Модифицирующая комплексная добавка для элементов дорожных конструкций из грунтов и материалов, укрепленных цементом, и укрепленное цементом основание дорожной одежды Российский патент 2024 года по МПК E01C3/04 E02D3/12 C09K17/42 C09K103/00 

Группа изобретений относится к области дорожного строительства и может быть использована при выполнении работ по устройству конструктивных слоев дорожных одежд методом холодной регенерации c помощью цемента, укреплении грунтов цементом, в том числе техногенных, грунтобетонных смесей и отходов строительного производства, приготовлении щебеночно-гравийно-песчаных смесей (далее - ЩГПС) обработанных цементом, а также может применяться в составе органоминеральных смесей содержащих цемент, c целью повышения качества и долговечности конструктивных слоев оснований дорожных одежд или грунтов земляного полотна автомобильных дорог.

Из уровня техники известен модификатор (патент на изобретение №2756751, «Модификатор «Граундслаг» для шлако-грунтовых смесей, стабилизированное и укрепленное дорожное основание и способ его получения», опубл. 05.10.2021, МПК E01C 3/04, E01C 21/00).

Из уровня техники известна добавка для укрепления песчаных грунтов (патент на изобретение №2595280, «Органоминеральная добавка для укрепления песчаных грунтов», опубл. E01C 3/04, E02D 3/12, опубл. 27.08.2016).

Недостатком указанных аналогов является их ограниченная область применения в виду того, что указанные аналоги применяются для укрепления шлако-грунтовых смесей и песчаных грунтов, а область применения укрепленных цементом материалов и грунтов в строительстве значительно шире.

Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в повышении физико-механических характеристик укрепляемого цементом материала совместно с комплексной модифицирующей добавкой, в частности, в повышении его прочностных показателей, уменьшении водопоглощения и водонасыщения, повышении морозостойкости, повышении средней плотности и несущей способности, уменьшении набухания, и, как следствие, в повышении долговечности и надежности конструктивных слоев дорожных одежд или грунта земляного полотна, укрепленного цементом, а также расширение области применения материалов повторного применения в строительстве.

Указанный технический результат достигается за счет того, что комплексная модифицирующая добавка для элементов дорожных конструкций из грунтов и материалов, укрепленных цементом, представляющая собой тонкодисперсный белый (светло-серый) порошок, содержит соли высших карбоновых кислот, хлориды щелочных или щелочноземельных металлов, гидратированные алюмосиликаты, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Соли высших карбоновых кислот 25-75 Хлориды щелочных или щелочноземельных металлов 20-70 Гидратированные алюмосиликаты 5-45

Указанный технический результат также достигается за счет того, что укрепленное цементом основание дорожной одежды содержит сырьевую смесь компонентов, включающих цемент, воду и указанную выше комплексную модифицирующую добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цемент 2-20 Вода 2-20 Комплексная модифицирующая добавка 2-4% от массы цемента Материал (грунт) для укрепления остальное

В качестве материала для укрепления могут использоваться следующие виды грунтов и материалов, характеристики которых нормированы строительными требованиями:

- крупнообломочные грунты с размером частиц до 45 мм;

- пески;

- супеси;

- суглинки;

- глины, при условии доведения числа пластичности до 17 (добавление природного песка по ГОСТ 32824, дробленого песка по ГОСТ 32730, песчаного грунта по ГОСТ 33063);

- техногенные грунты по ГОСТ 25100, которые могут быть применены в качестве вторичных ресурсов, щебне-шлако-грунтовые смеси, а также отходы строительных материалов на минеральной основе, включающие в себя бой естественных каменных материалов, бетона, кирпича и строительных растворов по ГОСТ Р 70102.

Размер частиц крупнообломочных грунтов и материалов при укреплении не должен превышать 45 мм, при этом частиц фракции от 31,5 до 45 мм должно быть не более 10%.

Для повышения показателей физико-механических свойств укрепленных грунтов и материалов рекомендуется улучшать их зерновой состав гранулометрическими добавками: вторичные ресурсы, полученные в результате камнедробления, пески, вторичный асфальтобетон или вышеуказанные отходы строительных материалов.

Содержание гумусовых веществ в грунтах для укрепления должно быть не более:

- 2% - в дорожно-климатических зонах I и II;

- 4% - в дорожно-климатических зонах III - V.

