Состав для укрепления грунта, способ укрепления грунта и грунтовая смесь
COMPOSITION FOR SOIL STRENGTHENING, METHOD FOR SOIL STRENGTHENING, AND SOIL MIXTURE

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к укреплению грунта с помощью органических и неорганических составов, используемых в строительстве дорог для стабилизации и укрепления пластичных, переувлажненных, засоленных грунтов, и способам укрепления грунтов.
Из существующего уровня техники известно изобретение «Состав для стабилизации грунта и способ его использования в дорожном строительстве» по патенту РФ № 2281356 (приоритет 03.02.2005).  Состав для стабилизации грунта содержит гипс, цемент, известь и минеральную добавку, причем в него дополнительно введены доменный шлак и базальтовые волокна, а в качестве минеральной добавки вводится сажа при следующем соотношении компонентов, мас.%: гипс - 35-42; известь - 17-23; цемент - 9-14; доменный шлак - 9-14; базальтовые волокна - 0,1-1,0; сажа - 17-22. Способ использования указанного состава для стабилизации грунта при ремонте или строительстве оснований дорог включает предварительную подготовку грунта, внесение в разрыхленный грунт заданного количества состава для стабилизации грунта при естественной влажности грунта меньше оптимальной, нанесение смеси на дорожное основание с одновременным перемешиванием и увлажнением смеси до оптимальной влажности, последующее уплотнение смеси, при этом для стабилизации грунта применяют состав в количестве 4-6 мас.% от массы обрабатываемого грунта, а увлажнение смеси осуществляют до достижения влажности 20 мас.%.
3
3
Из существующего уровня техники также известно изобретение «Грунт укрепленный дорожно-строительный» по патенту РФ № 2541009 (приоритет 24.06.2013).  Грунт укрепленный дорожно-строительный характеризуется тем, что он получен из смеси, включающей, мас.%: цемент 5-15, отход термической утилизации нефтешламов - золошлак плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм 30-40, минеральный наполнитель 0-30, торфяной сорбент 2-4, буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм - остальное.
Наиболее близким к заявляемому решению является изобретение «Способ закрепления грунта или фундамента» по патенту РФ № 2503768 (приоритет 28.03.2008).
Способ заключается в обработке грунта содержащим латексный полимер закрепителем, применяемым в смеси с водой. Обработку грунта или фундамента осуществляют путем введения закрепителя посредством фрезы методом фрезеровки при смешивании закрепителя с грунтом или фундаментом. В качестве латексного полимера используют латексы из группы, включающей стирол-бутадиеновый латекс, (мет)акрилатный латекс, этилен-винилацетатный латекс, этилен/пропиленовый латекс, этилен/пропилен-димерный латекс, бутадиен-акрилонитриловый латекс, силиконовый латекс, полибутадиеновый латекс, латекс из натурального каучука или же смесь двух или нескольких из указанных латексов. Закрепитель 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, причем закрепитель имеет состав (вес.%): 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.
Общими признаками приведенного решения и заявляемого изобретения являются:
-состав для разведения в воде, включающий эфир целлюлозы;
- цемент, который насыпают на грунт перед введением разведенного в воде состава.
- перемешивание и уплотнение полученной грунтовой смеси.
Отличительными признаками заявляемого решения являются наличие в составе для укрепления грунта силиката натрия и кремнезоля.
Технический результат заключается в увеличении прочности укрепленной грунтовой смеси заявляемым составом для укрепления грунта по предложенному способу с использованием предложенного состава для укрепления грунта.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый состав для укрепления грунта включает разведенные в воде эфир целлюлозы и силикат натрия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
эфир целлюлозы  0,25-1,7
силикат натрия  0.3-7
вода            остальное
Предпочтительно, чтобы состав для укрепления грунта по предлагаемому изобретению дополнительно содержал кремнезоль в количестве 0,25-3,5 мас.%, при использовании состава для укрепления грунта с числом пластичности меньше 12.
Технический результат достигается за счет того, что способ укрепления грунта заключается в обработке грунта цементом и составом, включающим разведенные в воде эфир целлюлозы и силикат натрия, причем на подготовленный грунт распределяют цемент и состав, при следующем соотношении мас. %:
эфир целлюлозы  0,25 - 1,7
силикат натрия  0,3 - 7
вода            остальное
затем цемент, состав и грунт перемешивают и уплотняют, причем применяют цемент в количестве 2,3-6 мас.%, а состав для укрепления грунта в количестве 1,5-2 мас.% от массы обрабатываемого грунта.
Технический результат достигается за счет того, что грунтовая смесь включает грунт, цемент, состав для укрепления грунта, включающий эфир целлюлозы, силикат натрия, кременезоль, и воду, при следующем соотношении, мас.%:
эфир целлюлозы  0,0046-0,0315
силикат натрия  0,0055-0,129
вода            1,55 - 1,95
цемент          2,3 - 6
грунт           остальное
Предпочтительно, чтобы грунтовая смесь также включала кремнезоль в количестве 0,0055-0,065, при использовании состава для укрепления грунта с числом пластичности меньше 12.
