Зологрунт для дорожного строительства
ASH SOIL FOR ROAD CONSTRUCTION

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, а именно к составам для устройства основания дорожных одежд, и может быть использовано для устройства основания автомобильных дорог с высокими эксплуатационными свойствами, путем укрепления грунта.
Технический результат - получение состава для устройства основания автомобильных дорог с высокими эксплуатационными свойствами, а именно с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации, в результате чего обеспечивается продолжительный рост прочности состава во времени.
Строительство автомобильных дорог сопряжено со значительными транспортными затратами на перевозку высокопрочных каменных материалов, т.к. количество месторождений горных пород, пригодных для производства этих материалов, на территории Российской Федерации ограничено. Использование в конструкциях автомобильных дорог грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, взамен высокопрочных каменных материалов позволяет значительно снизить стоимость строительства, реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог. Для практического применения укрепленных грунтов необходимо наличие четких рекомендаций по подбору состава укрепленных грунтов и методов лабораторных испытаний. В разных странах методики подбора составов грунтов, укрепленных неорганическим вяжущим, и лабораторных испытаний имеют ряд отличий.
В Российской Федерации применение грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, регламентируется ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия (с Изменениями N 1, 2)» Данный документ устанавливает требования к грунтам, неорганическим вяжущим, а также грунтам, укрепленным неорганическим вяжущим.
Согласно ГОСТ 23558-94 п.4.5 при подборе состава устанавливают необходимое количество вяжущего, обеспечивающее получение обработанных материалов и укрепленных грунтов с заданными марками по прочности и морозостойкости. Определение прочности и морозостойкости выполняется на образцах, изготавливаемых методом прессования или с использованием прибора стандартного уплотнения СоюздорНИИ. При этом ГОСТ 23558-94 не содержит информацию о первоначальном ориентировочном количестве неорганического вяжущего. Поэтому количество составов укрепленного грунта с различным процентным содержанием вяжущего может быть неограниченным.
Согласно ГОСТ 23558-94 п.4.5 расход воды, при подборе состава, устанавливают из расчета получения максимальной плотности смеси при оптимальной влажности. В свою очередь, значение оптимальной влажности определятся в зависимости от максимальной плотности, что может быть не совсем корректно, т.к. значение оптимальной влажности, полученное при стандартном уплотнении, может быть заниженным, из-за высокой водопотребности гидратации химических соединений неорганического вяжущего.
Определение прочности и морозостойкости в соответствие с требованиями ГОСТ 23558-94 является очень трудоемким, так как требует изготовления большого количества образцов. Для определения прочности на сжатие в промежуточном возрасте - 7 и 28 суток, а также проектном - 90 суток, необходимо изготовление 18 образцов для одного подбора одного разрабатываемого состава. Для определения морозостойкости, при требуемой марке F50, необходимо минимум 36 образцов для одного подбора одного разрабатываемого состава.
Анализируя методики подбора составов укрепленных грунтов, принятые в странах Европы и США, можно сделать вывод, что в основе всех методик лежит ориентировочное значение количества вяжущего (табл.1), которое корректируется путем определения качественных характеристик образцов укрепленных грунтов.
Табл. 1 Ориентировочное количество неорганического вяжущего в составе укрепленного грунта
Неорганическое вяжущее
Количество неорганического вяжущего от массы грунта, %
США, штат Индиана [3]
Страны Европы [11]
США, штат Вашингтон [4]
США, штат Иллинойс [6]
США [7]
Швеция [5]
Известь
4 - 7
2-8
2-4
6-10
Цемент
4 - 6
5-20
5-9
3-5
Зола-уноса
10 - 16
8-20
К качественным характеристикам относятся:
Immediate Bearing Index (IBI), который представляет собой набор прочности образцов грунта, укрепленного известью, в 90-минутном возрасте, %.
