СПОСОБ УСТРОЙСТВА КОНСТРУКЦИИ ОСНОВАНИЯ И/ИЛИ ПОКРЫТИЯ ТРАНСПОРТНОГО СООРУЖЕНИЯ
METHOD OF DEVICE DESIGN BASE AND/OR COATING TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к области транспортного строительства и может быть использовано для укрепления основания и/или покрытия транспортного сооружения, в частности автомобильных дорог и других транспортных сооружений, конструкций дорожного покрытия, откосов, укрепленных обочин, конусов мостов, оснований автомобильных дорог, а также аэродромов, промышленных и строительных площадок, для защиты водоотводных канав, береговых линий, русел водоемов от размыва, при благоустройстве и строительстве объектов гидротехнического, гражданского и промышленного строительства и т.п.
При этом в качестве оснований рассматриваются расчетные щебеночные слои, слои песчанно-гравийных смесей и др.
В качестве покрытий рассматриваются расчетные и нерасчетные щебеночные слои, тонкие габионные конструкции.
Известно, что транспортное сооружение представляет собой многослойную искусственную систему, воспринимающую многократно повторяющееся воздействие транспортных средств и погодно-климатических факторов. Конструкция транспортного сооружения состоит, в том числе, из следующих элементов: покрытие, основание и дополнительные слои.
Покрытие - это верхняя часть транспортного сооружения, воспринимающая усилия от колес транспортных средств и подвергающаяся непосредственному воздействию климатических факторов.
Основание является частью конструкции транспортного сооружения, располагающееся под покрытием и обеспечивающее совместно с покрытием распределение напряжений в конструкции и снижение их величины в подстилающем грунте, а также морозоустойчивость конструкции и водоотведение.
Дополнительный слой размещен между несущим основанием и подстилающим грунтом.
Одним из важнейших транспортно-эксплуатационных показателей, влияющих на технический уровень и эксплуатационное состояние транспортного сооружения, является прочность конструкций, зависящая от интенсивности эксплуатации конструкции под воздействием транспортных средств, от погодно-климатических и грунтово-гидрологических факторов.
Для повышения транспортно-эксплуатационных показателей транспортного сооружения используют различные технологии пропитки оснований и покрытий связующим составом (вяжущим).
Известен способ укрепления основания преимущественно автомобильных дорог путем последовательной укладки на него крупного фракционированного щебня и сухой цементопесчаной смеси, увлажнение и виброуплотнение основания, при этом перед увлажнением осуществляют дополнительное виброуплотнение щебня и сухой цементопесчаной смеси до полного заполнения последней межзерновых пустот щебня (см. патент РФ №2057831, МПК Е01С 3/00, опубл. 10.04.1996 г.).
Недостатком известного способа является монолитность конструкции, не позволяющая обеспечивать своевременный водоотвод и требуемый проектной документацией водно-тепловой режим, а также низкая трещиностойкость из-за влияния неоднородных во времени и пространстве динамических нагрузок.
Известен способ возведения основания дорожной одежды, содержащий размельчение грунта, приготовление смеси из грунта, цемента и добавки с увлажнением ее до оптимальной влажности, разравнивание смеси и ее уплотнение, при этом в качестве добавки вводят предварительно пропущенный через фильтры раствор волокнообразующего полимера в количестве 0,75-1,25% от массы грунта (см. патент РФ №2117090, МПК Е01С 3/04, опубл. 10.08.1998 г.).
В известном способе волокнообразующий полимер через фильеры вводят в цемент, данную смесь вносят в грунт, все перемешивают. В процессе перемешивания компонентов роторами образуется цементогрунтовая смесь, армированная струйками полимера, из которых формируются волокна, образующие в материале пространственную решетку.
Недостатком известного способа является то, что при перемешивании химические волокна имеют возможность объединяться между собой.
Это приводит к перекручиванию волокон в узлах (кластерах) их просадки по собственным весом, ослаблению вертикальных связей и избыточному расходу вяжущего. В результате получается неоднородная по вертикальному направлению пространственная структура с наличием слабых мест с повышенным риском образования дефектов при устройстве и накоплению поврежденностей при эксплуатации.
