Грунтовая смесь
Владельцы патента RU 2400593:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный лесотехнический университет (RU)
Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для укрепления глинистых грунтов при возведении оснований дорожных одежд, а так же при строительстве дорожных одежд низшего типа из глинистых грунтов. Технический результат: повышение прочности основания автомобильных дорог или верхнего слоя земляного полотна для всех категорий дорог, его несущей способности, стойкости к эрозии, не требуется замены и перемещения исходного грунта, обеспечивает высокую экономическую эффективность строительных и ремонтных дорог, повышение срока эксплуатации в условиях повышенной влажности и пониженных температур. Состав грунтовой смеси содержит глинистые грунты, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент и воду, который дополнительно содержит водорастворимый полиэлектролит при следующем соотношении компонентов, мас.%: глинистый грунт 67,0-85,0, портландцемент 4,0-10,0, водорастворимый полиэлектролит 0,01-0,02, вода остальное. 9 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для укрепления глинистых грунтов при возведении оснований дорожных одежд, а так же при строительстве дорожных одежд низшего типа из глинистых грунтов.
Известен состав для стабилизации грунта, содержащий гипс, цемент, известь, сажу в качестве минеральной добавки, доменный шлак и базальтовые волокна при следующем соотношении компонентов, мас.%: гипс - 35-42; известь - 17-23; цемент - 9-14; доменный шлак - 9-14; базальтовые волокна - 0,1-1,0; сажа - 17-22. (Патент РФ на изобретение № 2281356, МПК E01C 7/36, 2006).
Известен состав для создания основания дорожного полотна, позволяющий повысить его прочность и долговечность, содержащий мас.%: связный грунт 67-75, золаунос бурых углей 12,5-14,0, комовая негашеная известь 4-5, битум 1,5-2,0, хлористый кальций 1-1,5, вода 6-10,5 (Патент РФ на изобретение № 2239017, МПК E01C 3/04, 2004).
Известен состав для укрепления глинистых грунтов на основе 8% цемента и 0,05% пиридина (В.М.Безрук, И.Л.Гурячков, Т.М.Луканина, Р.А.Агапова «Укрепленные грунты. Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве.» - М.: Транспорт, 1982).
Известные составы имеют небольшую гидрофобность и стойкость к эрозии, поэтому их применение ограничено в климатических зонах с повышенной влажностью и при пониженных температурах.
Известен также состав строительной смеси для устройства оснований и конструктивных слоев автодорог, включающей, мас.%: цемент 6-8, грунт 81,5-87,0, отходы производства полистирола 0,5-1,5, кубовый остаток производства хлорвинила 5-10 (Авторское свидетельство СССР № 1286668, МПК E01C 7/18, 1987).
Известный состав не требует замены грунтов в месте сооружения дорог, однако имеет высокую водопроницаемость, низкую прочность и морозостойкость. Кроме того, использование известного состава требует длительных сроков строительства, обусловленных длительным сроком набора прочности строительной смесью.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является грунтовая смесь, включающая грунт, стабилизатор, в качестве которого используют отходы перхлорэтилена, вяжущее, в качестве которого используют, например, цемент, битумы, силикаты натрия, смолы, и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: стабилизатор 0,003-15,0; вода 5-30; вяжущее не более 10; грунт - остальное (патент РФ № 2119010, МПК E02D 3/12, E01C 7/36, 1998).
Известный состав не требует замены существующего грунта и может быть изготовлен в местах сооружения дорожного полотна, обеспечивая повышенную прочность, уплотняемость и морозостойкость. Вместе с тем, известный состав характеризуется длительным сроком набора прочности - 28 суток, что не позволяет сократить сроки строительства, а образующаяся кристаллизационная структура не позволяет использовать укрепленный грунт вторично в случаях устранения недостатков проектирования или ремонта дорожного полотна, способствуя ухудшению экологической ситуации в местах сооружения или ремонта дорог.
Технической задачей заявляемого изобретения является сокращение сроков строительства или ремонта дорожного полотна с одновременным улучшением экологической ситуации в местах строительства и ремонта за счет обеспечения возможности вторичного использования укрепленного грунта.
