Состав для укрепления грунта
COMPOSITION FOR STRENGTHENING THE SOIL

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для устройства укрепляемых дорожных оснований.
Известен состав для укрепления грунта, состоящий из следующих компонентов, мас.%: электросталеплавильный самораспадающийся рафинировочный шлак 8-10; азотнокислый кальций 1-2; каменноугольная смола 1-3; грунт остальное [SU № 551426, Е02D3/14, 1977].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
3
3
Известен состав для укрепления грунта, состоящий из следующих компонентов, мас. %: цемент 5-15; отход термической утилизации нефтешлаков – золошлак плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм 30-40; минеральный наполнитель 0-30; торфяной сорбент 2-4; буровой шлак плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм остальное [SU № 604894, Е01С7/36, 1978].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является состав для укрепления грунта, содержащий: грунт, шлаковое вяжущее, активизатор твердения и воду, содержит в качестве шлакового вяжущего самораспадающийся доменный шлак, в качестве активизатора твердения – молотый портландцементный клинкер и карбонатная пыль цементного производства при следующем соотношении компонентов, мас. %: грунт 40-60; самораспадающийся доменный шлак 20-30; молотый портландцементный клинкер 3-5; карбонатная пыль цементного производства 3-5; вода остальное [SU № 990933 E01C 21/00, 1983].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и недостаточная морозостойкость.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание состава для укрепления грунта, отличающегося повышенной прочностью на сжатие, прочностью на растяжение при изгибе и повышенной морозостойкостью.
2
Поставленная задача достигается тем, что состав включает грунт, представленный суглинком или супесью, вяжущее, состоящее из гранулированного доменного шлака фракции (0,16-2,5) мм, шлака внепечной обработки стали фракции (0,16-0,63) мм и реакционно-активного наполнителя, состоящего из поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты и нитрита калия KNO, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанный поликарбоксилат
48,0-52,0
нитрит калия
48,0- 52,0
при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%:
указанный гранулированный доменный шлак
18,0-28,0
указанный шлак внепечной обработки стали
70,0-79,0
указанный реакционно-активный наполнитель
2,0-3,0,
3
3
дополнительно содержит комплексную химическую добавку, представленную водным раствором с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, состоящую из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, представленных коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2 и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанный поликарбоксилат
25,0-27,0
глюконат натрия
5,5-6,0
указанные нанодисперсии гидродиоксида кремния
2,5-3,0
вода
65,0-66,0,
при следующем соотношении компонентов состава укрепляемого грунта, мас.%
указанный грунт
20,5-72,5
указанное вяжущее
18,0-68,0
указанная комплексная химическая добавка
1,2-2,5
вода
8,3-9,0
Экспериментально установлено, что вяжущее на основе шлаков разной природы в сочетании с реакционно-активным наполнителем, состоящим из поликарбоксилата и нитрита калия, оказывает на грунт стабилизирующее, пластифицирующее и реакционно-активное действие, следствием чего является создание жесткой структуры грунта, уменьшение количества воды для достижения максимальной плотности грунта, что оказывает положительное влияние на повышение морозостойкости грунта.
По данным физико-механических и физико-химических исследований установлено, что суглинок и супесь обладают хорошей совместимостью со шлаком внепечной обработки стали, обеспечивая повышение прочности укрепленного грунта.
12
14
3
2
3
2
2
По данным рентгенофазового анализа установлено, что основной фазой шлака внепечной обработки стали является алюминат кальция, майенит, CaAlO, который взаимодействует с глинистыми компонентами суглинка или супеси, обеспечивая образование твердых растворов гидрогранатов переменного состава 3CaO·AlO·xSiO·(6-2x)·HO, которые обладают повышенной устойчивостью в сульфатных и магнезиальных водах, что способствует повышению долговечности укрепляемого грунта. Образующиеся гидрогранаты, обладая повышенной реакционной активностью в момент образования, формируют контакты между частицами суглинка или супеси при помощи химической связи р-р типа по схеме:
, образование связи осуществляется по донорно-акцепторному механизму между электронной парой p-кислорода, входящего в состав гидрогранатов и свободной p-орбиталью алюминия, входящего в состав суглинка или супеси. Связи такого типа обладают повышенной гибкостью, что и оказывает положительное влияние на повышение прочности на растяжение при изгибе и как следствие на повышение устойчивости к трещинообразованию укрепленного грунта, используемого для изготовления дорожного основания или фундамента.
Добавление к укрепляемому грунту комплексной химической добавки повышает пластифицирующий и реакционно-активные эффекты оказываемые разработанным вяжущим, что выражается в повышении гидратационной активности компонентов укрепляемого грунта.
Образование повышенного количества новых гидратных фаз оказывает положительное влияние на повышение плотности грунта, образование новых контактов между компонентами укрепляемого грунта, которые повышают прочность и надежность формирующейся структуры грунта в процессе укрепления.
