Область техники
Изобретение относится к вяжущей композиции, к способу приготовления такой вяжущей композиции, к материалу из твердых частиц и способу обработки материала из твердых частиц.
Предшествующий уровень техники
В патенте Великобритании №1184129 (далее упоминаемом как D1) раскрываются способ и водный раствор для обработки грунта с целью улучшения его сжимающего усилия и его устойчивости к водопроницаемости. Водный раствор смешивают с почвой путем опрыскивания грунта или заливки на него. Этот водный раствор включает:
- водорастворимый мочевиноформальдегидный преконденсат, содержащий от 0,2 до 6% непрореагировавшего формальдегида от общей массы названного раствора, причем этот преконденсат присутствует в этом растворе в концентрации от 4 до 30% от общей массы раствора;
- отверждающий агент, выбираемый из органических и неорганических кислот и их кислых солей в количестве от 0,5 до 40% от общей массы раствора; и
- мочевина в количестве от 3 до 12 раз большем массы упомянутого выше непрореагировавшего формальдегида.
Предпочтительный рН лежит в пределах от 1 до 12, причем при понижении рН раствора уменьшается также время отверждения. С целью предотвращения выхода раствора смеси из обрабатываемого грунта добиваются как можно меньшего времени отверждения.
Специалистам также известно, что аминная смола, включающая амин и альдегид, образуется в результате двух реакций: реакции присоединения и реакции конденсации. Когда используются мочевина и формальдегид, реакция присоединения или гидроксиметилирования состоит в присоединении формальдегида к связывающим центрам мочевины и степень гидроксиметилирования зависит от соотношения мочевины и формальдегида. У мочевины имеется четыре связывающих центра, расположенных на двух аминогруппах, каждая из которых имеет по два связывающих центра. Таким образом, к связывающим центрам мочевины могут присоединиться максимум четыре молекулы формальдегида. Реакция конденсации протекает только в кислых условиях и по этой причине время, необходимое для завершения реакции конденсации, с понижением рН уменьшается. В том случае, когда реакции проходят за относительно малое время, образующиеся полимеры имеют более короткие цепи, что придаст аминной смоле более кристаллическую текстуру.
Недостаток известного раствора состоит в том, что поскольку нужно устанавливать как можно меньшее время отверждения, раствор должен быть перемешан и нанесен на грунт за относительно короткое время, что затрудняет обработку больших поверхностей, таких как дороги. При быстрой реакции полимеризации образуются также относительно короткие полимерные цепи.
Другим недостатком водного раствора является то, что он не пригоден для смешения с монолитным грунтом, например весом более 20 тонн, и нанесения слоя смеси на поверхность дороги в течение рабочего дня с последующим уплотнением слоя, поскольку водный раствор начинает отверждаться до того, как вся смесь будет нанесена на поверхность дороги и подвергнута уплотнению.
В результате этого известный водный раствор пригоден только для распыления на дорожной поверхности, что является недостатком, заключающимся в том, что проникание раствора в поверхность дороги является ограниченным. Известный раствор таким образом герметизирует поверхность дороги, но не стабилизирует основу.
В патенте Великобритании №1194227 (далее упоминаемом как D2) раскрываются способ упрочнения водопроницаемого грунта и придания ему значительной водонепроницаемости, включающий стадии впрыскивания в грунт водного раствора мочевины, формальдегида и поливинилового спирта, все из которых являются водорастворимыми и способными конденсироваться в воде продуктами, и придания смеси водонерастворимости in situ воздействием кислотным отверждающим агентом для мочевиноформальдегидных смол.
Недостатком раскрытого в D2 способа является относительно быстрая реакция, в результате чего смесь отверждается за короткое время: от 1,7 до 8 минут. Это делает способ D2 совершенно не пригодным для какого-либо применения, в частности для строительства дорог, где требуется относительно длительное время отверждения.
Предметы изобретения
Предметами настоящего изобретения являются таким образом создание вяжущей композиции и способ обработки материала из твердых частиц, способ приготовления такой вяжущей композиции и получение твердых частиц, где названные выше недостатки были бы устранены или по крайней мере сведены к минимуму.
Краткое содержание изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается способ обработки материала из твердых частиц с целью образования агрегированного матрикса, включающий стадии:
- приготовление мочевиноформальдегидного преконденсата;
- подготовка полярного растворителя;
- подготовка дополнительного количества мочевины;
- подготовка кислоты или ее соли;
- смешение полярного растворителя, дополнительного количества мочевины, преконденсата и кислоты с образованием вяжущей композиции;
- смешение вяжущей композиции с твердыми частицами; и
- отверждение вяжущей композиции твердыми частицами в течение времени более 30 мин с образованием агрегированного матрикса, при этом кислоту или ее соль подбирают таким образом, чтобы обеспечить рН вяжущей композиции от 2,0 до 5,3.
Полярный растворитель может быть выбран из группы, в которую входят вода, спирт и их смеси.
Далее, согласно изобретению способ включает в качестве следующей стадии, которая предшествует стадии отверждения, добавление сахара. Сахар может быть выбран из группы, в которую входят сахароза, глюкоза, фруктоза и их смеси.
Далее, согласно изобретению способ включает в качестве следующей стадии, которая предшествует стадии отверждения, добавление промотора связывания с целью усиления связывания между вяжущей композицией и твердыми частицами.
Далее, согласно изобретению промотор связывания представляет собой жирную кислоту сложного строения, образующуюся при полном окислении растительных сахаров. Более конкретно промотор связывания выбирают из группы, в которую входят гуминовая кислота, фульминовая кислота, их соли и смеси.
Альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотором связывания является битум. Битум может представлять собой анионную битумную эмульсию.
Далее, альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотор связывания может также представлять собой поверхностно-активного вещество. Поверхностно-активное вещество может представлять собой додецилбензол натрия.
Способ может также включать еще одну предшествующую отверждению стадию:
стадию добавления какого-либо одного или большего числа агентов, выбираемых из группы, в которую входят силиконы, силаны, силанолы, масла, антикоррозионные агенты, УФ-защитные агенты, биоциды, рН-буферы, цемент, аммиак, соли аммония, пластификаторы, лигносульфинаты и их оксиды, фенолы и их смеси.
Пластификаторы могут быть выбраны из группы, в которую входят фталаты, углеводороды, ацетаты, латекс и гликоли.
УФ-защитные агенты могут быть выбраны из группы, в которую входят органические фенолы, фосфаты и неорганические оксиды.
Материал из твердых частиц может быть выбран из группы, в которую входят песок, грунт, гравий, природные или синтетические волокна, включающие стекло-, стальные, углеродные и полимерные волокна, глина, кремнеземы, кусковое золото, резина, камни, галька, частично связанные цементирующие массы, трава, шлак, отходы со свалок, угольные частицы, зола и их смеси.
Далее, согласно изобретению отношение формальдегид/мочевина в вяжущей композиции составляет от 1,5:1 до 2,5:1, предпочтительно 1,83:1.
Далее, согласно изобретению способ может также включать еще одну стадию: уплотнение агрегированного матрикса, которое следует за стадией смешения и предшествует стадии отверждения.
Далее, согласно изобретению кислота представляет собой слабую органическую кислоту. Слабую органическую кислоту преимущественно выбирают из группы, в которую входят лимонная кислота, уксусная кислота и их смеси.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается способ приготовления вяжущей композиции для обработки твердых частиц с образованием твердого агрегированного матрикса, включающий следующие стадии:
- приготовление мочевиноформальдегидного преконденсата;
- подготовка полярного растворителя;
- подготовка дополнительного количества мочевины;
- подготовка кислоты или ее соли;
- смешение полярного растворителя, дополнительного количества мочевины, преконденсата и кислоты с образованием вяжущей композиции, которая отверждается в течение времени более 30 мин после смешения с упомянутыми твердыми частицами,
при этом кислоту или ее соль подбирают таким образом, чтобы обеспечить значение рН вяжущей композиции от 2,0 до 5,3.
Полярный растворитель может быть выбран из группы, в которую входят вода, спирт и их смеси.
Далее, согласно изобретению способ включает еще одну стадию, которая предшествует стадии отверждения: стадию добавления сахара. Сахар может быть выбран из группы, в которую входят сахароза, глюкоза, фруктоза и их смеси.
Далее, согласно изобретению способ включает еще одну стадию: стадию добавления промотора связывания с целью усиления связывания между вяжущей композицией и твердыми частицами.
Далее, согласно изобретению промотор связывания представляет собой жирную кислоту сложного строения, образующуюся при полном окислении растительных сахаров. Более конкретно промотор связывания выбирают из группы, в которую входят гуминовая кислота, фульминовая кислота, их соли и смеси.
Альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотором связывания является битум. Битум может представлять собой анионную битумную эмульсию.
Далее, альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотор связывания может также представлять собой поверхностно-активное вещество. Поверхностно-активное вещество может иметь форму додецилбензола натрия.
Способ может также включать еще одну стадию: стадию добавления какого-либо одного или большего числа агентов, выбираемых из группы, в которую входят силиконы, силаны, силанолы, масла, антикоррозионные агенты, УФ-защитные агенты, биоциды, рН-буферы, цемент, аммиак, соли аммония, пластификаторы, лигносульфинаты и их оксиды, фенолы и их смеси.
Пластификаторы могут быть выбраны из группы, в которую входят фталаты, углеводороды, ацетаты, латекс и гликоли.
УФ-защитные агенты могут быть выбраны из группы, в которую входят органические фенолы, фосфаты и неорганические оксиды.
Твердые частицы могут быть выбраны из группы, в которую входят песок, грунт, гравий, природные или синтетические волокна, включающие стекло-, стальные, углеродные и полимерные волокна, глина, кремнеземы, кусковое золото, резина, камни, галька, частично связанные цементирующие массы, трава, шлак, отходы со свалок, угольные частицы, зола и их смеси.
Отношение формальдегид/мочевина в вяжущей композиции может составлять от 1,5:1 до 2,5:1, предпочтительно 1,83:1.
Далее, согласно изобретению кислота представляет собой слабую органическую кислоту. Слабую органическую кислоту преимущественно выбирают из группы, в которую входят лимонная кислота, уксусная кислота и их смеси.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предлагается отверждаемая вяжущая композиция для смешения с твердыми частицами и отверждением с образованием твердого агрегированного матрикса, причем вяжущая композиция включает смесь мочевиноформальдегидного преконденсата, полярного растворителя, дополнительного количества мочевины и кислоты или ее соли, подбираемой таким образом, чтобы обеспечить значение рН вяжущей композиции от 2,0 до 5,3, в результате чего происходит отверждение вяжущей композиции после смешения с твердыми частицами в течение времени более 30 мин.
Полярный растворитель может быть выбран из группы, в которую входят вода, спирт и их смеси.
