МОДИФИКАТОР "ГРАУНДСЛАГ" ДЛЯ ШЛАКО-ГРУНТОВЫХ СМЕСЕЙ, СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ И УКРЕПЛЕННОЕ ДОРОЖНОЕ ОСНОВАНИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК E01C3/04 E01C21/00 E02D3/12 C04B7/153 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к дорожному строительству и может быть использовано для стабилизации грунтов при создании оснований для различных плоскостных и линейных объектов: верхние и нижние слои оснований дорожных одежд капитального типа, покрытия и основания облегченного и переходного типа, морозозащитные слои дорожных одежд, верхние части рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог, железные и грунтовые дороги, в т.ч. дороги переходного типа, в которых заявленное основание выполняет функцию дорожного покрытия, а также используется при строительстве парковок, зон отдыха, промышленных полов и в других объектах строительства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен состав для стабилизации грунта и способ получения стабилизированного дорожного основания, раскрытый в RU 2717592 C1, опубл. 24.03.2020 (прототип для модификатора). Состав для стабилизации грунта включает следующие компоненты в мас.%: отсев дробления горных пород фракции до 10 мм 68,5-72,5, цеолит фракции 0,5-5 мм, с содержанием клиноптилолита в породе 40-60%, 5-15, портландцемент 6-8, стабилизирующую добавку полимерного типа - продукт полиальдольной конденсации ацетальдегида с добавками электролитов 1,0-10,0, воду - остальное.

Недостатком известного состава является низкие показатели физико-механических свойств при стабилизации грунта, т.к. данный состав не позволяет увеличить активные свойства шлака и использовать его как вяжущее.

Из уровня техники известно стабилизированное дорожное основание и способ получения стабилизированного дорожного основания, которые известны из RU 2703034 C1, опубл. 24.03.2020 (прототип для способа и дорожного основания). Способ включает следующие этапы: снятие растительного грунта; нанесение слоя отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на уплотненное грунтовое основание толщиной 40-60 % от толщины стабилизируемого дорожного основания, с последующим профилированием и уплотнением нанесенного слоя указанного отсева щебня; получение слоя шлакогрунта путем перемешивания отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства и грунта на глубину 20-50 см при одновременном или последующем увлажнении слоя шлакогрунта до влажности 15-30 %; последовательное распределение модификатора АКРОПОЛ ГСМ и портландцемента на слое шлакогрунта, при расходах модификатора 1,5-2,5 кг/м³, портландцемента 40-120 кг/м³; получение слоя стабилизированного дорожного основания путем перемешивания распределенных компонентов со шлакогрунтом, с последующим получением уплотненного дорожного основания путем уплотнения указанного перемешенного слоя и последующим проливом уплотненного дорожного основания в течение 3 суток. Стабилизированное дорожное основание включает следующие компоненты: грунт - 40-60; отсев щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства - 40-60; портландцемент, сверх 100% - 2-7; указанный модификатор, сверх 100% - 0,1-0,3.

Недостатком известного технического решения является невысокие физико-механические показатели, а также невозможность получения дорожного основания без смешивания шлака с грунтом.

Задачей заявленного изобретения является разработка стабилизированного дорожного основания с использованием отходов производства в качестве основного компонента, которое обладает пластичностью при высокой механической прочности.

Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности, морозостойкости, пластичности стабилизированного дорожного основания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что модификатор «Граундслаг» для шлако-грунтовых смесей, содержащий цеолит синтетический, ксантановая камедь, суперпластификатор С3, трилон Б, формиат кальция и пирофосфат калия, при следующем соотношении компонентов в мас. %: цеолит синтетический - 20-30; ксантановая камедь - 5-10; суперпластификатор С3 - 2-10; трилон Б - 5-10; формиат кальция - 35-50; пирофосфат калия - 2-10.