SP
CBR-набор прочности CBR, образцов, уплотненных в соответствии с методом Проктора, и подвергнутых вонасыщению в течение 4 сут.;
Отношение
;
v
Набухание G, которое определяется после 168 часов выдерживания в воде при 40° C;
Морозостойкость UCS, которая определяется как прочность на сжатие после требуемого количества циклов замораживания-оттаивания, МПа.
Водостойкость I, которая определяется как
,
(28 + 32i)
(60)
где: UCS - прочность на сжатие цилиндрических образцов, которые после нормального твердения в возрасте 28 сут. были подвергнуты насыщению водой в течение 32 сут. (при 20 ± 2°C); UCS  - прочность на сжатие цилиндрических образцов нормального твердения в возрасте 60 сут.
Особый интерес представляет интерес методика Eades&Grim, изложенная в стандарте ASTM D6276. Данная методика предназначена для определения качественных характеристик грунтоизвестковой смеси, в соответствие с которой минимальное количество извести это то значение, при котором pH грунтоизвестковой смеси будет соответствовать значению 12.40.
Качество грунтоизвестковой смеси оценивается показателями:
Прочность на сжатие образцов после 7 дней твердения на воздухе при температуре 40° C и 24-часового капиллярного замачивания;
v
Набухание G.
Продолжительность подбора составов укрепленных грунтов в соответствии с зарубежными методиками значительно ниже продолжительности подбора составов укрепленных грунтов в соответствии с методикой ГОСТ 23558-94 т.к. требует изготовления меньшего количества образцов.
Известен состав грунтовой смеси «Укрепленный грунт для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа» (патент РФ на изобретение №2389844, опубл. 20.05.2010, МПК E01C 3/04), применяемый в дорожном строительстве для устройства таких конструктивных слоев дорожных одежд, как основания дорожных одежд автомобильных дорог и покрытия переходного типа дорог низших категорий из грунта, укрепленного высококальциевыми золами уноса, содержащими до 15% свободного оксида кальция.
Грунт для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа содержит песчаный или супесчаный грунт, высококальциевую золу уноса и воду. Грунт дополнительно содержит хлорное железо и полимерсодержащий раствор - отход производства автомобильных шин, включающий каучук в виде латекса ДМВП-10Х в количестве 7 мас.% и каучук в виде латекса СКД 1C в количестве 7 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
песчаный или супесчаный грунт
75-77
высококальциевая зола уноса
14-16
хлорное железо
0,13-0,20
указанный полимерсодержащий раствор
0,12-0,17
вода
6,63-10,75
Известная грунтовая смесь обеспечивает сравнительно высокие значения прочности, водостойкости и морозостойкости укрепленного грунта для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа. Повышение прочности, водостойкости и морозостойкости укрепленного грунта для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа обусловлены применением комплекса компонентов, способствующего преобразованию коллоидно-химической природы грунта и создающего оптимальные условия для формирования прочной структуры, обеспечивающего повышенную гидрофобность и деформативность грунта и понижающего его влагоемкость путем введения хлорного железа, которое является ускорителем процессов твердения свободного оксида кальция, содержащегося в высококальциевой золе уноса, и полимерсодержащего раствора, повышающего водостойкость и деформативные свойства укрепленного грунта.
Недостатками указанного состава грунтовой смеси являются ограниченная область применения вследствие необходимости использования, преимущественно, песчаного или супесчаного грунта с включением высококальциевой золы уноса, содержащей до 15% свободного оксида кальция, а также ускорителя твердения в виде хлорного железа шестиводного и полимерсодержащего раствора сложного состава на основе латекса ДМВП-10Х, латекса СКД 1C и смолы СФ 282.
