СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 2007 года по МПК E02D3/12 C09K17/48 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для закрепления оснований, покрытий или откосов автомобильных дорог.

Известен способ закрепления пород, включающий последовательную или одновременно-раздельную обработку породы в потоке атмосферного воздуха дизельным или масляным щелочным отходом нефтепереработки и 5-30% раствором хлорида кальция или магния при соотношении, равном 1,0:0,3-1,0 соответственно. При необходимости породу дополнительно уплотняют (патент РФ №1794132, E 02 D 3/12, Способ закрепления пород / Е.И.Жирнов, Б.А.Сотник и др. - 4919128 от 14.03.91, опубл. 07.02.93 Бюлл. №5).

Недостатком известного способа является невысокая прочность закрепленных пород и высокая энергоемкость, связанная с расходом воздуха.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ закрепления грунта, включающий последовательную обработку грунта водными растворами омыленного талового пека (ОТП) и хлористого кальция, а после этого нагнетание в грунт сжатого воздуха в количестве, превышающем объем гелеобразующегося раствора (А.С. СССР №1574729, E 02 D 3/12, Способ закрепления грунта / М.Ф.Каримов и др. - заявка №4241152 от 08.05.87, опубл. 30.06.90 Бюлл. №24).

Однако известный способ обладает следующими недостатками:

1) при обработке грунта растворами ОТП и хлористого кальция в осадок мгновенно выпадает полимер; и при нагнетании воздуха продавливание полимера через поры грунта затруднительно, радиус закрепленного грунта при этом составляет 19,2 см;

2) образующийся полимер обладает низкими адгезионными свойствами к частицам грунта и содержит свободную воду, которая при уменьшении влажности грунта удаляется из полимера со значительной его усадкой, приводящей к разуплотнению грунта;

3) образующийся полимер обладает высокой хрупкостью и при воздействии на грунт динамических нагрузок, например автомобильным транспортом, и знакопеременных температур происходит его разупрочнение и снижение морозостойкости;

4) данный способ является сложным и энергоемким.

Целью изобретения является повышение прочности и морозостойкости укрепленного грунта.

Поставленная задача достигается тем, что в способе укрепления грунта, включающем последовательную обработку грунта водными растворами омыленного талового пека (ОТП) и хлористого кальция, перед обработкой грунта водный раствор омыленного талового пека смешивают с отработанным моторным маслом автомобильных двигателей при t=50-100°C в соотношении 1,0:0,01-0,1 до получения эмульсии, а после введения хлористого кальция грунт выдерживают до полной полимеризации и уплотняют при давлении не менее 15,0 МПа. Причем для обработки грунта используют 10% раствор хлористого кальция.

Грунт перед обработкой разрыхляют на глубину обработки.

Для получения эмульсии используют 20% раствор ОТП. Расход эмульсии на основе омыленного талового пека для обработки грунтов составляет 0,08-0,25 кг/кг грунта, в том числе для обработки несвязных грунтов 0,08-0,11 кг/кг грунта; для обработки связных грунтов 0,12-0,25 кг/кг грунта. А в качестве раствора хлористого кальция используют дренажные рассолы.

Граничные пределы количественного содержания отработанного моторного масла автомобильных двигателей в эмульсии обоснованы экспериментально. Данные в табл.4 гр.7-9 (показатели морозостойкости и прочности на сжатие и растяжение при изгибе укрепленного грунта). Оптимальным является соотношение 20% раствора омыленного талового пека и отработанного моторного масла автомобильных двигателей 1:0,055.

Омыленный таловый пек (ОТП) является отходом целлюлозно-бумажного производства и в нормальных условиях представляет собой продукт твердой консистенции с плотностью 0,95-1,0 г/см³ с температурой размягчения 60-75°С и соответствует ТУ 13-0281078-146-90 "Пек таловый омыленный". Он нетоксичен, пожаробезопасен, удобен при транспортировке. Растворяясь в пресной воде, ОТП образует коллоидный раствор.

