ДОРОЖНАЯ ПОЛИМЕРЦЕМЕНТОГРУНТОВАЯ СМЕСЬ
ROAD POLYMER-CEMENT-SOIL MIX

Изобретение относится преимущественно к строительству автомобильных дорог и может быть использовано для повышения прочности на растяжение при изгибе, а также повышения коэффициента водостойкости основания дорожной одежды.
Известно, что в регионах, где нет собственных каменных материалов для устройства оснований дорожных одежд, представляется целесообразным использование укрепленных грунтов вяжущими. Однако основания из цементогрунтов имеют существенный недостаток - низкую деформативность, сопровождающуюся интенсивным трещинообразованием. Поэтому в отечественной практике дорожного строительства в последние десятилетия строительство цементогрунтовых оснований дорожных одежд существенно сократилось.
Вместе с тем во многих странах мира дорожные цементогрунтовые смеси для повышения их прочности на растяжение при изгибе стали модифицировать полимерными добавками. Применяемые в настоящее время комплексные добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) не позволяют получить материалы на основе цементогрунтовых композиций, обладающие высокой трещиностойкостью и устойчивостью прочностных характеристик во времени под воздействием климатических факторов и нагрузок.
Модификация цементогрунта полимерными веществами позволяет достичь увеличения деформативности материала, при котором не будет происходить образование трещин от воздействия на дорожную одежду различных растягивающих напряжений.
Однако основным недостатком полимерных модификаторов отечественного производства, например, латексов является относительно невысокий эффект при их дозировке менее 0,5% относительно массы цемента, что делает применение полимерцементогрунта в дорожном строительстве экономически нецелесообразным.
Известна «Дорожная смесь» по описанию изобретения к а.с. СССР №481661, класс МПК Е01С 7/10, С04В 13/00, опубликовано в БИ №31 12.12.1975 г.(1).
Данная дорожная смесь содержит в процентах: грунт 100, цемент 4-8, дивинилстирольный латекс 2-4, вода 5-20 (в соответствии с оптимальной влажностью исходного грунта).
Технология приготовления данной дорожной полимерцементогрунтовой смеси заключается в том, что в грунт одновременно с цементом вводится латекс, смесь перемешивается грунтосмесительной машиной, укладывается и уплотняется.
Недостатком данной дорожной полимерцементогрунтовой смеси является недостаточно высокая деформационная способность к воздействующим нагрузкам.
Целью при разработке предлагаемого изобретения является создание состава дорожной полимерцементогрунтовой смеси, обладающей повышенной прочностью на растяжение при изгибе, а также более высоким коэффициентом водостойкости.
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом. Предлагаемая дорожная полимерцеметогрунтовая смесь, как и известная смесь, содержит грунт, цемент и латекс. Но в отличие от известной смеси в предлагаемой смеси использован латекс СКС-65ГП в смеси с механоактивированной целлюлозой. И предлагаемая дорожная полимерцементогрунтовая смесь содержит сухого вещества по массе: 90% грунта, 9,35-9,4% цемента, 0,5% латекса и 0,1-0,15% механоактивированной целлюлозы.
В качестве аналога предлагаемой дорожной полимерцементогрунтовой смеси можно принять дорожную смесь по а.с. СССР №481661 (1).
Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. В цементогрунтовую смесь, содержащую 90% грунта и 9,35-9,4% цемента, вводят смесь из 0,5% латекса и 0,1-0,15% механоактивированной целлюлозы сразу же после ее механической активации, например, в планетарной мельнице. При этом целлюлозу после механической активации сначала смешивают с латексом и только после этого вводят в смесь грунта с цементом. Затем всю эту смесь перемешивают с водой в количестве примерно 10% от массы всей смеси.
Нами были проведены опытные сравнительные исследования различных дорожных цементогрунтовых смесей, в том числе и предлагаемой полимерцементогрунтовой смеси, содержащей механоактивированную целлюлозу.
Смесь латекса с механоактивированной целлюлозой условно назовем «упрочнитель цементогрунтовой смеси российский» (УЦГСРос).
Ниже приводится таблица физико-механических свойств образцов полимерцементогрунтов, полученных с добавлением различных полимерных добавок по результатам проведенных опытных исследований.
В п.1 таблицы приведены прочностные характеристики цементогрунта, содержащего лишь грунт и цемент. В п.2 приведены прочностные характеристики цементогрунта, содержащего 90% грунта, 9,5% цемента и 0,5% латекса отечественного производства, например, марки «Латекс СКС-65 ГП».
сж
В пунктах 3, 4 и 5 таблицы приведены прочностные характеристики, например, цементогрунтов, содержащих по 0,5% латекса и соответственно 0,1%, 0,13% и 0,15% обычной неактивированной целлюлозы. В этих составах полимерцементогрунтовых смесей прочностные характеристики заметно возросли. В пунктах 6, 7 и 8 таблицы приведены прочностные показатели полимерцементогрунтовых смесей, содержащих по 0,5% латекса и соответственно 0,1%, 0,13% и 0,15% механоактивированной целлюлозы. Так, например, видно, что механоактивированная целлюлоза способствует увеличению прочности образцов на сжатие R с 3,7 МПа до 4,4 МПа, что на 19% больше, а прочность на растяжение при изгибе возрастает с 1,2 МПа до 1,6 МПа, что на 33% больше. Примерно на 17-18% возрастает и коэффициент водостойкости предлагаемой дорожной полимерцементогрунтовой смеси, содержащей механоактивированную целлюлозу. В п.9 таблицы приведены прочностные характеристики полимерцементогрунта, содержащего в качестве упрочнителя цементогрунта импортный водный раствор «Ренолита» в количестве 0,5% от общей массы цементогрунта. Коэффициент водостойкости этой смеси на 11,5% ниже, чем у смеси с использованием «упрочнителя цементогрунтовой смеси российский» (УЦГСРос). Наблюдаемый в результате проведения опытных исследований эффект упрочнения предлагаемой дорожной смеси можно объяснить образованием в структуре полимерцементогрунта разветвленного арматурного каркаса целлюлозы, изображенного на фиг.1.1 электронной микрофотографии цементогрунта с добавкой «Ренолит» (п.9 таблицы) и на фиг.1.2 электронной микрофотографии структуры цементогрунта с добавкой УЦГСРос-латекса и механоактивированной целлюлозы (пункты 6, 7 и 8 таблицы). Из приведенных снимков видно, что механизм действия обоих полимерных добавок «Ренолит» и УЦГСРос идентичен. В обоих случаях наблюдается образование армирующих полимерных микроволокон, пронизывающих структуру цементогрунта. При этом степень армирования у предлагаемой полимерцементогрунтовой смеси на фиг.1.2 выше. Этим и объясняется более высокая прочность на растяжение при изгибе у предлагаемой полимерцементогрунтовой смеси с применением полимерной добавки УЦГСРос.
