Полимерный стабилизатор грунта, применяемый для укрепления и стабилизации грунтов при промышленном и гражданском строительстве, и полимерцементогрунтовая смесь
Владельцы патента RU 2745437:
Дороватовский Станислав Анатольевич (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Бизнесстрой" (RU)
Панков Илья Валерьевич (RU)
Группа изобретений относится к дорожному строительству, а именно к укреплению несущего слоя грунта при строительстве оснований дорог, зданий, тротуарных дорожек, пригодно для использования на песчаных, супесчаных и глинистых грунтах в комбинации с другими материалами, например асфальтовым гранулятом, а также без него. Полимерный стабилизатор грунта состоит из растворенных в воде полимерных макромолекул – полиакриламида, сополимера акриламида и акрилата натрия, сополимера акриламида и метакрилата натрия с добавлением оксиэтилированного сорбитана – полисорбата-80, полисорбата-60, полисорбата-20 в качестве эмульгатора и гидрофобизатора, синтетического азокрасителя – тартразина, при этом полимерные макромолекулы имеют среднюю молекулярную массу от 8 до 20 МДа, при следующем соотношении компонентов, мас.%: полимерные макромолекулы 0,25–3,0, оксиэтилированный сорбитан 0,1–1,0, тартразин 0,005, вода - остальное. Полимерцементогрунтовая смесь содержит, мас.%: грунт 85–93,9, портландцемент 6,0–7,0, водный раствор указанного выше полимерного стабилизатора грунта, предварительно разбавленного водой до необходимой концентрации, 0,1–8,0. Технический результат – повышение гидрофобизации и прочностных характеристик укрепленного грунта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области создания водорастворимой полимерной композиции, применимой с целью укрепления несущего слоя грунта при строительстве оснований дорог, зданий, тротуарных дорожек. Изобретение пригодно для использования на песчаных, супесчаных и глинистых грунтах естественного происхождения в комбинации с другими материалами, например асфальтовым гранулятом или портландцементом, а также без них.
В мировой практике известны различные способы укрепления грунтов с применением как минеральных вяжущих средств, так и различных органических добавок, а именно: продуктов нефтепереработки, различных поверхностно-активных веществ, водоразбавляемых связующих полимерного типа. Так, например, для незаселенных грунтов, применяемых при строительстве дорог, аэродромов и подобных сооружений предлагается использовать высокосмолистую нефть с добавкой катионоактивного продукта на основе третичных аминов и хлорметилированных фенольных масел (авт. свид. СССР №360356, 28.11.1972).
При укреплении глинистых грунтов для повышения прочности, водостойкости и морозостойкости в глинистый грунт предлагается вносить полимеризованный амин жирного ряда, известь, каменноугольную смолу (авт. свид. СССР №487204, 05.10.1975) или, наряду с этим, использовать смесь сернокислой меди с анилином в виде отдельных составляющих или более эффективно в виде медно-анилинового комплексного соединения (авт. свид. СССР №834306, 30.05.1981). Однако перечисленные способы укрепления грунтов предусматривают применение довольно токсичных амино- и фенольных производных органических соединений, а также медно-анилинового комплекса, при этом в соответствующих описаниях изобретений нет каких-либо фактических данных, подтверждающих достигаемый уровень упрочнения грунтов за счет рекомендуемых добавок.
Известна дорожная смесь, состоящая из грунта и пластифицирующей добавки, в качестве которой предлагается использовать дивинилстирольный латекс, его количество по отношению к 100 мас.ч. грунта составляет 2-4 мас.ч. (авт. свид. СССР №481661, 25.08.1975). Недостатком данного изобретения является довольно большой объем для достижения требуемых показателей дорогостоящего дивинилстирольного латекса при укреплении грунта. Кроме того, не указывается в описании и формуле изобретения никаких требований к составу сополимера в латексе, заряду и размеру его латексных частиц, коллоидно-химических характеристик, радикально влияющих на совместимость латекса с грунтом, природа грунта и достигаемые конечные результаты от укрепления.
Известна смесь для грунтобетона, относящаяся к стройматериалам, а именно к грунтобетонам, применяемым для стабилизации глинистых грунтов в дорожных основаниях (пат. №2392244, «Смесь для грунтобетона», от 20.06.2010 г.), содержит, мас.%: глинистый грунт – 78-83, портландцемент – 4-8, химическую добавку – ферментный препарат "Дорзин" – 0,03-0,06, вода – остальное.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является дорожная полимерцементогрунтовая смесь (пат. №2373321 от 20.11.2009 г.), относящаяся преимущественно к строительству автомобильных дорог, содержит, мас.% (на сухое): грунт 90, цемент 9,35-9,4, латекс СКС-65ГП 0,5, механоактивированная целлюлоза 0,1-0,15.