Указанный технический результат также достигается за счет того, что способ получения стабилизированного и укрепленного дорожного основания в виде монолитного слоя, включающий следующие этапы:

a) формирования грунтового основания путем снятия растительного грунта;

b) нанесение слоя отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на грунтовое основание с последующим профилированием и уплотнением нанесенного слоя указанного отсева щебня;

c) последовательное распределение модификатора «Граундслаг» и портландцемента на слое указанного отсева щебня, при расходах модификатора 1,5-2 кг/м³ портландцемента 20-40 кг/м³;

d) получение слоя стабилизированного дорожного основания путем перемешивания распределенных на этапах b) и c) компонентов, с последующим получением уплотненного дорожного основания путем уплотнения указанного перемешенного слоя и последующим проливом уплотненного дорожного основания в течение 3 суток.

При необходимости осуществляют выемку слоя слабого грунта после снятия растительного грунта, с дальнейшим замещением слоем песка или слоем отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства.

При необходимости осуществляют уплотнение грунтового основания.

При необходимости после этапа b) осуществляют смешивание отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства с грунтом.

Указанный технический результат также достигается за счет того, что стабилизированное и укрепленное дорожное основание в виде монолитного слоя, полученное описанным выше способом содержит сырьевую смесь компонентов, включающих отсев щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства, портландцемент и указанный выше модификатор «Граундслаг», при следующем соотношении компонентов в мас. %: портландцемент - 1,5-2,5; указанный модификатор, сверх - 0,1-0,3, отсев щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства - остальное.

Сырьевая смесь стабилизированного и укрепленного дорожного основания дополнительно содержит грунт в количестве 40-50 мас. %.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для получения модификатора «Граундслаг» для шлакогрунтовых смесей заявленного состава осуществляют загрузку исходных компонентов (цеолит синтетический, ксантановая камедь, суперпластификатор С3, трилон Б, формиат кальция, пирофосфат калия) в необходимом количестве в смеситель, в котором осуществляется сухое смешивание и гомогенизация введенных компонентов в течение 3-3,5 мин. В результате сухого смешивания получают заявленный модификатор, содержащий следующие компоненты в мас. %: цеолит синтетический - 20-30; ксантановая камедь - 5-10; суперпластификатор С3 - 2-10; трилон Б - 5-10; формиат кальция - 35-50; пирофосфат калия - 2-10. Загрузку исходных компонентов осуществляют при помощи весового тензометрического дозатора ДГВТ или при помощи любого аналогичного дозатора. Смешивание и гомогенизацию компонетов осуществляют в смесителе СБ-97МК или в или любом аналогичном смесителе. В таблице 1 представлен разливные состав компонентов заявленного модификатора, которые проходили испытания по стабилизации грунта с применением отсев щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства. Состав М5 (см. табл. 1) имеет наиболее оптимальные физико-механические свойства стабилизированного дорожного основания. Заявленный модификатор применяется для формирования дорожного основания, в котором в качестве основного компонента вместо заявленного отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства используют виды шлаков черной металлургии (доменные, сталеплавильные - электродуговые, конвертерные, мартеновские), а также золошлаки, при этом дорожное основание с применением других шлаков имеет физико-химические показатели, аналогичные физико-химическим показателям, раскрытым в табл. 3.

Способ получения стабилизированного и укрепленного дорожного основания в виде монолитного слоя осуществляют следующим образом.

На первом этапе осуществляют снятие растительного грунта в месте расположения будущего стабилизированного дорожного основания.

Далее осуществляют нанесение слоя отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на грунтовое основание, толщиной, соответствующей толщине будущего стабилизируемого дорожного основания, с последующим профилированием при помощи грейдера и уплотнением нанесенного слоя указанного отсева щебня при помощи прохода катка весом 8-16 тонн. При необходимости, перед нанесением слоя указанного отсева щебня осуществляют уплотнение грунтового основания без растительного слоя при помощи прохода катка весом 8-16 тонн.

Затем осуществляют последовательное распределение заявленного модификатора и портландцемента на слое указанного отсева щебня шлака, при расходе портландцемента 20-40 кг/м³ и расходе указанного модификатора 1,5-2,5 кг/м³.