Техническая задача достигается тем, что предлагается состав грунтовой смеси, содержащий глинистые грунты, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент, воду и, дополнительно, водорастворимый полиэлектролит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Глинистый грунт | 67,0-85,0 |
| Портландцемент | 4,0-10,0 |
| Водорастворимый полиэлектролит | 0,01-0,02 |
| Вода | остальное |
В качестве глинистых грунтов могут быть использованы супеси пылеватые, супеси тяжелые пылеватые, суглинки легкие, суглинки тяжелые, глины песчанистые, глины пылеватые и иные виды глинистых грунтов, удовлетворяющие ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
В качестве гидравлического вяжущего используют портландцемент, обычно используемый для этих целей и удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85, например, марок М600, М550, М500, ПЦ 600-Д0, ПЦ 500-Д0, ПЦ 500-Д0-Н, ПЦ 500-Д20-Б, ПЦ 500-Д20, ПЦ 400-Д0-Н; ПЦ 400 Д20-Н и иных аналогичных марок с прочностью при сжатии в возрасте 28 сут не менее 39,2 МПа.
В качестве водорастворимого полиэлектролита используют синтетические полиэлектролиты с молекулярной массой предпочтительно 500-15000, преимущественно, в виде смеси катионных и неионогенных высокомолекулярных веществ при их соотношении 1:3÷1:10 соответственно. В качестве катионных полиэлектролитов могут использоваться полимеры, содержащие катионные группы: -NH2, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.). В качестве неионогенных полиэлектролитов могут использоваться полимеры, содержащие неионогенные группы: -ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.). Синтетические водорастворимые полиэлектролиты выпускаются в промышленности, например, под марками АНП-2, ОП-7, ОП-10, ВПК-402 и иных аналогичных марок.
В предлагаемом изобретении предпочтительно используют следующие водорастворимые полиэлектролиты катионного типа:
R-NH2
где R=-CnH2n+1
n=4÷10
например, первичный бутиламин, первичный дециламин, α-бутилпиридин, β-децилпиридин.
В предлагаемом изобретении предпочтительно используют следующие водорастворимые полиэлектролиты неионогенного типа, например полимерную окись пропилена:
где n=5÷10
Растворенный в воде полиэлектролит благодаря снижению дипольного момента молекулы воды приводит к ее распаду на гидроксильный ион (+) и водород (-). Гидроксильный ион, в свою очередь, разлагается на один ион кислорода и один ион водорода, причем атом водорода гидроксила превращается ион гидроксония. Этот ион гидроксония по необходимости в состоянии образовать различные соединения и может получать положительные или отрицательные заряды. Мельчайшие коллоидные компоненты глинистого грунта обычно заряжены отрицательно. Частицы глинистого грунта на своей поверхности удерживают поглощенную воду. Лежащий вне слой поглощенной воды несет достаточно ионов металлов, как, например, натрия, кальция, алюминия или магния, которые образуют компенсацию зарядов в отношении отрицательных ионов почвы. При этом явлении отрицательные заряды ионов гидроксония или отрицательно заряженные гидроксильные ионы обычно объединяются с положительно заряженными металлами ионизированной воды на поверхности частиц. Следствием является прорыв имеющегося барьера электростатических потенциалов. Когда происходит эта реакция, ионы металлов переходят в свободную воду, которая может отмучиваться или испаряться. Слой поглощенной воды уменьшается, а частицы почвы благодаря электрокинетическим силам начинают образовывать агломерации, теряя свою способность разбухать. Этот процесс необратим. При дальнейшем введении в глинистый грунт портландцемента оставшиеся поры между агломератами частиц глинистого грунта заполняются при реакции портландцемента и свободной водой. В условиях снижения дипольного момента молекул воды частицы цемента образуют короткие и не развитые кристаллизационные структуры, быстро прекращая их рост. Вследствие чего время набора прочности укрепленного глинистого грунта сокращается, грунт приобретает высокую гидрофобность, морозостойкость и стойкость к эрозии в условиях повышенной прочности на сжатие и на сдвиг. Благодаря короткой фазе структурообразования цемента, а также высоким электрокинетическим силам взаимодействия агломераций частиц глинистого грунта, последний, при его уплотнении и дальнейшем разуплотнении способен при новой укладке восстанавливать свои первоначальные свойства.
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод о том, что, оно соответствует критерию «новизна», т.к. заявляемая грунтовая смесь дополнительно содержит полиэлектролит в заявляемом количестве и характеризуется определенным качественным и количественным соотношением компонентов композиции.