Далее, согласно изобретению вяжущая композиция включает также сахар. Сахар может быть выбран из группы, в которую входят сахароза, глюкоза, фруктоза и их смеси.
Далее, согласно изобретению вяжущая композиция включает промотор связывания с целью усиления связывания между вяжущей композицией и твердыми частицами.
Далее, согласно изобретению промотор связывания представляет собой жирную кислоту сложного строения, образующуюся при полном окислении растительных сахаров. Более конкретно промотор связывания выбирают из группы, в которую входят гуминовая кислота, фульминовая кислота, их соли и смеси.
Альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотором связывания является битум. Битум может иметь форму анионной битумной эмульсии.
Далее альтернативным образом или в дополнение к изложенному промотор связывания может также быть в форме поверхностно-активного вещества. Поверхностно-активное вещество может иметь форму додецилбензола натрия.
Вяжущая композиция может включать какой-либо один или большее число агентов, выбираемых из группы, в которую входят силиконы, силаны, силанолы, масла, антикоррозионные агенты, УФ-защитные агенты, биоциды, рН-буферы, цемент, аммиак, соли аммония, пластификаторы, лигносульфинаты и их оксиды, фенолы и их смеси.
Пластификаторы могут быть выбраны из группы, в которую входят фталаты, углеводороды, ацетаты, латекс и гликоли.
УФ-защитные агенты могут быть выбраны из группы, в которую входят органические фенолы, фосфаты и неорганические оксиды.
Далее, согласно изобретению отношение формальдегид/мочевина составляет от 1,5:1 до 2,5:1, предпочтительно 1,83:1.
Далее, согласно изобретению кислота представляет собой слабую органическую кислоту. Слабую органическую кислоту преимущественно выбирают из группы, в которую входят лимонная кислота, уксусная кислота и их смеси.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения предлагается твердый агрегированный матрикс, образующийся при обработке массы твердых частиц с помощью способа в соответствии с первым аспектом изобретения.
В соответствии с пятым аспектом изобретения предлагается твердый агрегированный матрикс, образующийся при обработке массы твердых частиц вяжущей композицией в соответствии с третьим аспектом изобретения.
В соответствии с шестым аспектом изобретения предлагается техногенный продукт, полученный из твердого агрегированного матрикса в соответствии с четвертым или пятым аспектом изобретения.
Дальнейшее описание изобретения
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов изобретения вяжущую композицию для обработки твердых частиц с образованием твердого агрегированного матрикса приготовляют способом, включающим стадии:
- приготовление мочевиноформальдегидного преконденсата (МФК);
- подготовка полярного растворителя, такого как вода;
- подготовка дополнительного количества мочевины;
- подготовка кислоты или ее соли, преимущественно в форме слабой органической кислоты, такой как лимонная кислота или уксусная кислота, причем кислоту или ее соль подбирают таким образом, чтобы обеспечить значение рН вяжущей композиции от 2,0 до 5,3;
- подготовка сахара, выбираемого из группы, в которую входят сахароза, глюкоза, фруктоза и их смеси;
- подготовка промотора связывания для усиления связывания между вяжущей композицией и твердыми частицами;
- необязательная подготовка одного или более агентов, выбираемых из группы, в которую входят силиконы, силаны, силанолы, масла, антикоррозионные агенты, УФ-защитные агенты, биоциды, рН-буферы, цемент, аммиак, соли аммония, пластификаторы, лигносульфинаты и их оксиды, фенолы и их смеси; и
- смешение перечисленных выше компонентов с образованием вяжущей композиции.
Вяжущую композицию смешивают с твердыми частицами и дают затвердеть с образованием твердого агрегированного матрикса в течение времени более 30 мин после смешения с твердыми частицами. Вяжущую композицию смешивают с твердыми частицами либо путем физического перемешивания либо с помощью внедрения и адсорбции.
После стадии смешения и перед стадией отверждения агрегированный матрикс может быть подвергнут уплотнению и/или формовке в техногенный продукт, такой как кирпич, камень для мощения и т.п. В одном из предпочтительных вариантов изобретения растворенные или суспендированные в воде реагенты физически смешивают с твердыми частицами с помощью лопаты, грейдера, грабель, плуга и т.п., после чего производят уплотнение. Уплотнение играет решающую роль, поскольку оно позволяет образование полимерных цепей в непосредственной близости от поверхности частиц. Уплотнение важно также и потому, что оно повышает прочность твердого агрегированного матрикса.
Промотором связывания преимущественно является жирная кислота сложного строения, образующаяся при полном окислении растительных сахаров. Более конкретно промотор связывания выбирают из группы, в которую входят гуминовая кислота, фульминовая кислота, их соли и смеси. Еще одним добавляемым промотором связывания является поверхностно-активное вещество, преимущественно, но не исключительно додецилбензол натрия.
Пластификаторы преимущественно выбирают из группы, в которую входят фталаты, углеводороды, ацетаты, латекс и гликоли.
УФ-защитные агенты преимущественно выбирают из группы, в которую входят органические фенолы, фосфаты и неорганические оксиды.
Материал из твердых частиц, пригодный для обработки вяжущей композиции, преимущественно, но не исключительно, выбирают из группы, в которую входят песок, грунт, гравий, природные или синтетические волокна, включающие стекло-, стальные, углеродные и полимерные волокна, глина, кремнеземы, кусковое золото, резина, камни, галька, частично связанные цементирующие массы, трава, шлак, отходы со свалок, угольные частицы, зола и их смеси. В число твердых частиц могут также входить натуральные или синтетические волокна, такие как стеклянные, стальные, углеродные или синтетические пластики, или волокна из полимерного материала с целью обеспечения дополнительной прочности, или термопластичная смола для придания или усиления некоторых свойств матрикса или для улучшения его стойкости, прочности и водонерастворимости.
Отношение формальдегид/мочевина в вяжущей композиции выбирают от 1,5:1 до 2,5:1, предпочтительно, но не исключительно 1,83:1.
Впервые неожиданным образом было обнаружено, что благодаря выбранному интервалу рН вяжущей композиции согласно изобретению эта композиция отверждается после смешения с твердыми частицами в течение увеличенного периода времени от по меньшей мере 30 мин до нескольких суток и что процесс отверждения может даже продолжаться постепенно в течение 45 суток.
Кроме того, было неожиданным образом обнаружено, что добавление сахаров и/или жирных кислот сложного строения, образующихся при полном окислении растительных сахаров, таких как гуминовая кислота, фульминовая кислота, их соли и смеси, значительно усиливает связывающие свойства вяжущей композиции. Влияние добавления гуминовой кислоты проиллюстрировано в по крайней мере двух приведенных в описании примерах.
Благодаря диапазону рН, который подбирают для вяжущей композиции путем добавления кислоты, время отверждения вяжущей композиции после ее смешения с твердыми частицами больше времени отверждения для композиций предшествующей техники, более конкретно больше 30 мин и достигает даже 45 суток. Это предоставляет достаточное время для смешения вяжущей композиции с несколькими тоннами грунта с утра с последующим нанесением и уплотнением смеси в течение дня без отверждения вяжущей композиции за среднее время в такой степени, чтобы твердые частицы не были эффективно связаны спустя несколько часов после приготовления и смешения вяжущей композиции. Было также неожиданным образом обнаружено, что в том случае, когда отверждение происходит в течение более продолжительного времени, получают более качественный твердый агрегированный матрикс.
При сооружении дорог и аналогичных поверхностей, таких как взлетные полосы, вяжущую композицию смешивают с подходящими твердыми частицами и перед отверждением подвергают смесь уплотнению на основе, в результате чего образуется твердый агрегированный матрикс. Такой матрикс является водостойким, инертным, устойчивым, долговечным и износостойким. Мог бы представить интерес и альтернативный вариант, в котором вяжущую композицию можно было бы распылить на основе и после этого покрыть сверху твердыми частицами.
Характеристики агрегированного матрикса могут быть дополнительно подкорректированы добавлением перечисленных выше дополнительных агентов. Пластификаторы, такие как фталаты, углеводороды, латекс, ацетаты или гликоли, придают твердому агрегированному матриксу больше пластичности и эластичности.
УФ-защитные агенты, такие как органические фенолы, фосфаты или неорганические оксиды, полезны для предотвращения разрушения агрегированного матрикса под действием ультрафиолетового света. Биоцид ингибирует развитие в матриксе грибков и бактерий.
В одном из вариантов изобретения материалом из твердых частиц является грунт. Массовое отношение вяжущая композиция/грунт выбирают в пределах от 0,01:0.99 до 0,25:0,75. Как правило, массовое отношение вяжущая композиция/грунт равно 0,03:0,97.Близкие массовые отношения могут применяться и для других типов твердых частиц.
Предпочтительное влагосодержание (оптимальное влагосодержание или ОВС) смеси вяжущей композиции с грунтом составляет от 3 до 45% мас. в зависимости от конкретного применения. Битумная эмульсия содержит анионный или катионный эмульгатор и составляет от 0,2 до 40% от массы всей смеси.
Для сооружения дороги и достижения оптимального уплотнения в грунте необходимо создать оптимальное для этого грунта содержание влаги. Его легко рассчитать, определив, какое количество воды необходимо добавить. Например, для получения ОВС, обеспечивающему наилучшее уплотнение, к небольшому образцу твердых частиц нужно добавить 3% воды (добавляйте к образцу грунта по 1% за один прием до тех пор, пока грунт не превратится в вашей руке в шарик, или же производите замеры в лаборатории). Добавляемая вода приведет к гораздо большей прочности подвергнутых уплотнению твердых частиц в способах с применением смешения. В случае способов с применением распыления или герметизации песчаной поверхности используют значительно больше воды, которая в этих способах, продолжая выполнять роль растворителя, становится также эффективным распыляющим агентом или агентом внедрения. Вода экономично распыляет вяжущую композицию над желаемой поверхностью и на желаемую глубину или же делает возможной перекачку вяжущей композиции на расстояние, например при обрызгивании какой-либо насыпи. Таким образом достигают желаемого содержания вяжущей композиции в твердых частицах, благодаря чему образуется эффективный твердый агрегированный матрикс. Количество воды могло бы быть также использовано для регулирования прочности или характеристик в массе твердых частиц путем миграции агентов и промоторов через поверхность техногенного продукта при сушке. При этом агенты и промоторы концентрируются в направлении к поверхности, обеспечивая в этом направлении образование относительно более твердых слоев.
Все реагенты и компоненты добавляют и перемешивают при температуре 50°С или ниже, обычно 30°С или ниже, например при комнатной температуре.
Дополнительную мочевину и другие ингредиенты подбирают таким образом, чтобы мольное отношение формальдегид/мочевина было в пределах от 1,2:1 до 2,5:1, предпочтительно 1,83:1, что обеспечивало бы присутствие формальдегида в количестве, достаточном для продолжения протекания в твердом агрегированном матриксе процесса поперечного сшивания в течение более продолжительного времени без образования избытка формальдегида, который мог бы быть причиной нежелательных выделений формальдегида.
