Композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна
Владельцы патента RU 2750536:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (RU)
Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для создания функциональных слоев земляного полотна путем комплексного укрепления местных грунтов при строительстве автомобильных и железных дорог. Изобретение направлено на повышение физико-механических характеристик композиции для устройства функциональных слоев земляного полотна за счет применения комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения и качественного введения полимерной составляющей в его состав. Композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна содержит грунт, вяжущее и воду. При этом грунт используется в виде суглинка с числом пластичности не более 12, вяжущее используется в виде комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, волластонита, активного кремнезема с удельной поверхностью 450 м2/кг с соотношением материалов 17:1:0,2:1,7:0,1; при следующем соотношении компонентов композиции, масс. %: суглинок 72-76, комплексное вяжущее 8-10, вода остальное. 1 табл.
Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для создания функциональных слоев земляного полотна путем комплексного укрепления местных грунтов при строительстве автомобильных и железных дорог. К функциональным слоям относятся: морозозащитный слой, теплоизолирующий слой, рабочий слой - для автомобильных дорог; защитный слой - для железных дорог.
Известен «Состав для дорожного строительства», который содержит масс. %: портландцемент - 6-12, заполнитель - 72-88, октилтриэтоксисилан/эмульсия октилтриэтоксисилана - 0,005-0,04, водный раствор сополимера на основе полиоксиэтиленовых производных ненасыщенных карбоновых кислот/ карбоксилатный полиэфир - 0,02-0,20, - вода -4,83-17,94. [Патент RU на изобретение № 2603682 опубл. 27.11.2016 Бюл. №33].
Недостаткам данного изобретения являются невысокие физико-механические показатели состава. На снижение качества конечного материала влияет применение эмульсии октилтриэтоксисилана и полимера, их использование в жидком виде требует дополнительной корректировки смеси из-за естественной влажности грунта, что так же отрицательно сказывается на качестве конечного продукта.
Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением, принятому за прототип, является «Композиция для устройства оснований дорожных одежд и других инженерных сооружений», содержащая песок из отсевов дробления фракции 0-5 мм (грунт); минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками; гидролизный лигнин; полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли (2-пропенамида) и продуктов гидролиза поливинилацетата при следующем соотношении компонентов, масс. %: песок из отсевов дробления - 82-85; гидролизный лигнин - 5-2; портландцемент - 8-6; полимерный композит - 0,4-0,8 (сверх 100%); вода - 5-7. [Патент RU на изобретение № 2726094 опубл. 09.07.2020 Бюл. №19].
К недостатку данной композиции относится то, что она обладает низкими физико-механическими показателями. Также полимерный композит, входящий в состав композиции, находится в жидком состоянии, однако достаточно часто при строительстве земляного полотна увлажнять грунт, особенно глинистый, не требуется, т.к. влажность грунта уже близка к оптимальной, соответственно снижается качество и усложняется ввод данного полимерного композита при выполнении строительных работ.
Изобретение направлено на повышение физико-механических характеристик композиции для устройства функциональных слоев земляного полотна, за счет применения комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения и качественного введения полимерной составляющей в его состав.
Это достигается тем что, композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна содержит грунт, вяжущее и воду. При этом грунт используется в виде суглинка с числом пластичности не более 12. Вяжущее используется в виде комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, волластонита, активного кремнезема, с удельной поверхностью 450 м2/кг в соотношении 17:1:0,2:1,7:0,1 соответственно. Соотношение компонентов заявляемой композиции составляет, масс. %:
| суглинок | 72-76 |
| комплексное вяжущее | 8-10 |
| вода | остальное. |
Достижение указанного технического результата обусловлено, большой однородностью и плотностью структуры дорожно-строительного материала с большим количеством новообразований гиросиликатов кальция в виде сеток и столбчатых продолговатых кристаллов за счет применения комплексного вяжущего и большей прочностью контактной зоны между частицами кварца суглинистого грунта с продуктами гидратации комплексного вяжущего и их взаимодействия с глинистыми частицами.
Характеристика исходных материалов:
1. Суглинок по ГОСТ 25100 -2011 с числом пластичности не более 12;
2. Комплексное вяжущее, в виде механоактивированной порошковой смеси (МПС), состоящее из:
- портландцементного клинкера (К) по ГОСТ 31108-2016,
- гипса (Г) по ГОСТ 4013-2019,
- анионного олигомера типа добавки Melment F10 (Д) по ГОСТ 24211-2008,
- природного минерала волластонита (В) с химической формулой CaSiO3,
- активного кремнезема (АК) по ГОСТ 9428-73
(активировано (помол) в шаровой мельнице до удельной поверхности 450 м2/кг; массовое соотношение материалов: К:Г:Д:В:АК = 17:1:0,2:1,7:0,1 )
3. Вода по ГОСТ 23732-2011.
Композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна транспортных объектов разработана в соответствии с требованиями ГОСТ Р 55224-2012, ГОСТ 23558-94 и ГОСТ 30491-2012. Процентный состав композиции был установлен опытным путем на основании результатов определения физико-механических характеристик полученного материала (табл.1).
