Сухая строительная смесь для укрепления и стабилизации грунта
DRY CONSTRUCTION MIXTURE FOR STRENGTHENING AND STABILIZATION OF SOIL

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для укрепления и стабилизации грунтов при создании грунтовых автомобильных дорог, при регенерации нижних (1-4 категории дорог) и верхних слоев (5-категория) асфальтобетона при реконструкциях и ремонтах дорожных одежд в ходе холодной регенерации и укрепления слоев, выполняемых из асфальтогранулята, щебня или песчано-гравийных смесей.
Одним из эффективных способов повышения несущей способности земляного полотна и дорожных одежд является применение составов для стабилизации различных грунтов.
На сегодняшний день, многие дороги эксплуатируются на грани возможностей, заложенных в них при строительстве: это и устаревшие конструктивные решения, и стремительное увеличение грузопотока и грузоподъемности подвижного состава. Все это приводит к тому, что нагрузки, которые испытывают дороги, превышают несущую способность существующих дорожных одежд. На сегодня всего лишь 2% региональных дорог соответствуют нормативному состоянию.
Проблема увеличения несущей способности строящихся объектов современной транспортной инфраструктуры во многих странах мира решается посредством применения новых технологий и материалов, которые позволяют как увеличить долговечность дорожного полотна, так и получить заметный экономический эффект за счет снижения сроков строительства и увеличения межремонтного срока эксплуатации этих объектов.
Одной из главных причин возникновения и развития деформаций дорожного полотна является резкое снижение несущей способности грунта при увеличении влажности выше объема пор. Для обеспечения стабильной несущей способности грунтов необходима стабилизация грунта и создание дорожного полотна с возможностью удаления воды.
Известна технология стабилизации грунта и строительства грунтовых дорог, нередко называемая классической, которая достаточно проста и универсальна и используется много лет в Европе, и особенно в Германии [http://www.estehnika.ru/stat03]. По этой технологии фрезой срезают грунт с естественной влажностью на глубину 20 см, вносят сухую смесь из извести 2-4% и цемента 9-15% и перемешивают. Уплотняют такую смесь после увлажнения катками, после чего окончательно профилируют. На такое подготовленное основание можно сразу наносить асфальтовое покрытие. Недостатками данной технологии являются большой объем перерабатываемого грунта и недостаточная прочность покрытия.
Известно множество материалов и способов, используемых для стабилизации грунтов под дорогой. Согласно классификации по Безрукову [http://www:allbeton.ru/article/353/32.html] стабилизацию грунта осуществляют гранулометрическими добавками (щебень, песок и т.п.), органическими соединениями (ПАВами, полимерными эмульсиями, битумами и т.д.), минеральными вяжущими (цемент, известь, гипс, жидкое стекло), растворами солей (хлористый кальций, хлористый натрий и т.д.), термической обработкой (местное топливо, газ, электроэнергия), электрохимической обработкой (постоянный ток с применением электролитов), комплексными методами.
Известна композиция для стабилизации грунтов, содержащая наполнитель, вяжущее и фермент [Патент РФ №198857, опубл. 01.01.1967 г.]. В качестве стабилизирующего материала используется доломитовая известь и цеолит, в качестве наполнителя щебень, в качестве фермента-уплотнителя - ПАВ на основе протеинов и Сахаров. Недостаток композиции - в потере свойств при эксплуатации, в т.ч. из-за неоптимального гранулометрического состава наполнителей.
Наиболее близким к заявляемому решению, является состав для стабилизации грунта, содержащий цемент, буроугольную золу уноса и растворимые соли кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цемент
5-50
Растворимые соли кальция
1-3
Буроугольная зола уноса
Остальное
[Патент РФ №2592588, опубл. 27.07.2016 г.].
Недостатком известного состава является недостаточные прочностные характеристики и высокие показатели водонасыщения и набухания.
Технический результат заключается в увеличении предела прочности грунтов и снижение показателей их водонасыщения и набухания.
Технический результат достигается тем, что сухая строительная смесь для укрепления и стабилизации грунта, включающая цемент, буроугольную золу уноса, известь, в качестве извести содержит известь гашеную и дополнительно содержит меланин, волластонит, олеат натрия, суперпластификатор С3, цитрат натрия, лигносульфонат технический, доломитовую муку, активный микрокремнезем, фторид натрия, сульфаты меди, аммония, железа, фибру, при этом содержит цемент марки не менее М500 или ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н при следующем содержании компонентов, мас.%:
Меланин
0,01-0,5
Волластонит
0,5-3,0
Зола-унос
1,0-8,0
Олеат натрия
0,01-0,5
Суперпластификатор С3
2,0-5,0
Цитрат натрия
0,01-0,1
Лигносульфонат технический ЛСТ
0,1-1,0
Доломитовая мука
0,5-3,0
Известь гашеная
1,0-3,0
Активный микрокремнезем
0,01-0,1
Фторид натрия
0,01-0,1
Сульфаты меди, аммония, железа
0,02-0,5
Фибра
3,0-7,0
Цемент марки М не менее 500 или
ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н
Остальное
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в разработке высокоактивного состава для укрепления и стабилизации грунтов, снижению показателей водонасыщения и повышению морозоустойчивости, позволяющего создать прочные грунтовые дороги, основания дорог, обочин дорог, различные площадки с высокой степенью восстановления (регенерации) несущей способности в ходе эксплуатации.
Поставленная задача решается с использованием вышеназванного состава сухой строительной смеси «ЦЕМДОР».