Содержание свободного формальдегида в МФК снижают для сведения к минимуму выделений формальдегида, например 70% связанного формальдегида на 30% свободного формальдегида или 88% связанного формальдегида на 12% свободного формальдегида. Однако вязкость в случае последнего отношения повышается, а время хранения понижается, в то время как в случае первого отношения продукт легче разливается и характеризуется более длительным временем хранения.
Обычно МФК содержит связанный и свободный формальдегид в отношении, близком к 50:50, но мог бы даже быть использован и формалин, не содержащий свободного формальдегида. МФК может использоваться в неперегнанном виде, содержащем при этом значительно больше воды, целью чего является уменьшение выделений формальдегида по причине гигроскопической природы формальдегида, содержащегося в формалине в присутствии избытка воды.
Изобретение значительно уменьшает выделение формальдегидных испарений в процессе применения. Факторами, которые способствуют этому очень важному преимуществу, являются слабая органическая кислота, битумная эмульсия, относительно высокие количества воды, дополнительные промоторы и агенты связывания и относительно долгое время реакции, благодаря чему поддерживаются относительно низкие температуры реакции. Применение фенолформальдегидных смол в предшествующей технике обычно происходит быстрее и при более высоких температурах, что может сопровождаться более высокими скоростями выделения, что часто приводит к образованию геля, а не жесткого твердого материала, который образуется в настоящем изобретении.
Последовательность, в которой смешиваются материалы, также является важным фактором. Неожиданным образом обнаружено, что формальдегид выделяется в меньшей степени в том случае, когда вначале растворяют в воде мочевину, затем добавляют битумную эмульсию, затем МФК, затем другие промоторы и агенты связывания и после этого слабую органическую кислоту.
Время реакции может быть увеличено для предоставления большего рабочего времени, особенно при повышенных температурах (например, летом или в более теплых регионах), с использованием в реакции буфера или меньшего количества кислоты, предоставляя веществам взаимодействовать при относительно высоком рН, например рН 4,5. При меньшем времени реакции рН может быть понижен добавлением большего количества кислоты, в результате чего рН реакции может, например, понизиться до 3,5 или ниже. Предельные значения рН, т.е. слишком высокие или слишком низкие, в процессе реакции приводят к более слабому образованию полимера. Разовое количество и тип используемой кислоты также могли бы быть подкорректированы с целью компенсировать избыток присутствующих в твердых частицах щелочных или кислотных веществ.
Анионная битумная эмульсия является предпочтительной, поскольку ее щелочные свойства делают возможным добавление относительно большего количества описанных выше кислот, что улучшает связывающие характеристики вяжущей композиции. При проведении испытаний было установлено, что анионная битумная эмульсия (60/40 суспензия битума в воде с эмульсией) усиливает водостойкость, прочность и эластичность твердого агрегированного матрикса. Битум в основном представляет собой углеводород, получаемый в конце процесса переработки нефти и содержит также много органических веществ, способных улучшить вяжущие характеристики вяжущей композиции. Альтернативным образом могли бы быть использованы битумные или неионные, или катионные битумные эмульсии.
Когда вяжущая композиция распыляется на блок твердых частиц и проникает в этот блок, твердые вещества в композиции, такие как битум и латекс, отделяются от вяжущей композиции в направлении к поверхности блока твердых частиц с образованием на этой поверхности покрытия. Такое покрытие способствует уменьшению выделений формальдегида и сохраняет формальдегид для дальнейшего связывания с мочевиной (что предпочтительнее, чем давать возможность формальдегиду испаряться). Покрытие защищает также агрегированный матрикс от дождя, например, в процессе отверждения. При распылении на грунте, например, твердый битум отделяется от растворителя и остается на или близко от поверхности блока твердых частиц, в то время как остальная часть вяжущей композиции углубляется вместе с водой в твердые частицы. В результате этого образуется более жесткий твердый агрегированный матрикс в разных слоях, где содержание битума может быть скорректировано так, чтобы дать возможность водяному пару испаряться через не совсем плотное битумное покрытие на или близко от поверхности блока твердых частиц. Это позволяет твердому агрегированному матриксу высыхать в то время, когда битумное покрытие образует защитное покрытие, препятствующее проникания воды в твердый агрегированный матрикс. Этот битум еще более усиливается остатками вяжущей композиции на той же поверхности. Более высокая дозировка битума приводит таким образом к образованию водонепроницаемого покрытия на или близко от поверхности.
Другие щелочные вещества, такие как портландцемент и другие типы цементов, могут быть использованы похожим образом для получения более эффективной вяжущей композиции и увеличения прочности твердого агрегированного матрикса. Цемент можно также добавлять с целью заблаговременного создания дополнительной прочности во влажном состоянии на или близко от поверхности в расчете на реакцию с водой и для вытеснения битума из его эмульсии.
Было обнаружено, что использование латекса в настоящем изобретении улучшает качества твердого агрегированного матрикса. Например, латекс придает твердому агрегированному матриксу улучшенные характеристики водостойкости, прочности и эластичности, в то же время сохраняя цвет твердых частиц. Таким образом, прозрачный латекс, будучи введенным в вяжущую композицию, действует так же как битум, с той разницей, что с латексом сохраняется цвет эстетически привлекательных инертных частиц, таких как глина, осадочный грунт или песчаник. Таким образом, латекс в сочетании с этими частицами обеспечивают привлекательно окрашенное покрытие (вместо черного битума), которое сохраняет свой естественный вид инертных частиц и/или снижает себестоимость окраски, и/или придает другие свойства поверхности твердого агрегированного матрикса. Это снижает расходы по сравнению с расходами в процессе, в котором твердые добавки или латекс содержатся по всей массе твердого агрегированного матрикса.
Вяжущую композицию приготовляют в жидкой форме в водном растворе, благодаря чему композиция способна проникать даже в тонкодисперсные грунты, после чего она отверждается с образованием водонерастворимой вяжущей композиции в твердом агрегированном матриксе, который не дает протеков. Вода образует важную и неотъемлемую часть вяжущей композиции, так как она служит для растворения гранул мочевины, для разбавления раствора с целью более легкой перекачки или распыления, для удержания в растворе или твердом агрегированном матриксе паров очень хорошо растворимого в воде формальдегида, для относительно более высокой прочности и относительно более слабых выделений. Вода кроме того является великолепным недорогим способствующим растеканию агентом для усиления проникания вяжущей композиции в твердые частицы для создания для надежной прочности по всей массе твердого агрегированного матрикса.
Было обнаружено, что вяжущая композиция связывает между собой мелкие частицы в твердый агрегированный матрикс, в то время как многие другие вяжущие композиции оказались для этого непригодными. Вяжущая композиция образует таким образом великолепный подавитель пылеобразования, который удерживает мелкие частицы материала из твердых частиц в твердом агрегированном матриксе, которые (частицы) становятся водонерастворимыми и после реакции не дают протечки. Этот слой отвержденного материала из твердых частиц имеет улучшенные влажную и сухую прочности.
Кроме того, было неожиданным образом обнаружено, что смесь вяжущей композиции с твердыми частицами связывается с отвержденным цементом и другими инертными поверхностями. Еще один аспект изобретения состоит в том, что вяжущая композиция не нуждается в отверждении с водой (как это имеет место с цементом), а просто оставляется высыхать.
Поскольку твердые частицы образуют важную часть конечного твердого агрегированного матрикса, в том случае, когда прочность конечного продукта недостаточна, для повышения прочности конечного продукта могут быть использованы добавки дополнительных относительно более мелких или более крупных частиц. Такие более мелкие или более крупные частицы часто имеются в наличии на участке, где производятся строительные работы с твердым агрегированным матриксом.
Как утверждалось выше, дорогу можно сооружать путем смешения вяжущей композиции с твердыми частицами, уплотнения смеси и ее самопроизвольного отверждения при помещении ее на слой основы. На поверхности слоя основы могут быть созданы и другие слои из смеси вяжущей композиции и твердых частиц. Однако в случае дополнительных слоев состав вяжущей композиции каждый раз корректируют или выбирают новый с целью того, чтобы эти слои были относительно более жесткими и более стойкими к износу и воде. Этого можно достичь, добавляя больше битума или повышая отношение вяжущей композиции к твердым частицам. Таким образом, один твердый агрегированный матрикс мог бы состоять из нескольких различных слоев твердого агрегированного матрикса, прочность которых увеличивалась бы в направлении к внешнему слою. Это дает преимущество в том, что относительно более твердый и возможно более плотный внешний слой защищает слои подложки будучи стойким к износу и воде, благодаря чему эти слои остаются сухими и связными. К такому усиленному внешнему слою может быть добавлен химически отвержденный песчаный герметик с целью еще большего усиления защиты внешнего слоя от износа. Это может быть осуществлено и позже в процессе технического обслуживания или профилактических ремонтных работ.
Далее изобретение описывается на нескольких примерах со ссылками на приложенные фигуры и таблицы. В целях ясности описания ряда чертежей каждый раз приводятся в сопровождающих их примерах
ПРИМЕР 1:
Для получения твердого агрегированного матрикса в соответствии с изобретением путем приготовления вяжущей композиции и смешения вяжущей композиции с блоком твердых частиц:
1. Берут 1 кг твердых частиц в виде грунта, предпочтительно характеризующегося равномерным распределением частиц от мелких до крупных;
2. Определяют содержание влаги для оптимального уплотнения грунта, например добавлением 5% мас. воды, и заливают воду (например, 50 г) в смесительную емкость.
3. Добавляют к воде 7 г гранул мочевины и перемешивают в течение 15 мин или до растворения;
4. Добавляют 15 г битумной эмульсии (анионной);
5. Добавляют 22 г МФК;
6. Добавляют 1 г лимонной кислоты, предварительно обработанной сахарами, растворяющимися при этом в лимонной кислоте (например, 30%-ным концентратом);
7. Добавляют 1 г гуминовой кислоты (убавляют или увеличивают количество кислоты, если рН ниже 3 или выше 5);
8. Добавляют другие требуемые добавки, например 0,006 г силанов (или 0,02% от массы раствора);
9. Тщательно смешивают с грунтом, используя перемешивание или проникание;
10. Смешивают 2 г латекса с 8 г воды и хорошо перемешивают полученную смесь с твердыми частицами;
11. Смешивают 5 г материалов из пп.3-8 с 5 г воды и распыляют на твердых частицах;
12. Хорошо уплотняют; и
13. Оставляют отверждаться при комнатной температуре, не прибегая к отверждению с водой, в результате чего образуется твердый агрегированный матрикс.
