Результат интеллектуальной деятельности: Состав для устройства слоев оснований дорожной одежды

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для устройства слоев оснований дорожной одежды автомобильных и железных дорог.

Актуальной задачей рационального природопользования является утилизация крупнотоннажных отходов производства, которая возможна лишь в дорожном строительстве за счет крупнотоннажного прямого использования. Исследование возможности вовлечения отходов производства, модифицированных добавками различной природы, в дорожное строительство является важной задачей, позволяющей снизить расход дорогостоящих материалов и решить комплекс острых экологических проблем.

Известен укрепленный грунт для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа, содержащий песчаный или супесчаный грунт, высококальциевую золу уноса и воду (патент РФ №2389844, опубл. 2010 г.). Укрепленный грунт дополнительно содержит хлорное железо и полимерсодержащий раствор - отход производства автомобильных шин, включающий каучук в виде латекса ДМВП-10Х в количестве 7 мас. % и каучук в виде латекса СКД 1С в количестве 7 мас. %, при следующем соотношении компонентов, мас. %: песчаный или супесчаный грунт - 75-77, высококальциевая зола уноса - 14-16, хлорное железо - 0,13-0,20, указанный полимерсодержащий раствор - 0,12-0,17, вода - остальное.

Данный укрепленный грунт для дорожного строительства характеризуется сравнительно высокими значениями прочности, водостойкости и морозостойкости. Однако необходимость использования в качестве полимерсодержащего раствора отхода производства автомобильных шин, включающего каучук в виде латекса ДМВП-10Х и каучук в виде латекса СКД 1С, в определенной мере ограничивает доступность к широкому использованию такого производственного отхода.

Известен состав для устройства оснований дорожных одежд, включающий в качестве наполнителя щебень строительный фракции 5-60 мм и отходы щебеночного производства фракции 0-5 мм, золу уноса от сжигания каменного угля, отходы известкового производства - известь-пушонка, а также подмыльный щелок (патент РФ №2135681, опубл. 27.08.1999 г.). Недостатком данного золоминерального состава является малая массовая доля связующих, препятствующих в начальный период строительства выщелачиванию солей тяжелых металлов из дорожной одежды в окружающую среду.

Наиболее близким по техническому решению, принятым за прототип, является золоминеральный состав для оснований дорожных одежд (патент РФ №2350709, опубл. 27.03.2009 г.), содержащий в качестве наполнителя песок фракции до 3 мм, отсев щебеночного производства фракции до 10 мм, зола от сжигания осадка сточных вод с удельной поверхностью 200-300 м²/кг, насыпной плотностью 0,7-0,8 г/м, содержанием SiO₂ - 50-60% и рН 12-13,5, в качестве связующих - битум и цемент при следующем соотношении компонентов, мас. %: песок фр. до 3 мм - 10-18; отсев щебеночного производства фр. до 10 мм - 10-15; зола от сжигания осадка сточных вод - 35-55; нефтяной дорожный битум - 5-10; портландцемент не ниже 400 - 6-12; вода 15-20% от массы смеси.

Недостатком данной смеси является необходимость смешивания всех пяти компонентов в три стадии с применением дополнительной смесительной техники. На третьей стадии в работающий смеситель добавляется необходимый объем воды, после чего готовая масса выгружается в самосвал и доставляется к месту производства работ. Это не позволяет обеспечить оптимальное увлажнение смеси, за счет испарения воды в момент доставки, кроме того является трудоемким и экономически нецелесообразным процессом. Максимальная прочность получаемого материала достигается при введении в состав 12% цемента, что также является экономически неэффективным.

