Фиброцементогрунтовая смесь
FIBER-CEMENT -SOIL MIXTURE

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для укрепления грунтов при устройстве слоев оснований и покрытий дорожных одежд.
Известен состав для стабилизации грунта, содержащий гипс, цемент, известь, сажу в качестве минеральной добавки, доменный шлак и базальтовые волокна 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 (Патент РФ на изобретение № 2281356, МПК Е01С 7/36, 2006).
Известен состав для создания основания дорожного полотна, позволяющий повысить его прочность и долговечность, содержащий мас.%: связный грунт 67-75, зола-унос бурых углей 12,5-14,0, комовая негашеная известь 4-5, битум 1,5-2,0, хлористый кальций 1-1,5, вода 6-10,5 (Патент РФ на изобретение № 2239017, МПК Е01С 3/04, 2004).
Известные составы имеют небольшую гидрофобность и стойкость к эрозии, поэтому их применение ограничено в климатических зонах с повышенной влажностью и при пониженных температурах. Кроме того, применение данных многокомпонентных составов требует большого числа технологических операций, дорожно-строительной техники и оборудования, что увеличивает сроки и стоимость строительства.
Известен состав для укрепления глинистых грунтов на основе 8% цемента и 0,05% пиридина (В.М. Безрук, И.Л. Гурячков, Т.М. Луканина, Р.А. Агапова «Укрепленные грунты. Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве.» - М.: Транспорт, 1982).
Известен состав грунтовой смеси для дорожного строительства, включающий минеральное вяжущее, кремнийорганическую жидкость, воду и грунт, отличающийся тем, что содержит в качестве кремнийорганической жидкости октилтриэтоксисилан, при следующем соотношении компонентов: грунт - 100%; портландцемент - 6-12% (сверх 100%); октилтриэтоксисилан - 0,01-0,3% (сверх 100%); вода - 8-20% (сверх 100%) (Патент РФ на изобретение № 2545228, МПК Е01С 21/10, 2006).
Известные составы отличаются высокими показателями гидрофобности и морозостойкости, однако имеют низкую трещиностойкость цементогрунта, что снижает прочностные показатели дорожной одежды в целом и срок ее службы.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является композиционный состав для укрепления грунта, содержащий связующее вещество, включающее отверждаемые на воздухе в присутствии воды водные дисперсии полимеров, отличающийся тем, что композиционный состав для укрепления грунта включает фиброволокно, выбранное из группы волокон в отрезках длиной не менее 3 мм, в которую входят стеклянное волокно, базальтовое волокно, полимерное волокно, углеродное волокно, кварцевое волокно, базальтовая чешуя, волокна целлюлозы (Патент РФ на изобретение № 2373254, МПК C09K 17/00, 2006).
Известный состав имеет высокие показатели трещиностойкости, гидрофобности и морозостойкости и может быть использован для устройства конструктивных слоев дорожных одежд. Вместе с тем, известный состав характеризуется низкими прочностными показателями, что не позволяет его использовать в слоях оснований дорожных одежд капитального типа на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью движения транспорта.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных показателей при условии высокой трещиностойкости укрепленных грунтов, что обеспечивает длительную долговечность при интенсивных транспортных нагрузках и сложных природно-климатических условий.
Техническая задача достигается тем, что предлагаемый состав фиброцементогрунтовой смеси, содержащий природные грунты, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент, воду и фиброволокно, например базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Грунт
63,0 - 80,0
Портландцемент
4,0 - 10,0
Фиброволокно
0,5 - 3,5
Вода
остальное
В качестве грунтов могут быть использованы дисперсные несвязные и связные грунты: пески и глинистые грунты (супеси песчанистые, супеси пылеватые, суглинки легкие песчанистые, суглинки легкие пылеватые, суглинки тяжелые песчанистые, суглинки тяжелые пылеватые, глины легкие песчанистые, глины легкие пылеватые), удовлетворяющие ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация».
В качестве гидравлического вяжущего используют портландцемент, обычно используемый для этих целей и удовлетворяющий требованиям ГОСТ 31108-2020, например, типов ЦЕМ I 42,5 Н; ЦЕМ 0 52,5Н; ЦЕМ I 42,5Б; ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н; ЦЕМ II/А-И 32,5Н; ЦЕМ II/В-К(Ш-З-И) 32,5Б; ЦЕМ III/А 42,5Н и иных аналогичных типов.
В качестве фиброволокна используют: базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, длинной волокон от 0,01 до 3,00 мм; стеклянное волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм, либо полипропиленовое волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм, либо углеродное волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм.
Фиброволокна в составе фиброцементогрунтовой смеси выполняют функцию дисперсного армирования материала. Равномерно распределяясь в цементогрунтовой смеси в процессе кристаллообразования цемента они прочно удерживаются внутри цементогрунтовой матрицы. При воздействии внешних нагрузок на фиброцементогрунтовую смесь, распределенные волокна принимают данные нагрузки за счет осевого растяжения и тем самым значительно усиливают прочностные показатели материала. При этом прочностные показатели возрастают на сжатие и особенно на растяжение при изгибе, что особенно важно при работе данного материла в конструктивных слоях дорожных одежд, где изгибающее воздействие нагрузок имеет преимущественное значение. Кроме того, фиброволокна благодаря эффекту дисперсного армирования материала препятствуют трещинообразованию фиброцементогрунтовой плиты, которая является жесткой конструкцией, подверженной трещинообразованию без армирования, что значительно сокращает срок ее службы. Кроме того, фиброволокна на основе базальта имеют гидрофобные свойства, поэтому их добавка в составе фиброцементогрунтовой смеси снижает водопоглощение материала, повышает морозостойкость и стойкость к эрозии.
