Результат интеллектуальной деятельности: Состав для закрепления просадочных грунтов

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог, а также для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений.

Известна дорожная полимерцементогрунтовая смесь. Технология приготовления данной дорожной полимерцементогрунтовой смеси заключается в том, что в грунт одновременно с цементом вводится латекс СКС-65ГП и механоактивированная целлюлоза в виде ее смеси с указанным латексом при определенном соотношении компонентов смеси; смесь перемешивается грунтосмесительной машиной, укладывается и уплотняется (см. Патент РФ № 2373321 С1, МПК E01C 7/36, опубл. 20.11.2009).

Недостатком данной смеси является недостаточная прочность для использования в основаниях дорожных одежд капитального типа, так как предложенные связующие недостаточно обеспечивают сшивание ингредиентов путем проникновения длинноволокнистых игольчатых связей.

Известен состав для закрепления грунтов, преимущественно лессовых, содержащий раствор силиката натрия плотностью 1,4 - 1,5 г/см³ 50 - 60 об.% и 2 - 9%-ный водный раствор содощелочного плава 80 - 120 об.% (см. Патент РФ № 2035544 С1, МПК E02D3/12, C09K17/00, опубл. 20.05.1995).

Технология приготовления данного состава для закрепления грунта заключается в том, что сначала приготавливают 2-9%-ный водный раствор содощелочного плава, после чего его вводят в раствор силиката натрия плотностью 1,4-1,5 г/см³. Полученный состав тщательно перемешивают в смесителе, состав нагнетают в грунт обычным способом через инъектор.

Недостатком данного способа является низкая прочность, деформативная устойчивость и морозостойкость получаемого материала.

Известна грунтовая смесь для дорожного строительства, включающая минеральное вяжущее, воду, грунт, кремнийорганическую жидкость октилтриэтоксисилан и щелочь при следующем соотношении, %:

- грунт - 100,

- портландцемент - 6-10 (сверх 100%),

- октилтриэтоксисилан - 0,01-0,3 (сверх 100%),

- щелочь - 0,1-0,7 (сверх 100%),

- вода - 7,5-11,95 (сверх 100%)

(см. Патент РФ №2545228, МПК E01C 21/00 ; E01C 7/10 , опубл. 27.03.2015).

Недостатком данной смеси является невысокая морозостойкость (F15) и прочность (М40), повышенный расход добавок, а также применение щелочи (гидроксид натрия), являющейся опасной для организма человека, что приводит к трудностям в технологии производства работ.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является состав для закрепления грунтов, включающий портландцемент, заполнитель и добавку, где в качестве добавки использована жидкость кремнийорганическая «Силор», а заполнителя - использован грунт (см. патент РФ № 2519283 МПК E01C 21/00, опубл. 10.06.2014).

Недостатком прототипа является возможность высокого водонасыщения материала дорожного полотна, что отрицательно сказывается на его эксплуатационных характеристиках.

Задачей изобретения является снижение водонасыщения и повышение эксплуатационных характеристик материала дорожного полотна, а также экономической эффективности строительства.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении состава для закрепления просадочных грунтов, который за счет сниженного водопоглощения будет обладать лучшими характеристиками морозостойкости, высокой долговечностью материала, а следовательно, увеличенными межремонтными сроками и сроком службы дорожной одежды (или основания зданий и сооружений).

Поставленная задача решается тем, что состав для закрепления просадочных грунтов, включающий портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н, заполнитель и химический модификатор, отличается тем, что в качестве заполнителя используют смесь кварцевого песка, вулканического туфа и известняка, а в качестве химического модификатора используют суперпластификатор поликарбоксилатный сухой при следующем соотношении, маc. %:

- портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н - 22-38;

- вулканический туф - 25-33;

- известняк - 6-10;

- кварцевый песок - 29-39;

- суперпластификатор поликарбоксилатный сухой - 0,2,

при этом смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов в мельнице до удельной поверхности 470-520 м²/кг.

