Состав для устройства нижнего слоя основания дорожных одежд
Владельцы патента RU 2468139:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный аграрный университет (RU)
Изобретение относится к строительству и ремонту автомобильных дорог и может быть использовано для устройства нижних слоев основания одежд и верхних слоев земляного полотна в дорожном и сельскохозяйственном строительстве, а также для площадок зернотоков или хранения сельскохозяйственной техники. Технический результат: расширение перечня органических и минеральных компонентов для комплексного укрепления грунтов, повышение эксплуатационных характеристик дорог и площадок. Предлагаемый состав позволяет эффективно использовать отходы производства и теплоэнергетики в дорожном строительстве. Состав для устройства нижних слоев оснований дорожных одежд включает минеральное вяжущее вещество - цемент, золошлаковую смесь, отходы асбестоцементного производства (ОАЦП) и талловый пек при следующем соотношении компонентов, %: грунт 52,0-60,0; цемент 3,0-5,0; золошлаковая смесь 12,0-18,0; отходы АЦП 5,0-7,0; вода 14,0-22,0; омыленный талловый пек 0,5-1,5 от массы цемента. 2 табл., 3 ил.
Изобретение относится к строительству и ремонту автомобильных дорог и может быть использовано для устройства нижних слоев основания одежд и верхних слоев земляного полотна в дорожном и сельскохозяйственном строительстве, а также для площадок зернотоков или хранения сельскохозяйственной техники.
Нижний слой основания, воспринимающий эксплуатационные нагрузки от автотранспорта и другой техники, а также подвергающийся постоянному воздействию климатических факторов, должен обеспечивать высокие показатели прочности, водостойкости, морозостойкости. Анализ интенсивного разрушения дорожного полотна свидетельствует о взаимосвязи долговечности грунтобетона с низкими показателями прочности оснований дорожных одежд на растяжение при изгибе и высокими значениями усадки укрепленных грунтов, что в начальный период после возведения дороги приводит к образованию трещин и снижению эксплуатационных характеристик. Широкое распространение в дорожном строительстве получили комплексные методы укрепления грунтов с использованием гидрофобизаторов, минеральных и органических вяжущих и различных активных добавок целевого назначения, обеспечивающих водостойкость и морозостойкость грунтобетонных оснований. Такой подход экономически целесообразен и позволяет получить материал с заданными эксплуатационными свойствами (см. Безрук В.М. «Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве», М., Транспорт, 1971. - 246 с.).
Известен состав смеси для устройства нижних слоев основания дорожных одежд по патенту РФ №2305149, включающий грунт - 77,89-83,91, цемент - 4-6, воду - 12-16 и катионно-активное вещество ДОН-52КП - 0,09-0,11. Однако данный состав имеет явные недостатки: повышенную усадку (более 1,5-2,0 мм/м) и низкую прочность на растяжение при изгибе (менее 0,6 МПа), вследствие чего долговечность дорог с такими основаниями весьма ограничена.
Известны составы из укрепленных грунтов для устройства нижних слоев основания дорожных одежд, состоящие из (%): грунта 70-75, цемента 8-12, золошлаковой смеси 15-18 и гидрофобизирующих добавок 0,5-2,0. Они обладают достаточно высокой прочностью при сжатии 4,5 МПа и меньшими показателями усадки 0,8-1,3 мм/м. Однако введение золошлаковой добавки в грунт при улучшении общей структуры и повышении прочности грунтобетона не способствует повышению прочности на растяжение при изгибе, являющейся важной эксплуатационной характеристикой нижнего слоя основания.
Указанные недостатки могут быть устранены за счет внесения в нижний слой основания комплексных добавок направленного назначения. В качестве структурирующих компонентов, снижающих коэффициент линейного температурного расширения бетонного основания, рационально введение в укрепляемый грунт золошлаковых смесей. Для увеличения прочности на растяжение при изгибе необходимо совместно с минеральным вяжущим введение в укрепляемый грунт отходов асбестоцементного производства, обеспечивающих дисперсное армирование, а для придания гидрофобных свойств - вместе с водой затворения - введение омыленного таллового пека.
Состав для устройства нижнего слоя основания дорожных одежд содержит данные компоненты в количестве, %:
| глинистый грунт | 52,0-60,0 |
| цемент | 3,0-5,0 |
| золошлаковая смесь | 12.0-18,0 |
| отходы АЦП | 5,0-7,0 |
| омыленный талловый пек | 0,5-1,5 от массы цемента |
| вода затворения | 14,0-22,0 |
Использование данного состава способствует существенному повышению эксплуатационных показателей и увеличивает срок службы нижнего слоя основания дорожных одежд.
