DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/201823905001.Talamucci F. Freezing processes in porous media: Formation of ice lenses, swelling of the soil // Mathematical and Computer Modelling. 2003. Vol. 37. Iss. 5-6. Pp. 595-602. DOI:https://doi.org/10.1016/S0895-7177(03)00053-0.Talamucci F. Freezing processes in porous media: Formation of ice lenses, swelling of the soil. Mathematical and Computer Modelling. 2003; 37 (5-6): 595-602. DOI:https://doi.org/10.1016/S0895-7177(03)00053-0.Sushovan D., Nadaf M.B., Mandal J.N. An Overview on the Use of Waste Plastic Bottles and Fly Ash in Civil Engineering Applications // Procedia Environmental Sciences. 2016. Vol. 35. Pp. 681-691. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.07.067.Sushovan D., Nadaf M.B., Mandal J.N. An Overview on the Use of Waste Plastic Bottles and Fly Ash in Civil Engineering Applications. Procedia Environmental Sciences. 2016; 35: 681-691. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.07.067.Haleema A., Luthrab B., Mannana S., Khuranaa S. Kumarc Critical factors for the successful usage of fly ash in roads & bridges and embankments: Analyzing indian perspective // Resources Policy. 2016. Vol. 49. Pp. 334-348. DOI:10.1016/j.resourpol.2016.07.002.Haleema A., Luthrab B., Mannana S., Khuranaa S. Kumarc Critical factors for the successful usage of fly ash in roads & bridges and embankments: Analyzing indian perspective. Resources Policy. 2016; 49: 334-348. DOI:10.1016/j.resourpol.2016.07.002.Hadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of Ash-Slag Wastes of Electric Power Plants of Mongolia Applied to their Utilization in Road Construction // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 1558-1562. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.111.Hadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of Ash-Slag Wastes of Electric Power Plants of Mongolia Applied to their Utilization in Road Construction. Procedia Engineering. 2016; 150: 1558-1562. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.111.Seymour J., Bozok O., Hughes A., Bodine B. Condition of coal ash embankments [Electronic resource] // 2015 World of Coal Ash (WOCA) : Conference in Nasvhille, TN, May 5-7. 2015. Pp. 1-27. URL:http://www.flyash.info/2015/028-seymour-2015. pdf (date of reference: 05.10.2020).Seymour J., Bozok O., Hughes A., Bodine B. Condition of coal ash embankments. 2015 World of Coal Ash (WOCA) : Conference in Nasvhille 5-7. 2015. 1-27. URL:http://www.flyash.info/2015/028-seymour-2015.pdf (date of reference: 05.10.2020).Пичугин Е.А. Аналитический обзор накопленного в Российской Федерации опыта вовлечения в хозяйственный оборот золошлаковых отходов теплоэлектростанций // Проблемы региональной экологии. 2019. № 4. С. 77-87. DOI:10.24411/1728-323X-2019-14077.Pichugin E.A. Analiticheskij obzor nakoplennogo v Rossijskoj Federacii opyta vovlecheniya v hozyajstvennyj oborot zoloshlakovyh othodov teploelektrostancij [Analytical review of the experience of involving ash slag waste of thermal power plants in economic circulation in the russian federation]. Problemy regional'noj ekologii. 2019; 4: 77-87. DOI:10.24411/1728-323X-2019-14077. (in Russian)Сиротюк В.В., Иванов Е.В., Шевцов В.Р. Результаты мониторинга опытного участка земляного полотна автодороги из золошлаковой смеси [Электронный ресурс] // Золошлаки ТЭС: удаление, транспортировка, переработка, складирование: материалы IV Международного научно-практического семинара. М.: Издательский дом МЭИ. 2012.8-С.6285-88. URL:https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29056375 (дата обращения: 05.10.2020).Sirotyuk V.V., Ivanov E.V., Shevcov V.R. Re-zul'taty monitoringa opytnogo uchastka zemlyanogo polotna avtodorogi iz zoloshlakovoj smesi [Elektronnyj resurs]. Zoloshlaki TES: udalenie, transportirovka, per-erabotka, skladirovanie : materialy IV Mezhdunarod-nogo nauchno-prakticheskogo seminara. Moskow, Izdatel'skij dom MEI. 2012. 