КОНСТРУКЦИЯ ГЕОКОМПОЗИТА

Полезная модель относится к конструктивным элементам транспортного сооружения и может использоваться как противоэрозионная, противооползневая защита откосов, склонов, берегов рек, для защиты водоотводных канав, береговых линий, русел водоемов от размыва, и/или дренажная и/или средо-разделительная система, а также в качестве расчетного и нерасчетного щебеночного слоя многослойной конструкции транспортного сооружения.
Эрозия почвы наносит существенный ущерб не только сельскому хозяйству, но и городским, промышленным ландшафтам, является причиной выхода из строя дорожного полотна автомобильных дорог. Предотвратить деструктивные процессы помогут геокомпозиты, например, геоматы трехмерные, представляющие собой сложную хаотичную структуру из полимеров, скрепленных между собой при помощи термообработки. Данный материал обладает высокими прочностными характеристиками, длительным сроком эксплуатации, не подвержен гниению даже в постоянной влажной среде.
Для противоэрозионной защиты откосов, берегов озер, рек и дамб используются, например, противоэрозийные геоматы, которые имеют особую сетчатую структуру и армирующую георешетку, что позволяет удерживать грунт и повышать прочность покрытия.
Известен геомат, образованный лентами из нетканого синтетического материала, уложенными параллельно друг другу с образованием в поперечном направлении стопы и соединенными в смежных лентах друг с другом по их высоте сварными сплошными швами с чередованием по длине ленты соединяющих две ленты швов в шахматном порядке со швами, соединяющими указанные ленты со смежными для них внешними лентами, таким образом, что при перемещении лент в направлении продольной оси геомата перпендикулярно в начальный момент их поверхности, они образуют ромбовидные ячейки, при этом, по крайней мере часть лент выполнена с элементами усиления (патент РФ №60545, МПК E02D 17/12, E02B 3/12, E01C 5/00, опубл. 27.01.2007 г.).
В известной конструкции применение термической сварки вызывает повышенную неоднородность сварных швов, что определяет наличие слабых непроваренных мест, вызывающих повышенный риск разрушения конструкции по швам.
Известен геомат для противоэрозионной защиты грунтовых поверхностей, содержащий подложку на основе плоской рулонной геосетки и соединенные с подложкой трехмерные хаотичные филаменты из полимерных нитей, образующие покрытие, подложка выполнена в виде основовязальной геосетки, скрещивающиеся системы нитей основы и утка которой на основе стеклянного ровинга или полиэфирных волокон провязаны нитью, при этом основовязальная геосетка имеет размерность ячеек 20-100 мм, а покрытие выполнено на основе экструдированных на основовязальную геосетку трехмерных хаотичных филаментов при толщине их нитей 0,3-1 мм с образованием высоты геомата от 8 до 20 мм и плотности от 300 до 1500 г/м2, при этом плотности геосетки и филаментного покрытия имеют соотношение 1:(3-4) (патент РФ №141317, МПК E02D 17/20, опубл. 27.05.2014 г.).
Недостатком технического решения является высокая повреждаемость конструкции, вызванная отсутствием защиты снизу, а также высокие деформационные свойства в вертикальном направлении, из-за чего водоотведение имеет неоднородный характер по скорости истечения и расходу в единицу времени, что вызывает повышенный риск возникновения размывов на участках с большей скоростью течения.
Известен геокомпозит для земляного полотна транспортного сооружения, содержащий георешетку и два слоя геоткани, закрепленных на обеих ее плоскостях, при этом георешетка выполнена с трехуровневой структурой размещения ее элементов, в которой ячейки имеют размеры, препятствующие смыканию слоев геоткани при их загружении (патент РФ №61725, МПК E01C 9/00, E01C 5/22, опубл. 10.03.2007 г.).
Недостатком известной конструкции являются повышенные деформации при нагружении в вертикальном направлении, причем обладающие значительной вариативностью, что может вызвать уменьшение модуля упругости и его коэффициента вариации.