В процессе работы автомобильных двигателей моторные масла, удовлетворяющие ГОСТ 12337-84 "Масла моторные для дизельных двигателей" марки М-10Г₂ и ГОСТ 10541-78 "Масла моторные для карбюраторных двигателей" марки М-8В₁, под действием высоких температур и кислорода воздуха окисляются с образованием смол, асфальтенов, карбенов, примесей и воды. Через 250 моточасов работы двигателей производится замена масла в двигателях. В таблице 1 приведена характеристика отработанных моторных автомобильных масел. Для районов со сложной транспортной схемой, например районов Крайнего Севера, возврат отработанных моторных автомобильных масел для регенерации является проблематичным. Их утилизация согласно п.2 ст.51 Федерального Закона РФ "Об охране окружающей среды" от 10.01.2002 г. запрещена. Применение отработанных масел в приготовлении ОТП позволит наряду с их утилизацией решить вопросы укрепления грунтов.

Для получения эмульсии на основе растворов омыленного талового пека и отработанных моторных масел автомобильных двигателей их механически смешивают при t=50-100°C. При температуре смешения менее 50°С эмульсия в процессе хранения расслаивается. Максимальная температура нагрева ограничивается температурой кипения эмульсии. Выбор 20% концентрации раствора ОТП обусловлен максимальным расходом сухого вещества для получения устойчивой эмульсии. При обработке грунта последовательно эмульсией и раствором CaCl₂ образуется полимер с высокими адгезионными, эластичными свойствами, улучшающий структурообразование грунта с образованием прочной и морозоустойчивой структуры. Это обусловлено тем, что масляные пленки замедляют процессы полимеризации грунта в начальной стадии структурообразования и технологически упрощают полноту обработки частиц грунта раствором CaCl₂, т.к. не происходит мгновенного высаливания полимера.

Применение 10%-го раствора CaCl₂ обусловлено его проникающей способностью в грунт. Дренажные рассолы, содержащие преимущественно хлористые соли кальций, магния и натрия, являются отходами при разработке кимберлитовых трубок и требуют утилизации. Использование их в способах по укреплению грунтов позволит решить вопросы по экологии региона и уменьшит затраты на реализацию способа.

При дальнейшем уплотнении обработанного грунта (давлением более 15,0 МПа) из грунта удаляется избыточная вода, и связующее - полимер - практически обезвоживается, сохраняя при этом высокие адгезионные и эластичные свойства.

Грунт перед обработкой может быть разрыхлен на глубину пропитки или обработан без разрушения первоначальной структуры грунта, например, для укрепления откосов дорог и т.д.

Примеры конкретной реализации

В качестве грунта был испытан связный грунт (суглинок) и несвязный грунт (кварцевый песок).

Характеристика грунта

1. Связный грунт (суглинок)

Таблица 1Гранулометрический состав суглинкаСито, мм20151052,51,250,630,310,14<0,14Число пластичностиЧастный остаток, %623925,514,510,76,48,714,28

2. Несвязный грунт (кварцевый песок)

Таблица 2Гранулометрический состав пескаСито, мм52,51,250,630,310,14<0,14Число пластичностиЧастный остаток, %1426,311,420,810,65,211,70

Грунты перед испытанием высушивались.

В качестве отработанных моторных масел автомобильных двигателей были использованы масла марок М-10Г₂ ЦС и M-8B₁.

Таблица 3Характеристика отработанных моторных масел автомобильных двигателейНаименование показателейМасло, %Смола, %Асфальтены, %Карбены, %Примеси, %Вода, %Отработанное масло моторное марки М-10Г₂77,42,62,11,61,614,7Отработанное масло моторное марки M-8B₁80,21,82,31,71,812,2

В качестве хлоркальциевых растворов применялся раствор хлористого кальция или дренажные рассолы 10%-й концентрации.

Состав дренажных рассолов:

CaCl₂ - 80%, MgCl₂ - 9%, NaCl - 11%.

В качестве компонента связующего применялся омыленный таловый пек, соответствующий ТУ 13-0281078-146-90 "Пек таловый омыленный". Раствор омыленного талового пека 20%-й концентрации приготавливали смешением твердого концентрата в горячей воде t=80°С.

Эмульсию на основе омыленного талового пека приготавливали путем смешения отработанного моторного масла автомобильного двигателя с t=20°С в количестве 0,008; 0,01; 0,055; 0,1; 0,12; кг на кг раствора омыленного талового пека с t=70°С в лопастном смесителе n=600 об/мин в течение 3 минут. Приготовленная эмульсия сливалась в отдельную емкость для хранения и дальнейшего использования.