На последнем этапе осуществляют получение слоя стабилизированного и укрепленного дорожного основания в виде монолитного слоя путем следующих операций: перемешивание слоя указанного отсева щебня шлака и распределенных в нем портландцемента и указанного модификатора с применением машин холодного ресайклинга (грунтосмесители-ресайклеры), при этом глубина перемешивания составляет 20-50 см; уплотнение указанного перемешенного слоя при помощи 8-12 проходов катка по одному следу. При этом первые 4-6 проходов по одному следу выполняют в статическом режиме (без включения вибрации) вальцом вперед при использовании комбинированного катка весом 16-24 со скоростью от 2 до 3 км/час. Уплотнение слоя следует производить от краев к середине с перекрытием каждого следа при последующем проходе от 30 до 40 см.

Последующие 2-3 прохода по одному следу комбинированный каток весом 16-24 производит в вибрационном режиме на скорости от 4 до 6 км/час. При возникновении дефектов, вибрацию следует отключить.

Процесс уплотнения завершает средний или тяжелый гладковальцовый каток за 3-5 проходов по следу в статическом режиме на скорости от 4 до 6 км/час.

В результате вышеописанных операций при твердении смеси заявленных компонентов стабилизированного и укрепленного дорожного основания, образуется пластичный монолитный слой стабилизированного и укрепленного спрофилированного дорожного основания, обладающего высокими физико-механическими характеристиками. При этом перед получением дорожного основания осуществляют контроль влажности грунта, которая должна соответствовать 14-18 %.

При необходимости осуществляют выемку слоя слабого грунта после снятия растительного грунта, с дальнейшим замещением слоем песка или слоем отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства. Замещенный слой имеет толщину, соответствующую толщине изъятого слоя слабого грунта.

При необходимости осуществляют уплотнение грунтового основания.

При необходимости после нанесения слоя отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на грунтовое основание, осуществляют получение слоя шлакогрунта путем перемешивания указанного отсева щебня шлака и грунта с применением машин холодного ресайклинга (грунтосмесители-ресайклеры), при этом глубина перемешивания составляет 20-50 см, толщина нанесенного шлака соответствует половине толщины будущего стабилизированного основания. При получении слоя шлакогрунта отсев щебня шлака и грунта перемешивают с одновременным увлажнением слоя шлакогрунта, либо увлажнение осуществляют после получения слоя шлакогрунта. Слой шлакогрунта увлажняют до влажности 14-18 %. При необходимости, после получения слоя шлакогрунта, осуществляют его уплотнение при помощи прохода катка весом 8-16 тонн.

Получить стабилизированное дорожное основание можно на любом существующем грунте (песчаные грунты, суглинки, супеси и другие известные грунты), кроме торфа, ила и плодородного слоя.

Отсев щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства является основным компонентом неорганического вяжущего и формирует необходимые физико-механические свойства стабилизированного дорожного основания. Заявленная фракция 0-5 мм обеспечивает необходимый уровень физико-химических показателей.

При толщине нанесения на грунтовое основание отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства ниже указанных значений приведет к ухудшению физико-механических показателей, а выше - к удорожанию стабилизированного дорожного основания, без значительного увеличения физико-химических показателей.

Портландцемент является активатором твердения отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства. При содержании цемента ниже заявленного интервала приведет к ухудшению физико-механических показателей, а выше - к образованию трещин в стабилизированное дорожное основание.

Модификатор «Граундслаг» позволяет увеличить сроки твердения стабилизированного дорожного основания и за счет наличия отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства позволяет получить стабилизированное дорожное основание с высокой прочностью и морозостойкостью, одновременно являющееся пластичным (характеризуется пределом прочности на растяжение), что позволяет сохранять свои физико-химические характеристики без разрушения длительное время. Заявленный модификатор позволяет активировать активные свойства шлака и использовать его как вяжущее (вяжущие свойства шлака усиливаются), что позволяет сократить содержание цементного вяжущего в заявленном дорожном основании, по сравнению с дорожным основанием без использования шлаков, а также приводит к отсутствию деформации заявленного дорожного основания.

Кроме того, заявленное стабилизированное дорожное основание за счет пластичности позволяет не использовать деформационные швы, которые применяют в жесткой дорожной одежде, примером которой является прототип заявленного изобретения. Отсутствие деформационных швов позволяет снизить риски при температурных разрушениях. При содержании модификатора «Граундслаг» ниже заявленного интервала приведет к ухудшению физико-механических показателей, а выше - к удорожанию стабилизированного дорожного основания, без значительного увеличения физико-химических показателей.