По результатам испытаний различных цементов были определены основные показатели, такие как нормальная густота цементного теста, сроки схватывания, равномерность изменения объема и др. На основании полученных результатов наиболее подходящим по своим физико-механическим свойствам является цемент марки не менее М500, который в совокупности с другими компонентами влияет на сокращение сроков набора прочности и на возможность управления кинетикой набора прочности путем варьирования сроками кристаллизации структурной решетки за счет изменения пропорций вводимых составляющих в смесь в интервалах пропорций, которые связаны с соответствующим расширением цементного камня, компенсирующего усадочные деформации.
За основу смеси выбран цемент марки М не менее 500 или ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н.
В качестве наполнителей применяют следующие составляющие: меланин способствует ускорению набора прочности, зола-унос улучшает зерновой состав и упаковку смеси, олеат натрия способствуют увеличению показателя водостойкости, технический лигносульфонат совместно с активным микрокремнеземом улучшают технологические свойства смеси, доломитовая мука, известь гашеная улучшают процессы твердения, сульфаты натрия, аммония, железа увеличивают показатель морозостойкости.
Введение фибры и суперпластификатора также позволяет увеличить прочность материала, исключить трещинообразование. Так как грунты представляют собой сложную термодинамическую систему, которая является многофазной и неоднородной применение всех вышеперечисленных составляющих наполнителей в совокупности позволяет решить проблему накопления остаточных деформаций дорожных одежд, что в свою очередь будет способствовать увеличению срока службы объекта.
При использовании предлагаемой сухой строительной смеси «ЦЕМДОР» происходит сложный процесс, в результате которого влага из грунта участвует в процессе гидратации. Реакция гидратации оксидов образует нерастворимые гидратированные соединения, которые распределяясь вдоль микропористой структуры грунта (супесь, суглинок, глина, и др.), снижают пористость, ограничивают набухание, делают грунт более плотным. Такое действие уменьшает пластичность грунта и улучшает механические свойства, увеличивая несущую способность, срок эксплуатации с учетом износа и размораживания-замораживания, стабилизирует механические свойства грунта, делая его нечувствительным к воздействию температуры и влаги.
Для подтверждения заявленного изобретения в лабораторных условиях были проведены исследования на образцах, укрепленных цементом и цементом в комплексе с сухой строительной смесью «ЦЕМДОР»
Результаты определения физико-механических характеристик образцовгрунта, укрепленного цементом ЦЕМ II/А-Ш 42,5.
Результаты определения физико-механических характеристик образцов грунта, укрепленного цементом ЦЕМ II/А-Ш 42,5 в комплексе с сухой строительной смесью «ЦЕМДОР».
По результатам проведенных лабораторных исследований грунтов, укрепленных сухой строительной смесью «ЦЕМДОР» в соответствии с ГОСТ 23558-94, наблюдается увеличение показателей прочности и снижение показателей по водонасыщению и набуханию, что дает основание отнести данные грунты к более высоким маркам по прочности в сравнении с грунтами, укрепленными цементом.
В качестве примера было выполнено производственное внедрение сухой строительной смеси «ЦЕМДОР» на объекте строительства опытного участка: автомобильная дорога «Чернянка-Новый Оскол», где проводились работы по восстановлению асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог способом холодной регенерации. Согласно заключения, гранулят старого асфальтобетона, укрепленный цементом с сухой строительной смесью "ЦЕМДОР", отобранный при устройстве слоя основания на автомобильной дорога «Чернянка-Новый Оскол», полностью удовлетворяет требованиям методических рекомендаций по восстановлению асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог способами холодной регенерации (oc-568-p). Для анализа эффективности использования сухой строительной смеси «ЦЕМДОР» при устройстве слоя основания на основе асфальтогранулобетона типа М в лабораторных условиях были заформованы образцы асфальтогранулобетона, укрепленного цементом ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н в количестве 2,5% от массы гранулята старого асфальтобетона. Результаты определения физико-механических характеристик образцов приведены в таблицах 3 и 4.
Результаты определения физико-механических характеристик образцов на основе гранулята старого асфальтобетона, укрепленного цементом с сухой строительной смесью "ЦЕМДОР".
Результаты определения физико-механических характеристик образцов на основе гранулята старого асфальтобетона, укрепленного цементом ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н.
1 - Методические рекомендации по восстановлению асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог способами холодной регенерации.
2 - Испытания проводили согласно ГОСТ 10181-2014.
3 - Испытания проводили согласно ОДМ 218.3.018-2011.
Результаты определения физико-механических характеристик образцов показали, что дополнительно введение сухой строительной смеси «ЦЕМДОР» в состав асфальтогранулобетона типа М способствовало повышению их прочностных характеристик, водостойкости, стойкости к усталостному нагружению, а также снижению показателя водонасыщения. Поэтому, с использованием сухой строительной смеси «ЦЕМДОР» возможно снизить расход цемента и уменьшить или исключить полностью применение битума или битумной эмульсии и одновременно снизить затраты при ремонте дорог.
Дополнительно была изучена удобоукладываемость асфальтогранулобетонной смеси, укрепленной цементом в комплексе с сухой строительной смесью «ЦЕМДОР» и без нее по ГОСТ 10181-2014 в лабораторных условиях. Установлено, что жесткость асфальтогранулобетонной смеси значительно уменьшается при использовании «ЦЕМДОР». Полученный пластифицирующий эффект от применения добавки положительно отразится на работе ресайклера или дорожной фрезы, увеличив ресурс износа резцов рабочего органа машины.
Сухая строительная смесь «ЦЕМДОР» для стабилизации и укрепления грунтов и органоминеральных композитов, в сочетании с неорганическими или комплексными вяжущими обеспечивает в конечном итоге коренное изменение структуры и свойств укрепляемых материалов с приданием им требуемой прочности, водостойкости и морозостойкости.