ГРУНТОВАЯ СМЕСЬ
EARTH MIXTURE

Изобретение относится к области строи тельных материалов, более конкретно, к технологии получения самоуплотняемых грунтовых смесей с гидравлическим вяжущим, которые могут быть использованы в устройстве оснований, фундаментов и обвалований, при прокладке инженерных коммуникаций, заполнении траншей и выемок различной конфигурации в грунтах, в подземном строительстве и др.
Широко известны строительные материалы в виде цементных и грунтовых растворов и суспензий на основе песка с заданным гранулометрическим составом и технологическими добавками (известь, пластификаторы, жидкое стекло и т.п.), используемые для заполнения траншей, выемок и котлованов, в том числе, для формирования покрытий, оснований и фундаментов различных объектов. Указанные строительные материалы в виде растворов и суспензий характеризуются тем. что имеют сравнительно медленный набор прочности и высокую конечную прочность, затрудняющую их повторную разработку (см., например. Руководство по проектированию оснований и фундаментов. М., Стройиздат, 1980).
Известен состав грунтовой смеси, содержащий 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.%: песчаный или супесчаный грунт 68-77: высококальциевая зола уноса 13-23; вода -остальное (см. Глуховцев И.Н. Золы уноса Канско-Ачинских углей эффективный материал для дорожною строительства / Глуховцев И.Н., Бескровный В.М., Пинчук А.В. // Автомобильные дороги. 1986, №8. с.14-15).
Известная грунтовая смесь являемся основой укрепленного грунта для устройства нижних и дополнительных слоев оснований дорожных одежд, морозозащитных и технологических слоев, для улучшения качества грунтов земляного полотна и др. 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.
Известен состав грунтовой смеси, содержащий песчаный или супесчаный грунт, высококальциевую золу уноса и воду, хлорное железо и полимерсодержащий раствор, являющийся отходом производства автомобильных шин, при следующем соотношении компонентов, мас.%: песчаный или супесчаный грунт 75-77; высококальциевая зола уноса 14-16; хлорное железо 0,13-0,20: полимерсодержащий раствор 0,12-0,17; вода -остальное (см. патент РФ №2389844, опублик. 20.05.2010).
Известная грунтовая смесь обеспечивает сравнительно высокие значения прочности, водостойкости и морозостойкости укрепленного грунта для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог и покрытий переходного типа. Это обусловлено применением комплекса компонентов, способствующего преобразованию коллоидно-химической природы грунта и создающего оптимальные условия для сформирования в нем прочной структуры. При этом повышение гидрофобности грунта и понижение его влагоемкости обеспечивается введением хлорного железа, которое является ускорителем процессов твердения свободного оксида кальция, содержащегося в высококальциевой золе уноса, а повышение водостойкости и деформативных свойств укрепленного грунта обеспечивается введением полимерсодержащего раствора.
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.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является грунтовая смесь, содержащая природный грунт и гидравлическое вяжущее, включающее портландцемент и воду,. который дополнительно содержит водорастворимый полиэлектролит при следующем соотношении компонентов, мас.%: глинистый грунт 67,0-85,0: портландцемент 4,0-10,0; водорастворимый полиэлектролит 0.01-0,02; вода - остальное (см. патент РФ №2400593, опублик. 27.09.2010 - прототип).
Известная грунтовая смесь позволяет сократить сроки строительства или ремонта объектов вследствие сравнительно быстрого набора прочности грунтовой смеси и обеспечения возможности вторичного использования укрепленного грунта. К недостаткам указанной грунтовой смеси следует отнести ограниченную область применения из-за использования. преимущественно, глинистых грунтов с включением портландцемента и водорастворимого полиэлектролита катионного и неионогенного типов (бутиламин, дециламин, полимерная окись пропилена и др.) с вариативными физико-механическими и химическими показателями, что приводит к сложности составления рецептуры для различных видов исходного грунта и контролирования конечных свойств грунтовой смеси.
Решаемой задачей изобретения является создание сравнительно недорогого и технологичного строительного материала в виде самоуплотняемой грунтовой смеси с использованием широко распространенных и доступных компонентов в виде эффективного гидравлического вяжущего (портландцемента) и порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов при одновременном увеличении сырьевой базы за счет применения более широкой номенклатуры природных грунтов из наиболее распространенных и типичных горных пород и почв.