Недостатком данной смеси, а также всех вышеуказанных смесей, является недостаточная несущая способность грунтового основания, более длительный набор необходимого, согласно ГОСТ 23558-94, класса прочности М100, а также высокий расход неорганического вяжущего – цемента.
Целью, при разработке предлагаемого изобретения, является создание состава полимерного стабилизатора несущего слоя грунта, применяемого совместно с портландцементом с целью модификации эксплуатационных свойств грунта, а именно повышения прочностных характеристик, а также увеличения гидрофобизации.
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом. Предлагаемый полимерный стабилизатор грунта состоит из растворенных в воде полимерных макромолекул – полиакриламида, сополимера акриламида и акрилата натрия, сополимера акриламида и метакрилата натрия с добавлением оксиэтилированногосорбитана – полисорбата-80, полисорбата-60, полисорбата-20 в качестве эмульгатора и гидрофобизатора, синтетического азокрасителя – тартразина для придания стабилизатору грунта приятных органолептических свойств, при этом полимерные макромолекулы имеют среднюю молекулярную массу от 8 до 20 МДа, при следующем соотношении компонентов, мас.%: полимерные макромолекулы 0,25 – 3,0, оксиэтилированный сорбитан 0,1 – 1,0, тартразин 0,005, вода - остальное. Количество звеньев акрилата натрия не превышает 30% от общего числа мономерных звеньев в составе полимолекулы сополимера, количество звеньев метакрилата натрия не превышает 25% от общего числа мономерных звеньев в составе полимолекулы сополимера. Предлагаемая полимерцементогрунтовая смесь с использованием указанного выше полимерного стабилизатора грунта содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: грунт 85 – 93,9, портландцемент 6,0 – 7,0, водный раствор полимерного стабилизатора грунта, предварительно разбавленный водой до необходимой концентрации, 0,1 – 8,0.
Таблица 1. Физические характеристики полимерного стабилизатора грунта.
| Физические характеристики полимерного стабилизатора грунта: | |
| внешний вид | окрашенная жидкость |
| запах | практически отсутствует |
| массовая доля основных веществ,% | 0,45-0,95 |
| рН при н.у. | 6,7-7,3 |
| относительная плотность, г/см3 | 1±0,02 |
| размер частиц, мкм | 0,05-1,0 |
| температура кипения, оС | 99,5 |
| растворимость | смешивается с водой |
| вязкость при н.у. мПа с | 2,0±0,3 |
С введением полимерного стабилизатора в глинистый грунт в соотношении, полученном путем подбора состава смесей совместно с неорганическим вяжущим (портландцементом), вступая в реакцию с химически связанной водой в глинообразующих минералах, полимерный модификатор образует химически стойкие и прочные соединения, придающие грунту более упорядоченную структуру, с образованием первично структурного каркаса, обрастающего гидросиликатами кальция, и, в конечном итоге, создавая материал очень высокой прочности и низкой водопоглощающей способности.
Для изучения влияния полимерного стабилизатора на свойства глинистых грунтов, в лабораторных условиях был проведен подробный анализ механических свойств глинистых грунтов, укрепленных портландцементом и полимерным стабилизатором грунта. В лабораторных условиях формовались цилиндрические образцы (ГОСТ 12801-98), содержащие в своем составе различное количество компонентов, входящих в состав стабилизатора при неизменном количестве вяжущего - портландцемента. После подбора оптимального состава были проведены работы по подбору оптимального количества вяжущего (таблицы 2 и 3).
Таблица 2. Состав образцов водного раствора полимерного стабилизатора грунта, предварительно разбавленных водой и используемых для дальнейших испытаний:
| № Образца | Водный раствор полимерного стабилизатора грунта, 50 г. | |||
| Полимерные молекулы, мас.% | Эмульгатор, мас.% |
Краситель, мас.% |
Вода, мас.% |
|
| 1 | 0,5 | 0,25 | 0,005 | остальное до 100% |
| 2 | 1,0 | 0,25 | ||
| 3 | 0,75 | 0,25 | ||
| 4 | 0,25 | 0,1 | ||
| 5 | 0,5 | 0,5 | ||
| 6 | 1,0 | 0,5 | ||
| 7 | 0,75 | 0,5 | ||
| 8 | 0,25 | 0,25 | ||
| 9 | 0,5 | 0,0 | ||
| 10 | 1,0 | 0,0 | ||
| 11 | 0,5 | 0,25 | ||
| 12 | 3,0 | 1,0 | ||
| 13 | 0,5 | 0,25 | ||
| 14 | 0,5 | 0,25 |
Таблица 3. Примеры экспериментальных лабораторных работ по подбору состава полимерцементогрунтовой смеси с применением стабилизатора грунта.
