СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА
SOIL REINFORCEMENT METHOD

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для укрепления песчаных, супесчаных и глинистых грунтов естественного происхождения при создании оснований автомобильных и железных дорог, при устройстве инженерных сооружений, площадок различного назначения, дорожек в садах и парках и т.п.
В настоящее время в дорожном строительстве широкое распространение получили комплексные методы укрепления грунтов с использованием различных неорганических или органических вяжущих материалов и стабилизирующих добавок с заданными свойствами. Укрепленные грунты широко используются в качестве местных, доступных для применения и дешевых строительных материалов. При этом в укрепляющие составы в качестве наполнителей также могут вводиться отходы производств, что позволяет одновременно с их утилизацией снижать затраты на строительные работы. В частности, в состав дорожно-строительных композиций, на основе грунта, включается лигнин, являющийся отходом гидролизного производства.
Известна полимербетонная смесь, содержащая карбамидную смолу, фосфогипс, андезит молотый, щебень гранитный, песок кварцевый и добавку лигнина в качестве отвердителя (авторское свидетельство СССР №551298, опубл. 25.03.1977 г., Бюл. №11). Данная полимербетонная смесь характеризуется сравнительно высокими значениями прочности, однако фосфогипс является токсичным веществом, что ограничивает применение смеси в дорожном строительстве.
Известен способ укрепления грунта, который предложено использовать при устройстве облегченных дорожных и мостовых покрытий (авторское свидетельство СССР №876600, опубл. 30.10.1981 г., Бюл. №40). Способ основан на применении в качестве укрепляющей смеси водного раствора мочевино-формальдегидной смолы, гидролизного лигнина, сульфитно-спиртовой барды и солянокислого анилина. Недостатком указанной композиции является наличие в составе токсичного солянокислого анилина, что также ограничивает области применения данной композиции, являющейся экологически небезопасной.
Описан способ укрепления откосов и оснований автомобильных дорог с использованием смеси, содержащей цемент, асфальт, гидролизный лигнин (авторское свидетельство СССР №1609839, опубл. 30.11.1990 г., Бюл. №44). Недостатком данной смеси является невысокие прочностные характеристики получаемой дорожно-строительной грунтовой композиции.
Одним из современных способов стабилизации грунта является пропитка эмульсиями из органических латексных полимеров - акриловых, стирол-акриловых и т.п., оказывающими гидрофобизирующее действие на грунт. Это имеет значение при создании автомобильных дорог в отдаленных районах на переувлажненных глинистых грунтах и суглинках.
Предложен способ закрепления грунта путем его обработки композицией, содержащей латексный полимер, применяемой в смеси с водой (патент РФ №2503768, опубл. 10.01.2014). При этом в качестве латексного полимера используют латексы из группы, включающей стирол-бутадиеновый латекс, (мет)акрилатный латекс, этилен-винилацетатный латекс, этилен/пропиленовый латекс, этилен/пропилендимерный латекс, бутадиен-акрилонитриловый латекс, силиконовый латекс, полибутадиеновый латекс, латекс из натурального каучука или же смесь двух или нескольких из указанных латексов. Композиция дополнительно содержит загуститель на основе целлюлозы, пеногаситель, выбранный из группы, включающей силиконы, гликолевые эфиры, натуральные жиры или масла и жирные спирты, а также, по меньшей мере, один хлорид или, по меньшей мере, один гидроксид щелочного или щелочноземельного металла. Предложенный закрепитель имеет состав, мас.%: 0,1-50 латексного полимера, 0,05-5 загустителя, до 5 пеногасителя, 0,01-10 хлорида или гидроксида щелочного или щелочноземельного металла, остаток до 100 - вода.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является способ укрепления грунта для устройства оснований дорожных одежд и других инженерных сооружений с помощью композиции, содержащей, мас.%: песок из отсевов дробления по ГОСТ 31424-2010 фракции 0-5 мм 82-85; минеральное вяжущее портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 31108-2016 6-8; гидролизный лигнин 2-5; полимерный композит в виде коллоидного раствора высокомолекулярных поверхностно-активных веществ: поли(2-пропенамида) и продуктов гидролиза поливинилацетата 0,4-0,8,остаток до 100 - вода (патент РФ 2726094, опубл. 09.07.2020, Бюл. №19). Недостатками данного способа являются сравнительно невысокая прочность, водостойкость и морозостойкость укрепленного грунта.
Задачей предлагаемого способа является получение укрепленного грунта с улучшенными прочностными характеристиками, повышенной влагостойкостью и морозостойкостью путем совместного использования в укрепляющей композиции акриловых или стирол-акриловых латексных полимеров и отходов гидролизного производства (лигнина).