Наиболее эффективными добавками, повышающими прочность на растяжение при изгибе цементогрунтовых материалов, являются анизотропные неорганические либо полимерные структуры различной дисперсности, получившие такое характерное условное название, как фибра или фибрины. Наиболее высокопрочной является стальная фибра, от нее по физико-механическим показателям значительно отстает группа полимерных фибринов, однако коррозионная устойчивость и относительная дешевизна полимерных фибринов определяет их привлекательность для промышленного применения. Количество вводимых анизотропных добавок (фибры) и ее геометрические параметры (сечение, протяженность, форма) являются предметом экспериментальных отработок для многих конкретных задач. Добавкой такого рода является золь - это коллоидная добавка, содержащая дисперсии наноразмера (от 1 до 100 нм) и обладающая поэтому особыми свойствами поверхности - высокой поверхностной энергией. В пользу данного тезиса свидетельствуют следующие предпосылки. Согласно последним представлениям, например, из книги Минько Н.И. [2] о строении материалов все технологические составы материалов являются равновесными системами, содержащими метастабильные группировки атомов, передающих наследственность шихтовых материалов. Наряду с группировками атомов, сохраняющих некоторую степень ближнего порядка - кластерами или флуктуациями, строительные смеси содержат активные и неактивные частицы вяжущей фазы, находящиеся во взвешенном состоянии и образующие суспензию. Если размер таких частиц не превышает критического размера, равного 7,2 нм, то независимо от плотности материала частиц на них не действуют силы гравитации, и они под действием лапласовского давления (Р=2 σ/r) должны обладать избыточной поверхностной энергией, то есть обладают способностью к адсорбции, см. монографию Прокопца B.C. [3]. Можно предположить, что упорядоченный ансамбль атомов, сохраняющий в растворной части смеси свою индивидуальность, взаимосвязан с суспензированными частицами твердой фазы. В пользу взаимосвязи между кластерообразованием, строением и составом композита могут свидетельствовать известные факты подавления наследственных свойств путем повторного вибрирования или уплотнения готовой смеси после технологического перерыва.
После отвердевания таких смесей структура композита имеет мелкозернистое строение. Если размеры кластеров на стадии коллоидации цементного геля не превышают 1,5 нм, то любые физические воздействия не могут нарушить их структуру, так как пластическая деформация и течение даже жидких сред происходит существенно большими блоками. Поэтому можно допустить, что в растворе и в затвердевшем материале существует некоторая «сетка» сил, центрами и узлами которой являются гетерофазные комплексы, имеющие твердое ядро и кластеризованную оболочку, сохраняющую не только ближний, но в какой-то мере и дальний порядок. Нарушение этой «сетки» путем воздействия на смесь соответствующих технологических приемов лишает материал наследственных свойств. Такой же результат достигают и при получении любых композиционных материалов. Особенно четкое проявление данного эффекта наблюдается у материалов на основе дисперсных грунтов. У этих материалов вследствие сильно разбавленной водой цементной суспензии формируются крупные палочкообразные и игловидные кристаллы, что для укрепленных цементом грунтов подтверждено работой Л.В.Гончаровой [4]. Благодаря определенным технологическим воздействиям на стадии уплотнения смесей удается улучшить эксплуатационные свойства материалов.В результате проведенных нами исследований разработан состав дорожной полимерцементогрунтовой смеси, обладающей новыми существенными отличительными признаками по прочности на растяжение при изгибе и водостойкости по сравнению с известными составами цементогрунтов. При этом удалось создать эффективную полимерную добавку на основе смеси латекса и механически активированной целлюлозы отечественного российского производства взамен импортной полимерной добавки типа «Ренолит». А использование механоактивированной целлюлозы играет существенную роль в улучшении качественных показателей предлагаемой дорожной полимерцементогрунтовой смеси.
Источники информации
1. Импортная полимерная добавка «Ренолит» для дорожных цементогрунтов, рекламный проспект, 2001 г., на 7 листах.
2. Н.И.Минько, В.М.Нарцев / монография: Методы получения и свойства нанообъектов, - Белгород: изд. Белгородского ГТУ им. В.Г.Шухова, 105 с, с 41-43.
3. Прокопец B.C., Лесовик B.C. / монография: Производство и применение дорожностроительных материалов на основе сырья, модифицированного механической активацией, Белгород: изд. Белгородского ГТУ им. В.Г.Шухова, 2005 г., 364 с, с 33-41.
4. Л.В.Гончарова / монография: Основы искусственного улучшения грунтов, - М., изд. МГУ, 1973 г., 376 с.