Состав для укрепления грунта
Владельцы патента RU 2771688:
Публичное акционерное общество «Северсталь» (ПАО «Северсталь») (RU)
Изобретение относится к строительству и может быть использовано для устройства укрепляемых дорожных оснований. Состав для укрепления грунта содержит, мас.%: грунт, представленный суглинком или супесью, 20,5-72,5, вяжущее 18,0-68,0, комплексную химическую добавку 1,2-2,5, воду 8,3-9,0. Вяжущее содержит, мас.%: гранулированный доменный шлак фракции 0,16-2,5 мм 18,0-28,0, шлак внепечной обработки стали фракции 0,16-0,63 мм 70,0-79,0, реакционно-активный наполнитель 2,0-3,0, при этом реакционно-активный наполнитель состоит из (мас.%): поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты 48,0-52,0 и нитрита калия KNO2 48,0-52,0. Комплексная химическая добавка представляет собой водный раствор с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см3 и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, содержащий, мас.%: поликарбоксилатный сополимер на основе ангидрида малеиновой кислоты 25,0-27,0, глюконат натрия 5,5-6,0, нанодисперсии гидродиоксида кремния, представленные коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см3 и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2, 2,5-3,0, воду 65,0-66,0. Технический результат – повышение прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе и повышение морозостойкости укрепляемого грунта. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к строительству и может быть использовано для устройства укрепляемых дорожных оснований.
Известен состав для укрепления грунта, состоящий из следующих компонентов, мас.%: электросталеплавильный самораспадающийся рафинировочный шлак 8-10; азотнокислый кальций 1-2; каменноугольная смола 1-3; грунт остальное [SU № 551426, Е02D3/14, 1977].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
Известен состав для укрепления грунта, состоящий из следующих компонентов, мас. %: цемент 5-15; отход термической утилизации нефтешлаков – золошлак плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм3 30-40; минеральный наполнитель 0-30; торфяной сорбент 2-4; буровой шлак плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм3 остальное [SU № 604894, Е01С7/36, 1978].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является состав для укрепления грунта, содержащий: грунт, шлаковое вяжущее, активизатор твердения и воду, содержит в качестве шлакового вяжущего самораспадающийся доменный шлак, в качестве активизатора твердения – молотый портландцементный клинкер и карбонатная пыль цементного производства при следующем соотношении компонентов, мас. %: грунт 40-60; самораспадающийся доменный шлак 20-30; молотый портландцементный клинкер 3-5; карбонатная пыль цементного производства 3-5; вода остальное [SU № 990933 E01C 21/00, 1983].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание состава для укрепления грунта, отличающегося повышенной прочностью на сжатие, прочностью на растяжение при изгибе и повышенной морозостойкостью.
Поставленная задача достигается тем, что состав включает грунт, представленный суглинком или супесью, вяжущее, состоящее из гранулированного доменного шлака фракции (0,16-2,5) мм, шлака внепечной обработки стали фракции (0,16-0,63) мм и реакционно-активного наполнителя, состоящего из поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты и нитрита калия KNO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| указанный поликарбоксилат | 48,0-52,0 |
| нитрит калия | 48,0- 52,0 |
при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%:
| указанный гранулированный доменный шлак | 18,0-28,0 |
| указанный шлак внепечной обработки стали | 70,0-79,0 |
| указанный реакционно-активный наполнитель | 2,0-3,0, |
дополнительно содержит комплексную химическую добавку, представленную водным раствором с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см3 и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, состоящую из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, представленных коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см3 и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2 и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| указанный поликарбоксилат | 25,0-27,0 |
| глюконат натрия | 5,5-6,0 |
| указанные нанодисперсии гидродиоксида кремния | 2,5-3,0 |
| вода | 65,0-66,0, |
при следующем соотношении компонентов состава укрепляемого грунта, мас.%
| указанный грунт | 20,5-72,5 |
| указанное вяжущее | 18,0-68,0 |
| указанная комплексная химическая добавка | 1,2-2,5 |
| вода | 8,3-9,0 |
Экспериментально установлено, что вяжущее на основе шлаков разной природы в сочетании с реакционно-активным наполнителем, состоящим из поликарбоксилата и нитрита калия, оказывает на грунт стабилизирующее, пластифицирующее и реакционно-активное действие, следствием чего является создание жесткой структуры грунта, уменьшение количества воды для достижения максимальной плотности грунта, что оказывает положительное влияние на повышение морозостойкости грунта.
