СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА ИЛИ ФУНДАМЕНТА
METHOD FOR STABILISATION OF SOIL OR FOUNDATION

Изобретение касается способа закрепления (упрочнения) грунта или фундамента и применения закрепителя для упрочнения грунта или содержащих грунт материалов.
В дорожном строительстве, как правило, сначала снимают слой грунта, а после выравнивания поверхности наносят несущий слой гравия, после чего несущий (основной) асфальтовый слой, слой связующего асфальт материала и асфальтовое дорожное покрытие. Толщина (мощность) несущего слоя нередко составляет 50-70 см, таким образом, этот слой - самый толстый во всем покрытии.
Для изготовления фундаментов обычно также проводят выемку грунта, а после выравнивания заполняют [котлован] материалом фундамента.
Эти известные способы приводят к высоким строительным расходам, поскольку необходимо заменять грунт, а кроме того требуются поставки дорогостоящих материалов, проводить земляные работы и утилизацию грунта, а также значительные затраты на транспорт. Как правило, старый грунт необходимо вывезти на свалку. Показатели предела прочности на сдавливание могут быть недостаточны для некоторых вариантов применения, из-за чего стабильность укрепленных грунтов или фундаментов оказывается неудовлетворительной.
Публикация международной заявки WO 97/23433 касается дисперсий и их применения в бетонных смесях.
Заявка на патент Германии DE-A-I 571449 относится к строительным растворным массам, которые помимо портландцемента, наполнителя и воды содержат также эмульсию полимеров и производное целлюлозы.
В патенте США US 3,943,078 описан состав для обработки грунтов, содержащий синтетический латексный материал, гидроксиэтилцеллюлозу, соли металлов и порошкообразную лимонную кислоту.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить способ для закрепления (упрочнения) грунтов или фундаментов, дающий возможность без вывоза и утилизации старого грунта и особых затрат проводить строительно-земляные работы по улучшению грунта, его упрочнению и стабилизации.
Согласно изобретению эту задачу решают с помощью способа закрепления грунтов и фундаментов, при реализации которого в грунт или в фундамент вводят закрепитель грунта или фундамента, при необходимости после смешивания с водой и при необходимости вместе с цементом и/или наполнителями, закрепитель смешивается с грунтом или фундаментом. При этом грунт может представлять собой подслой (основу) транспортных поверхностей, например, улицы, дороги или, например, асфальтированной площади. В общем случае обрабатывать согласно изобретению можно любой подслой.
Обычно закрепитель грунта и фундамента вводят в подлежащий упрочнению грунт с помощью дорожной фрезы. Благодаря этому отпадает обычно имеющая место необходимость в трудоемкой замене изымаемого грунта. Жидкий состав согласно изобретению впрыскивают, например, с помощью управляемого микропроцессором насоса в область, захватываемую фрезой, и с помощью фрезы перемешивают с почвой или грунтом. При этом, например цемент или (дополнительно) наполнитель можно предварительно насыпать на грунт или фундамент и также с помощью фрезы ввести в грунт. При санировании грунтовых поверхностей, например, при ремонте дорог, можно перемешивать фрезой весь верхний слой дороги, добавляя стабилизатор согласно изобретению. Это позволяет обойтись без удаления отдельных слоев.
Согласно изобретению применяют закрепители грунта или фундамента или соответствующие средства, содержащие латексный полимер А, загуститель В, пеногаситель С и, по меньшей мере, одну соль или один гидроксид D щелочного или щелочноземельного металла, а также, при необходимости, воду.
Согласно изобретению было обнаружено, что стабилизаторы грунта или фундамента, содержащие латексный полимер А, загуститель В, пеногаситель С и по меньшей мере одну соль или один гидроксид D щелочного или щелочноземельного металла, можно после внесения в воду при перемешивании вводить в имеющийся грунт, причем по прошествии краткого времени схватывания уже проявляется упрочняющее воздействие. Например, имеющийся грунт просто обрабатывают фрезой, внося закрепитель грунта или фундамента согласно изобретению, а затем происходит связывание (схватывание).
В отношении применяемого согласно изобретению закрепителя речь идет, предпочтительно, о водорастворимой, нейтральной по отношению к окружающей среде и неядовитой добавке на полимерной основе, предназначенной для применения в строительно-земляных работах по улучшению грунта, укреплению его и стабилизации с применением гидравлических агентов связывания.
Закрепитель согласно изобретению может, например, находиться в твердом текучем агрегатном состоянии и содержать:
от 0,1 до 50 вес.%, предпочтительно - от 0,5 до 25 вес.% компонента А,
от 0,05 до 5 вес.%, предпочтительно - от 0,1 до 2 вес.% компонента В,
от 0 или 0,05 до 5 вес.%, предпочтительно - от 0 или 0,1 до 2 вес.% компонента С и
от 0,01 до 10 вес.%, предпочтительно - от 0,05 до 5 вес.% компонента D,
причем общее количество всех компонентов А - D составляет 100 вес.%. При этом предпочтительно, чтобы стабилизатор находился в форме порошка, хлопьев или гранулята. Другие возможные текучие твердые формы известны специалисту.
