КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
COMPOSITION FOR THE ARRANGEMENT OF FUNCTIONAL LAYERS OF THE ROADBED

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для создания функциональных слоев земляного полотна путем комплексного укрепления местных грунтов при строительстве автомобильных и железных дорог. К функциональным слоям относятся: морозозащитный слой, теплоизолирующий слой, рабочий слой - для автомобильных дорог; защитный слой - для железных дорог.
Известен «Состав для дорожного строительства», который содержит масс. %: портландцемент - 6-12, заполнитель - 72-88, 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. [Патент RU на изобретение № 2603682 опубл. 27.11.2016 Бюл. №33].
Недостаткам данного изобретения являются невысокие физико-механические показатели состава. На снижение качества конечного материала влияет применение эмульсии октилтриэтоксисилана и полимера, их использование в жидком виде требует дополнительной корректировки смеси из-за естественной влажности грунта, что так же отрицательно сказывается на качестве конечного продукта.
Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением, принятому за прототип, является «Композиция для устройства оснований дорожных одежд и других инженерных сооружений», содержащая песок из отсевов дробления фракции 0-5 мм (грунт); минеральное вяжущее - портландцемент с минеральными добавками; гидролизный лигнин; полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли (2-пропенамида) и продуктов гидролиза поливинилацетата при следующем соотношении компонентов, масс. %: песок из отсевов дробления - 82-85; гидролизный лигнин - 5-2; портландцемент - 8-6; полимерный композит - 0,4-0,8 (сверх 100%); вода - 5-7. [Патент RU на изобретение № 2726094 опубл. 09.07.2020 Бюл. №19].
К недостатку данной композиции относится то, что она обладает низкими физико-механическими показателями. Также полимерный композит, входящий в состав композиции, находится в жидком состоянии, однако достаточно часто при строительстве земляного полотна увлажнять грунт, особенно глинистый, не требуется, т.к. влажность грунта уже близка к оптимальной, соответственно снижается качество и усложняется ввод данного полимерного композита при выполнении строительных работ.
Изобретение направлено на повышение физико-механических характеристик композиции для устройства функциональных слоев земляного полотна, за счет применения комплексного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения и качественного введения полимерной составляющей в его состав.
2
Это достигается тем что, композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна содержит грунт, вяжущее и воду. При этом грунт используется в виде суглинка с числом пластичности не более 12. Вяжущее используется в виде комплексного вяжущего, полученного совместным помолом  портландцементного клинкера, гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, волластонита, активного кремнезема, с удельной поверхностью 450 м/кг в соотношении 17:1:0,2:1,7:0,1 соответственно. Соотношение компонентов заявляемой композиции составляет, масс. %:
суглинок
72-76
комплексное вяжущее
8-10
вода
остальное.
Достижение указанного технического результата обусловлено, большой однородностью и плотностью структуры дорожно-строительного материала с большим количеством новообразований гиросиликатов кальция в виде сеток и столбчатых продолговатых кристаллов за счет применения комплексного вяжущего и большей прочностью контактной зоны между частицами кварца суглинистого грунта с продуктами гидратации комплексного вяжущего и их взаимодействия с глинистыми частицами.
Характеристика исходных материалов:
1. Суглинок по ГОСТ 25100 -2011 с числом пластичности не более 12;
2. Комплексное вяжущее, в виде механоактивированной порошковой смеси (МПС), состоящее из:
- портландцементного клинкера (К) по ГОСТ 31108-2016,
- гипса (Г) по ГОСТ 4013-2019,
- анионного олигомера типа добавки Melment F10 (Д) по ГОСТ 24211-2008,
3
- природного минерала волластонита (В) с химической формулой CaSiO,
- активного кремнезема (АК) по ГОСТ 9428-73
2
(активировано (помол) в шаровой мельнице до удельной поверхности 450 м/кг; массовое соотношение материалов: К:Г:Д:В:АК = 17:1:0,2:1,7:0,1 )
3. Вода по ГОСТ 23732-2011.
Композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна транспортных объектов разработана в соответствии с требованиями ГОСТ Р 55224-2012, ГОСТ 23558-94 и ГОСТ 30491-2012. Процентный состав композиции был установлен опытным путем на основании результатов определения физико-механических характеристик полученного материала (табл.1).
