УКРЕПЛЯЮЩАЯ ГРУНТОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2004 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции дорожного полотна линейных транспортных сооружений, оснований и фундаментов опор искусственных сооружений, контактной сети и т.д. в условиях их переувлажнения и пучинообразования.

Одной из главных причин возникновения и развития деформаций в теле земляного полотна является разупрочнение грунтов в результате их переувлажнения. Переувлажнение грунтов происходит из-за скопления воды в неровностях, которые образуются на поверхностях конструктивных элементов инженерных сооружений. В результате зимой происходит вспучивание, весной - разуплотнение грунтов и осадка, что приводит к потере прочности сооружений. Для обеспечения стабильности сооружения необходимо осушить переувлажненные поверхности.

Одно из направлений осушения грунтов искусственных сооружений связано с использованием композиций для упрочнения грунтов на основе минеральных вяжущих. Благодаря введению в грунты минеральных вяжущих веществ излишняя влага расходуется на гидратацию и цементацию вяжущих, что способствует осушению и, как следствие, упрочнению грунтов.

Известна композиция для упрочнения грунтов, которая содержит наполнитель и вяжущее [1]. В качестве наполнителя используется щебень, в качестве вяжущего - цемент и негашеная известь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Наполнитель 20,0-30,0

Цемент 6,0-8,0

Негашеная известь 1,5-2,0

Грунт Остальное

В результате сложного физико-химического и химического взаимодействия дисперсных частиц грунта, вяжущего (извести и цемента) и воды из грунтов укрепляемого слоя происходит образование гидросиликатов и гидроалюминатов Са, обладающих цементирующими свойствами.

Водопоглощение при цементации приводит к обезвоживанию грунта, расположенного ниже укрепляемого слоя.

Одновременно образование кристаллов различных типов солей силикатов и карбонатов Са и Мg приводит к уплотнению и упрочнению грунтовой композиции.

Оба процесса положительно сказываются на стабильности инженерного сооружения. Упрочненные грунты представляют собой грунтовый конгломерат с высокими прочностными характеристиками (модуль деформации составляет 100-130 МПа).

Однако высокие прочностные характеристики грунтов, которые достаточны для обычных грунтов, являются недостижимыми для переувлажненных грунтов. Известная композиция может использоваться только при влажности грунта, характеризуемой пластичностью Wп, не более 17%. Это объясняется тем, что с переходом интервала оптимальной влажности (при ее увеличении) грунт приобретает мягкопластичное состояние и перестает уплотняться. Поэтому в условиях длительной эксплуатации земляного полотна и переувлажнения грунты теряют прочность. С течением времени под влиянием вибрации и истирания конгломерата происходит образование макротрещин в его теле. Вода по макротрещинам проникает во внутрь и, превращаясь зимой в лед, увеличивает их, что приводит к разрушению конгломерата.

Льдообразование приводит к разрушению грунтового конгломерата и изменению физико-механических свойств. Все это возобновляет процессы вспучивания и деформирования инженерного сооружения, что отрицательно сказывается на его стабильности.

Наиболее близкой к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является укрепляющая грунтовая композиция, которая содержит наполнитель, вяжущее и фермент-уплотнитель [2]. В качестве вяжущего используется доломитовая известь и цеолит, в качестве наполнителя - щебень фракции 20-70 мм с загрязнителем балласта, в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активное вещество на основе протеинов и cахаров при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Доломитовая известь (в пересчете на СаО+МgО) 40,0-50,0

Цеолит (в пересчете на SiО₂) 25,0-40,0

Щебень фракции 30 - 70 мм с

загрязнителем балласта 20,0-24,0

Фермент-уплотнитель 0,3-1,0

Вода Остальное

Укрепляющая композиция вносится в грунт в количестве 6-10% от массы грунта. При смешивании грунта с компонентами укрепляющей композиции (доломитовая известь, цеолит, фермент-уплотнитель и вода) начинается процесс кристаллообразования различных типов солей силикатов и карбонатов Са и Мg. Наличие в укрепленных грунтах различных типов кристаллов силикатов Са и Мg упрочняет структуру грунтов.