85-88. URL:https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29056375 (data obrashcheniya: 05.10.2020). (in Russian)Иванов Е.В., Исаков А.Л., Сиротюк В.В. Экспериментальное исследование и математическое моделирование промерзания земляного полотна из золошлаковой смеси [Электронный ресурс] // Вестникт СибАДИ. 2013. Выпуск 3 (31). С. 71-76. URL:https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19032655 (дата обращения: 05.10.2020).Ivanov E.V., Isakov A.L., Sirotyuk V.V. Ek-sperimental'noe issledovanie i matematicheskoe modelirovanie promerzaniya zemlyanogo polotna iz zoloshlakovoj smesi [Experimental study and mathematical modeling of roadbed freezing made of ash mixture] [Elektronnyj resurs]. Vestnik SibADI. 2013; 3(31): 71-76. URL:https://www.elibrary.ru/item.as-p?id=19032655 (data obrashcheniya: 05.10.2020). (in Russian)Сиротюк В.В., Лунёв А.А., Иванов Е.В. Золошлаковая смесь для земляного полотна // Автомобильные дороги. 2016. № 6(1015). С. 72-79.Sirotyuk V.V., Lunyov A.A., Ivanov E.V. Zoloshlakovaya smes' dlya zemlyanogo polotna. Avtomobil'nye dorogi. 2016; 6(1015): 72-79. (in Russian)Фурсов В.В., Балюра М.В. Исследование морозоустойчивости золошлаковых отходов тепловых электростанций для целей строительства // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1. С. 242-252.Fursov V.V., Balyura M.V. Issledovanie moro-zoustojchivosti zoloshlakovyh othodov teplovyh elektrostancij dlya celej stroitel'stva [Research of frost resistance of ashes and slag waste of thermal power stations for construction purposes]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2013; 1: 242-252. (in Russian)Балюра М.В. Исследование строительных свойств золы Томской ГРЭС-2 // Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии, оснований и фундаментов. Томск: Изд-во ТГУ, 1988. С. 97-104.Balyura M.V. Issledovanie stroitel'nyh svojstv zoly Tomskoj GRES-2. Problemy gidrogeologii, inzhenernoj geologii, osnovanij i fundamentov. Tomsk, Izd-vo TGU, 1988. 97-104. (in Russian)DiGioia A.M., Nuzzo W.L. Fly Ash as Structural Fill // Journal of Power Division. 1972. Vol. 98. Iss. 1. Pp. 77-92.DiGioia A.M., Nuzzo W.L. Fly Ash as Structural Fill. Journal of Power Division. 1972; 98(1): 77-92.Gray D.H., Lin Y. K. Engineering Properties of Compacted Fly Ash // Soil Mechanics and Foundation Engineering Division. 1972. Vol. 98. No. 4. Pp. 361380.Gray D.H., Lin Y. K. Engineering Properties of Compacted Fly Ash. Soil Mechanics and Foundation Engineering Division. 1972; 98(4): 361-380.Martin J.P., Collins B.J., Biehl F.J. Properties and use of fly ashes for embankments // Energy. 1990. Vol. 116(2). Pp. 71-86.Martin J.P., Collins B.J., Biehl F.J. Properties and use of fly ashes for embankments. Energy. 1990; 116(2): 71-86.Ossowski R., Gwizdala K. Mechanical properties of a dike formed from a soil-ash composite // Procedia Engineering. 2017. Vol. 172. Pp. 816-822. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.129.Ossowski R., Gwizdala K. Mechanical properties of a dike formed from a soil-ash composite. Procedia Engineering. 2017; 172: 816-822. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.129.Sikora Z., Ossowski R. Geotechnical Aspects of Dike Construction Using Soil-Ash Composites // Proceedia Engineering. 2013. Vol. 57. Pp. 1029-1035. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.04.130.Sikora Z., Ossowski R. Geotechnical Aspects of Dike Construction Using Soil-Ash Composites. Proceedia Engineering. 2013; 57: 1029-1035. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.04.130.Balachowski L., Sikora Z. Mechancal properties of fly ash - dredged material mixtures on laboratory test // Studia Geotechnica et Mechanica. 2013. Vol. 35(3). Pp. 3-11. DOI:10.2478/sgem-2013-0026.Balachowski L., Sikora Z. Mechancal properties of fly ash - dredged material mixtures on laboratory test. Studia Geotechnica et Mechanica. 2013; 35(3): 3-11. DOI:10.2478/sgem-2013-0026.Hotineanu A., Bouasker M., Aldaood A., Al-Mukhtar M. Effect of freeze-thaw cycling on the mechanical properties of lime-stabilized expansive clays // Cold Regions Science and Technology. 