Технический результат изобретения состоит в снижении количества гидравлического вяжущего в самоуплотняемой грунтовой смеси и замене органических составляющих (разновидностей полимерсодержащих растворов, водорастворимого полиэлектролита и др.) на более доступные минеральные ингредиенты при сохранении повышенных значений несущей способности грунтовой смеси, стабильности заполняемого объема до завершения упрочнения и обеспечении возможности вторичного использования укрепленного грунта. Дополнительный технический результат состоит в упрощения составления рецептур для различных видов исходного грунта и возможности контролирования конечных свойств грунтовой смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что грунтовая смесь, содержащая природный грунт и гидравлическое вяжущее, включающее портландцемент и воду, согласно изобретению, грунтовая смесь содержит гомогенную смесь природного грунта, не содержащего включений размером более 50 мм, порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов БМ-СГ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
природный грунт
69,0-88,0;
портландцемент
1,5-5,5;
порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов БМ-СГ
0,8-3,3;
вода
остальное.
Кроме того, грунтовая смесь может содержать портландцемент ПЦ 400 (ЦЕМI 42.5H) и добавку извести строительной (ГОСТ 9179-77) в количестве 0,5-2 мас.%.
Такой состав грунтовой смеси позволяет решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат по созданию сравнительно недорогого и эффективного строительного материала, сохраняющего повышенные значения несущей способности и стабильности заполняемого объема до завершения упрочнения. При этом минеральными компонентами грунтовой смеси по основному пункту притязаний являются повсеместно используемые и доступные портландцемент и порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов.
Кроме того, предложенная грунтовая смесь обеспечивает, при меньшем количестве портландцемента и отсутствии полимерсодержащих и иных ингредиентов сложного состава, упрощение рецептуры грунтовой смеси, контролирование конечных свойств и возможность вторичного использования укрепленного грунта при одновременном увеличении сырьевой базы за счет использования более широкой номенклатуры природных песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов в состоянии естественной влажности и плотности.
Необходимо отметить, что порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов вводится в состав предложенной грунтовой смеси, прежде всего, для предотвращения ее расслаивания и, частично, для использования его побочных свойств в качестве вяжущего. При необходимости в состав предложенной грунтовой смеси может вноситься упомянутая добавка в виде извести. Как известно (см., например, ссылку на стр.1) известь в близких к указанным количествах вносят во влажные связные грунты для предотвращения образования комков при перемешивании грунтовой смеси. В результате исходный грунт становится более рассыпчатым, поддается просеиванию и измельчению, хорошо перемешивается с другими компонентами.
Проведенные экспериментальные исследования образцов предложенной грунтовой смеси подтвердили необходимость поддержания состава ингредиентов в указанном выше диапазоне для сохранения повышенных значений несущей способности грунтовой смеси, стабильности заполненяемого объема до завершения упрочнения, обеспечения возможности вторичного использования укрепленного грунта, а также для упрощения составления рецептур для различных видов исходного грунта и контролирование конечных свойств грунтовой смеси. В соответствии с изобретением оптимальным является формирование грунтовой смеси на основе различных по гранулометрическим показателям типов исходного природного грунта в количестве от 69,0 до 88,0 мас.%, не содержащего крупных включений размером более 50 мм, и гидравлического вяжущего в виде портландцемента в количестве от 1,5 до 5,5 мас.% с добавлением в грунтовую смесь порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов в количестве от 0,8 до 3,3 мас.%, вода - остальное. При этом значительное количество крупный включений с упомянутыми размерами в некоторых типах исходного природного грунта ухудшает характеристики получаемой грунтовой смеси, связанные с ее несущей способностью.
Эксперименты показали, что снижение в грунтовой смеси количества портландцемента менее 1,5 мас.% снижает прочностные характеристики большинства видов грунтов на одноосное сжатие ниже 0,1 МПа, что является не характерным для грунтовых смесей, пригодных для применения в строительстве. Уменьшение количества порошка бентонитового, модифицированный содой, для буровых растворов менее 0,8 мас.% приводит к сравнительно большому расслоению грунтовой смеси, а недостаток вносимой воды приводит к снижению ее подвижности и технологическим трудностям при укладке. Превышение крайних верхних значений для портландцемента более 5,5 мас.% способствует образованию неподвижных структур аналогичных грунтобетону, что не позволяет производить повторную разработку и использование грунтовой смеси. Превышение количества порошка бентонитового, модифицированный содой, для буровых растворов более 3,3 мас.%) и излишки вносимой в состав воды, в свою очередь, приводят к снижению стабильности массы грунта с момента заполнения требуемого объема до завершения упрочнения, а также к усадке и набуханию грунтовой смеси.
Изобретение поясняется таблицами, в которых приведены характеристики используемого порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов (таблица 1),. обеспечивающие достижение указанного технического результата, а также усредненные значения физико-механических показателей и эксплуатационных характеристик грунтовых смесей предложенного состава (таблица 2).
