КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА
COMPOSITION FOR REINFORCEMENT OF GROUND

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области создания и применения материалов для укрепления грунтов разной природы с целью повышения их механической прочности и несущей способности, а также противостояния механическому разрушению, термоциклическому разрушению, ветровой и дождевой эрозии, другим видам деградации организованных грунтовых сооружений, например дорог, придорожных обочин, взлетно-посадочных полос и аэродромов, сельскохозяйственных токов, строительных площадок, складских площадок, подземных и полуподземных сооружений, дворов, дорожек, тропинок, других организованных на грунте площадей для ведения хозяйственной и иной деятельности, а также форменных и конструкционных изделий для обустройства указанных грунтовых сооружений и других организованных сооружений на грунте - дворовой, придомовой, садовой и тротуарной плитки, бордюрного камня, разнообразных тумб, других форменных конструкций, выполняемых прямо из укрепленного грунта вместо традиционно изготавливаемых из цементно-песчаных и иных известных строительных материалов и смесей, а также придомовых откосов и других элементов обустройства придомовой территории, земляных укрытий, в том числе временных и сезонных.
Изобретение может быть также использовано для создания красок, грунтовок, мастик, других покрытий для сухих и влажных поверхностей с повышенной термоциклической трещиностойкостью, а также клеев для склеивания сухих и влажных поверхностей, в том числе под давлением с контролируемой толщиной клеевого слоя. Уровень техники
Известны отверждаемые полиакрилатные полимеры, содержащие органосилановые мономеры, способные к радикальной полимеризации и содержащие гидролизующиеся группы, связанные с атомом кремния, которые хорошо известны и применяют, например, в качестве ускорителей адгезии полимеров и грунтовок для покрытий. Однако после отверждения эти известные полиакрилатные кремнийорганические композиции обычно становятся жесткими и часто хрупкими материалами, не подходящими для соединительных уплотнений, которым необходимы эластичные свойства. Примеры таких композиций предложены в патентах США №№3453136, 3951893, 4026826 и 4093673.
Известен патент США №3453230, который описывает акрилатные кремнийорганические композиции, которые заявлены в качестве "потенциальных промышленных уплотнителей, покрытий и формовочных материалов…". Недостатком указанного изобретения является то, что уплотнитель, содержащий акрилатные кремнийорганические сополимеры, не применим в качестве высокоподвижного уплотнителя из-за слабых когезии и растяжимости.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является патент РФ на изобретение №2144045 «Акриловый сополимер, влагоотверждаемая уплотняющая композиция». Недостатком описанного в указанном патенте состава композиции являются ее недостаточные уровни растяжимости, упругости и адгезии, прочности на разрыв, трещиностойкости, долговечности.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание композиционного состава для укрепления грунта с целью повышения его механической прочности и несущей способности, а также противостояния механическому разрушению, термоциклическому разрушению, ветровой и дождевой эрозии, другим видам деградации организованных грунтовых покрытий, сооружений и форменных конструкций и изделий без перемещения больших масс материалов с использованием в максимальной степени местного грунта.
Сущностью изобретения является предложение композиционного состава для укрепления грунта и создание на его основе укрепленных покрытий, сооружений и изделий, способных нести расчетные нагрузки в течение длительного времени в различных природных условиях, в том числе высоких и низких температур, дождя, снега, льда, гололеда и других условий эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный состав для укрепления грунта состоит из связующего вещества и фиброволокна. К указанным двум обязательным компонентам предлагаемого композиционного состава могут быть добавлены необязательные компоненты в виде известных функциональных добавок различного назначения, а также песок в качестве дополнительной необязательной добавки к грунту.
В качестве связующего вещества применяют водные дисперсии полимеров, например акриловые, стиролакриловые, бутадиеновые, метил- и бутилакриловые компонеты, изоцианаты, гомо- и сополимеры винилацетата и их смеси, а также другие известные отверждаемые на воздухе в присутствии воды водные дисперсии полимеров.