Компонент С может присутствовать или отсутствовать.
В качестве альтернативы возможно, чтобы закрепитель находился в текучем жидком агрегатном состоянии и при этом содержал от 3 до 95 вес.%, предпочтительно - от 30 до 80 вес.% вышеописанной смеси в 5 - 97 вес.%, предпочтительно - в 20 - 70 вес.% воды.
Перевести закрепитель, имеющий вид твердого текучего вещества, в текучее жидкое состояние можно путем простого введения в воду и растворения или диспергирования в ней.
Текучую жидкую форму можно непосредственно вводить в грунт и перемешивать, а твердая текучая форма упрощает хранение и транспортировку. Введение в воду можно производить непосредственно перед применением.
Все компоненты закрепителя можно применять в твердом или растворенном / диспергированном виде. Латексный полимер А, например, можно применять в форме порошка или раствора латекса. Целесообразно, чтобы концентрация водного раствора латекса составляла от 30 до 60 вес.%. В готовом к употреблению составе доля латекса предпочтительно составляет от 0,5 до 20 вес.%, особо предпочтительно - от 1 до 10 вес.%. Доля загустителя В предпочтительно составляет от 0,1 до 5 вес.%, особо предпочтительно - от 0,1 до 2 вес.%. Доля компонента D предпочтительно составляет от 0,01 до 5 вес.%, особо предпочтительно - от 0,05 до 2 вес.%.
Доля пеногасителя С, если его вообще применяют в эмульсии, предпочтительно составляет от 0,1 до 5 вес.%, особо предпочтительно - от 0,1 до 2 вес.%.
В качестве латексного полимера А можно применять любые пригодные латексные полимеры, растворимые или диспергируемые в воде. Предпочтительно, чтобы латексный полимер А представлял собой стирол-бутадиеновый латекс (SBR), (мет)акрилатный латекс, этилен-винилацетатный латекс, этилен/пропиленовый) латекс, этилен/пропилен-диеновый латекс (EPDM, ЭПДМ), бутадиен-акрилонитриловый латекс (NBR), силиконовый латекс (SI), полибутадиеновый латекс (BR), латекс из натурального каучука или же смесь двух или нескольких из этих компонентов. При этом поперечная сшивка латекса может присутствовать или отсутствовать. Возможно, также, применять латекс без поперечной сшивки совместно с агентом, вызывающим формирование таковой сшивки. При этом, в частности, применяют химические агенты поперечной сшивки. Молекулярную массу полимера, составляющего основу латекса, можно свободно выбирать в широких пределах. Обычно молекулярная масса составляет от 300 до 1000000, предпочтительно - от 500 до 100000 г/моль (среднечисленное значение молекулярной массы, определяемое гель-пермеационной хроматографией).
Особо предпочтительно применять латекс с поперечной сшивкой или латекс совместно с агентом поперечной сшивки. Надлежащие латексы доступны в промышленных количествах и предлагаются множеством поставщиков. Особо предпочтительно применять акрилатные, стирол-бутадиеновые или этилен-винилацетатные латексы.
В общем случае латексы представляют собой коллоидные дисперсии полимеров в водных средах, имеющие низкую вязкость даже при высоких концентрациях полимеров. Синтетические латексы производят обычно посредством эмульсионной полимеризации подходящих мономеров или путем диспергирования полимеров в дисперсионной среде. Латексы могут содержать добавки, как то: защитные коллоиды, стабилизаторы, пигменты и вспомогательные вещества вулканизации. Кроме того, допускается содержание описанных ниже загустителей.
В качестве загустителей В можно применять любые подходящие загустители. Загустители, которые также можно называть средствами, вызывающими набухание, представляют собой, как правило, высокомолекулярные вещества, всасывающие жидкости, в особенности воду, при этом набухающие и, наконец, переходящие в состояние вязко-текучих истинных или коллоидных растворов. Загустители служат для того, чтобы повысить вязкость стабилизатора согласно изобретению. Согласно изобретению можно применять любые подходящие загустители.
Можно, например, применять органические натуральные загустители, как то: агар-агар, карраген, трагант, гуммиарабик, альгинаты, пектины, полиозы, гуаровую муку, муку из стручков рожкового дерева, крахмал, декстрины, желатин или казеин.
Кроме того, можно применять переработанные натуральные органические вещества, как то: карбоксиметилцеллюлозу и другие простые эфиры целлюлозы, гидроксиэтилцеллюлозу и гидроксипропилцеллюлозу, а также эфир фасолевой муки.