Введение полиэлектролита в грунтовую смесь на основе глинистого грунта позволяет связать избыточную свободную воду, находящуюся в глинистом грунте, а остающаяся капиллярная вода способствует быстрому затворению грунтовой смеси и равномерному его распределению и отверждению в массе. Вместе с тем, в заявляемой грунтовой смеси полиэлектролит препятствует образованию цементных камней большого размера, приводит к увеличению темпа набора прочности укрепленного глинистого грунта, грунт приобретает высокую гидрофобность, что, в свою очередь, приводит к улучшению эксплуатационных показателей, особенно в условиях повышенной влажности и пониженной температуры. Протекание указанных процессов в заявляемой смеси позволяет получить новый технический результат - достижение хороших механических свойств, включающих высокую прочность, морозостойкость, гидрофобность, а также стойкость к эрозии, уменьшение времени набора прочности укрепленного глинистого грунта и возможность применения укрепленного грунта для вторичного использования. В известных источниках информации не обнаружено сведений о составах, аналогичных заявляемому, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый состав может быть использован в дорожном строительстве, изготовлен из известных в науке и технике компонентов с применением известных приемов их смешения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «промышленная применимость».
Изготавливают заявляемый состав в месте производства дорожных работ и расположения глинистого грунта следующим образом. Портландцемент вносят в глинистый грунт, перемешивают полученную смесь дорожной фрезой с последующим введением предварительно приготовленного водного раствора полиэлектролита. После перемешивания готовой грунтовой смеси производят ее уплотнение дорожными катками. В процессе уплотнения заявляемой грунтовой смеси происходит выдавливание наружу освободившейся воды. Удаление излишней влаги из грунтовой смеси способствует увеличению скорости протекания реакций затворения и быстрому набору прочности укрепленного грунта. Поскольку заявляемая грунтовая смесь, в основном, набирает прочность в течение 24 часов, постольку дальнейшие работы по строительству конструкционных слоев дорожного полотна или открытие автомобильного движения можно начинать на следующий день.
Для исследования свойств заявляемого состава образцы готовились в лабораторных условиях. Составы грунтовой смеси приведены в таблице № 1, где примеры № 2-№ 5 - по изобретению, пример № 1 - контрольный. Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов (Rсж), коэффициент морозостойкости, влажность образцов после испытания на замораживание-оттаивание, водонасыщение, набухание определены по утвержденным методикам.
Для определения физико-механических свойств готовилось по три образца каждого состава диаметром 5 см (площадь основания 20 см2). Физико-механические свойства определены по ГОСТ 23558-94 (с изм. № 1 1998 г., с изм. № 2, 2000 г.) «Смеси щебеночно-гравийно-песочные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства». Результаты определения предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии образцов после 1-х, 2-х и 3-х суток представлены в таблице 2. Сравнительная динамика набора прочности грунтовой смеси, содержащей полиэлектролит, и грунтовой смеси, не содержащей полиэлектролит, представлена на фиг.1.
Фиг.2 - Набухание по объему, Фиг.3 - Водонасыщение по объему.
Как видно графика набора прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии, представленного на фиг.1, и данных таблицы 2, нормативная прочность по ГОСТ 23558-94 составов по примерам № 2 - № 5 (по изобретению) достигается уже после 3 суток твердения во влажной среде. В случае введения в состав грунтовой смеси портландцемента менее заявляемого количества (пример № 1 - контрольный), нормативная прочность не достигается после 3 суток твердения. Как видно из графика, представленного на фиг.1, в случае отсутствия полиэлектролита в составе грунтовой смеси и при тех же количествах портландцемента и глинистого грунта динамика набора прочности заметно удлиняется и в абсолютном выражении даже после 28 суток твердения грунтовой смеси не достигает максимально возможного значения, достигаемого в заявляемом составе.
Как видно из данных таблицы №3, составы по изобретению (примеры № 2 - № 5) обеспечивают возможность получения требуемой марки морозостойкости дорожного покрытия по ГОСТ 23558-94 для капитального типа дорожной одежды и значительно превышают требования к переходному типу дорожной одежды. Коэффициент морозостойкости, определенный после 25 циклов замораживания-оттаивания составов по изобретению, превышает требования, установленные для дорог первого класса прочности. Как видно из данных, приведенных в таблице №4, дорожное покрытие, изготовленное из составов по изобретению, обеспечивает также хорошие показатели влажности после замораживания-оттаивания, удовлетворяющие требованиям дорожного покрытия 1 класса прочности. Приведенные данные показывают, что составы по изобретению позволяют изготавливать автомобильные дороги высокого качества, которые могут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности в I и II дорожно-климатической зоне по СНИП 2,05,02-85 (1997) и пониженных температурах.