Известен дренажный геокомпозит, содержащий с возможностью скручивания в рулон георешетку с двухуровневой структурой размещения ее элементов, образующих ячейки, и два слоя геоткани, закрепленных на плоскостях георешетки, при этом, как минимум, один из углов ячеек снабжен перегородкой, а элементы уровней структуры георешетки выполнены в форме трехгранных призм (патент РФ №98428, МПК E02B 11/00, опубл. 20.10.2010 г.).
Недостаток известного геокомпозита заключается в высокой деформативности при сдвиге конструкции в горизонтальной плоскости, из-за чего могут возникать неоднородности и слабые места. Это может привести к накоплению поврежденное™ при эксплуатации и разрыву.
Известен дренажный геокомпозит, содержащий с возможностью скручивания его в рулон как минимум один слой геоткани, скрепленной с как минимум одной геотехнической решеткой, ячейки которой образованы из стренг, выполненных взаимно пересекающимися, при этом слой геоткани скреплен с геотехнической решеткой только в местах пересечения ее стренг, снабженных утолщениями с выпуклой криволинейной поверхностью (патент РФ №135656, МПК E01C 9/00, опубл. 20.12.2013 г.).
Недостатком технического решения является высокая вероятность его укладки с люфтом, что не позволит обеспечить своевременность перераспределения нагрузки, например от движения транспортных средств.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является геокомпозит, состоящий из полимерного основания (георешетка) и нетканой текстильной прослойки с одной или с обеих сторон (см. www.armostab.ru).
Недостатком является малый модуль упругости, который не позволяет использовать конструкцию в качестве расчетного конструктивного элемента транспортного сооружения для обеспечения требуемых его прочностных свойств и безопасности.
Кроме того, плоская форма полимерного основания ограничивает функциональные возможности сопротивлению деформации сдвига (изменению взаимного положения выше-ниже лежащих укрепляемых слоев транспортного сооружения).
Задачей настоящей полезной модели является повышение прочностных показателей конструктивного слоя транспортного сооружения с сохранением дренирующих и противоэрозионных свойств.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является образование гибкой объемной мембранной структуры путем введения в конструкцию слоя из зерновых элементов, связанных отвержденным вяжущим.
Поставленная задача, по первому варианту, достигается тем, что в конструкции геокомпозита, состоящей из объемного слоя армирующего геосинтетического материала, согласно полезной модели, он дополнительно содержит слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, размещенный на слое армирующего геосинтетического материала, при этом слой армирующего геосинтетического материала выполнен в виде объемной двухкомпонентной конструкции, состоящей из основы в виде армированного объемного тканного материала и органической пропитки, а слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, включен в поровое пространство слоя армирующего геосинтетического материала.
Кроме того, слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, образует объемную каркасную структуру в виде оболочек отвержденного вяжущего на зерновых элементах, вертикальных нитей отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов, и случайно распределенных пустот, образованных в области точечных соединений мест контакта оболочек друг с другом.
При том, среднее квадратическое отклонение разновысотности выступов и разно-глубинности впадин слоя из зерновых элементов составляет 0,5-5,0 мм.
Помимо этого, в качестве зернового элемента используют фракционированные щебень, песок, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой (продукт дробления и просеивания) строительных материалов или их отсев, при этом размер зерновых элементов составляет, например, 0,1-15 мм.
Кроме этого, в качестве вяжущего слоя зерновых элементов используют полиуретан, битум, полимочевину, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Поставленная задача, по второму варианту, достигается тем, что в конструкции геокомпозита, состоящей из объемного слоя армирующего геосинтетического материала и, по крайней мере, одного слоя нетканой текстильной прослойки, согласно полезной модели, он дополнительно содержит слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, размещенный в объеме армирующего геосинтетического материала, слой в виде отвержденного вяжущего, размещенный между слоем нетканой текстильной прослойки и объемным слоем армирующего геосинтетического материала, при этом армирующий геосинтетический материал выполнен в виде объемной двухкомпонентной конструкции, состоящей из основы в виде армированного объемного тканного материала и органической пропитки, а слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, включен в поровое пространство армирующего геосинтетического материала.