Известен «Дорожно-строительный композиционный материал» (патент РФ на изобретение №2551560, опубл. 10.04.2015, МПК C04B 28/02, C04B 18/04, E02D 3/12, C04B 111/20, C04B 111/27), который может быть использован для сооружения земляного полотна и устройства укрепленных дорожных оснований на дорогах I-V категорий во II-V дорожно-климатических зонах, а также покрытий на дорогах IV-V категорий в качестве материала для сооружения насыпей земляного полотна и укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок. волокнистый (торфяной) сорбент в количестве 2-4% от массы смеси, в качестве цемента используется портландцемент, дополнительно содержит жидкое стекло или органогидридсилоксаны, а в качестве наполнителя используется песок, причем содержание песка в составе материала 5, или 10, или 30 мас.%.
Недостатками указанного изобретения является то, что для производства строительных работ с использованием заявленного материала требуется большое количество привозных компонентов и реагентов.
Известен состав укрепленной грунтовой смеси (Глуховцев И.Н., Бескровный В.М., Пинчук А.В. // Автомобильные дороги. 1986, №8. с.14- 15), содержащей песчаный или супесчаный грунт, высококальциевую золу уноса ТЭЦ и ГРЭС Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса и воду с учетом оптимальной влажности при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Укрепленный грунт может быть использован и для устройства нижних и дополнительных слоев оснований; для устройства морозозащитных и технологических слоев; для укрепления грунтов земляного полотна, - в частности переувлажненных, при избытке атмосферных осадков. Золы уноса Канско-Ачинских углей эффективный материал для дорожною строительства.
Недостатками указанного состава грунтовой смеси являются ограниченная область применения и пониженные показатели прочности, водостойкости и морозостойкости в расчетные сроки твердения вследствие использования в его составе высококальциевой золы уноса и песчаного или супесчаного грунта.
Наиболее близким по содержанию известна смесь для дорожного строительства, содержащая портландцемент, золошлаковую смесь и грунт (Технологические указания по использованию зол уноса и золошлаковых смесей от сжигания различных видов топлива для сооружения земляного полотна и устройства дорожных оснований и покрытий автомобильных дорог, ВСН 185-75, М. Минтрансетрой СССР, 1976 г.).
Для получения смеси также используютя компоненты: золошлаковая смесь, портландцемент и крупнообломочный грунт.
Недостатки:
Согласно ВСН 185-75 п.2.5 отсутствуют требования по применению в I дорожно-климатической зоне.
Согласно ВСН 185-75 п.2.5 приведены методы испытаний материалов и требования к материалам недействующих нормативно-технических документов.
Согласно ВСН 185-75 п.5.4-5.9 не указано, что оптимальная влажность и максимальная плотность определяются на грунтах с добавлением золошлаковой смеси и добавки.
Согласно ВСН 185-75 п.3.12 золошлаковые смеси должны содержать частиц размером мельче 0,071 мм более 60%, частиц размером крупнее 2 мм - не более 5%. Указанные требования ограничивают применение золошлаковых смесей с отличным от этих требований гранулометрическим составом.
Согласно ВСН 185-75 п.3.5 в качестве грунта пригодны крупнообломочные несцементированные грунты, включая различные естественные смеси (песчано-гравийные, грунто-гравийные и грунто- щебеночные различного зернового (гранулометрического) состава), пески гравелистые, пески крупные и средние, мелкие, в том числе и пылеватые или одноразмерные мелкие пески, а также все разновидности супесчаных грунтов. Данные требования не позволяют применять суглинистые грунты.
Техническим результатом заявляемого зологрунта для дорожного строительства является повышение прочности укрепленного грунта.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом зологрунте для дорожного строительства, включающим портландцемент, золошлаковую смесь, грунт и воду, согласно изобретению, в золошлаковой смеси содержание оксида кальция составляет не более 10 мас.%, а в качестве грунта используют грунт крупнообломочный гравийный с суглинком легким или песком при следующем соотношении компонентов, мас.%
Указанный грунт - 75,20 Золошлаковая смесь - 18,8 Портландцемент - 6,00 Вода 13,26 от массы сухого грунта.
Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа, то есть соответствует требованиям, предъявляемым к изобретению по критерию «новизна».