Грунтовые смеси по изобретению могут быть использованы для устройства дорожного полотна после их отверждения и последующего разрушения. При вторичном использовании заявляемая грунтовая смесь способна восстанавливать свою прочность не менее, чем на 80% от своей первоначальной прочности. Образцы по примерам № 1 - № 5 после 7 суток твердения во влажной среде были разрушены и повторно использованы в качестве исходной грунтовой смеси. Данные, подтверждающие возможность вторичного использования, приведены в таблице № 5. Как видно из приведенных данных, прочность образцов по изобретению по примерам № 2 - № 5, удовлетворяет требованиям ГОСТ 23558-94 для покрытий переходного и для оснований капитального типов дорожной одежды даже после разрушения, последовавшего после 7-ми суток твердения первоначального состава.
Использование предлагаемого состава грунтовой смеси для строительства дорог, стояночных площадок, автомагистралей, аэродромов позволяет осуществить укрепление грунтов в условиях повышенной влажности благодаря эффекту выдавливания воды из грунтовой смеси при ее уплотнении, при этом заявляемый состав содержит глинистые грунты, которые обычно имеют влажность, больше регламентированной СН 25-74. При этом для изготовления заявляемой грунтовой смеси при коэффициенте уплотнения 1,0-0,98 могут быть использованы супеси пылеватые, супеси тяжелые пылеватые и суглинки легкие с влажностью до 30% (при регламентированной СП 25-74 влажности не более 15%), а суглинки тяжелые, глины песчанистые и глины пылеватые могут быть использованы с влажностью до 25% (при регламентированной СН 25-74 влажности не более 10%). Поскольку исходная влажность глинистых грунтов не влияет на достижение конечных свойств дорожного полотна, постольку при его устройстве не требуется применение традиционных способов осушения грунтов перед их применением для изготовления дорожных одежд.
Заявляемый состав позволяет вести строительство и ремонт дорожного полотна в кротчайшие сроки за счет быстрого набора прочности грунтовой смеси, обеспечивая возможность эксплуатации дороги в короткие сроки после укладки и уплотнения. В случае ошибок проектирования или изменения проекта дорожная одежда, изготовленная из заявляемого состава, может быть использована повторно после ее механического разрушения с достижением нормативных физико-механических показателей после повторного отверждения.
Заявляемый состав позволяет обеспечить повышение прочности основания автомобильных дорог или верхнего слоя земляного полотна для всех категорий дорог, его несущей способности, стойкости к эрозии, не требует замены и перемещения исходного грунта, обеспечивая высокую экономическую эффективность строительных и ремонтных дорог, повышение срока эксплуатации в условиях повышенной влажности и пониженных температур.
| Таблица № 1 | |||||
| СОСТАВЫ ГРУНТОВОЙ СМЕСИ | |||||
| Ингредиенты состава, мас.% | Примеры | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Глинистый грунт, в частности: | 70,0 | 70,0 | 85,0 | 80,0 | 67,0 |
| - супеси пылеватые или супеси тяжелые пылеватые, | + | + | - | + | - |
| или суглинки легкие; | |||||
| - суглинки тяжелые или глины | - | - | + | - | + |
| песчанистые, или глины | |||||
| пылеватые | |||||
| Портландцемент, в частности: | 2,0 | 4,0 | 6,0 | 8,0 | 10,0 |
| - ПЦ 400-Д0-Н | + | + | - | - | + |
| - ПЦ 400-Д5-Н | - | - | + | - | - |
| - ПЦ 400-Д20-Н | - | - | - | + | - |
| Водорастворимый | 0,0125 | 0,0125 | 0,020 | 0,015 | 0,010 |
| полиэлектролит, в том числе: | - | - | |||
| - первичный бутиламин | 0,00312 | 0,00312 | - | - | - |
| - первичный дециламин | - | - | 0,00333 | - | - |
| - α-бутилпиридин | - | - | - | 0,00167 | |
| - β-децилпиридин | - | - | - | - | 0,00091 |
| - полимерная окись пропилена | 0,00938 | 0,00938 | 0,01667 | 0,01333 | 0,00909 |
| Вода | 27,9875 | 27,9875 | 8,980 | 11,985 | 22,990 |