Химическое подобие между шлаком внепечной обработки и глинистыми компонентами, входящими в состав суглинка или супеси, в присутствии нитрита калия, способствует их эффективному взаимодействию, которое сопровождается образованием новых гидратных фаз, уплотняющих и упрочняющих структуру грунта, таким образом, улучшая физико-механические характеристики грунта, а также его надежность и долговечность в процессе эксплуатации.
На дату подачи заявки, по мнению авторов и заявителя, заявленный состав для укрепления грунта не известен и данное техническое решение обладает мировой новизной.
2
Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство при совместном использовании грунта, представленного суглинком или супесью, гранулированного доменного шлака, шлака внепечной обработки стали и реакционно-активного наполнителя, состоящего из поликарбоксилата и нитрита калия KNO, в присутствии комплексной химической добавки, состоящий из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, состоящее в повышенной стабилизации грунта, которая заключается в формировании монолитного, обладающего повышенными показателями прочности и плотностью укрепленного грунта, отличающегося повышенной долговечностью, придающего повышенную надежность основанию.
3
3
Состав, состоящий из гранулированного доменного шлака фракции 0,16-2,5 мм, шлака внепечной обработки стали фракции 0,16-0,63 мм в сочетании с реакционно-активным наполнителем, состоящим из нитрита калия, и поликарбоксилата на основе сополимера метакриловой кислоты и при дополнительном использовании комплексной химической добавки, представленной водным раствором с плотностью ρ = 1,025 – 1,045 г/см и значением водородного показателя pH = 6,3 – 6,7, состоящим из поликарбоксилатного сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, глюконата натрия, нанодисперсий гидродиоксида кремния, представленных коллоидным раствором с плотностью ρ = 1,015 – 1,030 г/см и значением водородного показателя pH = 3,8 – 4,2 обеспечил создание высокопрочного и высокоплотного монолитного грунта, представленного суглинком или супесью. Определенно, что упрочненный грунт обладает повышенной устойчивостью к трещинообразованию и повышенной морозостойкостью.
По мнению заявителя и авторов, заявляемое изобретении соответствует критерию охраноспособности – изобретательский уровень.
Заявляемое изобретение промышленно применимо и может быть использовано в строительстве и при устройстве укрепленных дорожных оснований.
Пример конкретного выполнения
Готовят состав для укрепления грунта следующим образом:
1. Приготовление реакционно-активного наполнителя.
1.1. Дозируют поликарбоксилат на основе сополимера метакриловой кислоты;
2
1.2. Дозируют нитрит калия KNO;
1.3. Компоненты, отдозированные по пп. 1.1-1.2, транспортируют в смеситель и тщательно перемешивают до получения однородного дисперсного материала, который транспортируют в накопительную емкость.
2. Приготовление вяжущего.
2.1. Дозируют гранулированный шлак;
2.2. Дозируют шлак внепечной обработки стали;
2.3. Дозируют реакционно-активный наполнитель, приготовленный по п. 1.3;
2.4. Компоненты, отдозированные по пп. 2.1-2.3, транспортируют в смеситель, где тщательно перемешивают до получения однородной дисперсной системы. Приготовленное вяжущее транспортируют в накопительную емкость.
3. Приготовление комплексной химической добавки.
3.1. Дозируют поликарбоксилатный полимер на основе ангидрида малеиновой кислоты;
3.2.  Дозируют глюконат натрия;
3
3.3. Дозируют нанодисперсии гидродиоксида кремния представленные коллоидным раствором с плотностью ρ=1,021 г/см и значением водородного показателя pH = 4,0;
3.4. Дозируют воду;
3.5. Все компоненты, отдозированные по пп. 2.1-2.4, транспортируют в смеситель, где тщательно перемешивают в течение 30 минут и после этого осуществляют контроль плотности водного раствора добавки и значение водородного показателя pH, готовую к употреблению добавку транспортируют в накопительную емкость.
4. Укрепление грунта.
4.1. Грунт представленный суглинком или супесью тщательно взрыхляют при помощи фрейзерной машины;
4.2. Дозируют вяжущее, приготовленное по п. 2.4.
4.3. Отдозированное вяжущее равномерно распределяют по поверхности взрыхленного грунта;
4.4. Взрыхленный грунт с вяжущим тщательно перемешивают при помощи машины-тягача оборудованного грунтовой фрезой.
4.5. Дозируют воду;
4.6. Дозируют комплексную химическую добавку, приготовленную по п. 2.5;
4.7. Добавку, отдозированную по п. 3.6. транспортируют в отдозированную воду и тщательно перемешивают, полученный водный раствор транспортируют и равномерно распределяют по поверхности взрыхляемого грунта, смешанного с вяжущим;
4.8. Для осуществления равномерного увлажнения и активации, грунт, перемешанный с вяжущим, увлажнённый водой с комплексной химической добавкой, тщательно перемешивают при помощи машины-тягача оборудованного грунтовой фрезой;
4.9. Подготовленный и активированный грунт в дальнейшем подвергают уплотнению при помощи грунтового катка и перед проведением уплотнения отбирают подготовленный состав для проведения физико-механических испытаний по определению прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе и морозостойкости.