Таблица 1
Физико-механические характеристики композиций
| № п/п |
состав, масс. % | Предел прочности на сжатие, МПа | Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа | Морозостойкость, количество циклов | Водонасыщение, % |
|||||||||
| Режим водонасыщения | ||||||||||||||
| капиллярное | полное | капиллярное | полное | капиллярное | полное | капиллярное | полное | |||||||
| грунт | вяжущее | гидролизный лигнин | добавка* | вода | ||||||||||
| 1 | суглинок | 76 | 7 | - | - | 17 | 7,14 | 6,25 | 0,91 | 0,81 | 15 | 15 | 0,05 | 0,45 |
| 2 | 75 | 8 | - | - | 17 | 7,65 | 6,68 | 1,09 | 0,93 | 20 | 20 | 0,03 | 0,44 | |
| 3 | 74 | 9 | - | - | 17 | 8,02 | 7,08 | 1,25 | 1,07 | 25 | 25 | 0,03 | 0,42 | |
| 4 | 73 | 10 | - | - | 17 | 8,73 | 7,65 | 1,36 | 1,23 | 25 | 25 | 0,02 | 0,40 | |
| 5 | 72 | 11 | - | - | 17 | 9,64 | 8,43 | 1,49 | 1,31 | 30 | 30 | 0,01 | 0,40 | |
| 6** | песок из отсевов дробления 82-85 |
8-6 | 5-2 | 0,4-0,8 | 5-7 | - | 2,80-4,00 | - | - | - | 15 | - | - |
* в качестве добавки - полимерный композит
** Прототип
Для расчета необходимого количества воды в композиции определялась максимальная плотность и оптимальная влажность согласно ГОСТ 22733-2016. Предварительно суглинок высушивался до воздушно-сухого состояния. Затем в высушенный грунт вводили приготовленное комплексное вяжущее в виде МПС в количестве от 7 до 10% с шагом в 1%. МПС готовилась заранее в шаровой мельнице совместным помолом портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения: гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, природного минерала волластонита, активного кремнезема. Производили перемешивание композиции вручную и доводили грунт до оптимальной влажности. Из полученной смеси изготавливали образцы в соответствии с ГОСТ 30491-2012. По истечению срока твердения композиция была испытана на прочность, морозостойкость, определено водонасыщение при разных режимах водонасыщения по ГОСТ 30491-2012. Результаты испытаний в сопоставлении с данными прототипа представлены в таблице 1.
Пример использования представлен на составе № 4 (таблица 1):
Брали 10 кг суглинка пылеватого с максимальной плотностью - 1,76 г/см3; оптимальной влажностью 17%. Высушили суглинок до влажности 0%, ввели в суглинок 1,37 кг комплексного вяжущего в виде МПС. МПС приготовили заранее в шаровой мельнице совместным помолом 1,16 кг портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения: гипса - 0,07 кг, анионного олигомера типа добавки Melment F10 - 0,02 кг, природного минерала волластонита - 0,11 кг, активного кремнезема - 0,01 кг. Перемешали суглинок и комплексное вяжущее и добавили 2,33 кг воды.
Согласно требованиям ГОСТ 30491-2012 методом прессования изготовили образцы цилиндрической формы и балочки в виде призм по три партии каждого состава. Полученные образцы твердели при температуре воздуха 20±2°С, влажности - не менее 95% в течении 28 суток. После окончания срока твердения образцы композиции были испытаны на прочность, морозостойкость при полном и капиллярном режиме водонасыщения, также было определено водонасыщение. Предел прочности на сжатие: 8,73 МПа (капиллярное водонасыщение); 7,65 МПа (полное водонасыщение). Предел прочности на растяжение при изгибе: 1,36 МПа (капиллярное водонасыщение); 1,23 МПа (полное водонасыщение). Морозостойкость - 25 циклов (капиллярное и полное водонасыщение). Водонасыщение 0,02% при капиллярном водонасыщении и 0,4% при полном водонасыщении соответственно.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна автомобильных и железных дорог позволяет получить дорожно-строительный материал с высокими физико-механическими показателями. Ее преимуществами являются небольшое число компонентов, стабильность введения полимерной составляющей, т.к. она уже входит в состав комплексного вяжущего. Обладает следующими характеристиками: прочность на сжатие - 6,68- 8,73 МПа; прочность на растяжение при изгибе - 0,93-1,36 МПа; морозостойкость - 20 циклов при содержании комплексного вяжущего 8% и 25 циклов при 9-10 масс. %, а исходного грунта 72-76 масс.%. По прототипу получен материал с прочность на сжатие 2,80-4,00 МПа, маркой по морозостойкости - F20. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники, не подтвердило наличие в последних признаках, совпадающих с его отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
Таким образом, использование предлагаемой композиции для устройства функциональных слоев земляного полотна позволит получить дорожно-строительный материал с точным содержанием добавок различного функционального назначения, ввод которых не будет требовать особенную технологию строительства; обладающего прочностью на сжатие 6,68- 8,73 МПа, прочностью на растяжение при изгибе - 0,93-1,36 МПа, и морозостойкостью 25 циклов на суглинистых грунтах.
Композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна, содержащая грунт, вяжущее и воду, отличающаяся тем, что грунт используется в виде суглинка с числом пластичности не более 12, вяжущее используется в виде комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, волластонита, активного кремнезема с удельной поверхностью 450 м2/кг с соотношением материалов 17:1:0,2:1,7:0,1; при следующем соотношении компонентов композиции, масс. %:
| суглинок | 72-76 |
| комплексное вяжущее | 8-10 |
| вода | остальное |