Известен способ возведения дорожного и аэродромного основания, включающий распределение и укладку в основание каменного материала, введение в каменный материал основания смеси вяжущего вещества и их уплотнение, при этом фракционированный каменный материал укладывают в слой основания без вяжущего вещества, которое в виде серного вяжущего вещества в последующем равномерно распределяют в пустотах слоя каменного материала основания методом его пролива сверху, требуемая глубина проникновения серного вяжущего вещества и требуемый процент заполнения им пустот каменного материала по высоте слоя основания регулируют изменением его расхода на квадратный метр основания и вязкости серного вяжущего вещества путем изменения соотношения его составляющих компонентов - серы, мелкодисперсного наполнителя, мелкого заполнителя, при этом минимальное содержание мелкодисперсного наполнителя равно 5% от массы серного вяжущего вещества (см. патент РФ №2412300, МПК Е01С 3/00, опубл. 20.02.2011 г.).
Недостатком данного технического решения является литьевая технология равномерным потоком, обеспечивающая заполнение пустот между зернами фракционированного каменного материала. Это не позволяет обеспечить оптимизацию расхода вяжущего, пористую структуру с требуемыми показателями водопроницаемости. Серное вяжущее вещество не обладает полимерной наноструктурой (не модифицировано), что не позволяет оценить и обеспечить однородность мономеров в вяжущем. Неоднородность вяжущего вызывает наличие слабых мест и увеличения риска недостижения целей и требований контрактной документации и нормативных документов, накопление поврежденностей при эксплуатации конструкции.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающий формирование и пропитку верхнего щебеночного слоя жидким полимерным связующим на основе полиуретана, при этом осуществляют отсыпку с балластной призмы части щебеночного слоя, формируют со стороны действующей части пути технологический откос высотой Н, в верхние слои откоса и примыкающие к нему участки балластной призмы шириной Н/2 вводят жидкое полимерное связующее и формируют каркасную структуру щебеночного слоя на глубину 7-14 см за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения, затем обработанный щебеночный слой выдерживают в условиях отсутствия капельной жидкости и вибрации в течение 1-4 ч для отверждения связующего (см. патент РФ №2469145, МПК Е01В 1/00, Е01В 27/02, опубл. 10.12.2012 г.).
В известной конструкции щебеночного основания транспортного сооружения и способа его возведения (укрепления) осуществляют пропитку зерен щебня, при которой происходит проникновение вяжущего материала в структуру щебня на межмолекулярном уровне, что способствует образованию жестких связей между зернами щебня.
Это не позволяет компенсировать транспортную нагрузку на щебеночное основание.
Кроме того, в известных технических решениях упрочнение щебеночного слоя осуществляют пропиткой полимерным связующим на глубину 5-7 см, что не дает возможности регулировать параметры функционирования земляного полотна в различных условиях эксплуатации.
На практике щебень разных пород имеет разные кислотно-щелочные свойства.
Для обеспечения склеивания щебня и вяжущего требуется в лабораториях трудоемкий, до месяца, подбор поверхностно-активных веществ и сочетания связующего и щебня.
Кислотно-щелочные свойства щебня вариативны как в пределах партии, так и в пределах поверхностного слоя, который может содержать соседствующие отрицательные и положительные частицы.
В результате этого высок риск недостижения адгезионных свойств, установленных нормативными документами.
Поэтому получаемая каркасная структура имеет слабые по адгезии места, на которых могут зарождаться трещины и накапливаться ее поврежденности.
Особенно это касается вертикальных волокон, определяющих показатели напряженно-деформированного состояния конструкции в вертикальном направлении.
Условия фракционированности и однородности применяемого щебня существенно ограничивают перечень строительных материалов для использования в конструкциях оснований и покрытий транспортных сооружений.