Кроме того, возможно применение полностью синтетических органических загустителей, например, соединений полиакрила и полиметакрила, виниловых полимеров, поликарбоновых кислот, простых полиэфиров, полииминов или полиаминов.
Также возможно использование неорганических загустителей, как то: поликремниевых кислот, глинистых минералов, например, монтмориллонитов, цеолитов или кремниевых кислот.
Предпочтительно применять загуститель на основе целлюлозы. Особо предпочтительно при этом выбирать загуститель из группы, которую образуют карбоксиметилцеллюлоза, простые эфиры целлюлозы, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза и смеси двух или нескольких из этих компонентов. В частности, применяют метилцеллюлозу.
В качестве компонента С применяют пеногасители согласно изобретению. Это вещества, которые формируют на границе раздела жидкой и газообразной фазы сплошную пленку, а подлежащая дегазации среда из-за этого очень быстро минимизирует свою поверхность (с разрушением пузырьков газа) и достигает, таким образом, состояния минимальной энергии. Пеногасители, разрушающие уже образовавшуюся пену, в принципе, имеют тот же состав, что и средства, препятствующие ценообразованию. Это могут быть поверхностно-активные вещества, вытесняющие пенообразователи с границы раздела фаз и при этом не формирующие лену самостоятельно, либо же продукты, повышающие поверхностное натяжение воды, как, например, натуральные жиры или масла либо же жирные спирты. Во многих случаях применяют пеногасители на основе силикона. Можно использовать, например, гликолевые эфиры, например, эфиры полиэтиленгликоля или полипропиленгликоля или же смеси эфиров. Согласно изобретению предпочтительно применять эмульсию пеногасителя, обычно представленную в торговле.
Согласно изобретению в качестве компонента D применяют, по меньшей мере одну соль или по меньшей мере один гидроксид щелочного или щелочноземельного металла. Предпочтительно это соединения натрия, магния и/или кальция. В особенности активно применяют гидроксиды или хлориды. Особо предпочтительно применять сочетание гидроксида натрия и хлорида калия. Целесообразно, чтобы относительно готового к употреблению жидкого состава доля гидроксида натрия составляла 0,01 -0,15 вес.-%. Целесообразно, чтобы доля хлорида кальция составляла 0,5 - 5 вес.%.
Гидроксид натрия и гидроксид кальция применяют для регулировки pH и для стабилизации состава согласно изобретению.
Закрепители, применяемые согласно изобретению, могут включать в себя также обычные вспомогательные вещества и добавки.
Закрепители, применяемые согласно изобретению, можно изготавливать путем простого смешения исходных материалов. При этом можно смешивать порошки исходных компонентов. Также можно смешивать друг с другом водные растворы, эмульсии или дисперсии исходных веществ, чтобы получить готовый к употреблению текучий жидкий состав.
Применяемые согласно изобретению закрепители грунта или фундамента применяют, при необходимости - после смешивания с водой, для упрочнения грунта или почвы, содержащих грунт материалов, как то: смесей грунта и дорожного покрытия или строительных материалов, либо же материалов фундамента. В соответствии с одной из форм исполнения изобретения закрепитель не применяют в бетоне или цементе. Добавки бетона или цемента при укреплении грунта, как правило, критического значения не имеют.
При реализации способа согласно изобретению сначала обычно отбирают пробу грунта, чтобы можно было исследовать в лаборатории механику грунта. Кроме того, можно провести предварительные иженерно-геологические (геотехнические) исследования, а в случае площадей, занимаемых транспортными сооружениями, - определить нагрузку и интенсивность движения транспорта. Кроме того, можно определить климатические условия, например, частоту замерзания и количество осадков. Исходя из этого, можно определить дозировку цемента, а также дозировку закрепителя согласно изобретению. После обработки грунта, например, бульдозерами, грейдерами и гусеницами можно насыпать цемент и ввести закрепитель согласно изобретению с помощью фрезы. Затем можно опять использовать бульдозеры, грейдеры, гусеницы и валики. Затем обычно отбирают пробу и исследуют несущую способность после схватывания. Это позволяет обеспечить надлежащий контроль качества. В завершение можно, например, обычным образом положить асфальт, причем можно обойтись без щебеночного несущего слоя.
Не связываясь с теорией, полагают, что латекс подвергается поперечной сшивке и совместно с эмульсией вытесняет из грунта или фундамента капиллярную воду. Кроме того, загуститель связывает воду.