В таблице 4 приведены результаты испытаний образцов на прочность и морозостойкость в зависимости от количества отработанных моторных масел автомобильных двигателей в эмульсии на основе ОТП.

Экспериментально выявлено, что для полного высаливания полимера соотношение компонентов: эмульсии на основе ОТП и 10% CaCl₂ составляет 1:0,2. Для полной пропитки грунта раствор хлористого кальция вводился в избытке: 1:0,28-0,3.

Обработку грунта проводили при температуре грунта и связующего 20°С в лабораторном лопастном смесителе; грунт вначале смешивали с эмульсией на основе ОТП в течение 40 сек, затем с 10% раствором хлористого кальция в течение 1 минуты и выдерживали до полной полимеризации 20 мин.

Из смеси изготавливали образцы-цилиндры размером ⊘ 72,5×72,5 мм и образцы-балочки размером 40×40×160 мм под давлением 15,0 МПа. Водонасыщенные образцы испытывали через 7 суток на сжатие и растяжение при изгибе. Кроме того, образцы-цилиндры перед испытанием на морозостойкость выдерживали в течение 28 суток во влажной среде. Коэффициент морозостойкости определялся по снижению прочности образцов при сжатии после 50 циклов "замораживания - оттаивания". В таблице 5 приведены результаты испытаний образцов на прочность и морозостойкость в зависимости от расхода эмульсии на основе ОТП и хлоркальциевого раствора.

На основании экспериментальных данных, приведенных таблицах 4 и 5, можно сделать следующие выводы.

При обработке грунтов эмульсией на основе ОТП (при соотношении 1:0,01-0,1) и хлоркальциевым раствором достигнуты основные показатели укрепленных грунтов, превышающие нормативные требования СНиП 2.05.02-85*. При небольшом расходе отработанных моторных масел автомобильных двигателей в эмульсии (составы 1, 6, 11, 16) прочность на сжатие увеличивается и в дальнейшем остается без изменения, но предел прочности на растяжение при изгибе (R_изг) и коэффициент морозостойкости (К_мрз) ниже требуемых по СНиП 2.05.02-85*. При увеличении граничных пределов расхода отработанного моторного масла автомобильных двигателей в эмульсии (составы 5, 10, 15, 20) предел прочности на растяжение при изгибе (R_изг) и коэффициент морозостойкости (К_мрз) уменьшаются ниже требуемых по СНиП, а прочность на сжатие снижается, но остается выше требуемой по СНиП 2.05.02-85* (табл.4).

При расходе эмульсии для обработки грунтов в количестве 0,08-0,25 достигнуты показатели (R_сж R_изг К_мрз), превышающие нормативные показатели СНиП. При увеличении расхода эмульсии выше верхнего предела (составы 5, 10, 15, 20, табл.5) увеличивается влажность, которая затрудняет технологию уплотнения грунтов при выполнении дорожно-строительных работ: перед уплотнением требуется подсушка грунта до допустимой влажности. При проведении подсушки показатели образцов грунта превышают нормативные.

При уменьшении расхода эмульсии менее нижнего предела (составы 1, 6, табл.5) снижается предел прочности на растяжение при изгибе (R_изг) и коэффициент морозостойкости (К_мрз) ниже требуемых по СНиП 2.05.02-85*. При обработке связного грунта эмульсией на основе ОТП в пределах 0,08-0,1 влажность получаемых образцов недостаточна для уплотнения (табл.5).

По сравнению с прототипом прочностные характеристики и морозостойкость укрепленного грунта по предлагаемому способу выше более чем в 2 раза.

Таблица 4Результаты испытаний образцов на прочность и морозостойкость в зависимости от количества отработанных масел в эмульсии№ составаСоотношение компонентов в эмульсии, вес. чРасход компонентов, кг/кг грунтаПрочность водонасыщенных образцов, МПаКоэффициент морозостойкости, К_мрз 20% р-р ОТПотработанное масло маркиЭмульсия на основе ОТП10% раствор CaCl₂Сжатие, R_сжрастяжение при изгибе, R_изг   M-8B₁М-10Г₂  7 сут7 сут Грунт-песок110,008-0,0950,273,40,500,50210,01-0,0950,273,40,650,70310,055-0,0950,273,20,850,80410,1-0,0950,272,80,700,70510,12-0,0950,272,00,550,5561 0,080,0950,273,40,520,5271 0,010,0950,273,40,600,6281 0,0550,0950,273,20,800,7891 0,10,0950,272,60,650,70101 0,120,0950,272,10,550,50прототип0,80,130,3Грунт-суглинок 1110,008-0,180,0544,00,550,581210,01-0,180,0543,80,800,751310,055-0,180,0543,71,10,901410,1-0,180,0543,41,00,801510,12-0,180,0542,60,570,52161-0,0080,180,0544,00,550,58171-0,010,180,0543,80,820,75181-0,0550,180,0543,71,10,90191-0,10,180,0543,30,70,80201-0,120,180,0543,00,550,57прототип1,00,240,44