Содержание примесей гипса в грунтах для укрепления должно быть не более 10%, содержание легкорастворимых солей сульфатов не должно превышать 2%, а хлоридов - 4%.

Грунты с pH менее 7 перед укреплением цементом совместно с комплексной модифицирующей добавкой должны быть предварительно обработаны известью, каустической содой или аналогичными соединениями.

Для обработки цементом совместно с комплексной модифицирующей добавкой применяют ЩГПС, соответствующие требованиям ГОСТ Р 70458.

Размер частиц в используемых щебеночно-гравийно-песчаных смесях не должен превышать 45 мм, при этом содержание частиц фракции от 31,5 до 45 мм должно быть не более 10%.

Допускается применять комплексную модифицирующую добавку в слоях дорожных одежд из органоминеральных смесей, в том числе с использованием вторичного асфальтобетона, содержащих цемент.

В качестве солей высших карбоновых кислот металлов второй группы Периодической системы Д.И. Менделеева, используются соли высших карбоновых кислот, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностную энергию на границе раздела фаз в дисперсных системах, например, стеарат кальция.

Количество солей высших карбоновых кислот 25% - 75% в составе комплексной модифицирующей добавки является оптимальным, выход за эти пределы не обеспечит повышения прочности, уменьшения водопоглощения и водонасыщения, повышения средней плотности.

Хлориды щелочных или щелочноземельных металлов могут применяться как по отдельности так и в равных соотношениях по массе, в случае их совместного применения.

В качестве хлорида щелочных или щелочноземельных металлов может применяться, например, хлорид кальция.

Количество хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов 20% - 70% в составе комплексной модифицирующей добавки является оптимальным, выход за эти пределы не обеспечит повышения морозостойкости, прочности и несущей способности.

Гидратированные алюмосиликаты могут быть как природного, так и искусственного происхождения.

В качестве гидратированного алюмосиликата может применяться, например, цеолит природного происхождения.

Количество гидратированных алюмосиликатов 5-45% в составе комплексной модифицирующей добавки является оптимальным, выход за эти пределы не обеспечит повышения прочности и уменьшении набухания.

Содержание комплексной модифицирующей добавки 2,0-4,0% от массы цемента является оптимальным, выход за эти пределы не обеспечит улучшения вышеуказанных характеристик укрепляемого цементом материала или грунта.

Количество воды должно быть оптимальным для достижения максимальной плотности укрепляемого цементом материала или грунта.

Количество цемента в укрепленном материале или грунте должно быть 2-20%, для того, чтобы обеспечить его требуемые нормируемые физико-механические характеристики.

Для достижения вышеуказанного технического результата при укреплении материалов дорожных одежд или грунтов цементом необходимо соблюдение технологии выполнения строительных работ. Технология укрепления материалов включает следующие операции:

- планировка укрепляемого слоя с приданием поперечного и продольного уклонов;

- распределение расчетного количества комплексной модифицирующей добавки и цемента с помощью распределителей, дозаторов минеральных вяжущих;

- перемешивание материала (грунта) с цементом, комплексной модифицирующей добавкой и водой с помощью ресайклера, фрезы или другой специализированной техники;

- уплотнение устраиваемого слоя катком;

- планировка укрепленного слоя автогрейдером;

- окончательная укатка;

- уход за устроенным слоем в случае необходимости.

Группа изобретений поясняется примерами (пример 1-5), а также изображениями образцов, где на фиг.1 - представлен вид образцов материала, укрепленного цементом без добавления указанной комплексной модифицирующей добавки; на фиг.2 - представлен вид образцов материала, укрепленного цементом с добавлением комплексной модифицирующей добавки.

Пример 1

Состав комплексной модифицирующей добавки

Комплексная модифицирующая добавка для элементов дорожных конструкций из грунтов и материалов, укрепленных цементом, содержит, мас.%:

Соль высших карбоновых кислот, в качестве которой взят стеарат кальция 40 Хлорид щелочных или щелочноземельных металлов, в качестве которого взят хлорид кальция 40 Гидратированный алюмосиликат, в качестве которого взят цеолит природного происхождения 20

Физико-механические показатели комплексной модифицирующей добавки должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 Наименование показателя Значение показателя Внешний вид и цвет тонкодисперсный порошок белого (светло-серого) цвета Насыпная плотность, кг/м³, не менее 650 Влажность, %, не более 2 Полный проход через сито
с квадратными ячейками размером 2 мм, %, не менее 100

В ходе проведения лабораторных исследований по влиянию комплексной модифицирующей добавки на различные типы укрепляемых цементом материалов установлено, что на достигаемый технический результат - повышение физико-механических характеристик укрепляемого (обрабатываемого) цементом материала или грунта оказывает влияние количество цемента и количество комплексной модифицирующей добавки.