По данным физико-механических и физико-химических исследований установлено, что суглинок и супесь обладают хорошей совместимостью со шлаком внепечной обработки стали, обеспечивая повышение прочности укрепленного грунта.
По данным рентгенофазового анализа установлено, что основной фазой шлака внепечной обработки стали является алюминат кальция, майенит, Ca12Al14O3, который взаимодействует с глинистыми компонентами суглинка или супеси, обеспечивая образование твердых растворов гидрогранатов переменного состава 3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)·H2O, которые обладают повышенной устойчивостью в сульфатных и магнезиальных водах, что способствует повышению долговечности укрепляемого грунта. Образующиеся гидрогранаты, обладая повышенной реакционной активностью в момент образования, формируют контакты между частицами суглинка или супеси при помощи химической связи р-р типа по схеме:
, образование связи осуществляется по донорно-акцепторному механизму между электронной парой p-кислорода, входящего в состав гидрогранатов и свободной p-орбиталью алюминия, входящего в состав суглинка или супеси. Связи такого типа обладают повышенной гибкостью, что и оказывает положительное влияние на повышение прочности на растяжение при изгибе и как следствие на повышение устойчивости к трещинообразованию укрепленного грунта, используемого для изготовления дорожного основания или фундамента.
Добавление к укрепляемому грунту комплексной химической добавки повышает пластифицирующий и реакционно-активные эффекты оказываемые разработанным вяжущим, что выражается в повышении гидратационной активности компонентов укрепляемого грунта.
Образование повышенного количества новых гидратных фаз оказывает положительное влияние на повышение плотности грунта, образование новых контактов между компонентами укрепляемого грунта, которые повышают прочность и надежность формирующейся структуры грунта в процессе укрепления.
Химическое подобие между шлаком внепечной обработки и глинистыми компонентами, входящими в состав суглинка или супеси, в присутствии нитрита калия, способствует их эффективному взаимодействию, которое сопровождается образованием новых гидратных фаз, уплотняющих и упрочняющих структуру грунта, таким образом, улучшая физико-механические характеристики грунта, а также его надежность и долговечность в процессе эксплуатации.
На дату подачи заявки, по мнению авторов и заявителя, заявленный состав для укрепления грунта не известен и данное техническое решение обладает мировой новизной.
Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство при совместном использовании грунта, представленного суглинком или супесью, гранулированного доменного шлака, шлака внепечной обработки стали и реакционно-активного наполнителя, состоящего из поликарбоксилата и нитрита калия KNO2, в присутствии комплексной химической добавки, состоящий из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, состоящее в повышенной стабилизации грунта, которая заключается в формировании монолитного, обладающего повышенными показателями прочности и плотностью укрепленного грунта, отличающегося повышенной долговечностью, придающего повышенную надежность основанию.
Состав, состоящий из гранулированного доменного шлака фракции 0,16-2,5 мм, шлака внепечной обработки стали фракции 0,16-0,63 мм в сочетании с реакционно-активным наполнителем, состоящим из нитрита калия, и поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты и при дополнительном использовании комплексной химической добавки, представленной водным раствором с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см3 и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, состоящим из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, представленных коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см3 и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2 обеспечил создание высокопрочного и высокоплотного монолитного грунта, представленного суглинком или супесью. Определенно, что упрочненный грунт обладает повышенной устойчивостью к трещинообразованию и повышенной морозостойкостью.
По мнению заявителя и авторов, заявляемое изобретении соответствует критерию охраноспособности – изобретательский уровень.
Заявляемое изобретение промышленно применимо и может быть использовано в строительстве и при устройстве укрепленных дорожных оснований.
Пример конкретного выполнения
Готовят состав для укрепления грунта следующим образом:
1. Приготовление реакционно-активного наполнителя.
1.1. Дозируют поликарбоксилат на основе сополимера метакриловой кислоты;
1.2. Дозируют нитрит калия KNO2;
1.3. Компоненты, отдозированные по пп. 1.1-1.2, транспортируют в смеситель и тщательно перемешивают до получения однородного дисперсного материала, который транспортируют в накопительную емкость.
2. Приготовление вяжущего.
2.1. Дозируют гранулированный шлак;
2.2. Дозируют шлак внепечной обработки стали;
2.3. Дозируют реакционно-активный наполнитель, приготовленный по п. 1.3;
2.4. Компоненты, отдозированные по пп. 2.1-2.3, транспортируют в смеситель, где тщательно перемешивают до получения однородной дисперсной системы. Приготовленное вяжущее транспортируют в накопительную емкость.