Согласно изобретению высокой прочности грунта и бетона добиваются путем добавления чрезвычайно тонкодисперсных добавок. При этом предпочтительно добавлять при изготовлении бетонов высокой прочности частицы силиката. Эти силикатные частицы примерно в 30-100 раз меньше, чем зерна цемента (диаметр в микрометровом диапазоне), а состоят они практически полностью из аморфного диоксида кремния. Ввиду их структуры и размера силикатные частицы в состоянии существенно заполнять часть пор между зернами цемента. Таким образом, обеспечивается дополнительное существенное уплотнение структуры окаменевшего цемента, уже заданное диспергирующим действием средства, обеспечивающего текучесть, и удается добиться более высокой плотности. В дополнение к гидратации цемента протекает вторичная пуццолановая реакция между гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента, и силикатными частицами. При этом образуется гидрат силиката кальция, обладающий более высокой прочностью, чем исходные компоненты. Кроме того, согласно изобретению благодаря этому способу работы улучшается микроструктура в зоне связывания между окаменевшим цементом и добавкой. Это улучшение связи между добавкой и матриксом, обусловленное воздействием на содержание кальция и этрингита, способствует существенному повышению прочности. Согласно изобретению эти вспомогательные вещества применяют в количестве от 5 до 99 вес.%, особо предпочтительно - от 10 до 50 вес.%.
При этом особо предпочтительно добавлять силикатные частицы, средний размер которых находится в пределах от 100 до 1000 нм.
Соотношение между закрепителем согласно изобретению и цементом можно выбирать в широких пределах. Предпочтительна доля стабилизатора (определенная по сухой массе), составляющая относительно цемента от 0,1 до 20 вес.%, особо предпочтительно - от 0,3 до 10 вес.%.
Применение стабилизатора (средства укрепления) грунта и фундаментов особо целесообразно в следующих областях:
- опора и несущий слой для местных и федеральных дорог, а также автомагистралей;
- пешеходные и велосипедные дорожки с верхним строением пути и без такового,
- лесные и полевые дороги;
- парковки, складские и контейнерные площадки с верхним строением пути и без такового;
- подъездные дороги к стройплощадкам;
- мероприятия по санированию, подготовка хозяйственных дорог;
- садовое дело и ландшафтные мероприятия;
- стабилизация богатых гумусом почв, осадков сточных вод (осветление);
- устройство оснований в подземном строительстве;
- рулежные дорожки;
- дороги к местности, подготавливаемой к застройке;
- укрепление щебеночных дорог.
Кроме того, применяемый согласно изобретению загуститель безопасен для окружающей среды, его можно использовать даже для схватывания и, соответственно, стабилизации загрязненных грунтов. Работать со стабилизатором согласно изобретению можно даже в самых тяжелых условиях, при которых дорожно-ремонтные работы или дорожное строительство обычного рода невозможны, например, в мороз.
Применение способа согласно изобретению позволяет существенно снизить расходы на строительство благодаря экономии расходов на замену грунта, транспорт, поставки материалов, земляные работы и утилизацию грунта. Продолжительность строительства можно снизить, таким образом, на величину до 50%. Вследствие быстроты схватывания проезд по обработанному участку возможен уже по прошествии краткого периода, обычно двух дней. Можно снизить расходы на обслуживание, причем одновременно получают гораздо более высокие значения предела прочности на сдавливание. Способ согласно изобретению можно реализовывать и в мороз.
Предлагаемый способ годится, в частности, для укрепления грунта или материалов, содержащих грунт. Такие материалы - это предпочтительно не цемент, бетон или раствор, а земля или физические смеси земли с другими материалами, например, земли с камнями, гравием или каменной мукой, или же смеси земли со щебнем, поверхностной породой или дорожным покрытием или же основой, на которую нанесено дорожное покрытие. Особо предпочтительно применять предлагаемый способ в дорожном строительстве или при санации улиц или дорог. Подробное пояснение изобретения дано на нижеследующих примерах.
Пример 1
Друг с другом, перемешивая, объединяют следующие компоненты, причем указанные количества представляют собой, вес.%: 92,5% воды, 0,4% целлюлозы, 2,0% гидроксида кальция, 5,0% водного 55%-ного раствора латекса на основе стирола и бутадиена, 0,1% эмульсии силиконового пеногасителя.
Вышеприведенный состав непосредственно применяют для укрепления грунта площади, занимаемой транспортным сооружением путем введения его в грунт с помощью фрезы. Затем грунт уплотняют и известным способом наносят асфальтовое покрытие. Благодаря укреплению грунта указанным способом можно отказаться от применения щебеночного несущего слоя.
Пример 2
Повторяют пример 1 с той лишь разницей, что применяют закрепитель следующего состава (вес.%): 92,6% воды, 0,4% целлюлозы, 2,0% гидроксида кальция, 5,0% водного 55%-ного раствора латекса на основе стирола и бутадиена. При этом также можно отказаться от применения щебеночного несущего слоя.