Фермент-уплотнитель на основе протеинов и сахаров способствует заполнению порового пространства между частицами грунтов, что увеличивает их плотность. В результате укрепленный грунт становится прочным монолитом и сохраняет прочность длительное время.

Одновременно с образованием кристаллов силикатов Са и Мg происходит осушение переувлажненных грунтов. Это обусловлено водопоглощением при цементации грунта и адсорбцией цеолитом избыточной воды.

Укрепляющая композиция осушает грунт за счет подобранных компонентов. Их работа происходит по замкнутому циклу: гидратация доломитовой извести - извлечение воды ферментом и цеолитом, приводящая к принудительному заполнению порового пространства между грунтовыми частицами примесями органических и минеральных частиц, переводу воды в молекулярное состояние и осушение грунта. Затем цикл повторяется.

Постоянное уплотнение и осушение грунта способствует образованию прочного монолита. Таким образом, укрепленный грунт имеет высокие прочностные характеристики, несмотря на наличие влаги, содержащейся в грунте.

Однако в процессе эксплуатации происходит потеря прочности укрепленной грунтовой композиции, что нарушает стабильность сооружения. Это обусловлено тем, что укрепленный грунт представляет собой монолит с неоднородной структурой. Неоднородность структуры вызвана тем, что монолит образован наполнителем - щебнем крупной фракции от 20 до 70 мм и тонкодисперсной фракцией вяжущего менее 0,05 мм, в которой отсутствует переходная фракция.

При вибродинамическом воздействии поездной нагрузки быстрее подвергаются разрушению менее плотные структуры монолита, чем более плотные. В результате в менее плотных структурах образуются микротрещины. Прочность монолита уменьшается из-за образования микротрещин. Вода, попадая в микротрещины, замерзает в них зимой, увеличиваясь в объеме. Микротрещины превращаются в макротрещины. Наличие трещин способствует нарушению целостности монолита и последующему его разрушению.

Процесс образования макротрещин усугубляется также истиранием щебня, которое происходит под воздействием вибродинамической нагрузки одновременно с процессами разрушения менее прочных структур монолита.

В результате вибрации от щебня отделяются пылеватые фракции скальных пород из отходов производства, которыми загрязнен обычно укладываемый щебень. Кроме того, в результате дополнительного трения друг о друга происходит постоянное истирание самих частиц щебня. Пылеватые частицы оседают на поверхность монолита в виде “гребенки” и образуют дополнительные неровности.

Неровности в “гребенке” и трещины в монолите, заполненные водой, способствуют льдообразованию в упрочненном слое и подстилающих грунтах и, как следствие, их пучению. Все это приводит также к изменению физико-механических свойств защищаемой поверхности и возобновлению процессов вспучивания и деформирования земляного полотна и щебеночной призмы верхнего строения пути. Прочность монолита снижается до 20%.

Задача, стоящая перед изобретателем, заключается в разработке укрепляющей композиции, введение которой в переувлажненный грунт приводит к образованию однородного по прочности и структуре грунтового монолита и к повышению его прочности за счет “сшивания” всех его минеральных составляющих и, как следствие, к стабилизации инженерного сооружения.

Для решения поставленной задачи в известную укрепляющую грунтовую композицию, содержащую наполнитель крупной фракции, вяжущее и фермент-уплотнитель, в которой в качестве наполнителя крупной фракции использован щебень, в качестве вяжущего - доломитовая известь и цеолит, в качестве фермента-уплотнителя - ПАВ на основе протеинов и сахаров, дополнительно введен наполнитель мелкой фракции - известняковый и бруситовый отсев при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Доломитовая известь в пересчете на СаО+МgО 11,0-12,0

Цеолит в пересчете на SiO₂ 4,0-8,0

Щебень 50,0-58,0

Известняковый отсев 19,2-20,0

Бруситовый отсев 7,2-8,0

Фермент-уплотнитель 0,6-2,0

Введение в грунт мелкой фракции известнякового и бруситового отсева приводит к образованию равнопрочной структуры грунтового монолита. Это обусловлено образованием дополнительных кристаллов гидроалюминатов Са и Мg. Глина и карбонатная пыль известнякового отсева, а также катионы Мg и гидроксильная группа бруситовой пыли, взаимодействуя друг с другом, создают прочный кристаллический каркас из гидроалюминатов Са и Мg, который “сшивает” крупные фракции наполнителя и вяжущего. Сшивающий эффект мелкой фракции наполнителя приводит к образованию по всему объему равнопрочного монолита.