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе укрепления грунта, включающем смешивание грунта с гидролизным лигнином, с последующим введением вяжущего материала, предварительно смешанного с водой, в качестве вяжущего материала используют акриловый или стирол-акриловый латексный полимер, при следующем содержании компонентов, мас.%: грунт 70, гидролизный лигнин 8 – 12, акриловый или стирол-акриловый латексный полимер 7 – 9, вода 11 или 13.
Технический результат настоящего изобретения заключается в получении укрепленного грунта с улучшенными прочностными характеристиками, влагостойкостью и морозостойкостью при одновременном решении экологической проблемы утилизации лигнина как крупнотоннажного отхода гидролизного производства.
Достижение указанного технического результата обусловлено применением для укрепления грунта гидрофибизирущих вяжущих на основе акриловых или стирол-акриловых латексных полимеров в комбинации с лигнином. В результате взаимодействия карбоксильных групп латексов с гидроксильными группами лигнина образуются сшитые полимерные структуры, способствующие повышению прочности и морозостойкости укрепленной грунтовой смеси.
Разработка состава для укрепления грунта проводилась путем подбора оптимального количества гидролизного лигнина и латексного полимера в процентах от массы грунта с учетом его влажности. После многочисленных экспериментов по определению оптимальности составов с различными качественными характеристиками, были выбраны пределы варьирования каждого компонента, обеспечивающие лучшие физико-механические показатели для различных грунтов.
Изобретение поясняется следующим примером. Воздушно-сухой суглинистый грунт (70 мас.%) смешивали с гидролизным лигнином (8-12 мас.%). Смесь перемешивали вручную и вводили акриловый или стирол-акриловый латексный полимер (7-9 мас.%), предварительно смешав его с равным объемом воды. После чего образовавшийся состав снова перемешивали. Из полученной смеси каждого вида изготавливали образцы и определяли их прочностные характеристики в соответствии с ГОСТ 23558-94.
При перемешивании смеси грунта и лигнина с водно-полимерной дисперсией латексного полимера протекает ряд последовательных физико-химических процессов, связанных с потерей дисперсией агрегативной устойчивости в результате десорбции поверхностно-активных веществ с поверхности полимерных частиц, адсорбции их на поверхности минеральных частиц и удаления воды. После коагуляции диспергированных частиц и адсорбции полимера на поверхности частиц грунта и лигнина происходит формирование полимерной пленки, а после высыхания укрепленного грунта завершается физическая адсорбция полимера и возможная хемосорбция макромолекул полимера на поверхности частиц грунта и лигнина. За счет образования сшивающих межмолекулярных связей образуется трехмерная сетка структурированной полимерной матрицы. Формирование химически сшитой структуры органических и минеральных частиц способствует получению укрепленного грунта.
Известно, что увеличение длины цепи радикала в полиакрилатах способствует повышению морозостойкости полимеров. Поэтому можно предположить, что в результате взаимодействия карбоксильных групп акриловых латексов с гидроксильными группами лигнина, образуются сложноэфирные связи, через которые присоединяются макромолекулы лигнина, способствующие повышению морозостойкости формирующихся структур полиакрилатов. Этими же химическими взаимодействиями с образованием сложных сшитых полимерных структур можно объяснить и более высокую прочность грунтов, укрепленных акриловыми полимерными латексами по сравнению со стирол-акриловыми, содержащими меньшее число карбоксильных групп.
Заявляемый способ укрепления грунтов позволяет получать укрепленный грунт с прочностью при сжатии 5,9 МПа при содержании стирол-акрилового латекса 7 мас.% и гидролизного лигнина 12 мас.% (пример 1) и 6,8 МПа при содержании акрилового латекса 9 мас.% и гидролизного лигнина 8 мас.% (пример 2). Тогда как по прототипу материал обладает прочностью при сжатии 2,8-3,2 при содержании гидролизного лигнина 5% и вяжущего 6-8% и 3,40-4,00 МПа при содержании гидролизного лигнина 2 мас.% и вяжущего 6-8 мас.%, соответственно.
Таким образом, совместное использование в составе грунта с целью его укрепления латексных вяжущих и лигнина обеспечивает синергетический эффект от физико-химического взаимодействия компонентов смеси, что приводит к существенному увеличению прочности, влагостойкости и морозостойкости укрепленного грунта.
Изобретение позволяет получать укрепленные грунты, которые могут быть с успехом использованы в конструкциях дорожных одежд для устройства слоев оснований и повышения прочности верхней части земляного полотна на дорогах с интенсивным движением; для устройства устойчивых покрытий облегченного типа для местных дорог на переувлажненных грунтах; для строительства покрытий и оснований промышленных и лесовозных дорог, площадей, стоянок автотранспорта.