Характеристика добавок, составляющих нижний слой основания дорожных одежд:
1. Глинистый грунт
Для укрепления нижнего слоя основания заявлены глинистые грунты, распространенные по всей территории Западной Сибири, являющиеся суглинками низкой прочности, тяжелыми, пылеватыми, твердыми, слабопучинистыми. Гранулометрический состав суглинков представлен в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Наименование суглинков | Содержание фракций в процентах по объему | ||
| Глинистые | Пылеватые | Песчаные | |
| Суглинок пылеватый | 13,2-19,3 | 61,2-67,9 | 8,9-18,1 |
| Суглинок тяжелый | 18,4-24,5 | 59,8-64,7 | 1,8-11,4 |
Анализ гранулометрического состава показывает, что данные грунты относятся к грубодисперсному сырью и состоят преимущественно из пылеватых частиц. Основными минералами суглинков являются гидрослюды, преимущественно мусковит с межплоскостным расстоянием d=0,983-0,998 нм. Кроме того, следует отметить наличие большого количества кварца (d=0,423 и 0,330 нм) и полевого шпата (d=0,404; 0,384; 0,366; 0,319 нм). Отмечено наличие карбоната кальция (d=0,3028; 0,2273 нм). В некоторых пробах достаточно хорошо фиксируется монтмориллонит (d=0,640; 0,442; 0,318; 0,247 нм) с примесями кальцита (d=0,304 нм). По пластичности глинистые материалы относятся к умеренно пластичным с числом пластичности от 7,5 до 12,5.
2. Цемент (минеральное вяжущее)
В качестве минерального вяжущего в состав вводится портландцемент марки ПЦ400 Д20 Искитимского цементного завода (ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент»
3. Золошлаковая смесь
Золошлаковые смеси образованы от сжигания углей марок Д (длинно-пламенный) и Г (газовый) Томь-Усинских угольных бассейнов на ТЭЦ и котельных г.Новосибирска и Новосибирской области. Топливные золы и шлаки в отвалах неоднородны по своему химическому, минералогическому и гранулометрическому составу. Испытания золошлаковых смесей проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 25592-91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» и показали следующие результаты:
| содержание шлака по массе | 11,3-19,7% (20%) |
| содержание зерен золы и шлака, проходящих | |
| через сито №0,315 | 65,8-823% (50-100%) |
| содержание зерен размером более 5 мм | 13,1-17,9% (до 15%) |
| максимальный размер зерен шлака | 19-24 мм (до 20 мм) |
| влажность | 14,3-19,5% |
| плотность насыпная | 795-850 кг/м |
| потеря массы при прокаливании | 8,7-15,1% (до 10%) |
Ввиду низкого содержания оксида кальция применяемые золошлаковые смеси и шлак относятся к неактивным инертным заполнителям согласно существующей классификации. По вычисленным показателям: модулю основности (M0=0,14), силикатному модулю (МС=2,23) и коэффициенту качества (К=0,51) золошлаковые смеси относятся к кислым скрыто активным золошлаковым материалам согласно действующей классификации. Характерной особенностью кислых золошлаков является их неоднородность по размерам частиц, конфигурации, цвету и структуре, преимущественно преобладают шарообразные частицы.
4. Отходы асбестоцементного производства АЦП
Для дисперсного армирования нижнего слоя основания используются сопутствующие производству асбестоцементных изделий отходы асбестоцементного производства, представляющие собой крупнотоннажный шлам из гидратированного цемента на волокнах асбеста диаметром 0,02-0,08 мм и длиной 2-6 мм. Суточный объем вывоза отходов составляет более 40-50 т, а годовой объем превышает 15 тысяч т. Шлам находится в рыхлом состоянии и содержит агрегированные или дисперсные частицы асбестоцемента с наличием до 50-60% гидратированного портландцемента марки 400 производства ООО «Искитимцемент». Содержащийся в шламе хризотил-асбест представлен волокнами длиной от 1 до 6 мм и диаметром 0,02-0,8 мкм. По химическому составу хризотил-асбест представляет собой гидросиликат магния и может быть выражен формулой 3MgO·2SiO2·H2O.
5. Омыленный талловый пек (гидрофобизирующая добавка)
В качестве гидрофобизатора и модификатора цементогрунтовых смесей используется талловый пек, являющийся нелетучей частью таллового масла в процессе ректификации. Это - промежуточный продукт глубокой химической переработки древесины при сульфатно-целлюлозном производстве. Для придания водорастворимых свойств пек обрабатывают раствором щелочи (омыление). Омыленный талловый пек (ОТП) производится в соответствии с ТУ 13-0281078-146-90 и по основному назначению выпускается двух марок: Б - для проклейки картона, древесноволокнистых плит, технических сортов бумаги; К - для производства сельскохозяйственных крелинов. По внешнему виду пек представляет собой хорошо растворимую в воде твердую массу коричневого или темно-коричневого цвета с температурой размягчения 70…85°С. По химическому составу омыленный талловый пек содержит: жирных кислот - 31-34%; смоляных кислот - 18-26%; окисленных веществ - 13-17% и нейтральных веществ - до 25-31%.