Бентониты, используемые дляs приготовления буровых растворов, относятся к коллоидным глинам, состоящим в основном из минералов группы монтмориллонита. При этом используемый в предложенной грунтовой смеси порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов широко распространен и выпускается промышленностью в достаточном объеме, обладает фиксированными физико-механическими и химическими характеристиками, для примера укажем на порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов отечественного производства марки БМ-СГ, подавляемый ООО Торговый Дом «Буровые технологии». Применение порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов в качестве водопоглощающей добавки и портландцемента в качестве универсального минерального вяжущего позволяет, на основе имеющегося опыта, подбирать по гранулометрическим показателям исходного природного грунта, не содержащего крупных включений, в пределах указанных диапазонов необходимое соотношение ингредиентов для получения гомогенной самоуплотняемой грунтовой смеси с требуемыми технологическими и конечными характеристиками.
Таблица 1
№
Показатель
Единица измерения
Количество
1
Показатель фильтрации, не более
см<sup>3</sup>
25
2
Толщина глинистой корки, не более
мм
6
3
Содержание части размером, мм:
%
- крупнее 0.5, не более
15
- менее 0.05, не менее
15.5
- менее 0.01, не менее
4
Условная вязкость, не более
с
45
5
Стабильность, не более
0.075
6
Суточный отстой воды, не более
%
6
7
Число пластичности, не менее
0.15
8
Показатель pН, не более
%
13
9
Содержание песка, не более
%
6
Технологические характеристики и свойства порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов свидетельствуют о том, что он является водопоглощающим набухающим материалом, который при перемешивании компонентов грунтовой смеси препятствует ее расслоению, обеспечивает гомогенность и равномерное распределение в смеси воды. Набор прочности самоуплотняемой грунтовой смеси происходит, в том числе, за счет связывания свободной воды с бентонитовым порошком и, в дальнейшем, частичной кристаллизации минеральных вяжущих. Время набора прочности предложенной грунтовой смеси регулируется дозировкой указанных компонентов.
Благодаря присутствию в составе грунтовой смеси указанного порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов при ее твердении не образуется жестких кристаллических структур и возможна повторная разработка грунта вручну юлибо механическим способом. За счет изменения дозировки ингредиенюв самоуплотняемой грунтовой смеси в указанном диапазоне значений возможно обеспечить, в известных пределах, изменение конечных свойств предложенной грунтовой смеси (теплопроводность, стойкость к истиранию, прочность на сжатие, способность к демпфированию вибрации водонепроницаемость и др.) под конкретные условия ее применения.
Исследования образцов предложенной грунтовой смеси подтвердили требование поддержания состава указанных ингредиентов в указанных диапазонах, в том числе, на примере природных глинистых, гравелистых, суглинистых и песчаных грунтов при использовании портландцемента ПЦ 400 (ЦЕМ1 42.5Н) или близких к нему по характеристикам ПЦ 300 и ПЦ 500. При необходимости в грунтовую смесь вводят добавки извести в количестве 0,5-2 мас.%, которая указанным выше образом влияет на конечные свойства грунта. Согласно проведенным исследованиям максимальный эффект по снижению комкования грунта наблюдается при добавке извести в указанном диапазоне.
Самоуплотняемый грунтовый состав, характеризуемый конечными физико-механическими свойствами, может быть использован в строительстве как заполняющий строительный материал до температуры не ниже 0°С без специальных добавок и мероприятий по обогреву. Общая характеристика физико-механических и технологических характеристик предложенной самоуплотняемой грунтовой смеси приведена в табл.2.
Таблица 2
№ п/п
Наименование показателя
Нормируемое значение
Методы испытаний
1
Время затвердевания до:
Пенетрометр грунтовой, согласно инструкции к прибору
- E=5 МПа
до 12 часов
- E>45 МПа
до 28 дней
2
Стабильность объема с момента заполнения (траншеи, котлована, приямка) до завершения упрочнения
до 3%
Проба на отстаивание
3
Усадка и набухание
до 0.5%
ГОСТ 24143-80
4
Прочность на одноосное сжатие в возрасте
- 7 суток
0.05-0.3 МПа
ГОСТ 12248-96
- 28 суток
0.1-0,8 МПа
5
Объемная плотность в затвердевшем состоянии
1,5-2.1 кг/дм*
ГОСТ 5180-84
6
Группа грунта по трудности разработки вручную
3-5 группы
ЕНиР 2-1-1
7
Водопроницаемость (коэффициент фильтрации)
10.2-11 м/сут
ГОСТ 25584-90
8
Амортизация колебаний
до 1.5 мм/с
ГОСТ 24346-80
9
Коэффициент уплотнения
0.97-1.00
ГОСТ 22733-2002
10
Модуль деформации
>45 МПа
ГОСТ 20276-50
11
Жизнеспособность смеси без специальных добавок
<90 мин
Благодаря введению в исходный природный грунт ингрединентов в указанных выше соотношениях при дальнейшем перемешивании смеси исходный грунт переводится временно в жидкое состояние (становится самоуплотняемым), после чего одним из известных способов укладывается в заданный объем или выемку. Полученная текучая консистенция грунта является практически безусадочной, что позволяет укладывать его без дополнительного механического уплотнения.