Проведенный дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Для устранения указанных недостатков предлагается состав для устройства основания автомобильных дорог с высокими эксплуатационными свойствами, а именно с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации, в результате решения которой обеспечивается продолжительный рост прочности состава во времени. Состав для устройства основания автомобильных дорог в качестве неорганической добавки содержит портландцемент, а в качестве заполнителя - местный грунт и золошлаковую смесь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Характеристика исходных материалов:
1. Грунт существующей дорожной одежды/земляного полотна согласно требованиям табл.Б.9, Б. 16, Б. 17, Б. 19 ГОСТ 25100-2011, классифицируется как крупнообломочный гравийный, заполнитель суглинок легкий или песок, влажность на границе текучести не более 55% по массе, содержание в глинистом грунте комков глины размером более 5 мм не более 25 % по массе, в т.ч. комков глины размером более 10 мм - 10% по массе.
2. Золошлаковая смесь каменноугольная, тип - кислая, с содержанием оксида кальция (СаО) - не более 10%, потеря массы при прокаливании (п.п.п.) - не более 5% по массе, классифицируемая по ГОСТ 25100-2011 как техногенный грунт - песок мелкий.
3. Минеральное вяжущее - портландцемент.
4. Вода.
При низком pH и повышенном содержании гумусовых веществ рекомендуется вводить добавки.
Состав для устройства слоев оснований дорожной одежды разработан в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94 путем подбора оптимального количества вяжущего в процентах от массы смеси грунта и золошлаковой смеси (техногенного грунта), с учетом оптимальной влажности. Основными критериями оценки оптимальности состава являлись прочностные характеристики.
Пример. В воздушно-сухую смесь крупнообломочного грунта гравийного, заполнитель суглинок легкий песчанистый твердый по ГОСТ 25100-2011 и золошлаковой смеси (техногенного грунта) по ГОСТ 25100- 2011, ГОСТ 25592-91 вносили вяжущее - портландцемент по ГОСТ 10178-85. Состав смеси, мас.%: грунт ~ 75,20; золошлокавая смесь (техногенный грунт) - 18,80; портландцемент - 6.
Затем смесь перемешивали вручную и вводили в оптимальном количестве воду в количестве 13,26% от массы сухого грунта), после чего снова перемешивали. Из полученной смеси каждого вида изготавливали образцы в соответствии с ГОСТ 23558-94. Прочностные и морозостойкие характеристики получены на образцах, подвергнутых полному водонасыщению.
Анализ физико-механических характеристик образцов проводили через 28 суток.
Физико-механические характеристики образцов приведены в таблице 1. Показано, что применение золошлаковой смеси ТЭЦ Иркутской области позволяет получить дорожно-строительный материал с оптимальными для дорожного строительства прочностными характеристиками в соответствии с ГОСТ 23558-94.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав для устройства слоев оснований дорожной одежды позволяет получать дорожно-строительный материал с прочностью при сжатии 6,54 МПа и растяжении при изгибе 1,32 МПа при содержании вяжущего в количестве 6 мас.%. По прототипу максимальная прочность при сжатии составила 6,54 МПа и растяжении при изгибе 1,32 МПа достигнута при содержании вяжущего 6 мас.%. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения «новизна». Сравнение заявляемого состава для устройства слоев оснований дорожной одежды с прототипом и другими аналогичными техническими решениями в данной области не позволили выявить в них признаки, аналогичные отличительным признакам.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет получать экономически эффективный дорожно-строительный материал для устройства слоев оснований дорожной одежды с прочностью при сжатии 6,54 МПа и прочностью на растяжении при изгибе 1,32 МПа в соответствии с ГОСТ 23558-94. Применение в дорожном строительстве состава для устройства слоев оснований дорожной одежды позволяет решать острые экологические проблемы путем комплексной утилизации отходов дробления горных пород и отходов теплоэнергетики.