Для определения прочности на сжатие изготавливали образцы-цилиндры диаметром 5,0 см и высотой 5,0 см, методом прессования под давлением 15 МПа.
Для определения прочности на растяжении при изгибе изготавливали методом прессования образцы – призмы размером 100×100×400 мм.
Хранение всех образцов и их подготовка к испытанию осуществлялась по ГОСТ 23558-94. Испытание образцов на прочность на сжатие, на прочность на растяжение при изгибе осуществлялось по ГОСТ 10180-2012.
Для определения морозостойкости изготавливались образцы-цилиндры диаметром 70 мм и высотой 70 мм методом прессования. Хранение образцов и подготовка к испытанию также осуществлялось по ГОСТ 23558-94
Морозостойкость укрепленного грунта определяли по ГОСТ 10060-2012(по 1-му методу).
Составы укрепляемого грунта представлены в таблице 1, физико-механические характеристики укрепленного грунта представлены в таблице 2.
По результатам исследований, представленным в таблице 2, установлено, что прочность на сжатие повышается в 1,55-1,95 раза, прочность на растяжение при изгибе увеличивается в 1,6-2,1 раза и морозостойкость повышается в 2,3-3,3 раза относительно прототипа.
Таблица 1
№п/п
Состав, мас.%
грунт
По изобретению, грунт, представленный
Шлаковое вяжущее(самораспадающийся шлак)
Вяжущее по изобретению
Активатор твердения
Комплексная химическая добавка (по изобретению)
вода
Кол-во, мас.%
Состав, мас.%
Кол-во, мас.%
Состав, мас.%
Гранулированный доменный шлак фр. (0,16-2,5) мм
Шлак внепечной обработки фр. (0,16-0,63) мм
Реакционно-активный наполнитель*
Молотый портландцемент клинкер
Карбонатная пыль цементного производства
Поликарбоксилат из сополимера ангидрида малеиновой кислоты
Глюконат натрия
Нанодисперсии гидродиоксида кремния
вода
Суглинком
Супесью
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Прототип
1
50
-
25
-
-
-
-
4
4
17
По изобретению
2
-
20,5
-
-
68,0
18,0
79,0
3,0
-
-
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
3
-
20,5
-
-
68,0
23,0
74,5
2,5
-
-
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
4
-
20,5
-
-
68,0
28,0
70,0
2,0
-
-
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
5
-
46,5
-
-
43,0
18,0
79,0
3,0
-
-
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
6
-
46,5
-
-
43,0
23,0
74,5
2,5
-
-
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
7
-
46,5
-
-
43,0
28,0
70,0
2,0
-
-
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
8
-
72,5
-
-
18,0
18,0
79,0
3,0
-
-
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
9
-
72,5
-
-
18,0
23,0
74,5
2,5
-
-
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
10
-
72,5
-
-
18,0
28,0
70,0
2,0
–
–
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
11
-
-
20,5
-
68,0
18,0
79,0
3,0
–
–
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
12
-
-
20,5
-
68,0
23,0
74,5
2,5
–
–
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
13
-
-
20,5
-
68,0
28,0
70,0
2,0
–
–
2,5
26
5,75
2,75
65,5
9,0
14
-
-
46,5
-
43,0
18,0
79,0
3,0
–
–
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
15
-
-
46,5
-
43,0
23,0
74,5
2,5
–
–
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
16
-
-
46,5
-
43,0
28,0
70,0
2,0
–
–
1,85
26
5,75
2,75
65,5
8,65
17
-
-
72,5
-
18,0
18,0
79,0
3,0
–
–
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
18
-
-
72,5
-
18,0
23,0
74,5
2,5
–
–
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
19
-
-
72,5
-
18,0
28,0
70,0
2,0
–
–
1,20
26
5,75
2,75
65,5
8,3
*  Состав реакционно-активного наполнителя, мас.%:
поликарбоксилат на основе сополимера метакриловой кислоты
50,0
нитрит калия KNO<sub>2</sub>
50,0
Таблица 2
№ п/п
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на растяжение при изгибе, МПа
Марка по морозостойкости, F
Прототип
1
4,0
0,8
15
Изобретение
2
6,0
1,19
35
3
6,0
1,19
35
4
6,0
1,19
35
5
6,2
1,28
35
6
6,2
1,28
35
7
6,2
1,28
35
8
6,1
1,22
35
9
6,1
1,22
35
10
6,1
1,22
35
11
7,6
1,60
50
12
7,6
1,60
50
13
7,6
1,60
50
14
7,8
1,68
50
15
7,8
1,68
50
16
7,8
1,68
50
17
7.75
1,63
50
18
7,75
1,63
50
19
7,75
1,63
50