При этом состав на месте разбавляют водой при водовяжущем отношении 0,55.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий, что «в качестве заполнителя используют смесь кварцевого песка, вулканического туфа и известняка» позволяет за счет наличия тонкомолотых зерен компонентов в результате образования гидрокарбоалюминатов кальция, обеспечить увеличение прочности и снижение усадочных деформаций бетона.

Признак, указывающий, что «в качестве химического модификатора используют суперпластификатор поликарбоксилатный сухой» позволяет уменьшить водопотребность состава, что снижает количество усадочных трещин при закреплении грунта.

Признак «…смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов…» приводит не только к появлению дефектных кристаллов, но и аморфизации их поверхности, т.к. в процессе механоактивации компонентов при производстве композиционного вяжущего происходит разрушение как структуры, так и отдельно взятых кристаллов. Это предопределяет повышение активности компонентов вяжущего в целом и позволяет значительно сократить расход клинкерной составляющей. При выборе суперпластификаторов, достижение наиболее высоких значений расплыва конуса было экспериментально выявлено на сырьевой смеси вяжущего с применением сухого поликарбоксилатного суперпластификатора, в котором активное вещество - полиакриловая кислота (например, Meflux).

Признак, указывающий, что измельчение ингредиентов производят «до удельной поверхности 470-520 м²/кг», является оптимальным. Повышение S_уд сверх этих значений оказывает отрицательное влияние на структурообразование.

При этом указанное в формуле изобретения соотношение ингредиентов позволяет получить экономичный состав для закрепления просадочных грунтов, позволяющий обеспечить достаточно высокие эксплуатационные характеристики.

Технология получения предложенного состава такова: портландцемент, кварцевый песок, вулканический туф, известняк и сухой суперпластификатор в заявленных соотношениях совместно измельчают в мельнице до получения удельной поверхности 470-520 м²/кг в течение 50 минут.

Смесь затворяют водой при водовяжущем соотношении 0,55, тщательно перемешивают и подают в инъекторы.

Таблица 1

Компоненты состава для закрепления просадочных грунтов

Химический состав известняка приведен в табл. 2 (масс. %).

Таблица 2

Химический состав известняка

Химический состав кварцевого песка приведен в табл. 3 (масс. %).

Таблица 3

Химический состав кварцевого песка

Введение в грунт предложенного состава приводит к значительному уменьшению количества макропор за счет заполнения продуктами гидратации пространства между грунтовыми агрегатами, что, в свою очередь, приводит к уменьшению проницаемости материала.

В отличие от методов уплотнения, инъекционное закрепление грунтов не оказывает существенное влияние на их структуру. При инъекционном закреплении введенные составы образуют в массиве грунта прочные структурные связи. В результате этого обеспечивается увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды, особенно влажности. Установлено, что главным фактором эффективного инъекционного закрепления просадочного грунта является проникающая способность раствора.

Для инъекцирования приготовленного раствора используется электрический шнековый насос, который подает раствор под давлением 0,4 МПа в инъекторы, установленные на необходимом удалении друг от друга (в зависимости от дисперсности закрепляемых грунтов).

В табл. 4 показаны физико-механические характеристики грунтобетонов с различным соотношением компонентов разработанного состава. Расход воды и объем закрепленного грунта условно не показаны (приняты равными для всех составов).

Таблица 4

Физико-механические характеристики грунтобетонов

Таким образом, предлагаемый состав имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

- повышены прочностные характеристики закрепленного грунта по сравнению с прототипом на 32 %;

- снижены показатели водонасыщения закрепленного грунта по сравнению с прототипом на 36 %;

- экономический эффект от внедрения результатов работы достигается за счет снижения расхода цемента путем замены его активированным наполнителем вторичного происхождения и применения в его рецептуре химических модификаторов;

- при этом замена до 78% цемента на отходы промышленного производства способствует решению как экономических, так и экологических задач.