3. Приготовление комплексной химической добавки.
3.1. Дозируют поликарбоксилатный полимер на основе ангидрида малеиновой кислоты;
3.2. Дозируют глюконат натрия;
3.3. Дозируют нанодисперсии гидродиоксида кремния представленные коллоидным раствором с плотностью ρ=1,021 г/см3 и значением водородного показателя pH = 4,0;
3.4. Дозируют воду;
3.5. Все компоненты, отдозированные по пп. 2.1-2.4, транспортируют в смеситель, где тщательно перемешивают в течение 30 минут и после этого осуществляют контроль плотности водного раствора добавки и значение водородного показателя pH, готовую к употреблению добавку транспортируют в накопительную емкость.
4. Укрепление грунта.
4.1. Грунт представленный суглинком или супесью тщательно взрыхляют при помощи фрейзерной машины;
4.2. Дозируют вяжущее, приготовленное по п. 2.4.
4.3. Отдозированное вяжущее равномерно распределяют по поверхности взрыхленного грунта;
4.4. Взрыхленный грунт с вяжущим тщательно перемешивают при помощи машины-тягача оборудованного грунтовой фрезой.
4.5. Дозируют воду;
4.6. Дозируют комплексную химическую добавку, приготовленную по п. 2.5;
4.7. Добавку, отдозированную по п. 3.6. транспортируют в отдозированную воду и тщательно перемешивают, полученный водный раствор транспортируют и равномерно распределяют по поверхности взрыхляемого грунта, смешанного с вяжущим;
4.8. Для осуществления равномерного увлажнения и активации, грунт, перемешанный с вяжущим, увлажнённый водой с комплексной химической добавкой, тщательно перемешивают при помощи машины-тягача оборудованного грунтовой фрезой;
4.9. Подготовленный и активированный грунт в дальнейшем подвергают уплотнению при помощи грунтового катка и перед проведением уплотнения отбирают подготовленный состав для проведения физико-механических испытаний по определению прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе и морозостойкости.
Для определения прочности на сжатие изготавливали образцы-цилиндры диаметром 5,0 см и высотой 5,0 см, методом прессования под давлением 15 МПа.
Для определения прочности на растяжении при изгибе изготавливали методом прессования образцы – призмы размером 100×100×400 мм.
Хранение всех образцов и их подготовка к испытанию осуществлялась по ГОСТ 23558-94. Испытание образцов на прочность на сжатие, на прочность на растяжение при изгибе осуществлялось по ГОСТ 10180-2012.
Для определения морозостойкости изготавливались образцы-цилиндры диаметром 70 мм и высотой 70 мм методом прессования. Хранение образцов и подготовка к испытанию также осуществлялось по ГОСТ 23558-94
Морозостойкость укрепленного грунта определяли по ГОСТ 10060-2012(по 1-му методу).
Составы укрепляемого грунта представлены в таблице 1, физико-механические характеристики укрепленного грунта представлены в таблице 2.
По результатам исследований, представленным в таблице 2, установлено, что прочность на сжатие повышается в 1,55-1,95 раза, прочность на растяжение при изгибе увеличивается в 1,6-2,1 раза и морозостойкость повышается в 2,3-3,3 раза относительно прототипа.