Кроме того, слой из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, образует объемную каркасную структуру в виде оболочек отвержденного вяжущего на зерновых элементах, вертикальных нитей отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов, и случайно распределенных пустот, образованных в области точечных соединений мест контакта оболочек друг с другом.
При том, среднее квадратическое отклонение разновысотности выступов и разно-глубинности впадин слоя из зерновых элементов составляет 0,5-5,0 мм.
Помимо этого, в качестве зернового элемента используют фракционированные щебень, песок, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой (продукт дробления и просеивания) строительных материалов или их отсев, при этом размер зерновых элементов составляет, например, 0,1-15 мм.
Кроме этого, в качестве вяжущего слоя зерновых элементов используют полиуретан, полимочевину, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Заявляемая совокупность признаков конструкции по обоим вариантам позволяет повысить прочностные показатели конструктивного слоя транспортного сооружения с сохранением дренирующих и противоэрозионных свойств за счет образования гибкой объемной мембранной структуры путем введения в конструкцию слоя из зерновых элементов, связанных отвержденным вяжущим.
Это обусловлено тем, что конструкция геокомпозита образована слоями с разными функциональными свойствами, обеспечивающими ее высокие однородные свойства по пористости, прочности, плотности, дренажной и противоэрозионной способности, способности к самоочищению, высоким сроком службы, не требующий преднапряжения при устройстве.
Дренажные и противоэрозионные свойства по первому варианту обеспечиваются объемной пористой структурой слоя из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим, а по второму варианту совокупным использованием пористой структурой нетканой текстильной прослойки и объемного слоя из зерновых элементов, покрытых отвержденным вяжущим.
Это способствует разделению потоков в отношении осадков и в отношении грунтовых вод выше и ниже лежащих грунтовых сред.
Кроме того объемная каркасная структура слоя из зерновых элементов за счет технологических и высоких эксплуатационных свойств способствует образованию его стабильной геометрической и прочностной однородности и требуемых функциональных свойств и устойчивости конструкции транспортного сооружения.
Это позволяет повысить несущую способность конструкции транспортного сооружения за счет улучшения условий отвода воды и порового воздуха, увеличения удерживающей способности зерен щебня и повышения его механических свойств.
В настоящей заявке на выдачу патента на полезную модель соблюдено требование единства технического решения, поскольку заявляемая группа полезных моделей, относится к вариантам устройства, и решает одну задачу - повышение прочностных показателей конструктивного слоя транспортного сооружения с сохранением дренирующих и противоэрозионных свойств, за счет достижения одного и того же технического результата при использовании технического решения - образование гибкой объемной мембранной структуры путем введения в конструкцию слоя из зерновых элементов, связанных отвержденным вяжущим.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 - условно изображен фрагмент конструкции геокомпозита по первому варианту; на фиг. 2 - условно изображен фрагмент объемного слоя 1 по первому варианту; на фиг. 3 - условно изображен слой 2 из зерновых элементов (увеличено) по первому варианту; на фиг. 4 - условно изображен фрагмент конструкции геокомпозита по второму варианту; на фиг. 5 - условно изображен фрагмент объемного слоя 1 по второму варианту; на фиг. 6 - условно изображен слой 2 из зерновых элементов (увеличено) по второму варианту.
Позиции на чертежах означают следующее,
по первому варианту: 1 - объемный слой армирующего геосинтетического материала; 2 - слой из зерновых элементов; 3 - зерновой элемент слоя 2; 4 - гибкие силовые нити основы слоя 1; 5 - свободные 3-D элементы основы слоя 1; 6 - нить-уток основы слоя 1; 7 - оболочки отвержденного вяжущего на зерновых элементах 3 слоя 2; 8 - вертикальные нити отвержденного вяжущего слоя 2; 9 - случайно распределенные пустоты слоя 2; 10 - точечные соединения мест контакта оболочек 7 друг с другом слоя 2.