Перемешивание исходных компонентов заявленного стабилизированного дорожного основания на глубину ниже заявленного интервала приведет к ухудшению физико-механических показателей, а выше - к удорожанию стабилизированного дорожного основания, без значительного увеличения физико-химических показателей.

Влажность 14-18 % обеспечивает необходимый уровень физико-химических свойств стабилизированного дорожного основания при твердении смеси исходных компонентов.

Перемешивание компонентов стабилизированного дорожного основания с грунтом на глубину меньше 20 см не позволит достичь необходимый уровень физико-химических свойств, а больше 50 см - не позволит получить однородность дорожного основания.

В таблицах 2 и 3 представлены состав исходных компонентов для получения заявленного стабилизированного основания и результаты экспериментов по физико-механическим характеристикам полученного стабилизированного дорожного основания. В таблице 2 составы 1-3 включают модификатор состава М1 (см. таблицу 1), составы 4-6 - модификатор состава М2, составы 7-9 - модификатор состава М3, составы 10-15 - модификатор состава М5. В таблице 2 раскрыто содержание для составов результаты пределов прочности растяжение представлены после 90 суток твердения при полном водонасыщении. Следует отметить, что состав модификатора М5 показал оптимальные характеристики по физико-механическим характеристикам. Составы модификаторов, которые не вошли в табл. 3, показали аналогичные результаты. Замена отсева щебня фракции 0-5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на другие шлаки, раскрытые выше, показали аналогичные результаты

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Таблица 1

Состав Содержание компонентов в модификаторе в мас.% цеолит синтетический ксантановая камедь суперпластификатор С3 трилон Б формиат кальция пирофосфат калия М1 30 10 10 5 35 10 М2 20 5 8 10 50 7 М3 25 9 9 10 45 2 М4 28 7 2 7 48 8 М5 28 8 10 5 39 10 М6 28 8 8 5 43 8 М7 28 8 6 5 49 4 М8 28 8 6 10 44 4 М9 28 8 3 10 49 2

Таблица 2

№ состава Содержание компонентов в стабилизированном основании, мас.% грунт отсев щебня модификатор портландцемент 1 - остальное 0,3 1,5 2 - остальное 0,2 2 3 - остальное 0,1 3 4 - остальное 0,3 1,5 5 - остальное 0,2 2 6 - остальное 0,1 3 7 - остальное 0,3 1,5 8 - остальное 0,2 2 9 - остальное 0,1 3 10 - остальное 0,3 1,5 11 - остальное 0,2 2 12 - остальное 0,1 3 13 40 остальное 0,3 1,5 14 45 остальное 0,2 2 15 50 остальное 0,1 3

Таблица 3

№ состава Показатели Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПА Водостойкость Коэффициент морозостойкости 1 8,1/11,6¹ 3,2 1,60 F125 2 9,3/17,2 3,7 1,50 F130 3 11,8/20,6 4,1 1,28 F150 4 7,9/11,1 3,2 1,60 F125 5 9,0/16,9 3,7 1,50 F130 6 11,5/20,1 4,1 1,28 F150 7 8,0/11,2 3,2 1,60 F125 8 9,1/16,9 3,7 1,50 F130 9 11,6/20,2 4,1 1,28 F150 10 9,8/16,1 4,0 1,45 F125 11 12,8/18,2 4,1 1,35 F130 12 14,7/22,2 4,2 1,22 F150 13 9,0/15,5 3,9 1,48 F125 14 12,3/17,6 4,0 1,37 F130 15 14,1/21,7 4,1 1,25 F150 Прототип (среднее значение показателей) 6,95 2,85 1,63 F120 ГОСТ 23558-94 4,0 0,8 - F25

¹ В таблице 3 первая цифра относится к прочности на сжатие после 3 суток твердения, вторая цифра - к прочности на сжатие после 28 суток твердения.