| Таблица № 5 | ||
| ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ В ВОДОНАСЫЩЕННОМ СОСТОЯНИИ ПРИ ВТОРИЧНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ | ||
| Номер примера | Предел прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии, МПа | |
| Стандартный образец, после 7 суток твердения во влажной среде | Разрушенный стандартный образец после 7 суток твердения во влажной среде | |
| 1 | 2,5 | 2,05 |
| 2 | 5,0 | 4,1 |
| 3 | 6,3 | 5,05 |
| 4 | 8,6 | 7,15 |
| 5 | 12,05 | 9,75 |
| Таблица № 2 | ||||
| ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ В ВОДОНАСЫЩЕННОМ СОСТОЯНИИ | ||||
| № примера | Предел прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии, МПа | Предел прочности, МПа, по ГОСТ 23558-94 (п.4.1.1; табл.А1) для покрытий переходного и для оснований капитального типов дорожной одежды | ||
| После 1 суток твердения во влажной среде | После 2 суток твердения во влажной среде | После 3 суток твердения во влажной среде | ||
| 1 | 0,7 | 1,7 | 2,2 | |
| 2 | 1,5 | 3,3 | 4,6 | |
| 3 | 2,0 | 4,3 | 6,24 | |
| 4 | 2,7 | 5,7 | 8,35 | 4,0 |
| 5 | 3,8 | 7,7 | 11,78 |
| Таблица № 3 | ||||||
| МОРОЗОСТОЙКОСТЬ | ||||||
| № примера | Марка по морозостойкости по ГОСТ 10060.0 (таблица3) | Требуемое значение марки по морозостойкости по ГОСТ 23558-94 (табл. А1) | Коэффициент морозостойкости | |||
| Капитальный тип дорожной одежды | Переходный тип дорожной одежды | Для верхнего слоя основания под двухслойным асфальтобетонным покрытием или основание под цементобетонным покрытием (II ДКЗ) | Для однослойного покрытия из укрепленного грунта с двойной поверхностной обработкой (II ДКЗ) | Требуемый по СН 25-74 табл.1 для I класса прочности, не менее | ||
| 1 | F15 | - | 0,8 | |||
| 2 | F25 | 0,87 | - | |||
| 3 | F25 | F25 | F15 | 0,93 | - | |
| 4 | F25 | 0,98 | - | 0,75 | ||
| 5 | F50 | 0,77 | - |
| Таблица № 4 | ||
| ВЛАЖНОСТЬ ПОСЛЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ | ||
| № примера | Влажность образца после испытания на замораживание-оттаивание, % массы с учетом оптимальной влажности при уплотнении | Влажность образца после испытания на замораживание-оттаивание, % массы (СН25-74 табл.1) для I класса прочности, не более |
| 1 | 1,5 | |
| 2 | 1,32 | 2 |
| 3 | 1,25 | |
| 4 | 1,12 | |
| 5 | 0,97 |
1. Состав грунтовой смеси, содержащий глинистые грунты, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит водорастворимый полиэлектролит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Глинистый грунт | 67,0-85,0 |
| Портландцемент | 4,0-10,0 |
| Водорастворимый полиэлектролит | 0,01-0,02 |
| Вода | Остальное |
2. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита используют смесь водорастворимых полиэлектролитов катионного и неионогенного типов при их соотношении 1:3-1:10 соответственно.
3. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита катионного типа используют первичный бутиламин.
4. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита катионного типа используют первичный дециламин.
5. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита катионного типа используют α-бутилпиридин.
6. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита катионного типа используют β-децилпиридин.
7. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимого полиэлектролита неионогенного типа используют полимерную окись пропилена.
8. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве глинистых грунтов используют супеси пылеватые или супеси тяжелые пылеватые или суглинки легкие с влажностью не более 30%.
9. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что в качестве глинистых грунтов используют суглинки тяжелые или глины песчанистые или глины пылеватые с влажностью не более 25%.
10. Состав грунтовой смеси по п.1, отличающийся тем, что портландцемент используют с прочностью при сжатии в возрасте 28 суток не менее 39,2 МПа.