по второму варианту: 1 - объемный слой армирующего геосинтетического материала; 2 - слой текстильной прослойки; 3 - слой из зерновых элементов; 4 - зерновой элемент слоя 3; 5 - слой из отвержденного вяжущего; 6 - гибкие силовые нити основы слоя 1; 7 - свободные 3-D элементы основы слоя 1; 8 - нить-уток основы слоя 1; 9 - оболочки отвержденного вяжущего на зерновых элементах 4 слоя 3; 10 - вертикальные нити отвержденного вяжущего слоя 3; 11 - случайно распределенные пустоты слоя 3; 12 - точечные соединения мест контакта оболочек 9 друг с другом слоя 3.
Заявляемая конструкция геокомпозита по первому варианту состоит из объемного слоя 1 армирующего геосинтетического материала, слоя 2 из зерновых элементов 3, покрытых отвержденным вяжущим, размещенного в объеме слоя 1 армирующего геосинтетического материала (фиг. 1).
Слой 1 из армирующего геосинтетического материала выполнен в виде объемной двухкомпонентной конструкции, состоящей из основы в виде армированного объемного тканного материала и органической пропитки, а слой 2 из зерновых элементов 3, покрытых отвержденным вяжущим, включен в поровое пространство объемного слоя 1 из армирующего геосинтетического материала.
Основа слоя 1 геосинтетического материала выполнена в виде армированного объемного тканного материала из наложенных друг на друга слоев гибких силовых нитей 4 и свободных 3-D элементов 5, прошитых между собой нитью-утком 6 в местах их пересечения, а в качестве органической пропитки используют, например из жидкий полимер на основе стирол-бутадиен-стирола (фиг. 2).
Свободное пространство между армирующими и свободными волокнами (нитями) армирующего геосинтетического материала определяет его поровое пространство, в которое включен слой 2 из зерновых элементов 3, покрытых отвержденным вяжущим.
Слой 2 из зерновых элементов 3, покрытых отвержденным вяжущим, образует объемную каркасную структура в виде оболочек 7 отвержденного вяжущего на зерновых элементах 3, вертикальных нитей 8 отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов 3, и случайно распределенных пустот 9, образованных в области точечных соединений 10 мест контакта оболочек 4 друг с другом (фиг. 3).
Геометрия зерновых элементов 3 определяет разброс (поле рассеяния) высот выступов или глубин впадин в слое 2.
Среднее квадратическое отклонение разновысотности выступов и разноглубинности впадин слоя 2 из зерновых элементов 3 составляет 0,5-5,0 мм и определяется эмпирически в зависимости от материала и размерных параметров зернового элемента 3 исходя из условия достижения оптимальных дренирующих и прочностных параметров слоя 2.
При величине среднее квадратического отклонения менее 0,5 мм дренирующие свойства геокомпозита резко снижаются, а при величине отклонения более 5,0 мм снижаются его прочностные характеристики.
Например, в качестве зернового элемента 3 используют фракционированные щебень, песок, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой (продукт дробления и просеивания) строительных материалов или их отсев, при этом размеры зерновых элементов 3 слоя 2 находятся в диапазоне 0,1-15 мм. Этот диапазон соответствует размерам порового пространства слоя 1 армирующего геосинтетического материала и распространенным на рынке строительных материалов размерам щебня, песка, их отсева и гравия.
Меньшие размеры не позволяют обеспечить требования к водопропускной способности, а большие - существенно утяжеляют геокомпозит.
В качестве вяжущего слоя 2 могут быть использованы полиуретан, полимочевина, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Использование в качестве вяжущего материала полиуретанового композиционного состава позволяет при отверждении образовывать в пространстве между зерновыми элементами 3 гибкие упругие нити 8, а в точках 10 соприкосновения оболочек 7 зернового элемента 3 прочные и долговечные связи.
Полиуретановые композиции обладают высокой гидролитической устойчивостью, стойкостью к воздействиям внешней среды в различных климатических зонах, морозостойкостью и хорошей совместимостью с различными видами фракционных наполнителей, таких как щебень, гравий и т.д.
Наиболее целесообразно для целей укрепления основания и/или покрытия конструкции транспортного сооружения использовать двухкомпонентную полиуретановую систему, например, продукт EPABIND 01 совместного Российско-итальянского производства EPAFLEX.