Для приготовления состава для укрепления грунта необходимо взять воду. Вода может быть любой, с РН-фактором больше 3. Температура воды не выше 40 градусов Цельсия. Ввести эфир целлюлозы в воду до полного растворения. Затем ввести силикат натрия до полного растворения. А затем можно добавить кремнезоль до полного растворения в воде. Все компоненты состава  берут с учетом пропорций, указанных в формуле изобретения. Полученный раствор хранить при температуре выше 5 градусов Цельсия. При появлении осадка перемешивать.
При реализации предлагаемого способа предварительно обычно отбирают пробу грунта, чтобы можно было исследовать в лаборатории гранулометрический состав, минералогию и физико-механические показатели грунта. Кроме того, иногда проводят предварительные инженерно-геологические (геотехнические) исследования, а в случае площадей, занимаемых транспортными сооружениями, - определяют нагрузку и интенсивность движения транспорта. Кроме того, иногда определяют климатические условия, например, частоту замерзания и количество осадков. Исходя из этого, можно более точно выбрать дозировку всех компонентов состава для укрепления грунта и цемента в пределах предложенных диапазонов изобретения. Предлагаемое изобретение показало отличные результаты в испытаниях при обработке различных грунтов и позволяет минимизировать предварительные работы и выбирать дозировку компонентов в указанных пределах, при этом будет обеспечен заявляемый технический результат.
После обработки грунта, например, бульдозерами или грейдерами, для размельчения частиц грунта до нужной крупности, насыпают цемент и поливают приготовленным составом, перемешивают получившуюся грунтовую смесь до получения однородной смеси, используя, например, навесной ресайклер. При перемешивании возможно дополнительное увлажнение до оптимальной влажности. Затем необходимо уложить грунтовую смесь на ширину и толщину, предусмотренные проектом, с приданием требуемого профиля, и уплотнить грунтовую смесь, например, с помощью катковых машин. 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.
Состав для укрепления грунта при реализации предложенным способом позволяет преобразовать грунт, исключая какую-либо тиксотропию в дальнейшем. Грунтовая смесь становится стабильной, значительно повышается прочность, резко снижается водонасыщение, увеличивается морозостойкость. В процессе укрепления грунта, согласно изобретению, возникают разные типы связей (далее структур) между частицами грунтовой смеси.
В полученной укрепленной грунтовой смеси возникают кристаллизационные, коагуляционные, конденсационные связи. На возникновение этих связей влияют каждый из компонентов грунтовой смеси по изобретению.
Так, цемент, вводимый в грунт, обеспечивает рост прочности связей коагуляционного типа. Прочность коагуляционных связей и интенсивность роста прочности возрастает с увеличением дисперсности грунтовой смеси, что указывает на влияние активной поверхности частиц грунтовой смеси на физико-химические процессы взаимодействия цемента с другими компонентами грунтовой смеси. Соотношение жестких (кристаллизационных) и гибких (коагуляционных) связей в грунтовой смеси определяет их деформационные свойства.
Прочностные свойства грунтовой смеси определяются прочностью кристаллизационных связей.
Деформационные свойства грунтовой смеси будут определяться прочностью именно коагуляционных связей.
Водостойкость и морозостойкость грунтовой смеси определяются прочностью конденсационных структур.
Состав для укрепления грунта позволяет регулировать сроки твердения грунтовой смеси, направлять процессы структурообразования при укреплении грунтов в нужную сторону. Действие состава зависит от типа грунта, укрепление которого необходимо, поэтому в состав для укрепления грунта включены компоненты в допустимых диапазонах, а точное количество компонента подбирается в пределах указанных диапазонов в формуле изобретения в соответствии с типом грунта.
Образующиеся при воздействии на грунт заявленного состава кристаллизационные структуры являются наиболее прочными. Они возникают в результате сращивания кристалликов новой твердой фазы, возникающей при взаимодействии эфира целлюлозы с цементом при гидратации цемента. Кристаллизационные структуры характерны тем, что они развиваются на основе коагуляционных структур путем выкристаллизовывания  совместно с полимеризующимся эфиром целлюлозы, при полимеризации которого образуется пленка необратимого соединения с вышеуказанными продуктами гидратации. Полученные соединения срастаются в прочный монолит в процессе своего роста и упрочняются с увеличением времени их твердения.