В пересчете упомянутых выше соотношений на абсолютные значения количеств на 1 куб.м. самоуплотняемой грунтовой смеси указанные ингридиенты должны быть взяты примерно в следующих количествах: исходный природный грунт 1100-1900 кг; порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов 10-90 кг; портландцемент ПЦ 400 20-150 кг; вода 120-600 кг; добавка извести - до 100 кг. При выходе за пределы указанной дозировки значения конечных свойств самоуплотняемого грунта выходят за пределы указанные в табл.2, что осложняет применение грунтовой смеси.
Пример 1. Для изготовления предложенной самоуплотняемой грунтовой смеси сначала производят размельчение исходного, например, супесчаного грунта, классифицируемого клк супесь пылеватая по ГОСТ 25100-95 «Грунты, классификация», и удаление из нею крупных включений размером более 50 мм. Затем осуществляют независимое дозированне и гомогенное смешивание указанного исходного грунта, портландцемента марки ПЦ 400 (ЦЕМI 42.5Н), порошка бентонитового. модифицированного содой, для буровых растворов марки БМ-СГ (производство ООО ТД «Буровые технологии») и воды технической водопроводной внутри указанных соотношений.
По примеру 1 грунтовая смесь содержит гомогенную смесь упомянутых марок природного грунта, портландцемента, порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: природныйгрунт - 75; портландцемент - 3,6; порошок бентонитовый, модифицированный содой, для буровых растворов - 2,3; вода 19,1.
Пример 2. При изготовлении предложенной самоунлотняемой грунтовой смеси из исходного природного грунта (суглинок тяжелый пылеватый, влажный, связный по ГОСТ 25100-95 «Грунты, классификация») за 24 часа до начала размельчения в указанный исходный грунт равномерно вносят известь строительную (ГОСТ 9179-77 1-го или 2-го сортов), затем смесь измельчают, удаляя крупные включения более 50 мм, и перемешивают, что позволяет избежать комкования грунта. После этого осуществляют независимое дозирование и гомогенное смешивание известкованного грунта портландцемента марки ПЦ 400 (ЦЕМI 42.5H), порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов марки БМ-СГ и воды технической водопроводной внутри указанных соотношений.
По примеру 2 грунтовая смесь содержит гомогенную смесь упомянутых марок природного грунта, извести, портландцемента, порошка бентонитового, модифицированного содой, для буровых растворов и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: природный грунт - 80,6; известь строительная - 1,0; портландцемент - 3,8; порошок бентонитовый. модифицированный содой, для буровых растворов - 1); вода- 13,6.
Приготовление предложенной самоуплотняемой гомогенной грунтовой смеси осуществляют, смешивая указанные компоненты в бетономешалке в течение 5-10 минут. После этого известным механическим способом, например, методом заливки заполняют рабочий объем выемки полученной грунтовой смесью. При наборе требуемой прочности грунтовой смеси возможна эксплуатация строительною объекта.
3
Самоуплотняемая грунтовая смесь в целом характеризуется указанными в табл.2 средними значениями конечных свойств. Для приведенных значений количества ингредиентов при температуре 15°С и объемной плотности грунтовой смеси в затвердевшем состоянии 1,5-2,1 кг/дм время твердения до E=5 МПа составило 12 часов и до E=45-48 МПа - до 28 суток. Характерное значение стабильности объема самоуплотняемой грунтовой смеси с момента заполнения (траншеи, котлована, приямка) до завершения упрочнения составляло до 3%, усадка и набухание - до 0,5% при коэффициенте уплотнения 0,97-1, а жизнеспособность смеси без специальных добавок составила не более 90 мин.
В соответствии с предложенным техническим решением становится возможным производство эффективною строительного материала в виде грунтовой смеси из различных видов исходного природного грунта, включая гравелистые, глинистые, супесчаное и др. Благодаря указанным свойствам данного строительного материала возможно его применение при заполнении выемок различной конфигурации, в устройстве оснований, прокладке инженерных коммуникаций. устройстве обвалований, при заполнении труднодоступных мест в подземном строительстве и др. В процессе укладки предложенной самоуплотняемой грунтовой смеси возможно также добавление в нее дробленого бетона, раствора, каменной кладки и другие минеральных компонентов за исключением нежелательных органических включений. Здесь следует отметить, что использование в предложенной грунтовой смеси техногенных ингредиентов (золы уноса, золошлаков и др.) требует дополнительных экспериментальных исследований.
Таким образом, предлагаемый состав самоуплотняемой грунтовой смеси не требует замены существующего грунта при устройстве инженерных сооружений, проявляет новые свойства и качества, позволяющие решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат при использовании доступных и широко распространенных компонентов с фиксированными физико-механическими и химическими показателями.