Двухкомпонентная полиуретановая система имеет хорошую совместимость с различными видами фракционных наполнителей (щебень, гравий) (по ГОСТ 7392-2022). Вяжущее может быть модифицировано в соответствии со специальными требованиями.
В зависимости от различных условий применения (температура, влажность) оптимальные вязкость и скорость полимеризации связующего позволяют равномерно обволакивать частицы наполнителя и образовывать в местах их соприкосновения прочные и долговечные «клеевые мостики».
Кроме того, может использоваться однокомпонентный полиуретановый состав, вязкость которого регулируется минеральным наполнителем.
В качестве вяжущего может быть использована полимочевина (поликарбамиды), которая является синтетическим полимером, структурно сходным с полиуретанами.
Полимочевина имеет высокую скорость отверждения и поэтому мало чувствительна к влажности и может использоваться при проведении работ в условиях повышенной влажности.
Эпоксидная смола является разновидностью синтетических смол, при полимеризации в смеси с отвердителем, образуется сшитый полимер.
Использование эпоксидных смол различных составов позволяет варьировать конечные свойства каркасной структуры после отверждения в большом диапазоне.
Изменения и вариации свойств укрепляемой среды, например, среды грунт-жидкость, а также изменения водно-температурного режима не влияют на свойства заявляемого геокомпозита за счет качества используемого материала вяжущего.
За счет плотного скелетного заполнения слоя 2 зерновых элементов 3 путем контактирования каждого зернового элемента 3 друг с другом, заявляемая конструкция геокомпозита не деформируется в вертикальном направлении, но при этом может быть свернута-развернута в рулоне.
Заявляемая конструкция геокомпозита по второму варианту состоит из объемного слоя 1 армирующего геосинтетического материала, и, по крайней мере, одного слоя 2 нетканой текстильной прослойки.
Для повышения прочностных показателей конструктивного слоя транспортного сооружения с сохранением дренирующих свойств конструкция геокомпозита дополнительно содержит слой 3 из зерновых элементов 4, покрытых отвержденным вяжущим, и слой 5 в виде отвержденного вяжущего, соединяющий между собой слои 1 и 2 (фиг. 4).
Слой 3 из зерновых элементов 4, покрытых отвержденным вяжущим, включен в поровое пространство объемного слоя 1 из армирующего геосинтетического материала, а слой 5 в виде отвержденного вяжущего, размещен между слоем 2 нетканой текстильной прослойки и слоем 1 из армирующего геосинтетического материала (фиг. 4).
При этом слой 1 из армирующего геосинтетического материала выполнен в виде двухкомпонентной конструкции, состоящей из основы и слоя органической пропитки, например из жидкого полимера на основе стирол-бутадиен-стирола.
Основа слоя 1 геосинтетического материала выполнена в виде армированного объемного тканного материала из наложенных друг на друга слоев гибких силовых нитей 6 и свободных 3-D элементов 7, прошитых между собой нитью-утком 8 в местах их пересечения, а в качестве органической пропитки используют, например из жидкий полимер на основе стирол-бутадиен-стирола (фиг. 5).
Свободное пространство между армирующими и свободными волокнами (нитями) армирующего геосинтетического материала определяет его поровое пространство, в которое включен слой 3 из зерновых элементов 4, покрытых отвержденным вяжущим.
Слой 3 из зерновых элементов 4, покрытых отвержденным вяжущим, образует каркасную структура в виде оболочек 9 отвержденного вяжущего на зерновых элементах 4, вертикальных нитей 10 отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов 4, и случайно распределенных пустот 11, образованных в области точечных соединений 12 мест контакта оболочек 9 друг с другом (фиг. 6).
Геометрия зерновых элементов 4 определяет разброс (поле рассеяния) высот выступов или глубин впадин в слое 3.
Среднее квадратическое отклонение разновысотности выступов и разноглубинности впадин слоя 3 из зерновых элементов 4 составляет 0,5-5,0 мм и определяется эмпирически в зависимости от материала и размерных параметров зернового элемента 4 исходя из условия достижения оптимальных дренирующих и прочностных параметров слоя 3.