Кроме того, образование кристаллического каркаса из гидроалюминатов Са и Мg повышает прочность грунтового монолита, которая препятствует образованию микротрещин при вибродинамическом воздействии и разрушению структуры монолита. При этом прочность грунта должна составлять 8,0-10,5 МПа.

Однако лабораторные испытания показали, что прочность образцов составляет 16,0-20,0 МПа. Значительное увеличение прочности обусловлено увеличением адгезии щебня с вяжущим. Обычно укладываемый загрязненный щебень имеет низкую адгезию к вяжущему, так как каждый его камень покрыт пленкой воды и каменной пыли. При этом щебень имеет инертную поверхность по отношению к вяжущему, что способствует разрушению монолита по контакту “щебень - вяжущее”.

Введение в грунт мелкой фракции известнякового и бруситового отсева приводит к связыванию пленочной воды и каменной пыли на поверхности щебня. Каменная пыль связывается катионами Са и Мg известнякового отсева и за счет гидроксильной группы бруситового отсева на поверхности каждого камня образуются прочные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg, при этом пленочная вода адсорбируется бруситовым отсевом. В результате этих процессов каждый камень щебня покрыт прочной кристаллической оболочкой, химически связанной с минералами самого камня. Отсутствие на поверхности щебня пленочной воды и каменной пыли делает его поверхность чистой и активной. Наличие чистой активной поверхности обеспечивает высокую адгезию щебня с вяжущим, что в конечном итоге повышает прочность грунтового монолита.

Пример. Укрепляющая грунтовая композиция включает вяжущее, наполнитель крупной фракции, наполнитель мелкой фракции и фермент-уплотнитель в требуемом соотношении.

В качестве вяжущего берут 11-12% доломитовой извести и 4-8% цеолита.

Доломитовая известь представляет собой гидравлическое вяжущее и в своем химическом составе содержит окислы кальция СаО и магния МgО.

Цеолит представляет собой адсорбент, в основе химического состава которого лежит окись кремния SiO₂, и содержит окислы кальция СаО и магния МgО, железа Fе₂O₃, алюминия Аl₂О₃ и титана ТiO₂.

В качестве наполнителя крупной фракции берут 50-58% щебня размером 30-70 мм, который благодаря адгезионным свойствам в любой конструкции становится арматурным каркасом. Щебень получают путем дробления горных пород и валунов: гранитов, сионитов, диоритов, габбро, диабазов, песчаников, известняков, кварцитов и др. Балластный щебень, содержащий в своем составе не более 10% пылеватых частиц, имеет активную адгезионную поверхность, что соответствует требованиям ГОСТа 8269.0-97 “Щебень из природного камня, гравий и щебень из гравия для строительных работ. Методы испытания”. На практике щебень содержит до 25% пылеватых частиц, вследствие чего поверхность щебня становится инертной, снижающей адгезионные свойства щебня.

В качестве наполнителя мелкой фракции берут 19,2-20,0% известнякового и 7,2-8,0% бруситового отсевов.

Известняковый отсев представляет собой отсортированные отходы переработки карбонатных пород - известняков, который в своем химическом составе содержит: 47,18-52,50% CaO, 1,16-2,08% МgО, 2,85-10,28% SiO₂, 0,38-2,08% Fe₂О₃, 37,98-41,94% п.п.п. В своей структуре известковый отсев содержит частицы размером от 1 до 5 мм, пылеватые частицы размером от 0 до 1 мм и до 10% глинистых частиц.