Задачей настоящего изобретения является укрепление основания и/или покрытия транспортных сооружений, повышение сдвигоустойчивости, предотвращение миграции отдельных зерновых элементов по причинам различной природы, повышение несущей способности транспортных сооружений и расширение функциональных возможностей использования различных строительных материалов.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является образование водо- и воздухопроницаемой износостойкой связанной укрепленной поверхности оснований и/или покрытий транспортного сооружения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе возведения конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения, включающем формирование на укрепляемом полотне слоя из зерновых элементов, введение в него вяжущего и формирование каркасной структуры, согласно изобретению введение вяжущего в слой из зерновых элементов осуществляют путем проливки его дискретными несвязанными струями под действием силы тяжести последовательно сверху вниз, образование каркасной структуры осуществляют путем обволакивания оболочкой из вяжущего зерновых элементов и формирования вертикальных нитей из вяжущего в случайно распределенных пустотах между контактирующими друг с другом оболочками, последующего отверждения и усадки вяжущего каркасной структуры.
При этом в качестве вяжущего используют полиуретан, полимочевину, битум, эпоксидные смолы и их аналоги и композиции на их основе, а в качестве зернового элемента используют фракционированные щебень, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой строительных материалов.
Заявляемая совокупность признаков позволяет повысить несущую способность конструкции транспортного сооружения за счет улучшения условий отвода воды и воздуха, увеличения удерживающей способности зерен щебня и повышения механических свойств слоя фракционированного щебня путем образования гибкой каркасной структуры из вяжущего в виде оболочек и нитей, не зависящую от вида и кислотно-щелочных свойств зернового элемента.
Это обусловлено тем, что каркасная структура из вяжущего за счет его технологических и высоких эксплуатационных свойств способствует образованию стабильной геометрической и прочностной однородности функциональных свойств слоя из зерновых элементов и устойчивости конструкции.
Это приводит к образованию в слое зерновых элементов множества взаимосвязанных пустот, которые, не уплотняя и не закупоривая землю под ней, способствуют своевременному водоотведению и воздухопроницаемости, формированию свойства слоя зерновых элементов как «пассивного насоса» снижающего до минимума поровое давление в укрепляемой среде «грунт-жидкость»,
При этом полученная гибкая пористая структура слоя зерновых элементов выполняет функцию дренирующих прослоек и армирования слоя, так как не задерживает на поверхности влагу, ее эластичные свойства в связанном состоянии позволяют улучшить его амортизационные характеристики, повышая стабильность грунтовых объектов автомобильных дорог, аэродромов, промышленных и строительных площадок, берегозащитных укрепительных сооружений, железнодорожного полотна, в широком диапазоне воздействующих факторов, в том числе, типичных климатических температур наружного воздуха и атмосферных осадков
Кроме того, гибкая каркасная структура основания и покрытия обеспечивает прочность транспортного сооружения за счет перераспределения вертикальной нагрузки на слои, размещенные ниже.
Это расширяет функциональные и технологические возможности проектирования и устройства конструкционного слоя транспортного сооружения, позволяет обеспечить его однородные свойства по геометрическим параметрам и напряженно-деформированному состоянию.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема способа устройства конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения; на фиг. 2 и 3 - примеры заданных в пространстве положений истока струй вяжущего; на фиг. 4 - пример ориентации положения истока струй вяжущего (фрагмент сечения); на фиг. 5 изображен фрагмент общего вида конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения, увеличено.
Позиции на чертежах означают следующее: 1 - зерновой элемент; 2 - струи вяжущего; 3 - каркасная структура; 4 - оболочка каркасной структуры 1; 5 - вертикальные нити отвержденного вяжущего каркасной структуры 3; 6 - пустоты каркасной структуры 3; 7 - точечные соединения каркасной структуры 3 в местах контакта оболочек 4 друг с другом; 8 - емкость для жидкого вяжущего; 9 - отверстия емкости 8; 10 - технологические пустоты каркасной структуры 3.
Способ устройства конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения включает формирование на укрепляемом полотне слоя из зерновых элементов 1, введение в него вяжущего путем проливки его дискретными несвязанными струями 2 под действием силы тяжести последовательно сверху вниз и образование каркасной структуры 3 путем обволакивания оболочкой 4 из вяжущего зерновых элементов 1 и формирования вертикальных нитей 5 из вяжущего в пустотах 6 между контактирующими посредством точечных соединений 7 оболочками 4, последующего отверждения и усадки вяжущего каркасной структуры (фиг. 1).
