Грунтовая смесь для дорожного строительства
GROUND MIX FOR ROAD CONSTRUCTION

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для устройства слоев оснований дорожных одежд автомобильных и железных дорог.
Утилизация крупнотоннажных отходов горнопромышленного комплекса в дорожном строительстве представляется актуальной задачей. Вовлечение техногенных грунтов, модифицированных добавками различной природы, в составы дорожно-строительных материалов позволит снизить расход дорогостоящего первичного минерального сырья и решить комплекс острых экологических проблем.
Известен состав для дорожного строительства (патент РФ 2603682, опубл. 27.11.2016 г.) содержащий, мас. %: минеральное вяжущее - портландцемент - 6-12; заполнитель (глинистый грунт, песок, щебеночно-песчаная смесь) - 72-88; химические добавки: 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. Техническим результатом заявляемого состава является повышение морозостойкости и прочности материалов из грунтовых, песчаных и щебеночно-песчаных смесей, а также экономической эффективности строительства. Недостатком данного состава является необходимость введения 12% цемента для получения морозостойкого материала с маркой по прочности M100, что является экономически нецелесообразным.
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.
2
3
2
Известен 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, золу от сжигания осадка сточных вод с удельной поверхностью 200-300 м/кг, насыпной плотностью 0,7-0,8 г/м, содержанием SiO - 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.
Наиболее близким по техническому решению, принятым за прототип, является состав для устройства слоев оснований дорожной одежды (патент РФ №2726095, опубл. 09.07.2020 г.), содержащий песок из отсевов дробления фракции 0-5 мм; золу уноса сухого улавливания (тип - кислая); минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками (класс прочности 32,5, быстротвердеющий); полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли(1-карбамоилэтилена) и продуктов гидролиза поливинилацетата при следующем соотношении компонентов, мас. %: песок из отсевов дробления - 50-60; зола уноса - 20-10; портландцемент - 10-7; полимерный композит - 0,5-0,9 (сверх 100%); вода - 20-23. Недостатком данного состава является необходимость введения 10% цемента для получения морозостойкого материала с маркой по прочности М60-М75, что является экономически нецелесообразным.
Задачей изобретения является получение дорожно-строительного материала на основе техногенного грунта и отходов теплоэнергетики с маркой по прочности M 100, что позволит расширить сырьевую базу региона и минимизировать антропогенное воздействие отвальных массивов отходов ГПК и ТЭК.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемой грунтовой смеси для дорожного строительства содержится техногенный грунт (песок из отсевов дробления) фракции 0-5 мм; механоактивированная зола-уноса сухого улавливания; минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками (класс прочности 32,5, быстротвердеющий); полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли(1-карбамоилэтилена) и продуктов гидролиза поливинилацетата; вода, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
песок из отсевов дробления
50-60
механоактивированная зола-уноса
15-10
портландцемент
7-8
полимерный композит
0,7-0,5 (сверх 100%)
вода
28-22
Достижение указанного технического результата обусловлено стабилизацией гранулометрического состава и наличием развитой удельной поверхности золы уноса, достигаемой в процессе механической активации, а также образованием межмолекулярных водородных связей при взаимодействии поли(1-карбамоилэтилена) с продуктами гидролиза поливинилацетата, что способствует равномерному распределению и закреплению связующего. Использование механоактивированной золы-уноса и полимерного композита в составе дорожно-строительного материала позволяет повысить предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе. Характеристика исходных материалов:
1. Техногенный грунт - песок из отсевов дробления фракции 0-5 мм.
2
эфф
2. Зола-уноса сухого улавливания, тип - кислая, с удельной поверхностью - не менее 150 м/кг, влажностью - не более 1%, А - не более 370 Бк/кг, с содержанием оксида кальция (СаО) - не более 10%, потеря массы при прокаливании (п.п.п.) - не более 25 мас. %, подвергнутая механической активации в течение 1 минуты.
3. Минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками: 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.
Грунтовая смесь для дорожного строительства разработана 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 механоактивированной золы-уноса с учетом оптимальной влажности. Основными критериями оценки оптимальности состава являлись прочностные характеристики.
Пример. В воздушно-сухую смесь техногенного грунта - песка из отсевов дробления фракции 0-5 мм и механоактивированной золы-уноса (время механоактивации 1 минута) вносили вяжущее - портландцемент с минеральными добавками. Состав смеси, мас. %: песок из отсева дробления - 50-60; механоактивированная зола-уноса - 15-10; портландцемент - 7-8. Затем смесь перемешивали вручную и вводили полимерный композит (0,7-0,5 мас. % сверх 100%), растворенный в оптимальном количестве воды (28-22 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, а также механоактивированной золы-уноса (за счет преобразования внутренней структуры минерального сырья) позволяет получить дорожно-строительный материал с маркой по прочности M 100 в соответствии с требованиями 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 10-11 МПа и растяжении при изгибе 1,7-2,0 МПа при содержании вяжущего 7-8 мас. %. По прототипу максимальная прочность при сжатии 7,3 МПа и растяжении при изгибе 1,5 МПа достигнута при содержании вяжущего 10 мас. %. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна». Сравнение заявляемой грунтовой смеси для дорожного строительства 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 заявляемой грунтовой смеси для дорожного строительства условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет получать дорожно-строительный материал для устройства слоев оснований дорожных одежд автомобильных и железных дорог с прочностью при сжатии 10-11 МПа и прочностью на растяжение при изгибе 1,7-2,0 МПа в соответствии с ГОСТ 23558-94.