Таблица 1
Физико-механические характеристики композиций
№п/п
состав, масс. %
Предел прочности на сжатие, МПа
Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа
Морозостойкость, количество циклов
Водонасыщение,%
Режим водонасыщения
капиллярное
полное
капиллярное
полное
капиллярное
полное
капиллярное
полное
грунт
вяжущее
гидролизный лигнин
добавка*
вода
1
суглинок
76
7
-
-
17
7,14
6,25
0,91
0,81
15
15
0,05
0,45
2
75
8
-
-
17
7,65
6,68
1,09
0,93
20
20
0,03
0,44
3
74
9
-
-
17
8,02
7,08
1,25
1,07
25
25
0,03
0,42
4
73
10
-
-
17
8,73
7,65
1,36
1,23
25
25
0,02
0,40
5
72
11
-
-
17
9,64
8,43
1,49
1,31
30
30
0,01
0,40
6**
песок из отсевов дробления82-85
8-6
5-2
0,4-0,8
5-7
-
2,80-4,00
-
-
-
15
-
-
* в качестве добавки - полимерный композит
** Прототип
Для расчета необходимого количества воды в композиции определялась максимальная плотность и оптимальная влажность согласно ГОСТ 22733-2016. Предварительно суглинок высушивался до воздушно-сухого состояния. Затем в высушенный грунт вводили приготовленное комплексное вяжущее в виде МПС в количестве от 7 до 10% с шагом в 1%. МПС готовилась заранее в шаровой мельнице совместным помолом портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения: гипса, анионного олигомера типа добавки Melment F10, природного минерала волластонита, активного кремнезема. Производили перемешивание композиции вручную и доводили грунт до оптимальной влажности. Из полученной смеси изготавливали образцы в соответствии с ГОСТ 30491-2012. По истечению срока твердения композиция была испытана на прочность, морозостойкость, определено водонасыщение при разных режимах водонасыщения по ГОСТ 30491-2012. Результаты испытаний в сопоставлении с данными прототипа представлены в таблице 1.
Пример использования представлен на составе № 4 (таблица 1):
3
Брали 10 кг суглинка пылеватого с максимальной плотностью - 1,76 г/см; оптимальной влажностью 17%. Высушили суглинок до влажности 0%, ввели в суглинок 1,37 кг комплексного вяжущего в виде МПС. МПС приготовили заранее в шаровой мельнице совместным помолом 1,16 кг портландцементного клинкера и добавок различного функционального назначения: гипса - 0,07 кг, анионного олигомера типа добавки Melment F10 - 0,02 кг, природного минерала волластонита - 0,11 кг, активного кремнезема - 0,01 кг. Перемешали суглинок и комплексное вяжущее и добавили 2,33 кг воды.
Согласно требованиям ГОСТ 30491-2012 методом прессования изготовили образцы цилиндрической формы и балочки в виде призм по три партии каждого состава. Полученные образцы твердели при температуре воздуха 20±2°С, влажности - не менее 95% в течении 28 суток. После окончания срока твердения образцы композиции были испытаны на прочность, морозостойкость при полном и капиллярном режиме водонасыщения, также было определено водонасыщение. Предел прочности на сжатие: 8,73 МПа (капиллярное водонасыщение); 7,65 МПа (полное водонасыщение). Предел прочности на растяжение при изгибе: 1,36 МПа (капиллярное водонасыщение); 1,23 МПа (полное водонасыщение). Морозостойкость - 25 циклов (капиллярное и полное водонасыщение). Водонасыщение 0,02% при капиллярном водонасыщении и 0,4% при полном водонасыщении соответственно.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая композиция для устройства функциональных слоев земляного полотна автомобильных и железных дорог позволяет получить дорожно-строительный материал с высокими физико-механическими показателями. Ее преимуществами являются небольшое число компонентов, стабильность введения полимерной составляющей, т.к. она уже входит в состав комплексного вяжущего. Обладает следующими характеристиками: прочность на сжатие - 6,68- 8,73 МПа; прочность на растяжение при изгибе - 0,93-1,36 МПа; морозостойкость - 20 циклов при содержании комплексного вяжущего 8% и 25 циклов при 9-10 масс. %, а исходного грунта 72-76  масс.%. По прототипу получен материал с прочность на сжатие 2,80-4,00 МПа, маркой по морозостойкости - F20. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники, не подтвердило наличие в последних признаках, совпадающих с его отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
Таким образом, использование предлагаемой композиции для устройства функциональных слоев земляного полотна позволит получить дорожно-строительный материал с точным содержанием добавок различного функционального назначения, ввод которых не будет требовать особенную технологию строительства; обладающего прочностью на сжатие 6,68- 8,73 МПа, прочностью на растяжение при изгибе - 0,93-1,36 МПа, и морозостойкостью 25 циклов на суглинистых грунтах.