Бруситовый отсев представляет собой отсортированные отходы дробления бруситовых пород и имеет следующий химический состав: 1,46-12,46% CaO, 55,02-62,73% МgО, 0,87-20,58% SiO₂, 0,02-1,15% Fе₂О₃, свободные катионы Мg⁺⁺ и гидроксильную группу (ОН). Структура бруситового отсева аналогична структуре известнякового отсева.

В качестве фермента-уплотнителя берут 0,6-2% поверхностно-активных веществ ПАВ на основе протеинов и сахаров, например 3-5% сульфитно-спиртовую барду, или концентрированные энзимы: перма-займ, бакто-займ, эйси-займ, разведенные в воде, которые обладают высокой проникающей способностью и способствуют максимальному уплотнению грунтов.

Укрепляющую грунтовую композицию получают путем механического перемешивания доломитовой извести, молотого цеолита, известнякового и бруситового отсевов со щебнем в требуемом соотношении при одновременном введении фермента-уплотнителя.

Укрепляющую грунтовую композицию используют следующим образом. Композицию вносят в разрыхленный укрепляемый грунт естественной влажности в количестве 10-20% от его массы, при влажности грунта меньше оптимальной, его увлажняют, перемешивают, доводя влажность грунта до оптимальной, и уплотняют катками или вибротрамбовками.

В результате химического взаимодействия грунта с компонентами укрепляющей композиции начинается процесс его цементации. Активные окислы CaO и МgО доломитовой извести, реагируя с кремнеземом Si0₂ цеолита и окислами алюминия Аl₂O₃ глинистых частиц, образуют различные типы труднорастворимых кристаллов алюмосиликатов и гидроалюмосиликатов Са и Мg, обладающих цементирующими свойствами. За счет взаимодействия глинистых и пылевидных частиц известнякового отсева, а также катионов Мg и гидроксильной группы бруситовой пыли в структуре образуются дополнительные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg. Большое количество кристаллических образований также способствует созданию прочного кристаллического каркаса из гидроалюминатов Са и Мg, который “сшивает” крупные фракции наполнителя и вяжущего.

В процессе цементации загрязненный щебень с инертной поверхностью по отношению к вяжущему становится чистым щебнем с активной поверхностью, имеющей высокую адгезию с вяжущим.

Это обусловлено следующими причинами. Мелкие фракции известнякового и бруситового отсева связывают пленочную воду и каменную пыль на поверхности щебня. Каменная пыль связывается катионами Са⁺⁺ и Мg⁺⁺ известнякового отсева и за счет гидроксильной группы бруситового отсева на поверхности каждого камня образуются прочные кристаллы гидроалюминатов Са и Мg. Пленочная вода при этом адсорбируется бруситовым отсевом. В результате этих процессов каждый камень щебня покрыт прочной кристаллической оболочкой, химически связанной с минералами самого камня. Отсутствие на поверхности щебня пленочной воды и каменной пыли делает его поверхность чистой и активной. Наличие чистой активной поверхности обеспечивает высокую адгезию щебня с вяжущим, что повышает прочность грунтового монолита.

Таким образом, по всему объему грунта образовался однородный прочный монолит, состоящий из всех фракций грунта от щебня до пыли.

Одновременно с образованием кристаллов силикатов и алюминатов Са и Мg происходит уплотнение и осушение переувлажненных грунтов.

Уплотнение грунтов обусловлено введением в укрепляемый грунт известнякового и бруситового отсевов разного гранулометрического состава. Тонкодисперсные частицы отсевов заполняют макропоры. Уплотнение микропор идет за счет фермента-уплотнителя, который, удаляя воду из порового пространства, способствует заполнению этого пространства высокодисперсными глинистыми частицами.

Осушение переувлажненных грунтов обусловлено связыванием несвязанной воды известью при цементации грунта и адсорбцией цеолитом и бруситом избыточной воды и связанной воды из порового пространства.