ПРИМЕР 2:
1. Повторяют приведенные выше стадии 1-8;
2. Добавляют относительно большее количество воды с целью обеспечения более глубокого внедрения вяжущей композиции;
3. Распыляют жидкость на поверхности грунта;
4. Распыляют смесь приведенного выше п.10 на грунте (только проникание или примешивание);
5. Оставляют высыхать до содержания влаги, близкого к оптимальному;
6. Уплотняют (в меньшей степени, чем в примере 1); и
7. Оставляют отверждаться, не прибегая к отверждению с водой, с образованием твердого агрегированного матрикса.
Таким образом, эффективный твердый агрегированный матрикс может быть получен при использовании описанного выше способа и оптимальной подборке следующих факторов:
- Использование наилучшего грунта или твердых частиц, экономически доступных в данной местности, или привоза и смешения другого грунта или твердых частиц с имеющимися твердыми частицами с получением более равномерного распределения частиц или других желаемых или доступных свойств;
- Дозировка и смешение реагентов при оптимальных соотношениях;
- Смешение этих реагентов с количеством воды, необходимым для оптимального или эффективного уплотнения, и/или пропитка материала твердых частиц;
- Смешение между собой твердых частиц, других реагентов и воды или осуществление самопроизвольного проникания жидкостей, твердых веществ и газов с образованием эффективной смеси в материале твердых частиц;
- Придание желаемой формы твердому агрегированному матриксу путем формовки или пропитки твердых частиц и твердого агрегированного матрикса в такую форму; и
- Уплотнение твердого агрегированного матрикса в этой форме или самопроизвольное отверждение в этой форме примешанных или проникших реагентов.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что вяжущая композиция имеет относительно небольшой вес, например 58 кг материала для отверждения 1 м3 (примерно 1900 кг) грунта.
Еще одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что вяжущая композиция эффективно связывает довольно широкий ряд грунтов. Таким образом, часто можно использовать местные грунты без необходимости их замены грунтами более высокого качества. Композиция связывает мелкие частицы, которые не могут быть связаны эффективно или экономично при использовании других вяжущих композиций.
Указанные выше факторы существенно снижают затраты на транспортировку и обработку, поскольку в данную местность подвозится меньшее количество реагентов при отсутствии необходимости частого вывоза или ввоза грунтов в данную местность.
ПРИМЕР 3:
Приготовляют 100 кг смеси вяжущей композиции с твердыми частицами (грунтом) смешением друг с другом следующих ингредиентов:
Стабилизированный мочевиной формальдегид (МФК) 2000 г
В качестве стабилизированного мочевиной раствора формальдегида (МФК) был использован Incunite UFC (зарегистрированная торговая марка), полученный от фирмы Resinken (Pty) Limited, Umbogintwint, Южная Африка, 4120. Incunite содержал формальдегид в количестве от 51 до 58% мас. и мочевину в количестве от 22 до 28% мас. при рН от 6,5 до 8. Битумная эмульсия содержала битум в концентрации приблизительно 60%. Грунт содержал мелкий песок и содержал влагу в количестве примерно 5%.
Смесь названных выше ингредиентов была сформована в форму кирпича, уплотнена и оставлена высыхать, застывать и твердеть при комнатной температуре с образованием твердого агрегированного матрикса.
ПРИМЕР 4:
Грунт стабилизируют следующим образом:
Тщательно смешивают 12,5 г Incunite UFC, 7,5 г мочевины, 40 г воды и 20 г битумной эмульсии. Добавляют слабую органическую кислоту, в частности лимонную кислоту, для снижения рН до значения от 3 до 4,5. Образовавшуюся вяжущую композицию добавляют к 1 кг грунта и хорошо размешивают с грунтом с целью достижения хорошего распределения вяжущей композиции по всей массе грунта. Добавляют воду для доведения общего содержания влаги в смеси грунта с вяжущей композицией до оптимального влагосодержания, необходимого для конкретного усилия уплотнения, предполагаемого для применения для данной смеси. Смесь прессуют традиционным способом и оставляют сохнуть, застывать и твердеть при комнатной температуре.
ПРИМЕР 5:
Проведены эксперименты для сравнения вяжущих композиций, приготовленных с использованием формалина и Incunite UFC. По 22 г формалина и Incunite смешивают с 13 г мочевины и 0,0065 г лимонной кислоты. Использованный Incunite имел рН 5,45, а формалин 3,85. Формалин содержал 37% формальдегида и 7% метанола. Приготовлены и оставлены для протекания реакции три различные смеси. Первая смесь была приготовлена из Incunite, имела конечный рН 5,45 и мольное отношение мочевина/формальдегид равное 1:1,4. Вторая смесь была приготовлена из формалина, имела конечный рН 5,45 и мольное отношение мочевина/формальдегид равное 1:1,25. Третья смесь была также приготовлена из формалина, имела конечный рН 3,85 и мольное отношение мочевина/формальдегид равное 1:1,25. Получены спектры комбинационного рассеяния конечных отвержденных продуктов и для каждой смеси измерено время существования геля.
Время существования геля для первой смеси составило 615 мин, для второй смеси - 1400 мин и для третьей смеси - 65 мин. Как будет отмечено, хотя первая смесь и вторая смесь имели один и тот же рН, время существования геля для первой смеси, приготовленной из Incunite, было намного меньше времени геля для второй смеси, приготовленной из формалина. Эксперименты четко проиллюстрировали также сильный эффект рН. Спектры комбинационного рассеяния трех смесей показали, что в спектрах трех образовавшихся аминных смол имеется лишь небольшая разница.
ПРИМЕР 6:
Этот пример иллюстрирует приготовление водного раствора стабилизированного мочевиной формальдегида. Этот пример иллюстрирует также наличие возможности приготовления такого стабилизированного мочевиной формальдегидного преконденсата на месте проведения строительных работ при комнатной температуре и при использовании формалина и параформальдегида.
Коммерчески доступный мочевиноформальдегидный преконденсат, такой как Incunite, производится из мочевины и формалина путем проведения до определенной степени реакции гидроксиметилирования при щелочном рН с последующим подкислением раствора, в результате чего осуществляется конденсация. Раствор после этого вновь делают щелочным и затем кислым, создавая возможность для протекания полной реакции до определенного предела. Избыток воды после этого удаляют и жидкую смолу последовательно очищают на четырех перегонных колоннах.
В отличие от описанной выше коммерческой операции мочевиноформальдегидные смеси МФК были приготовлены растворением 10 г параформальдегида и 20 г смеси, содержащей метанол и формалин, с последующим доведением рН смесей до примерно 10. 20 г Смесей метанола и формалина имели различные концентрации метанола в пределах от 7 до 50%.
В каждом случае после перемешивания в течение 5 мин к смесям добавляли мочевину и продолжали перемешивания до 2 час (общее время).После этого удаляли возможно присутствующую жидкость и отделяли нерастворенный параформальдегид, который затем сушили и взвешивали.
Эксперименты показали, что имеется четкая корреляция между содержанием метанола в смеси метанол-формалин и растворимостью параформальдегида в формалине: растворимость параформальдегида повышается с увеличением содержания метанола. Продолжением эксперимента было определение времени хранения приготовленного МФК после испарения воды с образованием МФК с содержанием воды примерно 20% мас. Установлено, что время хранения составляет приблизительно 4 дня и в основном не зависит от рН МФК в пределах рН от 6 до 8. Время хранения было определено как время, в течение которого прозрачный МФК становится мутным.
ПРИМЕР 7:
Влияние рН на свойства аминной смолы и время существования геля были изучены при фиксированном мольном отношении мочевина/формальдегид, равном 1:1,4, путем приготовления смесей мочевины и Incunite с последующим постепенным понижением рН добавками лимонной кислоты. Влияние рН на свойства смолы было изучено при рН 4,2, 4,5 и 5,2 и для каждого рН смеси измерялось время существования геля. Агрегированные матриксы на основе аминной смолы оставляли отверждаться в течение приблизительно 2 суток, после чего производилось визуальное сравнение.
Установлено, что время существования геля резко увеличивается с повышением рН, составляя примерно 50 мин при рН 4,5 и примерно 520 мин при рН 5,2. Однако продукты аминной смолы, образовавшиеся при разных значениях рН, были одинаковы: все они были очень твердыми, очень гомогенными и не очень кристаллическими. Все обладали великолепной водостойкостью. С этим контрастируют свойства аминных смол, образованных при разных рН из формальдегида и мочевины: при повышении рН они превращаются из твердых в гель и затем в осадок.
ПРИМЕР 8:
20 г Параформальдегида растворяют в 40 г смеси, содержащей равные количества метанола и формалина, и доводят рН с помощью NaOH до примерно 10. После перемешивания в течение 5 мин к смеси добавляют 10 г мочевины и продолжают перемешивание в течение 2 час. Затем приготовляют несколько образцов с различными значениями рН в пределах от 5 до 7,5 с интервалом рН равным 0,5. Через 24 часа образцы сравнивают. Спустя 2 месяца по 22 г каждого из образцов, которые остаются прозрачными и устойчивыми, вводят в реакцию с 13 г мочевины и доводят рН до 4,2. Конечные продукты сравнивают с аминными смолами, полученными из мочевины и формальдегида при рН 4,2.
Установлено, что в случаях, за исключением случаев с рН 5,5 и 6, образуется твердый продукт. Таким образом, при рН ниже 5 образуется нормальная конденсированная аминная смола, а при высоком рН образуется монометилмочевина или дигидроксиметилмочевина. Только при рН 5,5 и 6 образуется жидкая форма, которая характеризуется временем хранения более месяца. Когда по 22 г этих жидкостей были добавлены к 13 г мочевины и рН доведен до 4,2, в обоих случаях был получен твердый продукт без каких-либо трещин.
ПРИМЕР 9:
В этом примере иллюстрируется влияние мольного отношения мочевина/формальдегид на аминные смолы, приготовленные из стабилизированного мочевиной формальдегида.
30 г Мочевины добавляют к Incunite таким образом, чтобы обеспечить мольное отношение мочевина/формальдегид 1:2. Измерение рН, полученной в результате этого смеси, дало значение 5,12. Добавляют далее небольшое количество лимонной кислоты в качестве источника ионов водорода. Аналогичным образом приготовляют смесь с мольным отношением 1:1,4 и измеряют для этих смесей вязкость и время существования геля. Образовавшиеся аминные смолы оставляют сохнуть в течение 2 суток и визуально сравнивают их свойства.
Обнаружено, что смесь с мольным отношением 1:2 быстро реагирует до образования геля, но затвердевание происходит по истечении трех суток. Смесь с мольным отношением 1:1,4 образует гель и затвердевает быстрее. Продукт с мольным отношением 1:2 очень гладок, тверд и не имеет трещин. Продукт с мольным отношением 1:1,4 более хрупок и имеет небольшие трещины. Оба продукт размягчаются при помещении их в воду, но вновь затвердевают при высыхании. Продукт с мольным отношением 1:2 является более водостойким, что может быть, возможно, обусловлено тем фактом, что вода медленно отходит от смолы, когда начинается поперечная сшивка, в то время как, когда поперечная сшивка происходит быстро, вода улавливается внутри твердого агрегированного матрикса смолы, вследствие чего смола из-за адгезионных сил может растрескиваться и становиться хрупкой.