В качестве фиброволокна применяют волокна в отрезках длиной не менее 3 мм, например стеклянное волокно, базальтовое волокно, полимерное волокно, углеродное волокно, кварцевое волокно, базальтовая чешуя, материалы, содержащие волокна целлюлозы, например сечка соломы, полова.
Необязательные компоненты, полезные в данном изобретении, включают известные функциональные добавки различного назначения, например белые и цветные пигменты, антикоррозионные добавки, поверхностно-активные вещества, отвердители, эмульгаторы, вспомогательные функциональные мономеры, буферные вещества и нейтрализующие агенты, консерванты и их смеси, а также другие известные функциональные добавки в различных сочетаниях с целью придания предлагаемому композиционному составу и изделиям на его основе дополнительных полезных свойств.
Осуществление изобретения
Предлагаемый композиционный состав для укрепления грунта является преимущественно двухкомпонентным, то есть смешение обязательных компонентов композиционного состава - связующего вещества и фиброволокна - происходит в процессе укрепления грунта. До этого момента указанные компоненты композиционного состава хранят отдельно друг от друга в разных упаковках. Тем не менее, допускают и совместное хранение указанных двух компонентов в одной упаковке. Необязательные компоненты в виде известных функциональных добавок вносят в связующее вещество, как правило, перед упаковкой связующего вещества в тару и хранят в одной таре.
Оптимальное количество связующего вещества, добавляемого в грунт, составляет от 1 до 20 кг водной полимерной суспензии на 1 куб. метр укрепляемого грунта. Оптимальное количество фиброволокна, добавляемого в грунт, составляет от 0.5 до 10 кг фиброволокна на 1 куб. метр укрепляемого грунта. Количество добавляемых связующего вещества и фиброволокна зависит от целей дальнейшего использования укрепленного грунта.
Фиброволокно составляет обязательный компонент заявляемого композиционного состава для укрепления грунта. Фиброволокна имеют высокую прочность на растяжение, часто превышающую прочность стали, плотность, близкую к плотности связующих веществ и грунта, что способствует равномерному распределению фиброволокна в объеме связующего вещества при перемешивании, частицы грунта при укатке (уплотнении) образуют близкую к плотной упаковку, при этом фиброволокно, более или менее равномерно распределенное в объеме грунта, каждым своим отрезком соседствует с несколькими сотнями и тысячами частиц грунта, при этом отдельный отрезок фиброволокна, огибая частицы грунта, неизбежно деформируется и приобретает слегка волнистую форму, следуя кривизне поверхности частиц грунта и увеличивая площадь контакта каждого фиброволокна с частицами грунта. При этом по сравнению с силой сцепления прямого отрезка фиброволокна с частицей грунта значительно увеличивается эффект усиления когезии грунта и фиброволокна. Связующее вещество в этом случае играет роль клея, который связывает в монолитную армированную структуру частицы грунта и фиброволокно, и в силу близкой к плотной упаковке частиц грунта необходимый расход связующего получается незначительным. После отверждения связующего вещества фиброволокно становится той распределенной арматурой, которая берет на себя практически все растягивающие нагрузки грунта, включая ударные, перераспределяя последние между связанными с ними частицами наполнителя, чем достигается повышенная ударная вязкость материала. Таким образом, повышенная ударная вязкость грунта позволяет перераспределять ударные нагрузки даже от движущегося с высокой скоростью автотранспорта или самолета при взлете и посадке и сохранять неизменной форму дорожной одежды, избегая появления колеи со временем эксплуатации, которую встречают даже на тяжелых асфальтобетонных дорожных одеждах.
Еще один положительный эффект состоит в том, что случайная трещина, возникшая в укрепленном грунте, стягивается пересекающими трещину фиброволокнами, которые играют роль «выдавливателя» конденсата из трещины и препятствуют термоциклическому развитию трещин.