При величине среднее квадратического отклонения менее 0,5 мм дренирующие свойства геокомпозита резко снижаются, а при величине отклонения более 5,0 мм снижаются его прочностные характеристики.
Например, в качестве зернового элемента 4 используют фракционированные щебень, песок, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой (продукт дробления и просеивания) строительных материалов или их отсев, при этом размеры зерновых элементов 4 слоя 3 находятся в диапазоне 0,1-15 мм. Этот диапазон соответствует размерам порового пространства армирующего геосинтетического материала и распространенным на рынке строительных материалов размерам щебня, песка, их отсева и гравия.
Меньшие размеры не позволяют обеспечить требования к водопропускной способности, а большие - существенно утяжеляют геокомпозит.
В качестве вяжущего слоя 3 могут быть использованы полиуретан, полимочевина, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе.
Использование в качестве вяжущего материала полиуретанового композиционного состава позволяет при отверждении образовывать в пространстве между зерновыми элементами 4 гибкие упругие нити, а в местах соприкосновения оболочек 6 зернового элемента 4 прочные и долговечные связи.
Полиуретановые композиции обладают высокой гидролитической устойчивостью, стойкостью к воздействиям внешней среды в различных климатических зонах, морозостойкостью и хорошей совместимостью с различными видами фракционных наполнителей, таких как щебень, гравий и т.д.
Наиболее целесообразно для целей укрепления основания и/или покрытия конструкции транспортного сооружения использовать двухкомпонентную полиуретановую систему, например, продукт EPABIND 01 совместного Российско-итальянского производства EPAFLEX.
Двухкомпонентная полиуретановая система имеет хорошую совместимость с различными видами фракционных наполнителей (щебень, гравий) (по ГОСТ 7392-2022). Вяжущее может быть модифицировано в соответствии со специальными требованиями.
В зависимости от различных условий применения (температура, влажность) оптимальные вязкость и скорость полимеризации связующего позволяют равномерно обволакивать частицы наполнителя и образовывать в местах их соприкосновения прочные и долговечные «клеевые мостики».
Кроме того, может использоваться однокомпонентный полиуретановый состав, вязкость которого регулируется минеральным наполнителем.
В качестве вяжущего может быть использована полимочевина (поликарбамиды), которая является синтетическим полимером, структурно сходным с полиуретанами.
Полимочевина имеет высокую скорость отверждения и поэтому мало чувствительна к влажности и может использоваться при проведении работ в условиях повышенной влажности.
Эпоксидная смола является разновидностью синтетических смол, при полимеризации в смеси с отвердителем, образуется сшитый полимер.
Использование эпоксидных смол различных составов позволяет варьировать конечные свойства каркасной структуры после отверждения в большом диапазоне.
Изменения и вариации свойств укрепляемой среды, например, среды грунт-жидкость, а также изменения водно-температурного режима не влияют на свойства заявляемого геокомпозита за счет качества используемого материала вяжущего.
За счет плотного скелетного заполнения слоя 3 зерновых элементов 4 путем контактирования каждого зернового элемента 4 друг с другом, заявляемая конструкция геокомпозита не деформируется в вертикальном направлении, но при этом может быть свернута-развернута в рулоне.
Заявляемые варианты конструкции геокомпозита не исключают использование других материалов и особенностей их применения в рамках достижения заявленного технического результата.
Заявляемые варианты конструкции геокомпозита характеризуется повышенной вертикальной прочностью и дренирующими свойствами, за счет обеспечения горизонтального раздельного распределения грунтовых вод и осадков, и требуемой однородности геометрических и механических показателей конструктивного слоя транспортного сооружения, способствуя повышению межремонтного срока и срока службы транспортного сооружения.
Разработанная конструкция геокомпозита обладает высокими однородными свойствами по пористости, прочности, плотности, дренажной способности, способности к самоочищению, высоким сроком службы, не требующий преднапряжения при устройстве.
Конструкция может быть изготовлена на месте производства работ, так в серийном промышленном производстве.