Группа изобретений относится к дорожному строительству и может быть использовано для стабилизации грунтов при создании оснований для различных плоскостных и линейных объектов: верхние и нижние слои оснований дорожных одежд капитального типа, покрытия и основания облегченного и переходного типа, морозозащитные слои дорожных одежд, верхние части рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог, железные и грунтовые дороги. Модификатор для шлако-грунтовых смесей содержит, мас.%: цеолит синтетический 20 – 30, ксантановую камедь 5 – 10, суперпластификатор С3 2 – 10, трилон Б 5 – 10, формиат кальция 35 – 50, пирофосфат калия 2 – 10. Способ получения стабилизированного и укрепленного дорожного основания в виде монолитного слоя включает этапы: a) формирование грунтового основания путем снятия растительного грунта; b) нанесение слоя отсева щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на грунтовое основание с последующим профилированием и уплотнением нанесенного слоя указанного отсева щебня; c) последовательное распределение указанного выше модификатора и портландцемента на слое указанного отсева щебня, при расходах модификатора 1,5 – 2 кг/м³, портландцемента 20 – 40 кг/м³; d) получение слоя стабилизированного и укрепленного дорожного основания путем перемешивания распределенных на этапах b) и c) компонентов, с последующим получением уплотненного спрофилированного дорожного основания путем уплотнения указанного перемешенного слоя и последующим проливом уплотненного и спрофилированного дорожного основания в течение 3 суток. Стабилизированное и укрепленное дорожное основание в виде монолитного слоя, содержащего сырьевую смесь компонентов, мас.%: портландцемент 1,5 – 2,5, указанный выше модификатор 0,1 – 0,3, отсев щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства – остальное, полученное указанным выше способом. Группа изобретений развита в зависимых пунктах формулы. Технический результат – повышение механической прочности, морозостойкости и пластичности стабилизированного дорожного основания. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Модификатор для шлако-грунтовых смесей, содержащий цеолит синтетический, ксантановую камедь, суперпластификатор С3, трилон Б, формиат кальция и пирофосфат калия, при следующем соотношении компонентов в мас.%:

цеолит синтетический 20 – 30 ксантановая камедь 5 – 10 суперпластификатор С3 2 – 10 трилон Б 5 – 10 формиат кальция 35 – 50 пирофосфат калия 2 – 10

2. Способ получения стабилизированного и укрепленного дорожного основания в виде монолитного слоя, включающий следующие этапы:

a) формирование грунтового основания путем снятия растительного грунта;

b) нанесение слоя отсева щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства на грунтовое основание с последующим профилированием и уплотнением нанесенного слоя указанного отсева щебня;

c) последовательное распределение модификатора по п.1 и портландцемента на слое указанного отсева щебня, при расходах модификатора 1,5 – 2 кг/м³, портландцемента 20 – 40 кг/м³;

d) получение слоя стабилизированного и укрепленного дорожного основания путем перемешивания распределенных на этапах b) и c) компонентов, с последующим получением уплотненного спрофилированного дорожного основания путем уплотнения указанного перемешенного слоя и последующим проливом уплотненного и спрофилированного дорожного основания в течение 3 суток.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в случае наличия слоя слабого грунта после снятия растительного грунта до этапа b) осуществляют выемку слоя слабого грунта и замещение его слоем песка или слоем отсева щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства, причем замещенный слой имеет толщину, соответствующую толщине изъятого слоя слабого грунта.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что осуществляют уплотнение грунтового основания.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что после этапа b) осуществляют смешивание отсева щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства с грунтом на глубину перемешивания 20 - 50 см.

6. Стабилизированное и укрепленное дорожное основание в виде монолитного слоя, содержащего сырьевую смесь компонентов, содержащих отсев щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства, портландцемент и модификатор по п.1, полученное способом по п.2 при следующем соотношении компонентов в мас.%:

портландцемент 1,5 – 2,5 указанный модификатор 0,1 – 0,3 отсев щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства остальное

или, полученное способом по п.5 при следующем соотношении компонентов в мас.%:

портландцемент 1,5 – 2,5 указанный модификатор 0,1 – 0,3 грунт 40 – 50 отсев щебня фракции 0 - 5 мм сталеплавильного шлака конвертерного производства остальное.