При этом комплексная модифицирующая добавка оказывает различное влияние на улучшение физико-механических характеристик разных типов материалов или грунтов.

Пример 2

Дорожное основание, укрепленное цементом совместно с вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой (состав добавки по примеру 1)

Дорожное основание, укрепленное цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой по примеру 1, содержит следующие компоненты, мас.%:

Цемент 42,5Н 10 Вода 14,3 Вышеуказанная комплексная модифицирующая добавка 3% от массы цемента Грунт песчаный по ГОСТ 25100 остальное

Значения физико-механических характеристик дорожного основания, укрепленного цементом (состав по примеру 2) с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки (состав по примеру 1) и без ее добавления приведены в таблице 2.

Таблица 2 Наименование показателя Значение показателя образца №1 (без комплексной модифицирующей добавки) Значение показателя образца №2
(с комплексной модифицирующей добавкой - 3% от массы цемента) Прочность при сжатии в возрасте 28 суток, МПа 3,11 3,21 Прочность на растяжение при раскалывании в возрасте 28 суток, МПа 0,33 0,42 Водостойкость 0,95 1,00 Объемная плотность , г/см³ 1,95 1,98 Водопоглощение в течении 2 суток после полного водонасыщения, % 4,18 0,61

Пример 3

Дорожное основание, укрепленное цементом совместно с вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки (состав по примеру 1)

Дорожное основание, укрепленное цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки, содержит следующие, мас.%:

Цемент М400 10 Вода 5 Комплексная модифицирующая добавка 3% от массы цемента Песок из отсевов дробления остальное

Значения физико-механических характеристик дорожного основания, укрепленного цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки и без ее добавления приведены в таблице 3.

Таблица 3 Наименование показателя Значение показателя образца №1 (без комплексной модифицирующей добавки) Значение показателя образца №2
(с комплексной модифицирующей добавкой - 3% от массы цемента) Прочность при сжатии, в возрасте 7 суток сухих образцов, МПа 4,67 4,92 Прочность при сжатии, в возрасте 28 суток, МПа 4,67 5,00 Прочность на растяжение при раскалывании, МПа 1,07 1,20 Водопоглощение в течении 2 суток после полного водонасыщения, % 5,92 2,04

Пример 4

Дорожное основание, укрепленное цементом совместно с вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой (состав по примеру 1)

Дорожное основание, укрепленное цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой, содержит следующие компоненты, мас.%:

Цемент 42,5Н 10 Вода 11,3 Комплексная модифицирующая добавка 3% от массы цемента Смесь минеральных материалов из грунта песчаного 50% по ГОСТ 25100 и песка из отсевов дробления щебня 50% остальное

Значения физико-механических характеристик дорожного основания, укрепленного цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки (состав по примеру 1) и без ее добавления приведены в таблице 4 и таблице 5.

Таблица 4 Наименование показателя Значение показателя образца №1 (без комплексной модифицирующей добавки) Значение показателя образца №2
(с комплексной модифицирующей добавкой - 3% от массы цемента) Прочность при сжатии сухих образцов после 28 суток нормального твердения, МПа 3,13 3,37 Прочность при сжатии водонасыщенных образцов после 28 суток нормального твердения, МПа 2,65 3,05 Прочность на растяжение при раскалывании водонасыщенных образцов после 28 суток нормального твердения, МПа 0,26 0,33 Водостойкость 0,85 0,91 Прочность при сжатии водонасыщенных образцов после 85 суток нормального твердения, МПа 3,40 3,67