Осушение грунта происходит постоянно по замкнутому циклу: гидратация доломитовой извести - извлечение воды ферментом и цеолитом, приводящая к принудительному заполнению порового пространства между грунтовыми частицами примесями органических и минеральных частиц, переводу воды в молекулярное состояние и осушение грунта. Затем цикл повторяется.

Постоянное уплотнение и осушение грунта также способствует образованию прочного монолита. В результате упрочненные грунты представляют собой грунтовый конгломерат с высокими прочностными и водопоглощаяющими характеристиками, который при вибродинамическом воздействии поездной нагрузки сохраняет прочность длительное время.

Для определения физико-механических показателей из укрепленного грунта были изготовлены образцы-керны в виде цилиндров диаметром 5 см и высотой 10 см. Испытаниям подвергалась серия образцов 28-дневного возраста в количестве 3 штук для каждого примера. Результат взят как средний из трех образцов. Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 “Методы определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии”, на морозостойкость - в соответствии с ГОСТ 10060-87 “Методы определения морозостойкости”, на водостойкость - в соответствии с ГОСТ 10180-90 “Цементы. Методы испытания”.

Составы грунтовой композиции и физико-механические показатели укрепленного грунта приведены в табл. 1 и 2.

Использование укрепляющей грунтовой композиции для стабилизации грунтов на деформирующихся участках по сравнению с прототипом повышает прочность в 1,5-1,9 раза, водостойкость - в 1,3 раза.

Апробация укрепляющей грунтовой композиции осуществлена на деформирующихся участках земляного полотна на дистанциях пути ДВЖД.

Источники информации

1. Платонов А.П. Композиционные материалы на основе грунтов / А.П.Платонов, М.Н.Першин. - М., 1987, с.134-136.

2. Патент РФ №2192517, МКИ 7 Е 02 D 3/12 / Способ укрепления грунтов / Г.П.Шильникова, С.М.Жданова, В.В.Воронин (РФ); ДВГУПС (РФ). - №2001103825/03; заявлено 12.02.2001; опубликовано 10.11.2002, Бюл. №31 - 14 с.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции дорожного полотна линейных транспортных сооружений, оснований и фундаментов опор искусственных сооружений, контактной сети и т.д. в условиях их переувлажнения и пучинообразования. Техническим результатом является разработка укрепляющей композиции, введение которой в переувлажненный грунт приводит к образованию однородного по прочности и структуре грунтового монолита и к повышению его прочности за счет “сшивания” всех его минеральных составляющих и, как следствие, к стабилизации инженерного сооружения. Укрепляющая грунтовая композиция, содержащая наполнитель крупной фракции, вяжущее и фермент-уплотнитель, в которой в качестве наполнителя крупной фракции взят щебень, в качестве вяжущего - доломитовая известь и цеолит, в качестве фермента-уплотнителя - ПАВ на основе протеинов и сахаров, дополнительно содержит наполнитель мелкой фракции - известняковый и бруситовый отсев при следующем соотношении компонентов, мас.%: доломитовая известь в пересчете на СаО+MgO 11,0 - 12,0, цеолит в пересчете на SiO₂ 4,0 - 8,0, щебень 50,0 - 58,0, известняковый отсев 19,2 - 20,0, бруситовый отсев 7,2 - 8,0, фермент-уплотнитель 0,6 - 2,0. 2 табл.

Укрепляющая грунтовая композиция, содержащая наполнитель крупной фракции, вяжущее и фермент-уплотнитель, в которой в качестве наполнителя крупной фракции взят щебень, в качестве вяжущего - доломитовая известь и цеолит, в качестве фермента-уплотнителя - ПАВ на основе протеинов и сахаров, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен наполнитель мелкой фракции - известняковый и бруситовый отсев при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Доломитовая известь

в пересчете на СаО+МgО 11,0 - 12,0

Цеолит в пересчете на SiO₂ 4,0 - 8,0

Щебень 50,0 - 58,0

Известняковый отсев 19,2 - 20,0

Бруситовый отсев 7,2 - 8,0

Фермент-уплотнитель 0,6 - 2,0