Таблица 5Результаты испытаний образцов на прочность и морозостойкость в зависимости от расхода эмульсии на основе ОТП и расхода хлоркальциевых растворов Расход компонентов кг/кг грунтаВлажность Прочность водонасыщенных образцов, МПаКоэффициентПримечание№ составаЭмульсия на основе ОТП10% раствор хлористого кальция10% дренажные рассолыгрунта после обработки, %на сжатиерастяжение при изгибеморозостойкости, К_мрз      7 сут7 сут  Грунт-песок (несвязный грунт) 10,070,021-7,52,40,500,50 
Грунты
состава 5, 10
перед
изготовлением
образцов
подсушены до
влажности
11%.20,080,024-8,63,00,790,7030,090,027-9,63,20,860,8040,110,033-11,53,00,850,7550,120,036-12,83,00,850,7560,07-0,0217,52,50,500,5070,08-0,0248,63,00,800,7080,09-0,0279,63,30,880,7890,11-0,03311,53,10,860,75100,12-0,03612,83,10,860,75Грунт-суглинок (связный грунт) 110,110,033-11,73,00,520,55 
 
Грунты
состава 15,
20 перед
изготовлением
подсушены до
влажности
26%.120,120,036-12,83,20,900,80130,180,054-19,23,81,150,9140,250,075-26,73,71,00,85150,260,078-27,83,71,000,85160,11-0,03311,72,90,800,55170,12-0,03612,83,10,900,78180,18-0,05419,23,71,10,9190,25-0,07526,73,51,00,85200,26-0,07827,83,51,00,85

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для закрепления оснований, покрытий или откосов автомобильных дорог. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и морозостойкости укрепленного грунта. В способе укрепления грунта, включающем последовательную обработку грунта 20%-ный водным раствором омыленного талового пека ОТП, смешанным с отработанным моторным маслом от автомобильных двигателей при t=50-100°C в соотношении 1,0:0,01-0,1 до получения эмульсии, и 10%-ным водным раствором хлористого кальция, указанные эмульсию и раствор хлористого кальция используют в соотношении 1:0,28-0,3, после указанной обработки грунт выдерживают до полной полимеризации и уплотняют при давлении не менее 15,0 МПа. Изобретение развито в зависимых пунктах. 7 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ укрепления грунта, включающий последовательную обработку грунта водным раствором омыленного талового пека ОТП и 10%-ным водным раствором хлористого кальция, отличающийся тем, что перед обработкой грунта 20%-ный водный раствор ОТП смешивают с отработанным моторным маслом от автомобильных двигателей при t=50-100°C в соотношении 1,0:0,01-0,1 до получения эмульсии, указанные эмульсию и раствор хлористого кальция используют в соотношении 1:0,28-0,3, после указанной обработки грунт выдерживают до полной полимеризации и уплотняют при давлении не менее 15,0 МПа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанного раствора хлористого кальция используют дренажный рассол.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что грунт перед указанной обработкой разрыхляют на глубину обработки.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход указанной эмульсии составляет 0,08-0,25 кг/кг грунта.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для указанной обработки несвязного грунта расход указанной эмульсии составляет 0,08-0,11 кг/кг грунта.6. Способ по п.4, отличающийся тем, что для указанной обработки связного грунта расход указанной эмульсии составляет 0,12-0,25 кг/кг грунта.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для указанной обработки несвязного грунта расход указанного раствора хлористого кальция составляет 0,024-0,033 кг/кг грунта.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для указанной обработки связного грунта расход указанного раствора хлористого кальция составляет 0,036-0,075 кг/кг грунта.