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод о том, что, оно соответствует критерию «новизна», т.к. заявляемая фиброцементогрунтовая смесь содержит портландцемент и базальтовое фиброволокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно в заявляемом количестве и характеризуется определенным качественным и количественным соотношением компонентов композиции.
Введение портландцемента в сочетании с фиброволокном в фиброцементогрунтовую смесь на основе природных грунтов позволяет обеспечить формирование прочной кристаллической структуры материала, связанной внутри волокнами фибры, которая обладает повышенными прочностными характеристиками на сжатие и на изгиб, высокой морозостойкостью, гидрофобностью, стойкостью к эрозии, а также стойкостью к трещинообразованию. В известных источниках информации не обнаружено сведений о составах, аналогичных заявляемому, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый состав может быть использован в дорожном строительстве, изготовлен из известных в науке и технике компонентов с применением известных приемов их смешения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «промышленная применимость».
Изготавливают заявляемый состав в месте производства дорожных работ и расположения природного грунта следующим образом. Портландцемент и фиброволокно вносят в грунт, перемешивают полученную смесь дорожной фрезой с последующим введением воды до оптимальной влажности смеси. После перемешивания готовой грунтовой смеси производят ее уплотнение дорожными катками. Для протекания оптимальных процессов гидратации и гидролиза портландцемента на период набора прочности материала (не менее 7 суток) производят нанесение пленкообразующего материала на поверхность фиброцементогрунта, например битумной эмульсии. После 7 суток набора прочности материала разрешается проезд по слою фиброцементогрунта дорожно-строительной техники.
Для исследования свойств заявляемого состава, образцы готовились в лабораторных условиях. Составы грунтовой смеси приведены в таблице №1, где примеры №1-№4 - по изобретению, пример №5-контрольный. Предел прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании водонасыщенных образцов, марка по морозостойкости, водонасыщение определены по утвержденным методикам.
2
Для определения физико-механических свойств готовилось по три образца каждого состава диаметром 5 см (площадь основания 20 см). Физико-механические свойства определены по ГОСТ 23558-94 (с изм. №1 1998 г, с изм. №2, 2000 г.) «Смеси щебеночно-гравийно-песочные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства». Результаты определения предела прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании в водонасыщенном состоянии образцов, марка по морозостойкости и водонасыещение представлены в таблице №2.
Как видно из данных таблицы №2, составы по изобретению (примеры №1 - №4) имеют более высокие показатели по пределу прочности при сжатии, при изгибе, при раскалывании, марку по морозостойкости и меньшее значение по водонасыщению, чем контрольный состав (пример №5) без фиброволокна. Увеличение дозировки фиброволокна в составе фиброцементогрунтовой смеси позволяет повышать прочностные показатели, морозостойкость и уменьшать водонасыщение. При этом важно отметить, что по сравнению с цементогрунтовой смесью без добавки фиброволокна, с добавлением 3,5% фиброволокна в состав смеси, предел прочности при сжатии увеличивается от 48% до 56%, предел прочности при изгибе увеличивается от 83% до 96%; предел прочности при раскалывании увеличивается от 50% до 57%, марка по морозостойкости возрастает с F15 до F25, водонасыщение уменьшается на 23%.
о
Прочностные показатели и марка по морозостойкости фиброцементогрунтовых смесей соответствуют требуемым значениям по ГОСТ 23558-94 (табл. А1) и могут использоваться при устройстве слоев оснований дорожных одежд капительного типа для районов со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 до -30 С. Приведенные данные показывают, что составы по изобретению позволяют изготавливать автомобильные дороги высокого качества, которые могут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности в I и II дорожно-климатической зоне по СП 34.13330-2021 и пониженных температурах.
Повышенные показатели предела прочности при изгибе и при раскалывании фиброцементогрунтовых образцов доказывают стойкость фиброцементогрунтовых покрытий к трещинообразованию и, следовательно, увеличению срока службы дорожных одежд.
Использование предлагаемого состава фиброцементогрунтовой смеси для строительства дорог, стояночных площадок, автомагистралей, аэродромов позволяет осуществить укрепление грунтов и эксплуатацию дорожных одежд в условиях повышенной влажности благодаря снижению показателя водонасыщения материала.
Заявляемый состав позволяет обеспечить повышение прочности основания автомобильных дорог или верхнего слоя земляного полотна для всех категорий дорог, его несущей способности, стойкости к эрозии, не требует замены и перемещения исходного грунта, обеспечивая высокую экономическую эффективность строительных и ремонтных дорог, повышение срока эксплуатации в условиях повышенной влажности и пониженных температур.