Таблица 1
| № п/п |
Состав, мас.% | |||||||||||||||
| грунт | По изобретению, грунт, представленный | Шлаковое вяжущее (самораспадающийся шлак) |
Вяжущее по изобретению | Активатор твердения | Комплексная химическая добавка (по изобретению) | вода | ||||||||||
| Кол-во, мас.% | Состав, мас.% | Кол-во, мас.% | Состав, мас.% | |||||||||||||
| Гранулированный доменный шлак фр. (0,16-2,5) мм | Шлак внепечной обработки фр. (0,16-0,63) мм | Реакционно-активный наполнитель* | Молотый портландцемент клинкер | Карбонатная пыль цементного производства | Поликарбоксилат из сополимера ангидрида малеиновой кислоты | Глюконат натрия | Нанодисперсии гидродиоксида кремния | вода | ||||||||
| Суглинком | Супесью | |||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| Прототип | ||||||||||||||||
| 1 | 50 | - | 25 | - | - | - | - | 4 | 4 | 17 | ||||||
| По изобретению | ||||||||||||||||
| 2 | - | 20,5 | - | - | 68,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | - | - | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 3 | - | 20,5 | - | - | 68,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | - | - | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 4 | - | 20,5 | - | - | 68,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | - | - | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 5 | - | 46,5 | - | - | 43,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | - | - | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 6 | - | 46,5 | - | - | 43,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | - | - | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 7 | - | 46,5 | - | - | 43,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | - | - | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 8 | - | 72,5 | - | - | 18,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | - | - | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
| 9 | - | 72,5 | - | - | 18,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | - | - | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
| 10 | - | 72,5 | - | - | 18,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | – | – | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| 11 | - | - | 20,5 | - | 68,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | – | – | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 12 | - | - | 20,5 | - | 68,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | – | – | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 13 | - | - | 20,5 | - | 68,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | – | – | 2,5 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 9,0 |
| 14 | - | - | 46,5 | - | 43,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | – | – | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 15 | - | - | 46,5 | - | 43,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | – | – | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 16 | - | - | 46,5 | - | 43,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | – | – | 1,85 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,65 |
| 17 | - | - | 72,5 | - | 18,0 | 18,0 | 79,0 | 3,0 | – | – | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
| 18 | - | - | 72,5 | - | 18,0 | 23,0 | 74,5 | 2,5 | – | – | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
| 19 | - | - | 72,5 | - | 18,0 | 28,0 | 70,0 | 2,0 | – | – | 1,20 | 26 | 5,75 | 2,75 | 65,5 | 8,3 |
* Состав реакционно-активного наполнителя, мас.%:
| поликарбоксилат на основе сополимера метакриловой кислоты | 50,0 |
| нитрит калия KNO2 | 50,0 |
Таблица 2
| № п/п | Прочность на сжатие, МПа | Прочность на растяжение при изгибе, МПа | Марка по морозостойкости, F |
| Прототип | |||
| 1 | 4,0 | 0,8 | 15 |
| Изобретение | |||
| 2 | 6,0 | 1,19 | 35 |
| 3 | 6,0 | 1,19 | 35 |
| 4 | 6,0 | 1,19 | 35 |
| 5 | 6,2 | 1,28 | 35 |
| 6 | 6,2 | 1,28 | 35 |
| 7 | 6,2 | 1,28 | 35 |
| 8 | 6,1 | 1,22 | 35 |
| 9 | 6,1 | 1,22 | 35 |
| 10 | 6,1 | 1,22 | 35 |
| 11 | 7,6 | 1,60 | 50 |
| 12 | 7,6 | 1,60 | 50 |
| 13 | 7,6 | 1,60 | 50 |
| 14 | 7,8 | 1,68 | 50 |
| 15 | 7,8 | 1,68 | 50 |
| 16 | 7,8 | 1,68 | 50 |
| 17 | 7.75 | 1,63 | 50 |
| 18 | 7,75 | 1,63 | 50 |
| 19 | 7,75 | 1,63 | 50 |
Состав для укрепления грунта, содержащий грунт, вяжущее и воду, содержит грунт, представленный суглинком или супесью, в качестве вяжущего содержит вяжущее, состоящее из гранулированного доменного шлака фракции 0,16-2,5 мм, шлака внепечной обработки стали фракции 0,16-0,63 мм и реакционно-активного наполнителя, состоящего из поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты и нитрита калия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| указанный поликарбоксилат | 48,0-52,0 |
| нитрит калия KNO2 | 48,0-52,0, |
при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%:
| указанный гранулированный доменный шлак | 18,0-28,0 |
| указанный шлак внепечной обработки стали | 70,0-79,0 |
| указанный реакционно-активный наполнитель | 2,0-3,0, |
дополнительно содержит комплексную химическую добавку, представленную водным раствором с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см3 и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, состоящую из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, представленных коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см3 и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2 и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| указанный поликарбоксилат | 25,0-27,0 |
| глюконат натрия | 5,5-6,0 |
| указанные нанодисперсии гидродиоксида кремния | 2,5-3,0 |
| вода | 65,0-66,0, |
при следующем соотношении компонентов состава укрепляемого грунта, мас.%:
| указанный грунт | 20,5-72,5 |
| указанное вяжущее | 18,0-68,0 |
| указанная комплексная химическая добавка | 1,2-2,5 |
| вода | 8,3-9,0 |