Перспективным для сельскохозяйственных целей является применение в качестве фиброволокна соломенной сечки и половы, которые содержат волокна целлюлозы и являются практичными фиброволокнами для многих применений, хотя лигнин и другие органические составляющие являются питательной средой для разлагающих их микроорганизмов почвы, в силу чего срок службы укрепленных соломой грунтов ограничен. Вместе с тем, использование полимерных связующих существенно замедляет этот процесс, и «соломенные тока» имеют шанс службы в течение нескольких лет без существенного ремонта. Кроме того, ремонт таких токов будет состоять в смешивании местного грунта с той же соломенной сечкой и небольшим количеством связующего и заделке выбоин и трещин. Для увеличения срока службы фиброволокна из соломенной сечки можно предварительно пропитывать ее тем же составом водной дисперсии связующего, что и грунт.
Добавление фиброволокна в укрепляемый с помощью известных водорастворимых полимерных связующих грунт увеличивает прочность и стойкость грунтов, срок службы грунтовых покрытий, сооружений и форменных изделий на основе укрепленных грунтов.
Укрепление грунта с помощью композиционного состава по изобретению производят путем предварительного разрыхления грунта на глубину от 5 до 30 см и разрушения крупных комков грунта, причем чем больше толщина укрепляемого грунта, тем большие нагрузки сможет выдержать укрепленный грунт. Затем в разрыхленный грунт вносят фиброволокно, перемешивают разрыхленный грунт с целью равномерного распределения фиброволокна в объеме грунта, одновременно с этим осуществляют увлажнение грунта, количество воды в котором зависит от естественной и оптимальной влажности грунта. После этого в увлажненную разрыхленную смесь грунта и фиброволокна вносят (разбрызгивают) полимерное связующее вещество в виде водной полимерной суспензии, перемешивают, выравнивают и укатывают (уплотняют) полученную смесь. Укрепленный грунт может использоваться уже через 2 часа. Максимальной твердости укрепленный грунт достигает в течение 1-5 дней в зависимости от окружающей температуры и влажности. С целью уменьшения расхода связующего вещества в качестве необязательной добавки преимущественно к глинистому грунту могут использовать песок.
Дорожное строительство по предлагаемому изобретению не требует перемещения больших масс материалов. Например, при традиционном строительстве 1 кв. метра дороги требуется подвезти от 0,1 до 1 тонны различных материалов - гравия, щебня, песка, асфальта, цемента, других материалов, а по предлагаемому изобретению практически равноценное качество и количество дорожной одежды достигают путем укрепления местного грунта несколькими килограммами фиброволокна и связующего вещества.
При сооружении грунтовых сооружений, например дворов, дорожек, тропинок, придомовых откосов, прочих мало нагруженных участков укрепленной грунтовой поверхности операции производят известными инструментами и устройствами, например мотыгой, граблями, ведром, лейкой, ручным опрыскивателем, а также иными ручными, электрическими и механическими инструментами и устройствами.
Конструкционные и форменные изделия на основе укрепленного грунта получают путем набивания формы смесью из грунта, воды, фиброволокна и связующего вещества. Такими изделиями могут быть, например, плитки различной формы толщиной 2 см и более, формуемые, например, в пластиковых многоразовых формочках известным способом. Формы можно пускать в повторное использование уже через несколько часов, не дожидаясь полного набора прочности изделий, что позволяет одному или бригаде из нескольких дорожных строителей или на собственном участке строить дворы и дорожки, имея несколько десятков форм.
Промышленная применимость
Дешевизна и малый расход компонентов композиционного состава для укрепления грунта снижают заготовительные и транспортные расходы, сокращают трудозатраты, позволяют быстро и эффективно организовывать из укрепленного грунта сооружения различного назначения - от садовых дорожек на дачном участке до площадок для сельхозтехники, токов, взлетно-посадочных полос, дорог для автомобильного транспорта и др.