2015. Vol. 119. Pp. 151-157. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.08.008.Hotineanu A., Bouasker M., Aldaood A., Al-Mukhtar M. Effect of freeze-thaw cycling on the mechanical properties of lime-stabilized expansive clays. Cold Regions Science and Technology. 2015; 119: 151-157. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.08.008.Cwiakala M., Gajewska B., Kraszewski C., Rafalski L. Laboratory investigations of frost susceptibility of aggregates applied to road base courses // Transportation research procedia. 2016. Vol.14. Pp. 3476-3484. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trpro.2016.05.312.Cwiakala M., Gajewska B., Kraszewski C., Rafalski L. Laboratory investigations of frost susceptibility of aggregates applied to road base courses. Transportation research procedia. 2016; 14: 3476-3484. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trpro.2016.05.312.Kraszewski C., Rafalski L. Laboratory Examination of Frost-Heaving Properties of Road Unbound Mixtures Based on Fines Content and Plasticity Index // Procedia Engineering. 2016. Vol. 143. Pp. 836-843. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.136.Kraszewski C., Rafalski L. Laboratory Examination of Frost-Heaving Properties of Road Unbound Mixtures Based on Fines Content and Plasticity Index. Procedia Engineering. 2016; 143: 836-843. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.136.Yangsheng B., Xiaoyan D., Qianli Z., Jinfei C. Frost Heave Deformation Analysis Model for Microheave Filler. [Electronic resource] // Geotechnical Engineering. Advances in Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2019. April 9th. Pp. 1-28. DOI:http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.82575. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/188c/f12c6c4977aa56efefaf0d9112cd0231d3c6.pdf (date of reference: 05.10.2020).Yangsheng B., Xiaoyan D., Qianli Z., Jinfei C. Frost Heave Deformation Analysis Model for Microheave Filler. [Electronic resource]. Geotechnical Engineering. Advances in Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2019. 1-28. DOI:http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.82575. URL:https://pdfs.semanticscholar.org/188c/f12c6c4977aa56e-fefaf0d9112cd0231d3c6.pdf (date of reference: 05.10.2020).Pingsheng W., Guoqing Z. Frost-heaving pressure in geotechnical engineering materials during freezing process // International Journal of Mining Science and Technology. 2018. Vol. 28. Issues 2. Pp. 287-296. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.003.Pingsheng W., Guoqing Z. Frost-heaving pressure in geotechnical engineering materials during freezing process. International Journal of Mining Science and Technology. 2018; 28 (2): 287-296. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.003.Liu H., Maghoul P., Shalaby A., Bahari A. Thermo-Hydro-Mechanical Modeling of Frost Heave Using the Theory of Poroelasticity for Frost-Susceptible Soils in Double-Barrel Culvert Sites // Transportation Geotechnics. 2019. Vol. 20. 100251. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2019.100251.Liu H., Maghoul P., Shalaby A., Bahari A. Thermo-Hydro-Mechanical Modeling of Frost Heave Using the Theory of Poroelasticity for Frost-Susceptible Soils in Double-Barrel Culvert Sites. Transportation Geotechnics. 2019; 20. 100251. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2019.100251.Иванов Е.В. Обоснование применения золошлаковых смесей для строительства земляного полотна с учетом водно-теплового режима. Омск, 2015. 165 с.Ivanov E.V., Obosnovanie primeneniya zoloshlakovyh smesej dlya stroitel'stva zemlyanogo polotna s uchetom vodno-teplovogo rezhima [Justification of the use of ash and slag mixtures for the construction of a roadbed, taking into account the water-thermal regime]. Omsk, 2015. 165 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.