Преимущество смолы с мольным отношением 1:2 состоит в том, что она требует на 40% меньше мочевины, чем смола с мольным отношением 1:1,4, что отражается на себестоимости сырья и транспортных расходах.
ПРИМЕР 10:
Проведен ряд испытаний с целью определения эффективности отверждения на холоду аминной смолы, приготовленной из стабилизированного мочевиной формальдегида и мочевины (упоминаемой как смола А), а также аминной смолы, приготовленной из формальдегида и мочевины (упоминаемой как смола В). Смола А получена с использованием 1,67 г Incunite на 1 г мочевины. Смола В получена с использованием 1,67 г формалина (37% формальдегида и 7% метанола) на 1 г мочевины.
В случае использования битума в качестве битума использовалась анионная битумная эмульсия (SS60).
Жидкую смолу смешивали с грунтом, уплотняли и затем через некоторое время подвергали тесту на непрямое растягивающее усилие (НРУ). В качестве грунта брали смесь темно-бурого сланца с мелким гравием, 95% которого прошло через сито размером 13,2 мм. Смесь имела оптимальное содержание влаги 9,6%, гигроскопическую влажность 2,6% и максимальную плотность в сухом состоянии 1985 кг/м3. Для тестов НРУ использовался аппарат Маршалла и уплотняли образцы с использованием 75 ударов для битумных смесей и 50 ударов для других смесей в стандартных формах с внутренним диаметром 101,6 мм. Во влажных тестах НРУ образцы вымачивали в воде в течение 24 час. Все тесты проводили при 23°С и атмосферном давлении 85 кПа.
Тесты показали, что грунты, стабилизированные смолой А и смолой В, которые включали битум, характеризовались одним и тем же начальным ростом прочности, но добавление битума приводило к более высокой максимальной прочности у стабилизированного грунта. Максимальная прочность достигается в течение приблизительно от 7 до 24 суток, после того как из образцов испаряется вся вода.
Грунт, стабилизированный смолой А, имел более низкую сухую прочность, чем грунт, стабилизированный смолой В, но позднее его прочность возрастала до значений даже еще более высоких, чем значения прочности грунта, стабилизированного смолой В. Однако грунт, стабилизированный смолой А с битумом, обладал намного более низкой влажной прочностью, чем грунт, стабилизированный смолой В с битумом. Влажная и сухая прочности для обоих стабилизированных смолой грунтов достигали оптимума при оптимальном влагосодержании (ОВС) вне зависимости от присутствия битума.
Как влажная, так и сухая прочности образцов стабилизированного грунта возрастали с увеличением дозировок смолы А и смолы В, но достигали предела (при примерно 5% мас.) для сухой прочности, когда добавление больших количеств смолы эту прочность не увеличивало.
Как для смолы А, так и для смолы В прочность стабилизированного грунта возрастала при понижении рН от 7 до примерно 5, причем это возрастание усиливалось при добавлении битумной эмульсии. Однако влияние битума на сухую прочность грунта, стабилизированного смолой А, было минимальным.
При мольном отношении мочевина/формальдегид равном 1:2 сухая прочность образцов грунта, стабилизированного как смолой А, так и смолой В, достигала оптимума. Влажная прочность для образцов грунта, стабилизированного смолой А, при более высоких молярных отношениях повышалась.
Преимуществами изобретения является то, что может быть использован формальдегид, стабилизированный мочевиной, что приводит к уменьшению выделяющихся паров формальдегида, используется более нейтральный рН, образуются более предсказуемые равномерно поперечно сшитые полимеры, улучшается потребительская и экологическая приемлемость и уменьшаются транспортные расходы благодаря более низкому содержанию воды и более низкой воспламеняемости. Стабилизирующая грунт вяжущая композиция, приготовленная в соответствии с изобретением, характеризуется преимущественно меньшим временем существования геля, чем стабилизирующая грунт традиционная мочевиноформальдегидная вяжущая композиция. Еще одним преимуществом является то, что для приготовления стабилизированного мочевиной формальдегида может быть использован параформальдегид.
ПРИМЕР 11:
В примере делаются ссылки на следующие приложенные чертежи, в которых:
фиг.1 демонстрирует влияние начального рН смолы на время существования геля при 25°С для смолы с мольным отношением формальдегид/мочевина 1,25:1;
фиг.2 демонстрирует влияние мольного отношения формальдегид/мочевина на время существования геля при 25°С и рН 3,9;
фиг.3 демонстрирует влияние рН и добавления анионного битума на вязкость смолы в процессе отверждения при температуре 25°С и мольном отношении формальдегид/мочевина 1,23:1 с добавкой битумной эмульсии SS60 в массовом отношении 1:1;
фиг.4 демонстрирует влияние начального рН смолы на 7-суточную прочность грунта, стабилизированного 2% вяжущей композиции и 2% анионной битумной эмульсии, при начальном влагосодержании грунта, установленном на 10%;
фиг.5 демонстрирует влияние стехиометрии реагентов на 7-суточную прочность грунта, стабилизированного 2% вяжущей композиции и 2% анионной битумной эмульсии, при влагосодержании грунта, установленного на 10%, и рН смолы, доведенном до значения 4,5;
фиг.6 демонстрирует влияние концентрации смолы на сухую и влажную прочности грунта, содержащего 2% анионной битумной эмульсии, при рН смолы, доведенном до значения 4,5, и влагосодержании грунта до 10%, причем перед тестированием образцы сушили на воздухе в течение 21 суток;
фиг.7 демонстрирует влияние концентрации анионной битумной эмульсии на сухую и влажную прочности грунта, содержащего 2% смолы, при рН смолы, доведенном до значения 4,5, и влагосодержании грунта до 10%, причем перед тестированием образцы сушили на воздухе в течение 21 суток;
фиг.8 демонстрирует влияние конечного влагосодержания на прочность грунта, стабилизированного 2% вяжущей композиции и 2% анионной битумной эмульсии, при мольном отношении формальдегид/мочевина 1,5:1 и рН смолы 4,5, причем образцы либо сушили на воздухе либо отверждали в полиэтиленовых мешках; и
фиг.9 демонстрирует влияние добавления синтетической фульвиновой кислоты на 7-суточную сухую прочность грунтов, освобожденных от природных органических веществ (где указано), с добавлением 2% вяжущей композиции и/или анионного битума.
Низкая стоимость и быстрая доступность делают грунт идеальным материалом для дорожного строительства. К сожалению, грунт обычно характеризуется низкой влажной прочностью и плохой объемной устойчивостью в отношении содержания влаги. Обычно высокая водопроницаемость еще более усугубляет эти нежелательные свойства. Упрочнение грунта является способом, с помощью которого существующие технические свойства модифицируются в такой степени, что грунт становится полезным строительным материалом. В идеальном случае упрочненный дорожный материал должен быть способен проявлять длительную устойчивость к деформации в условиях повторяющихся нагрузок как во влажных, так и в сухих условиях (Ballantine and Rossouw, 1989). Улучшения желаемых свойств грунта включают улучшенную обрабатываемость при строительстве, а также более высокую прочность, долговечность и устойчивость размеров при завершающем применении. Цемент, известь, битум и смола являются широко распространенными упрочнителями грунта с документированными преимуществами (Road Research Laboratory, 1952).
Объемная устойчивость грунта подразумевает его способность к сопротивлению набуханию и усадке при изменениях влагосодержания. Набухание, в частности, является проблемой, характерной для глинистых грунтов. Оно может быть причиной разрушения дорожных поверхностей и растрескивания зданий. Для предотвращения или, по крайней мере, уменьшения усадки и набухания применяются несколько стратегий. Один подход имеет целью уменьшить присущую глинистому компоненту тенденцию набухать. В некоторых случаях этого можно достичь простым добавлением к грунту извести. Целью другого подхода является предотвращение доступа воды, например, путем уплотнения пор грунта гидрофобными добавками, такими как битум. Превращение грунта в гранулированную массу может уменьшить влияние влаги. Связывание между собой частиц грунта цементационным способом также может повысить устойчивость грунта (Ballantine and Rossouw, 1989, Visser, 1994).
Этот пример имеет отношение к лабораторной оптимизации стабилизирующей системы для грунта в соответствии с изобретением, основанной на вяжущей композиции. в качестве меры эффективности упрочнения грунта было использовано непрямое растягивающее усилие (НРУ). Изучены эффекты рН отверждения, стехиометрия реагентов, тип использованной битумной эмульсии и значение органических компонентов грунта для выполнения упрочнения. Оценены также влияние влагосодержания грунта и количество упрочнителя.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Если не оговорено особо, все эксперименты проводили при постоянной температуре 23°С.
Реагенты. Технический раствор формальдегида (37%-ный, стабилизированный 7% метанола) и мочевина для удобрений (48% N) были получены из коммерческих источников. Химически чистые лимонная кислота, гидроксид кальция и гидроксид натрия получены от фирмы Chemical Supplies и использовались как таковые. Анионная битумная эмульсия (класс SS60) и катионная битумная эмульсия (классы KRS60 и KMS60) получены от фирмы Tosas.
Приготовление образца смолы. Смеси смол получали растворением соответствующего количества твердой мочевины в растворе (разбавленном) формальдегида. После этого рН доводили до требуемого значения добавлением либо лимонной кислоты либо гидроксида натрия. В случае необходимости добавляли необходимое количество битумной эмульсии. Влияние рН и стехиометрии реагентов на время существования геля смолы определяли в 10 мл образцах. Для определения влияния температуры использовали 200 мл образцы, которые помещали в воду. За изменениями вязкости в процессе отверждения следили с помощью вискозиметра Брукфильда.
Тестирование грунта. Свойства использованного в данном исследовании бурого сланца представлены в таблице 1. Грунт классифицировался в терминах TRH 14 (1985) как G7. Содержание влаги в грунте поддерживалось постоянным с помощью хранения грунта в герметичном пластиковом мешке.
Было также изучено влияние органических веществ на упрочнение грунта. С этой целью удаляли органический компонент прогреванием грунта при 500°С в течение 30 мин с последующей тщательной промывкой водой.
Приготовление образцов стабилизированного грунта. Раствор формальдегида перед растворением в нем мочевины разбавляли водой. Количество используемой для этого воды подбирали таким образом, чтобы конечная грунтовая смесь имела оптимальное влагосодержание (ОВС) равное 9,5%. ОВС - это такое содержание влаги, для которого при выбранном усилии уплотнения данного материала достигается предопределенная максимальная плотность.