Так, входящий в состав композиции эфир целлюлозы, адсорбируясь на минеральных частицах грунта и цемента, в первой фазе твердения цемента блокирует потенциальные центры коагуляционного и кристаллизационного структурообразования, чем способствует сближению фаз твердения и, как следствие, приводит к уменьшению микротрещиноватости структуры материала и к повышению его прочности. Затем начинается процесс отверждения эфира целлюлозы и цемента, который состоит из «расслоения» и последующего освобождения от воды путем испарения. Частички эмульсии эфира целлюлозы смачивают поверхность частицы грунта и осаждаются на ней. Получившаяся в процессе полимеризации эфира целлюлозы плёнка прочно связывает между собой частицы грунтовой смеси, обеспечивая повышение прочности образующихся кристаллизационных структур. Эти процессы укрепления относятся к физико-химическим.
При взаимодействии кристаллизационных структур, полученных от соединения полимеризующегося эфира целлюлозы с продуктами гидратации цемента, с силикатом натрия возникают коагуляционные и конденсационные структуры. Возникновение коагуляционных структур обусловлено тем, что при попадании в грунт водного раствора силиката натрия обеспечивается необратимое изменение физико-механических свойств грунтовой смеси за счет химического воздействия, путем ионного замещения пленочной воды на поверхности пылеватых частиц молекулами силиката натрия, которые обладают водоотталкивающим действием. Пленочная вода, в результате уплотнения обработанного глинистого грунта, легко выводится из него, а этот слой переводится в непучинистое состояние и может быть использован в качестве рабочего слоя дорожной одежды.
Полученная грунтовая смесь становится более прочной и практически водонепроницаемой, что делает ее устойчивой к воздействию любых климатических условий и способной воспринимать увеличенную полезную нагрузку даже в условиях длительных, обильных осадков.
Испытания и опыт применения показывают, что высоко-пластичные глинистые грунты, для высушивания которых до оптимальной влажности требуется несколько суток, в результате обработки высыхают и могут быть уплотнены в течении 24 часов. Определенные минералы, такие, как смектиты, монтмориллониты и т.п., имеют пространства между пластинами или слоями, которые могут адсорбировать воду, заставляя эти слои раздвигаться. Они известны как набухающие материалы (пучинистые грунты) и являются причиной многих разрушений в строительных или дорожных конструкциях. Введение в грунт силиката натрия позволяет предотвратить адсорбцию воды и получить ситуацию, когда отрицательный заряд грунта сбалансирован, и положительные ионы не могут быть удалены, таким образом, образуя грунт, инертный к воде.
Наличие в составе для укрепления грунта силиката натрия позволяет решить проблему стабилизации и укрепления грунтов с высоким числом пластичности, а также переувлажненных и монтмориллонитовых грунтов. Наиболее эффективно применять  рассматриваемый состав для укрепления грунтов с числом пластичности более 12. Наличие силиката натрия в составе для укрепления грунтов позволяет также запустить физико-химические процессы образования конденсационных структур, что отражается на марочной прочности грунтовой смеси. При этом дальнейший рост прочности в такой грунтовой смеси не прекращается, а идет интенсивнее, чем в грунтовой смести без добавки силиката натрия. Поэтому наибольший эффект можно достичь при укреплении тяжелых суглинков и глин.
В рассматриваемый состав дополнительно добавляют кремнезоль. Кремнезоль, взаимодействуя с другими компонентами в грунтовой смеси, формирует одновременно кристаллизационные и конденсационные связи, что позволяет регулировать скорость кристаллизации и скорость образования зародышей кристаллов гидросиликатов тоберморитовой группы, так как компоненты кремнезоля с высокой химической активностью, соединяясь с продуктами гидратации, содействуют их росту. Появляющиеся в результате химических процессов кристаллы заполняют поры, которые возникают при отверждении продуктов гидратации цемента. В результате грунтовая смесь становится менее пористой, более плотной, гидрофобной. И, как следствие, морозостойкой. Наиболее эффективно применять в рассматриваемой композиции для укрепления грунтов с числом пластичности менее 12.
После уплотнения грунтовой смеси, согласно изобретению, на поверхностях новых контактов под действием молекулярных сил и сил электростатического притяжения создаются новые структурные связи в полученной грунтовой смеси. В результате связывания в комплексные соединения в грунтовой смеси и увеличения во времени объема твердой фазы вследствие химического и физического связывания воды, а также непропорционального прироста объема твердой фазы, в результате взаимодействия кремнезоля и силиката натрия, и специфики образования слоя гидратов, грунтовая смесь приходит в стесненное состояние. Следовательно, если через некоторое время расстояние между частицами в грунтовой смеси уменьшается до достаточно малых расстояний для проявления молекулярных и поверхностных неуравновешенных сил, то в результате в грунтовой смеси происходят межчастичные взаимодействия, приводящие к схватыванию и отвердеванию.