Задачей изобретения является получение экономически эффективного дорожно-строительного материала на основе отходов дробления горных пород и отходов теплоэнергетики с оптимальными физико-механическими характеристиками при пониженном содержании вяжущего, что позволит расширить сырьевую базу для дорожного строительства.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом составе для устройства слоев оснований дорожной одежды содержится песок из отсевов дробления по ГОСТ 31424-2010 фракции 0-5 мм; зола уноса сухого улавливания по ГОСТ 25818-2017; минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 31108-2016; полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли(1-карбамоилэтилена) и продуктов гидролиза поливинилацетата, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Достижение указанного технического результата обусловлено образованием межмолекулярных водородных связей при взаимодействии поли(1-карбамоилэтилена) с продуктами гидролиза поливинилацетата, что способствует равномерному распределению и закреплению связующего. Использование полимерного композита в составе дорожно-строительного материала позволяет повысить предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе.

Характеристика исходных материалов:

1. Песок из отсевов дробления по ГОСТ 31424-2010 фракции 0-5 мм.

2. Зола уноса сухого улавливания по ГОСТ 25818-2017, тип - кислая, с удельной поверхностью - не менее 150 м²/кг, влажностью - не более 1%, А_эфф - не более 370 Бк/кг, с содержанием оксида кальция (СаО) - не более 10%, потеря массы при прокаливании (п.п.п.) - не более 25 мас. %.

3. Минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 31108-2016: тип ЦЕМII; класс прочности - 32,5; быстротвердеющий.

4. Полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли(1-карбамоилэтилена) и продуктов гидролиза поливинилацетата (синтезирован в воде при 60°С; массовое соотношение ПАВ - 3:7).

5. Вода по ГОСТ 23732-2011.

Состав для устройства слоев оснований дорожной одежды разработан в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94 путем подбора оптимального количества вяжущего в процентах от массы полученного техногенного грунта, состоящего из смеси песка из отсевов дробления и золы уноса с учетом оптимальной влажности. Основными критериями оценки оптимальности состава являлись прочностные характеристики.

Пример. В воздушно-сухую смесь песка из отсевов дробления фракции 0-5 мм по ГОСТ 31424-2010 и золы уноса сухого улавливания по ГОСТ 25818-2017 вносили вяжущее - портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 31108-2016. Состав смеси, мас. %: песок из отсева дробления - 50-60; зола уноса - 20-10; портландцемент - 10-7. Затем смесь перемешивали вручную и вводили полимерный композит (0,5-0,9 мас. % сверх 100%), растворенный в оптимальном количестве воды (20-23 мас. %), после чего снова перемешивали. Из полученной смеси каждого вида изготавливали образцы в соответствии с ГОСТ 23558-94. Прочностные характеристики получены на образцах, подвергнутых полному водонасыщению. Анализ физико-механических характеристик образцов проводили через 28 суток.

Физико-механические характеристики образцов приведены в таблице 1. Показано, что применение полимерного композита на основе поли(1-карбамоилэтилена) и продуктов гидролиза поливинилацетата позволяет получить дорожно-строительный материал с оптимальными для дорожного строительства прочностными характеристиками в соответствии с ГОСТ 23558-94.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав для устройства слоев оснований дорожной одежды позволяет получать дорожно-строительный материал с прочностью при сжатии 5,2-7,3 МПа и растяжении при изгибе 0,8-1,5 МПа при содержании вяжущего 7-10 мас. %. По прототипу максимальная прочность при сжатии 7 МПа и растяжении при изгибе 1,2 МПа достигнута при содержании вяжущего 12 мас. %. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна». Сравнение заявляемого состава для устройства слоев оснований дорожной одежды с прототипом и другими аналогичными техническими решениями в данной области не позволили выявить в них признаки, аналогичные отличительным признакам. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого состава для устройства слоев оснований дорожной одежды условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет получать экономически эффективный дорожно-строительный материал для устройства слоев оснований дорожной одежды с прочностью при сжатии 5,2-7,3 МПа и прочностью на растяжении при изгибе 0,8-1,5 МПа в соответствии с ГОСТ 23558-94. Применение в дорожном строительстве состава для устройства слоев оснований дорожной одежды позволит решить острые экологические проблемы путем комплексной утилизации отходов дробления горных пород и отходов теплоэнергетики.