Ранее сообщалось об оптимизированных способах приготовления образцов (Gemishulsen W.A. et al., 2001). В типичной процедуре к приблизительно 1 кг грунта добавлялся раствор жидкого стабилизатора и смесь тщательно перемешивалась до образования в грунтовой фазе хорошей дисперсии. Цилиндрические тест-брикеты изготовлялись с использованием уплотняющего аппарата Маршалла в соответствии со способом 2С ТМН1 Method (CSRA, 1989). Использовались стандартные формы (внутренний диаметр 101,6 мм) и производилось уплотнение с использованием 50 ударов по каждой из сторон образца. Уплотненные образцы сушили на воздухе в течение заданного числа суток. Непрямое растягивающее усилие (НРУ) определяли с использованием стандартной НРУ-машины. Если не оговорено особо, НРУ для сухих образцов определяли на образцах, которые подвергали сушке на воздухе в течение либо 7 либо 21 суток. НРУ для влажных образцов определяли после вымачивания высушенных на воздухе образцов в воде в течение 24 часов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ДИСКУССИЯ
Свойства чистой смолы
Изучены мольные отношения формальдегид/мочевина от 1:1 до 2:1, так как этот диапазон применим для смол, используемых в качестве клеев и вяжущих композиций (Duvenhage, 1992). На стадии отверждения наблюдали, что смолы перед образованием геля становятся молочными. Это приписывалось эффекту разделения фаз: по мере протекания реакции отверждения продукты реакции постепенно становятся более гидрофобными и менее водорастворимыми (Ebdon, Hunt, and Al-Kinany, 1990; Duvenhage, 1992; Diem and Matthias, 1986; и Meyer, 1979). При рН выше 6,3 в растворе образовывался только белый осадок и образования геля не происходило. Смолистые продукты реакции, образующиеся при рН ниже указанного выше, были гомогенными, твердыми и хрупкими. С добавками битума продукты, получаемые при рН 4 или 5, обычно были более мягкими и все еще гомогенными.
Время существования геля для смолы указывает на длительность сохранения и на время, имеющееся для проведения работ. В связи с этим было решено измерять время существования геля для натуральной смолы, так как предполагалось, что это измерение обеспечит надежные оценки. рН варьировали от 3 до 8, а температуру от 13 до 34°С. Фиг.1 показывает, что время существования геля увеличивается с повышением рН отверждения. Фиг.2 дает основание предполагать линейное уменьшение времени существования геля с мольным отношением при постоянном рН отверждения равном 3,9. Температурная зависимость, как и ожидалось, отвечала температурной зависимости Аррениуса (Duvenhage, 1992; Diem and Matthias, 1986; и Meyer, 1979). Для рН отверждения равного 4,0 при мольном отношении формальдегид/мочевина 1,25:1 данные коррелируются в соответствии с:
где tgel означает время существования геля в сек, Т - температуру в градусах Кельвина и R - газовую постоянную (8,314 Дж/(моль К)).
Добавление битумной эмульсии оказало лишь незначительное влияние на время существования геля. Фиг.3 демонстрирует влияние рН и добавление анионной битумной эмульсии на изменение вязкости смолы. Является очевидным, что они оказывают ускоряющее действие на скорость отверждения.
Факторы, влияющие на упрочнение грунта
Предполагалось, что в присутствии грунта реакции отверждения должны модифицироваться. В связи с этим было принято решение изучить влияние параметров реакции опосредованно, оценивая их влияние на эффективность упрочнения грунта. Для следующих параметров, если какой-либо из них не варьировался в эксперименте, выдерживались следующие значения: по 2% смолы и анионной битумной эмульсии; исходный рН смолы 4,5; мольное отношение формальдегид/мочевина 1,5:1; и время сушки на воздухе 21 суток.
Стехиометрия и исходный рН смолы
Фиг.4 показывает, что прочность сухого грунта увеличивается с понижением исходного рН смолы. Так как 1 час является разумным временем для адекватного применения упрочнителей грунта, было выбрано значение рН 4 как наиболее низкое пригодное значение. Фиг.5 показывает, что наиболее высокая прочность достигается при мольном отношении формальдегид/мочевина 2:1. Однако высокое содержание свободного формальдегида является нежелательным с точки зрения применения. Поэтому было решено использовать для практических целей отношение 1,5:1.
Уровень дозировки упрочнителя и тип битумной эмульсии
Влияние типа битума определяли с использованием 2%-ной дозировки вместе с 2% смолы. Только анионная битумная эмульсия дала улучшение как в отношении сухой, так и в отношении влажной прочности. В то время как улучшение сухой прочности было несущественным, улучшение влажной прочности оказалось значительным.
Фиг.6 и 7 демонстрируют влияние упрочняющей вяжущей композиции на упрочнение грунта. На фиг.6 дозировка битумной эмульсии поддерживалась постоянной, равной 2%, а содержание смолы варьировалось. При низких дозировках смолы влажная прочность уменьшается. При дальнейшем добавлении смолы НРУ возрастает и выходит на плато при содержании смолы выше 2%. Результаты, полученные при варьировании содержания битума и фиксированной концентрации смолы 2%, показывают, что основное влияние битума состоит в повышении влажной прочности упрочненного грунта (фиг.7).
Влагосодержание грунта
Влияние влагосодержания на прочность грунта было изучено при варьировании либо времени сушки либо времени вымачивания в воде. Проведены три разные серии экспериментов с варьированием времени сушки до шестидесяти суток и времени вымачивания до двух суток. Во всех случаях грунт упрочняли добавлением 2% вяжущей композиции и 2% битумной эмульсии. Одну из партий образцов просто оставляли высыхать на воздухе. Для второй партии плотное упаковывание в полиэтиленовые мешки снижало скорость потери влаги. В заключительных сериях экспериментов полностью высушенные образцы вымачивали в воде в течение 48 час.
Фиг.8 демонстрирует данные всех экспериментов на одной кривой в зависимости от влагосодержания грунта. Кривая показывает, что для достижения полной прочности необходимо снижение влагосодержания грунта ниже примерно 3%. Кривая наводит также на мысль об обратимом изменении прочности грунта в зависимости от влагосодержания.
Синтез формозы и органических компонентов грунта
Раствор формозы был приготовлен конденсацией раствора формальдегида в щелочной среде (Wiss, Socha et al., 1980). 100 г воды добавляют к 100 г 37%-ного раствора формальдегида и нагревают до кипения. К кипящей смеси через каждые 15-20 мин добавляют по 1 г Са(ОН)2 до общего количества 9 г. Через 2,5 часа реакционная смесь становится темно-бурой. Через 6 час смесь оставляют охлаждаться до комнатной температуры. При наличии органических веществ природного происхождения добавление синтетических органических веществ не дает дополнительного усиления прочности. Фиг.9 демонстрирует влияние добавления формозы к промытому грунту и песку, упрочненным вяжущей композицией. Когда грунт освобождают от органических компонентов природного происхождения, он также теряет свою естественную связность. Наряду с этим мочевиноформальдегидная смола без добавления к ней органических компонентов не оказывает упрочняющего действия на чистый грунт. Однако при добавлении формозы упрочняющая эффективность смолы резко улучшается. Сама по себе формоза обладает некоторыми упрочняющими свойствами, но только при повышенных концентрациях.
Комментарии
Хотя битумную эмульсию широко применяют при строительстве и техническом обслуживании дорог в качестве вяжущего и гидроизоляционного агента, большого положительного взаимодействия между смолой и битумом не предполагалось.
ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Измерения непрямого растягивающего усилия использовались для определения эффективности упрочнения грунта мочевиноформальдегидной смолой на буром сланцевом гравии. Обнаружено, что сочетание мочевиноформальдегидной смолы с анионной битумной эмульсией увеличивает прочность грунта до трех раз. Варьировали разные параметры системы и пришли в отношении развития прочности грунта к следующим заключениям (но при этом следует принять во внимание, что имеется много переменных величин, которые могли бы повлиять на приведенные ниже значения):
- Оптимальное значение достигается при мольном отношении формальдегид/мочевина 2:1. Однако из-за проблем, которые создает в процессе применения упрочнителя свободный формальдегид, рекомендуется более низкое отношение, а именно 1,83:1;
- Прочность увеличивается с понижением рН отверждения, но не имеет смысла использовать рН ниже 4,5, поскольку в этом случае остается слишком мало времени для обработки грунта;
- При дозировке 2% битума возрастание прочности прекращается при добавлении более 2% смолы;
- При уровне дозировки мочевиноформальдегидной смолы 2% возрастание влажной прочности прекращается при добавлении более 3% битумной эмульсии;
- Органические компоненты грунта являются важным параметром при определении эффективности упрочнения мочевиноформальдегидной смолой. Если в грунте не хватает природной органики, с успехом может быть использована формоза.
ПРИМЕР 12
В этом примере делаются ссылки на следующие прилагаемые фигуры, в которых:
фиг.10 демонстрирует влияние концентрации на развитие прочности бурого сланцевого гравия, содержащего 2% битумной эмульсии;
фиг.11 демонстрирует влияние дозировки битумной эмульсии на прочность бурого сланцевого гравия после сушки в течение 7 суток при постоянной дозировке смолы равной 2%;
фиг.12 демонстрирует влияние времени сушки на прочность бурого сланцевого гравия, упрочненного 2% вяжущей композиции с и без 2% битумной эмульсии;
фиг.13 демонстрирует влияние уплотнения и дозировки вяжущей композиции на прочность высушенного в течение 21 суток рудяка, где смолу использовали в сочетании с 2% битумной эмульсии;
фиг.14 демонстрирует влияние дозировки на прочность высушенных в течение 21 суток грунтов, уплотненных на 100% в соответствии с Mod AASHTO, где смолу использовали в сочетании с 2% битумной эмульсии; и
фиг.15 демонстрирует влияние дозировки битумной эмульсии на сухую прочность образцов грунта (С, D, Е), уплотненных на 100% в соответствии с Mod AASHTO и высушенных в течение 21 суток. Битумная эмульсия была использована в сочетании с 5% вяжущей композиции.
Факторы, влияющие на эффективность упрочнителя грунта, включают следующие:
- Грунт. Тип, вяжущая композиция, рН и категория грунта влияют на свойства и, следовательно, на эффективность упрочнителя (Road Research Laboratory, 1952). Влагосодержание грунта непосредственно влияет на прочность, но может также влиять и на упрочняющий агент.
- Упрочнитель. Уровни дозировки и применение модифицирующих агентов должны быть оптимизированы.
- Способ применения. Адекватное перемешивание является необходимым для обеспечения гомогенности дисперсии упрочнителя в грунте. Конечная прочность также в высшей степени зависит от достигаемой степени уплотнения. Время, которое можно использовать между нанесением и уплотнением и между уплотнением и эксплуатацией также влияет на рабочие характеристики.