| № Образца | Стабилизатор грунта по таблице 2 | Портландцемент, г. (мас.%) | Грунт | |
| Водный раствор стабилизатора грунта, г. (мас.%) | Глина, г. (мас.%) | Шлак, г. (мас.%) |
||
| 1 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 2 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 3 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 4 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 5 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 6 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 7 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 8 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 9 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 10 | 50 (5,025) | 65 (6,533) | 800 (80,402) | 80 (8,04) |
| 11 | 50 (5,0) | 70 (7,0) | 800 (80,0) | 80 (8,0) |
| 12 | 50 (4,98) | 75 (7,46) | 800 (79,6) | 80 (7,96) |
| 13 | 50 (5,06) | 60 (6,06) | 800 (80,8) | 80 (8,08) |
| 14 | 50 (5,102) | 50 (5,102) | 800 (81,633) | 80 (8,163) |
Испытания на физико-механические свойства полимермодифицированной смеси укрепленного грунта проводились согласно ГОСТ 30491-2012 (таблица 4).
Таблица 4. Физико-механические испытания полимерцементогрунтовых смесей, укрепленных стабилизатором грунта по истечении 14 суток.
| № Образца | Предел прочности на сжатие, МПа, при 20 °С, МПа | Предел прочности на сжатие водонасыщенных образцов при температуре 20 °С, МПа | Предел прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов при температуре 20 °С, МПа | Коэффициент морозостойкости | Набухание, % по объему | Марка прочности |
| 1 | 17,5 | 6,0 | 1,3 | более 0,85 | менее 2,0 | М100 |
| 2 | 15,4 | 5,8 | 1,2 | |||
| 3 | 15,8 | 6,6 | 1,2 | |||
| 4 | 15,7 | 6,8 | 1,3 | |||
| 5 | 12,8 | 3,8 | 0,9 | |||
| 6 | 11,2 | 2,8 | 0,8 | |||
| 7 | 11,0 | 2,8 | 0,9 | |||
| 8 | 11,7 | 2,5 | 0,8 | |||
| 9 | 17,3 | 1,8 | 0,6 | |||
| 10 | 16,6 | 2,1 | 0,6 | |||
| 11 | 17,4 | 6,2 | 1,3 | |||
| 12 | 17,6 | 6,3 | 1,4 | |||
| 13 | 17,1 | 5,6 | 1,3 | |||
| 14 | 16,5 | 5,4 | 1,2 |
На основании проведенных испытаний, был подобран оптимальный состав полимерцементогрунтовой смеси, содержащей 88,5% грунта, 6,5% цемента и 5,0% водного раствора полимерного стабилизатора, предварительно разбавленного водой до необходимой концентрации. Все испытанные образцы в четырнадцатисуточном возрасте соответствуют классу прочности не менее М100 (ГОСТ 23558-94), однако было обнаружено, что добавка эмульгатора в состав стабилизатора улучшает гидрофобизацию укрепленного грунта (сравнение образцов 1 и 9), при этом оптимальное массовое отношение полимера к эмульгатору 2:1, при увеличении количества второго, происходит ухудшение физико-механических свойств укрепленного грунта (сравнение образцов 1 и 5). Увеличение количества вяжущего не приводит к каким-то значительным улучшениям физико-химических свойств укрепленного грунта, поэтому оптимальным является содержание 6,0-7,0% портландцемента от общей массы полимерцементогрунтовой смеси.
Масштабирование вышеописанной разработки на строительные объекты позволит получать прочные основания с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации.
1. Полимерный стабилизатор грунта, характеризующийся тем, что состоит из растворенных в воде полимерных макромолекул – полиакриламида, сополимера акриламида и акрилата натрия, сополимера акриламида и метакрилата натрия с добавлением оксиэтилированного сорбитана – полисорбата-80, полисорбата-60, полисорбата-20 в качестве эмульгатора и гидрофобизатора, синтетического азокрасителя – тартразина, при этом полимерные макромолекулы имеют среднюю молекулярную массу от 8 до 20 МДа, при следующем соотношении компонентов, мас.%: полимерные макромолекулы 0,25–3,0, оксиэтилированный сорбитан 0,1–1,0, тартразин 0,005, вода - остальное.
2. Полимерный стабилизатор грунта по п.1, отличающийся тем, что количество звеньев акрилата натрия не превышает 30% от общего числа мономерных звеньев в составе полимолекулы сополимера, количество звеньев метакрилата натрия не превышает 25% от общего числа мономерных звеньев в составе полимолекулы сополимера.
3. Полимерцементогрунтовая смесь с использованием полимерного стабилизатора грунта по п. 1 или 2, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: грунт 85–93,9, портландцемент 6,0–7,0, водный раствор полимерного стабилизатора грунта, предварительно разбавленный водой до необходимой концентрации, 0,1–8,0.