Во фракции смоляных кислот больше всего содержится абиетиновой и дегидробиетиновой кислот, т.е. по набору кислот пек близок по составу к талловому лигнину и канифоли. Жирные кислоты пека представлены, в основном, насыщенными кислотами, преобладают - олеиновая и линолевая кислоты, что соответствует их содержанию в исходном талловом масле.
6. Вода затворения - техническая
Пример. Для экспериментальной проверки предлагаемого состава для устройства нижнего слоя дорожной одежды изготавливались различные варианты укрепленного грунта с комбинацией всех компонентов как в рамках предлагаемых составов, так и за пределами обозначенных значений.
Приготовление цементогрунтовой смеси с добавлением минеральных и органических добавок комплексного назначения производили следующим образом. В навеску грунта 50,0-62,0 г последовательно с обязательным перемешиванием добавляли золошлаковую смесь, отходы асбестоцемента и цемент. После получения однородной массы вводили расчетное количество воды с предварительно разведенным в ней омыленным таловым пеком и продолжали перемешивание в течение 2-3 минут. Из полученной грунтоцементной смеси формовались балочки размерами 4×4×16 см, которые после хранения во влажной среде в течение 28 суток испытывались для определения предела прочности на растяжение при изгибе и предела прочности на сжатие, а также другие показатели. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Физико-механические свойства грунтов, укрепленных цементом и комплексными добавками | |||||||
| Содержание добавок, % | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности при изгибе, МПа | Усадка, мм/м | ||||
| Грунт | ЗШС | ОАЦП | *Талловый пек | Цемент | |||
| 1. 62 | 20 | 3 | - | 2,0 | 1,71 | 0,42 | 1,1 |
| 2. 60 | 18 | 5 | 0,5 | 3,0 | 3,82 | 0,98 | 0,8 |
| 3. 56 | 15 | 7 | 1,0 | 4,0 | 5,47 | 1,03 | 0,5 |
| 4. 52 | 12 | 9 | 1,5 | 5,0 | 5,59 | 0,97 | 0,6 |
| 5. 50 | 10 | 11 | 2,0 | 6,0 | 4,16 | 0,92 | 0,5 |
| Аналог | ДОН-52КП- | ||||||
| 74,88-86,92 | - | - | 3-7 | 3,5-5,0 | 0,4 | 1,8-2,1 | |
| 0,08-0,12% | |||||||
| *Расход таллового пека рассчитывался от содержания цемента |
Введение таллового пека значительно снижает потребность воды грунтобетонной смеси. Анализ испытания образцов показывает, что рациональными значениями плотности уплотненной грунтобетонной смеси являются значения более 1800 кг/м3. В этом случае даже при минимальном расходе цемента обеспечиваются заданные параметры прочности дорожного основания.
Не менее важным технологическим воздействием на грунтобетонную смесь является процесс уплотнения, от которого зависит как плотность и прочность грунтобетона, так и водостойкость и морозоустойчивость в дорожном основании. В качестве рекомендации для уплотнения может быть предложен ударный способ или виброуплотнение.
Использование смеси из ЗШС и ОАЦП приводит к упрочнению структуры, что отмечено при изучении предлагаемых составов методом дифференциального термического анализа в виде смещения пиков экзо- и эндотермических эффектов в сторону более высоких температур по сравнению с бинарными составами (рис.1).
Исследование экспресс-методом капиллярной пропитки показало, что использование таллового пека позволяет не только существенно снизить капиллярный подсос грунтобетонного материала, но и значительно повысить срок его службы (рис.3).
Применение заявляемого состава нижнего основания дорожных одежд позволит существенно повысить срок службы дорожного покрытия за счет повышения морозоустойчивости, снижения трещинообразования, а также уменьшения усадочных деформаций (рис.2).
Состав для устройства нижнего слоя основания дорожных одежд, включающий глинистый грунт, минеральное вяжущее вещество - цемент, золошлаковую смесь и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит отходы асбестоцементного производства АЦП и омыленный талловый пек при следующем соотношении компонентов, %:
| глинистый грунт | 52,0-60,0 |
| цемент | 3,0-5,0 |
| золошлаковая смесь | 12,0-18,0 |
| отходы АЦП | 5,0-7,0 |
| омыленный талловый пек | 0,5-1,5 от массы цемента |
| вода | 14,0-22,0 |