Согласно заявляемому способу конструкцию основания и/или покрытия транспортного сооружения получают следующим образом.
На укрепляемом полотне равномерно распределяют и уплотняют слой фракционированных зерновых элементов 1.
Подготовленное жидкое вяжущее из емкости 8 с отверстиями 9 проливают на слой из зерновых элементов 1 дискретными несвязанными струями 2 под действием силы тяжести последовательно сверху вниз.
Под дискретностью понимаются заданные в пространстве положения истока струй, распределенных по заданному закону, например равномерному (фиг. 2) или нормальному (фиг. 3), и ориентированных в заданном направлении (фиг. 4), при этом положение истока струй задается геометрией отверстий 9 в емкости 8.
Вяжущее накрывает поверхность зерновых элементов 1 и растекается по ним, накрывая зону контакта между ними с образованием оболочки 4 из вяжущего на зерновом элементе 1, и струями протекает в пространство 6 между оболочками 4.
По окончании проливки осуществляют выдержку в течение времени живучести вяжущего (около 1 часа) для его отверждения и усадки.
В процессе проливки вяжущего оптимизируют расход вяжущего по критерию полного покрытия верхних частей зернового элемента 1 вяжущим.
Глубина проливки и расход вяжущего определяется эмпирически, при этом глубина проливки - в зависимости от толщины конструкции основания и/или покрытия или техническим заданием, а расход вяжущего - от глубины проливки, фракций и микрошероховатости зерновых элементов и вязкости вяжущего с соблюдением условия не протекания на укрепляемый грунт.
Подбором дополнительных компонентов и регулирования вяжущего возможно регулирование коэффициента усадки - для дополнительного упрочнения конструкции путем ее преднапряжения вертикальными нитями в диапазоне 0,01-0,1% относительного укорочения.
В качестве вяжущего может быть использован 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 2 гибкие упругие нити, а в местах соприкосновения оболочек 3 зернового элемента 1 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.
В качестве вяжущего может быть использована полимочевина (поликарбамиды), которая является синтетическим полимером, структурно сходным с полиуретанами.
Полимочевина имеет высокую скорость отверждения и поэтому малочувствительна 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.
Наиболее целесообразно для целей укрепления основания и/или покрытия конструкции транспортного сооружения использовать вяжущий материал на основе двухкомпонентной полиуретановой системы РТ-КС 001, РТ-ТПИ 001 производства ООО «РТ-Полипласт».
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.
При использовании в конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения дополнительного слоя зернового элемента с более мелкой фракцией последовательно укладывают основной слой из зернового элемента более крупной фракции, на него распределяют дополнительный слой зернового элемента более мелкой фракции, и также проливают вяжущим.
Заявляемый способ позволяет получить конструкцию основания и/или покрытия транспортного сооружения в виде каркасной структуры 3, содержащей зерновой элемент 1 и вяжущее.
При этом каркасная структура получена в виде оболочки 4 отвержденного вяжущего на зерновом элементе 1, вертикальных нитей 5 отвержденного вяжущего, исходящих из нижней точки зерновых элементов 1, и пустот 6, образованных в области точечных соединений 7 мест контакта оболочек 4 друг с другом (фиг. 5).
При этом образование множества взаимосвязанных пустот 6 обуславливает водо- и воздухопроницаемые свойства оснований и покрытий транспортного сооружения, выполнение каркасной структуры из отвержденного вяжущего дает возможность получить стабильную геометрическую и прочностную однородность конструкции только за счет свойств вяжущего.
Это объясняется тем, что вяжущее, обволакивая оболочкой 4 каждый зерновой элемент 1, образует прочные связи в точечных соединениях 7 мест контакта оболочек 4 друг с другом и исключает контакт зерновых элементов 1 между собой, что обуславливает независимость адгезионных свойств каркасной структуры от вариативности кислотно-щелочных показателей зерновых элементов 1.
Образование взаимосвязанных пустот 6 не уплотняет и не закупоривает землю под ней, что способствует отводу поверхностных вод в горизонты грунтовых вод и осушению поверхности основания за счет свободной циркуляции воздуха в нем.