Целью этого примера является оценка технической стойкости патентуемой отверждаемой на холоду мочевиноформальдегидной (МФ) смолы в качестве уплотнителя грунта для различных грунтов. Непрямое растягивающее усилие (НРУ) было использовано в качестве меры эффективности упрочнения грунта для исследований оптимизации смолы с использованием бурого сланцевого гравия (грунт А). Кроме того использовалось неограниченное уплотняющее усилие (НУУ) с целью подтверждения результатов, полученных на дополнительных образцах грунта, включающих известковые и кремнистые твердые частицы. Смолу оценивали в сочетании с другими добавками, такими как цемент, известь и битумная эмульсия. Оценено влияние таких факторов, как уровень дозировки и влагосодержание грунта на упрочняющие характеристики.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Материалы и кондиционирование. В качестве тестируемого упрочнителя в этом исследовании использовался мочевиноформальдегидный смоляной состав. Его использовали в сочетании с 60% анионной битумной эмульсии SABS 309. Свойства тестируемых образцов представлены в таблице 2. Для экспериментов по оптимизации исходной смолы использовали грунт А - бурый сланцевый гравий. В соответствии с классификацией Atterberg limits и CBR в терминах TRH 14 (1985), он классифицировался как материал G7. Влагосодержание грунтов поддерживалось путем хранения их в герметичных пластиковых мешках. Все эксперименты проводили при постоянной температуре 23°С. Уровни дозировки смолы и битумной эмульсии приводятся на дополнительной основе, т.е. массе, соответствующей неразбавленной жидкости, используемой в виде процентного содержания от массы сухого грунта.
Приготовление образца. Ниже приводится типичная методика приготовления образца для тестирования. Жидкая упрочняющая система была разбавлена необходимым количеством воды для обеспечения того, чтобы конечная смесь обладала оптимальным влагосодержанием (ОВС) для уплотнения. Разбавленную смолу добавляли после этого к приблизительно 1 кг грунта и тщательно перемешивали с целью хорошего распределения реагентов в грунтовой фазе. Цилиндрические тест-брикеты изготовляли с использованием уплотняющего аппарата Маршалла в соответствии со способом 2С ТМН1 Method (CSRA, 1989). Использовали стандартные формы с внутренним диаметром 101,6 мм. Уплотнение достигалось с использованием 50 ударов по каждой из сторон образца. Уплотненные образцы сушили на воздухе в течение заданного количества суток. Непрямое растягивающее усилие (НРУ) определяли в соответствии со способом ТМН1 Method A16T (CSRA, 1990). Если не оговорено особо, НРУ для сухих образцов определяли с использованием образцов, которые вначале сушили на воздухе в течение либо 7 либо 21 суток. Аналогично определяли влажную прочность после вымачивания высушенных на воздухе образцов в воде в течение 24 часов.
Оптимизация методики приготовления образцов. Изучено влияние влагосодержания уплотняемых грунтов, степень уплотнения, время сушки и время вымачивания. Во всех случаях использовали сочетание вяжущей композиции с битумной эмульсией, дозируя каждую из добавок на уровне 2%. Влагосодержание уплотняемых грунтов варьировали от 7,5 до 13,5%.
Эксперименты с цементом и известью в качестве вяжущей композиции. Эксперименты по связыванию грунтов цементом и известью проводили в соответствии со способом ТМН1 Method A13T (CSRA, 1990). Вместо сушки на воздухе уплотненные образцы выдерживали с целью отверждения в шкафу с высокой влажностью в течение семи суток. После этого образцы сушили 24 часа на воздухе и измеряли сухую прочность. Влажную прочность измеряли после вымачивания таких же образцов в течение 24 час в воде. Во всех случаях используемым цементом был портландцемент типа СЕМ 1 42.5 to SABS ENV197-1.
Неограниченное уплотняющее усилие (НУУ). Тесты на других грунтах были проведены с использованием НУУ в качестве меры эффективности вяжущей композиции в отношении упрочнения грунтов. Образцы приготовляли в соответствии со способом ТМН1 Method A14T (CSRA, 1990). В случае грунта В влияние степени уплотнения оценивали при разных уровнях дозировки смолы. В случае других грунтов образцы уплотняли до 100% по Modified AASHTO.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптимизация методики приготовления образцов. Предварительные эксперименты показали, что как сухая прочность, так и плотность грунта достигают максимума при влагосодержании уплотнения близком к значению ОВС. Поэтому это влагосодержание использовали во всех последующих тестах. Полученные в экспериментах по уплотнению результаты показали, что сухая прочность и плотность образцов стабилизировались, т.е. оставались постоянными после нанесения 50 ударов по каждой стороне. Для образцов, содержащих битум, для достижения конечной прочности требовалось длительное время сушки (>21 суток). Такое длительное время сушки часто бывает неприемлемым на практике. В связи с этим было принято решение оценивать прочность также и после семи суток сушки. Способ ТМН1 Method A13T (CSRA, 1990) предписывает время вымачивания 1 час. Однако у образцов, обработанных битумной эмульсией, настолько понижалась степень проникания воды, что было решено увеличить время вымачивания до 24 час.
Просеивание упрочняющих систем. Таблица 3 демонстрирует влияние разных упрочнителей грунтов на влажную и сухую прочности грунта А после 7 суток сушки на воздухе. Низкие значения для извести наводят на мысль, что известь не является эффективным упрочнителем грунтов для этого грунта. Цемент и вяжущая композиция являются эффективными при условии использования адекватного способа приготовления образца. Результаты, полученные с сочетанием вяжущей композиции с битумной эмульсией (с использованием способа ТМН1 Method C2), свидетельствуют о синергизме, особенно в отношении влажной прочности. В связи с этим было решено изучить эту систему более детально.
2 уплотнение сразу же после смешения с упрочнителем, сушка на воздухе в течение 7 суток
3 «-» указывает на то, что измеренные значения были слишком низки, чтобы быть значимыми.
Похожие тенденции наблюдали с образцами с цементом и вяжущей композицией, отверждаемых в течение 7 суток во влажном шкафу в соответствии со способом ТМН1 Method A13T (CSRA, 1990). С 2% вяжущей композиции развивалась незначительная прочность, в то время как сухая прочность с 6% цемента достигала 325 кПа. Сочетание 2% вяжущей композиции с 6% цемента дало сухую прочность 287 кПа и влажную прочность 124 кПа.
Оптимизация уровней дозировки смолы. Фиг.10 демонстрирует влияние уровня дозировки смолы на прочность грунта А. Дозировка битумной эмульсии была постоянной и равной 2% мас. Результаты свидетельствуют об антагонистическом взаимодействии при низких уровнях дозировки смолы. Оно особенно велико в случае влажной прочности, когда механическая целостность полностью утрачивается при уровне дозировки смолы 0,5%. При дальнейшем добавлении смолы НРУ восстанавливается и достигает своего плато при содержании смолы выше 3-3%. Фиг.10 показывает также, что длительное время сушки способствует развитию прочности.
Оптимизация уровня дозировки битума. Влияние дозировки битумной эмульсии в случае грунта А определяли при фиксированном содержании смолы равном 2%. Фиг.11 показывает, что добавление битумной эмульсии увеличивает влажную прочность.
Время сушки. Влияние сушки на воздухе было изучено на грунте А, упрочненном 2% смолы с или без добавки 2% битумной эмульсии. Фиг.12 показывает, что в отсутствие битума вяжущая композиция развивает незначительную влажную прочность даже после продолжительной сушки. Влажная прочность значительно улучшается при добавлении битума. Когда такие комбинации вяжущей композиции с битумной эмульсией сушат дольше 6 суток, влажная и сухая прочности становятся неразличимыми. Фиг.12 показывает также, что продолжительная сушка (>7 суток) является необходимой для конечных прочностей. Дальнейшие измерения позволили установить, что прочности выше 400 кПа достигаются только тогда, когда остаточное влагосодержание грунта понижено ниже 2,5%.
Уплотнение. Для изучения влияния уплотнения грунта на конечное неограниченное уплотняющее усилие (НУУ) были использованы кальциевые твердые частицы (грунт В). Их обрабатывали 2% битума и разными количествами смолы. НУУ определяли после сушки в течение 21 суток. Результаты представлены на фиг.13 и показывают, что, как правило, адекватное уплотнение грунта является существенным для достижения высоких значений НУУ.
Влияние уровней дозировки смолы и битума на прочность других грунтов. Фиг.14 и 15 демонстрируют соответственно влияние варьирования уровней дозировки смолы и битума на уплотняющее усилие для трех дополнительных тестируемых грунтов: два осадочных грунта (грунты С и D) и шерт (грунт Е). При постоянной дозировке битумной эмульсии 2% увеличение содержания смолы приводит к линейному повышению уплотняющего усилия. Когда содержание смолы поддерживается постоянным на уровне 5%, увеличение дозировки битума вначале снижает уплотняющее усилие. Однако когда содержание битума достигает приблизительно 3%, исходное уплотняющее усилие восстанавливается. Сравнение значений НУУ для грунта В (фиг.14) с грунтами С, D и Е (фиг.15) также демонстрирует большие различия для одного и того же содержания битумной эмульсии и соответствующего содержания смолы. Для каждого из протестированных образцов рабочие характеристики системы вяжущая композиция - битум ухудшались в ряду:
Шерт > красноватый осадочный грунт > доломит > рудяк
Уплотняющие усилия, полученные на шерте и рудяке, значительно различались. Это иллюстрирует значимость влияния типа грунта на характеристики упрочнителей конкретных грунтов (Ingles и Metcalf, 1972).
ОБСУЖДЕНИЕ
Синергетическое взаимодействие между цементом и вяжущей композицией можно было бы объяснить различиями в отношении потребности в воде при отверждении. При химической реакции отверждения вяжущей композиции выделяется вода. Для завершения реакции необходимо эту воду удалять. Это подтверждается наблюдением того, что полное развитие прочности в упрочненном вяжущей композицией грунте требует удаления свободной влаги. В отличие от этого отверждение цемента включает реакции гидратирования, которые используют воду. Эти противоположные требования могли бы быть лучше удовлетворены в том случае, когда обе добавки применялись бы совместно в подходящем соотношении. Цемент, поглощая избыток влаги, вызывает локальную дегидратацию и таким образом способствует более эффективному отверждению вяжущей композиции. С другой стороны, при реакции поперечного сшивания вяжущей композиции выделяется дополнительное количество воды, что способствует отверждению цемента.
Битумные эмульсии широко применяют при строительстве и техническом обслуживании дорог в качестве вяжущего и гидроизоляционного агента. Поэтому неудивительно, что она сама по себе вносит вклад в упрочнение грунта. Однако не предполагалось большого положительного взаимодействия между смолой и битумом в отношении непрямых растягивающих усилий. Неясно, что является причиной названного синергетического взаимодействия. Его можно было бы объяснить улучшением увлажнения частиц грунта, реакциями между смолой и компонентами битума или даже пластифицирующим действием битума в отношении смолы.