В описании использованы следующие термины:
Высоковязкостный эфир целлюлозы:
Физико-химические свойства:
Внешний вид: порошок, обладает хорошей текучестью и не образует пыли в воздухе
Цвет: белый или почти белый
Запах: отсутствует
рН: 5,5-7,5 (1%-ный раствор)
Растворимость: растворим в воде в любых пропорциях с образованием прозрачной жидкости различной вязкости.
При увеличении температуры или скорости перемешивания, вязкость обратимо уменьшается. Практически нерастворим в безводном этаноле, ацетоне; может растворяться в некоторых органических растворителях, например, смесь этанола и метиленхлорида.
Инертен к большинству активных и вспомогательных веществ.
Может выпадать в осадок при температуре, превышающей 60°С.
Эфир целлюлозы образует упругую пленку, не растворимую в масле и жире.
В результате неионного строения растворы эфира целлюлозы стабильны к различным значениям pH в диапазоне от 3 до 11 и толерантны к солям.
Силикат натрия - поверхностно-активное вещество (ионный поверхностно-активный агент), который изменяет гидрофильную природу глины и извести на гидрофобную. Его использование не только помогает в удалении воды из грунтов, но также помогает смазыванию частиц грунта и увеличивает способность к уплотнению многих грунтов. Реакция модификатора при обработке этих материалов особенно эффективна из-за мощного ионного обмена на поверхности глинистых частиц, когда идет замена ионов, которые обычно присутствуют на поверхности глинистых частиц, на определенные ионы, таким образом, изменяются физические свойства глинистых частиц. Особенно важно то, что модификатор изменяет характеристики пластичности этих материалов в связи с сокращением их водоабсорбирующей способности.
Физические и химические характеристики:
pH 5
Точка кипения: больше, чем 100 c.
Удельный вес: 1.30
Давление пара  (мм рт. ст.): не установлено
Плотность пара (воздух=1): не установлено
Скорость испарения (бутилацетат=1) %: не установлено
Показатель испарения: не установлено
Растворимость в воде: растворимый
4
Кремнезоль - золь кремниевой кислоты - это коллоидный раствор, состоящий из дисперсионной среды, которой является вода, и дисперсной фазы, представляющей собой мицеллы аморфного кремнезоля. Мицеллы кремнезоля, насыщенные молекулами воды, обладают полимерной природой, обладают высокоразвитой поверхностью и большим количеством функциональных (силанольных) групп, что обеспечивает высокую реакционную способность и возможность модифицирования поверхности частиц путем адсорбирования различных ионов. Мицеллы кремнезоля представляют собой сферические частицы, насыщенные водой и ионами щелочных металлов (Li, Na, K, NH). Данный коллоидный раствор характеризуется опалесценцией и белесым цветом.
2
После проведения цикла лабораторных и полевых испытаний установлено, что подобранные дозировки и соотношения элементов согласно изобретению и выполнение предлагаемым способом позволяют получить грунтовую смесь высокой прочности. Полученная смесь характеризуются пределом прочности на сжатие до 350 кгс/см, модулем деформации до 165 Мпа и выдерживает 200 и более циклов на замораживание-оттаивание, что позволяет применять изобретение в очень суровых климатических условиях.
Применяемая, согласно изобретению, композиция безопасна для окружающей среды, её можно использовать даже для укрепления и, соответственно, стабилизации загрязненных грунтов. Стабилизировать грунт при помощи рассматриваемой композиции можно даже в самых тяжелых условиях, при которых дорожно-ремонтные работы или дорожное строительство обычного рода невозможны, например, даже на переувлажненных грунтах, в условиях дефицита инертных материалов, без замены считающегося непригодным грунта.
Использование предложенной, согласно изобретению, композиции помогает существенно экономить основное минеральное вяжущее вещество - цемент, используя всего 2,3-6% цемента от общей массы грунтовой смеси при укреплении грунта. А вследствие быстроты схватывания проезд по обработанному участку возможен уже по прошествии краткого периода, обычно от одного до семи дней. Использование композиции по изобретению приводит к уменьшению водонасыщения, уменьшению морозопучения, повышению плотности укрепленного грунта, а также - повышению прочности на сжатие и на изгиб по сравнению с известными составами для укрепления и стабилизации грунтов, что было подтверждено испытаниями согласно ГОСТ 23558-94, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 10180-2012, ГОСТ 10060-2012, ГОСТ 12801-98.
Протоколы испытаний приводятся в таблицах  1,  2,  3.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в следующих областях:
-  при устройстве слоев оснований и покрытий для местных и федеральных дорог, I-V категории;
- укрепление грунтов земляного полотна в дорожном строительстве 1-5 климатических зон,
-  при строительстве лесных и полевых дорог;
- 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;
- укрепление и стабилизация переувлажненных грунтов, грунтов с высоким числом пластичности, осадочных и связных;
- укрепление щебеночных дорог;
что свидетельствует о соответствии предложенного технического решения критерию промышленной применимости.