Это придает конструкции дренирующие свойства, обеспечивая повышение несущей способности транспортного сооружения.
Каркасная структура 3 основания транспортного сооружения содержит оболочки 4 из отвержденного вяжущего полностью и/или частично обволакивающие зерновые элементы 2 (фиг. 2).
При этом для надежного удержания при частичном обволакивании зернового элемента 1 оболочкой 4 относительная площадь оболочки 4 должна составлять более 50% площади зернового элемента.
Кроме того, каркасная структура 1 основания транспортного сооружения может содержать технологические пустоты 10 между, по крайней мере, одной оболочкой 4 и зерновым элементом 1, образуемые при стекании вяжущего с зернового элемента 1. (фиг. 5).
Эти технологические пустоты 10 являются средством выравнивания давления, вызываемого наличием влаги в порах зернового элемента 1.
В зимний период они предотвращают разрывы оболочки 4, вызванные расширением льда, а в летний период превращение влаги в парообразное состояние.
Выполнение каркасной структуры 3 из отвержденного вяжущего за счет исключения контакта зерновых элементов 1 между собой дает возможность использования различных материалов в качестве зернового элемента 1 каркасной структуры 3 основания и/или покрытия транспортного сооружения, что расширяет функциональные возможности использования конструкции при возведении различных транспортных сооружений.
Например, в качестве зернового элемента 1 используют фракционированные щебень, гравий, камень, отсев, искусственный щебень, фракционированный вторичный бой (продукт дробления и просеивания) строительных материалов.
При этом размер зернового элемента 1 каркасной структуры 3 основания и/или покрытия транспортного сооружения составляет 5-50 мм.
Конструкция транспортного сооружения может содержать дополнительный верхний слой зерновых элементов 1 с более мелкой фракцией или их отсев, при этом размер зерновых элементов 1 дополнительного слоя составляет 5-15 мм.
Это позволяет использовать зерновые элементы средних и мелких фракций, а также удешевить конструкцию и снизить трудоемкость работ по укреплению покрытий грунтовых поверхностей за счет использования более широкого диапазона фракций зерновых элементов и возможности использовать их засыпку, например, лопатой.
Сверху укрепленной полимерным вяжущим конструкции может быть уложен слой асфальтового или бетонного покрытия.
Заявляемый способ устройства конструкции основания и/или покрытия транспортного сооружения может быть использован для укрепления жестких почв, таких как грунт, вечномерзлый грунт, лед на реке, и слабых оснований - торф, болотные грунты, влажный песок, среда «грунт-жидкость».
Использование заявляемого изобретения дает возможность повышении качества проектирования, изготовления и монтажа конструкции транспортного сооружения, что обеспечивает повышение несущей способности укрепляемых грунтов и сред в зависимости от вида грунта и типа сооружений, а также уменьшает риск недостижения требуемого срока службы возводимых сооружений и устраиваемых конструкций.
Это позволяет удешевить конструкцию основания и/или покрытия транспортного сооружения и снизить трудоемкость работ по их укреплению, а также расширить область применения конструкций основания и/или покрытия транспортного сооружения для устройства укрепительных, удерживающих, улавливающих, защитных конструкций, теплоизолирующих и других покрытий и подушек при малоотходном использовании более широкого диапазона фракций зернового элемента.
Проведенные в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» опытные исследования показали эффективность данной конструкции при ее выполнении на месте производства работ.
Компания ООО «РТ-Полипласт», Ростовская область, г. Азов, дочернее предприятие ГК «Ростехнологии», проводит работы по производству вяжущего материала на основе двухкомпонентной полиуретановой системы для укрепления насыпных транспортных сооружений из щебня и гравия, эксплуатируемых в различных условиях (www.rt-polyplast.ru).
При осуществлении заявляемого изобретения повышается надежность и простота сборки конструкции, что существенно увеличивает производительность труда.
За счет использования зерновых элементов мелких фракций уменьшается вес конструкции, что дает существенное снижение затрат на строительство, реконструкцию, капитальный ремонт и ремонт транспортного сооружения.