Ранние исследования обработки грунтов смолами сосредоточивались на уменьшении поглощения воды (Road Research Laboratory, 1952). Однако бактерии и грибки атакуют главным образом смолы и это ограничивает их применение. Заслуживает внимания то, что Otake et al (1995) не нашли доказательства биоразложения мочевиноформальдегидной смолы, заглубленной в грунте в течение 32 лет. Это наводит на мысль, что вяжущая композиция обладает изначально присущей ей устойчивостью к почвенным бактериям и грибкам. Требуются дополнительные работы для снижения наносимого здоровью вреда, связанного с использованием мочевиноформальдегидных смол при проведении работ на открытой местности.
ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Измерения непрямого растягивающего усилия на буром сланцевом гравии (грунт А) были использованы для оптимизации применения патентуемого мочевиноформальдегидного упрочнителя грунта. Сухую прочность измеряли на образцах уплотненного грунта, подвернутого сушке на воздухе в течение либо 7 либо 21 суток. Влажную прочность измеряли путем вымачивания таких образцов в воде в течение по крайней мере 1 часа. Сравнение результатов со свойствами природного грунта показало, что в этих условиях:
- Цемент и вяжущая композиция эффективны при условии, что была использована адекватная методика приготовления, которая описана в таблице 3;
- Добавление 2% вяжущей композиции удваивает сухую прочность грунта;
- Добавление 5% цемента к системе, упрочненной 2% вяжущей композиции, дает близкую сухую прочность и значительно улучшенную влажную прочность; и
- Наиболее высокие прочности получены с сочетанием вяжущей композиции (2%) и битумной эмульсии (2%). Сухая прочность, достигаемая при сушке в течение 21 суток, была почти утроена.
Было установлено, что при использовании вяжущей композиции для обработки материала из твердых частиц, такого как грунт, последний значительно твердеет и становится водостойким. Таким образом, грунт превращается в долговечный строительный материал. Обработанный грунт может быть использован для дорог; сооружений, таких как стены, полы, фундаменты и несущие конструкции для зданий; средств для хранения воды, таких как пруды, запруды, резервуары, каналы или гидроизоляция; и для насыпей, железнодорожных путей, обеспыливания, подземной цементации, туннелей, фундаментов, ограждения между стойками, пилонов, опор, труб, поверхностных покрытий, взлетных полос, спортивных площадок, армейского применения, борьбы со сбросами и загрязнениями, искусственных минералов, статуй и декоративных элементов.
Было кроме того установлено, что настоящее изобретение отличается от изобретений, раскрытых в D1 и D2, обсужденных во введении, как это следует из:
ВКЛЮЧЕНИЕ САХАРОВ
Настоящее изобретение раскрывает добавление Сахаров к реакционной смеси с целью усиления вяжущих свойств вяжущей композиции. Это не раскрыто в D1 и D2.
ГУМИНОВАЯ И ФУЛЬМИНОВАЯ КИСЛОТЫ
Настоящее изобретение раскрывает добавление гуминовой и фульминовой кислот к реакционной смеси для действия в качестве промоторов связывания с целью усиления вяжущих свойств вяжущей композиции.
Это не раскрыто в D1 и D2.
ПРОНИКАНИЕ В СРАВНЕНИИ С ФИЗИЧЕСКИМ СМЕШЕНИЕМ:
В D1 контакт с грунтом осуществляется (страница 1, строка 73 в п.1) «заливкой или распылением» «для легкого проникания в трещины в породе или в пустоты в грунте» (страница 1, строка 90, страница 2, строка 9, страница 4, строка 101, страница 6, строка 19, страница 8, строка 19).
D2 раскрывает «закачивание цементного раствора» в грунт (страница 1, строка 10, 52, страница 2, строка 128).
В настоящем изобретении материал из твердых частиц смешивается с вяжущей композицией физически (механически) и затем уплотняется с образованием хорошо смешанного единого целого.
ГЕЛЬ ИЛИ ЦЕМЕНТНЫЙ РАСТВОР В СРАВНЕНИИ С ПОПЕРЕЧНО-СШИТЫМИ ТВЕРДЫМИ МАТЕРИАЛАМИ:
D1 и D2 раскрывают «заливку или распыление» на или «закачку цементного раствора» с целью образования в грунте геля (D1 страница 1, строка 13 и D2 страница 1, строки 12, 30, 31 и 35).
В настоящем изобретении реагенты взаимодействуют, превращаясь из жидкости в гелевую фазу и затем в жесткие, твердые ряды поперечно-сшитых полимерных цепей, не являющихся гелем.
МАЛОЕ ВРЕМЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ В СРАВНЕНИИ С ДОЛГИМ ВРЕМЕНЕМ ОТВЕРЖДЕНИЯ:
В D1 реагенты реагируют с образованием геля за, например, 8 секунд, или «по возможности быстро» (страница 3, строки 37, 26, 34).
В D2 реагенты реагируют с образованием цементной массы в течение менее 4 минут, «отверждение завершается быстро» (страница 4, таблица 1).
В настоящем изобретении самопроизвольное поперечное сшивание происходит дольше чем за 30 мин и преимущественно дней и даже недель, что дает совершенной иной, лучший результат.
РАЗНЫЕ МОЛЬНЫЕ ОТНОШЕНИЯ В СРАВНЕНИИ С ИЗБЫТКОМ ФОРМАЛЬДЕГИДА
В D1 используются отношения мочевины к формальдегиду от 1:1,5 до 1:2,5, после чего количество мочевины значительно увеличивают в (3), т.е. в 3×12 раз по сравнению с массой непрореагировавшего формальдегида.
В D2 также было установлено, что результаты также ухудшаются при отношениях, превышающих 1:1,2 или 1,5.
Настоящее изобретение включает важный изобретательский уровень с избытком формальдегида при мольных отношениях мочевины к формальдегиду, превышающих 1:1,5 (что позволяет поперечное связывание в течение длительного периода со слабой кислотой).
Это увеличивает прочность в значительно большей степени, чем в D1 и D2, и непроницаемость значительно больше, чем в D1.
БОЛЬШЕ СВОБОДНОГО ФОРМАЛЬДЕГИДА В МФК:
D1 раскрывает и использует от 0,2 до 6% непрореагировавшего формальдегид в МФК (страница 2, строка 81).
D2 раскрывает предреакционный процесс при 70°С при рН более высоком, чем низкий рН, при котором остаются такие же малые количества непрореагировавшего формальдегида.
В настоящем изобретении специально используется более 6% формальдегида, который вместе со слабой кислотой (лимонной), служащей в качестве катализатора, оставляет значительно более активный избыток формальдегида с целью образования длинных полимерных цепей и поперечного связывания в течение суток/недель, что не может иметь места без избытка формальдегида или тогда, когда реакция завершается за секунды или минуты.
РАЗЛИЧНЫЕ СИЛЫ КИСЛОТ И РЕАКЦИИ
D1/D2 раскрывают традиционные сильные кислоты, используемые для завершения их реакций за секунды или минуты.
В настоящем изобретении раскрывается использование слабых органических кислот, таких как гуминовая, фульминовая, лимонная и уксусная кислоты, с целью обеспечения протекания более медленной реакции за гораздо более длительное время (дни/недели). Химическая реакция лимонной кислоты также отлична (в большей степени трехмерная, чем двумерная), что способствует образованию многомерных поперечно-сшитых цепей.
БИТУМ
В настоящем изобретении раскрывается использование битума в вяжущей композиции, что не раскрыто в D1 и D2.
Следует иметь в виду, что возможны вариации в деталях в отношении вяжущей композиции и способа обработки твердых частиц, а также способа приготовления вяжущей композиции в соответствии с изобретением без выхода за рамки приложенной формулы изобретения.
Источники информации
1. BaIlantine, R W & Rossouw, A J 1989. Stabilisation of Soils, Johannesburg: PPC Lime Ltd.
Committee of State Road Authorities (CSRA) 1990. Technical Methods for Highways (TMH1): Standard Methods of Testing Road Construction Materials, Revised Edition, ISBN 0 7988 3653 9.
2. Diem, H and Matthias, G 1986. Amino resins. Ullmans Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., Vol.A 2, Chap.11, pp 115 -139. Weinheim: VCH.
3. Duvenhage, U. (1992) "Urea-aldehyde Amino resins of Higher Water Resistance and Lower Formaldehyde Emission" Faculty of Science, University of the Witwatersrand, Johannesburg.
4. Ebdon, J.R., Hunt, В.J. and AI-Kinany, M 1990. Amino resins: New Uses for Old Polymers. In: Fawcett, A H (Ed.), High Value Polymers, Belfast: Queen' s University of Belfast, pp 109-131.
5. Ingles, O.G. and Metcalf, J В 1972. Soil Stabilisation - Principles and Practise. Oxford: Butterworth - Heinemann.
6. Weiss, A.H., Socha, R.F. et al. (1980) "Polyols from Formaldehyde, Chemtech, October pp 643-647.
7. Otake, Y., Kobayashi, T., Asabe, H., Murakami, N. and Опо, K., 1995. Biodegradation of Low-Density Polyethylene, Polystyrene, Polyvinyl Chloride, and Urea Formaldehyde Resin Buried Under Soil for Over 32 Years. Journal of Applied Polymer Science, 56:1789-1796.
8. Road Research Laboratory, 1952. Soil Mechanics for Road Engineers. London: HMSO.
Вяжущую композицию для обработки материала из твердых частиц с образованием твердого агрегационного матрикса получают, включая следующие стадии: смешение полярного растворителя и дополнительного количества мочевины; добавление битумной эмульсии; добавление мочевиноформальдегидного преконденсата; добавление других промоторов связывания с целью усиления связывания между вяжущей композицией и твердыми частицами; добавление сахара в слабую органическую кислоту; добавление слабой органической кислоты в смеси с сахаром с образованием вяжущей композиции; смешение вяжущей композиции с твердыми частицами, которая затвердевает в течение времени более 30 мин при смешении с упомянутым выше материалом из твердых частиц, причем слабую органическую кислоту подбирают таким образом, чтобы обеспечить значение рН вяжущей композиции от 2,0 до 5,3. 6 н. и 45 з.п. ф-лы, 15 ил., 3 табл.
| WO 00/40669 A1, 13.07.2000 | |||
| GB 1194227 A, 10.06.1970 | |||
| GB 1184129 A, 11.03.1970 | |||
| Контактно-вентильный преобразователь для асинхронного каскада | 1960 |
|
SU136447A1 |
| Универсальная кухонная машина | 1991 |
|
SU1792316A3 |
| (ГДР) | 0 |
|
SU403811A1 |
| РАСТВОР ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ, СЫПУЧИХ И ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОДТ:::;:::чш^га-:ол;;оугкА | 0 |
|
SU174134A1 |