Таблица 5 Наименование показателя Значение показателя образца №1 (без комплексной модифицирующей добавки) Значение показателя образца №2
(с комплексной модифицирующей добавкой - 3% от массы цемента) Контрольные образцы до испытания на морозостойкость Прочность при сжатии на 28 сутки, МПа 3,09 3,17 Водопоглощение, % 3,50 1,90 25 циклов при испытании на морозостойкость Прочность при сжатии , МПа 2,02 2,94 Водопоглощение , % 4,47 3,10 Коэффициент морозостойкости 0,65 0,93 На 26 цикле произошло частичное разрушение образцов
без комплексной модифицирующей добавки Прочность при сжатии на 28 сутки, после 26 циклов замораживания-оттаивания, МПа 2,00 - На 48 цикле произошло частичное разрушение образцов
c комплексной модифицирующей добавкой Прочность при сжатии на 28 сутки, после 48 циклов замораживания-оттаивания, МПа - 2,88

Пример 5

Дорожное основание, укрепленное цементом совместно с вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой

Дорожное основание, укрепленное цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой, содержит следующие компоненты, мас.%:

Цемент М 500 8 Вода 4 Комплексная модифицирующая добавка 3% от массы цемента Смесь асфальтобетонного гранулята 50% и песка из отсевов дробления 50% остальное

Значения физико-механических характеристик дорожного основания, укрепленного цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавки (состав по примеру 1) и без ее добавления приведены в таблице 6.

Таблица 6 Наименование показателя Значение показателя образца №1 (без комплексной модифицирующей добавки) Значение показателя образца №2
(с комплексной модифицирующей добавкой - 3% от массы цемента) Прочность при сжатии, в возрасте 7 суток сухих образцов, МПа 3,83 5,00 Прочность при сжатии водонасыщенных 2 суток образцов, после 28 суток нормального твердения, МПа 4,83 5,00 Прочность при сжатии, водонасыщенных 2 суток образцов, после 60 суток нормального твердения, МПа 5,17 6,00 Прочность при сжатии водонасыщенных длительно (14 суток), после 28 суток нормального твердения, МПа 5,17 5,50 Объемная плотность после 28 суток нормального твердения, г/см³ 2,18 2,19 Водопоглощение 2 суток в воде, после 28 суток нормального твердения % 5,24 5,02 Водопоглощение длительное 14 суток в воде, после 28 суток нормального твердения, % 5,60 5,31 Набухание после 28 суток нормального твердения 0 0 Набухание после 28 суток нормального твердения и длительного 14 суток водонасыщения 0,13 0 Набухание после 60 суток нормального твердения 0,19 0,10 Объемная плотность после 60 суток нормального твердения, г/см³ 2,16 2,18 Прочность при сжатии сухих образцов, после 60 суток нормального твердения, МПа 5,25 5,92 Прочность при сжатии водонасыщенных через вакуум, после 60 суток нормального твердения, МПа 5,00 5,42 Водопоглощение (2 суток в воде), после 60 суток нормального твердения, % 1,60 1,38 Водопоглощение после полного водонасыщения в вакууме, после 60 суток нормального твердения, % 5,86 5,39 Коэффициент водостойкости после водонасыщения 2 суток в воде на 60 сутки нормально твердения 0,98 1,01

Пример 6

Дорожное основание, укрепленное цементом совместно с вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой (состав по примеру 1)

Дорожное основание, укрепленное цементом с добавлением вышеуказанной комплексной модифицирующей добавкой, содержит следующие компоненты, мас.%:

Цемент 42,5 10 Вода 11,43 Комплексная модифицирующая добавка 3% от массы цемента Смесь грунта песчаного 50% и песка из отсевов Дробления щебня 50% остальное

Исследование микроструктуры материалов, укрепленных цементом и комплексной модифицирующей добавкой, проводилось на растровом электронном микроскопе JSM-6380LV. В ходе исследований были получены изображения объектов в режиме вторично-электронной эмиссии при ускоряющем напряжении 20 кВ и увеличении от × 350 до × 10000. Изображения демонстрируют микроструктуру поверхности сколов образцов. Присутствующий на изображениях микронный маркер позволяет оценить размеры зерен, толщины слоёв и масштабы других интересующих особенностей. Для исследований поверхностей на растровом микроскопе были изготовлены свежие изломы (сколы) структур. Плоские фрагменты сколов размером 5 - 10 мм закреплялись на держателях образцов с помощью двусторонней липкой электропроводящей ленты. Подготовленные таким способом образцы на держателях размещались на гониометрическом столике в рабочей камере РЭМ и, после вакуумирования камеры, подвергались обследованию. Проведённые исследования позволяют получить изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением. Полученные изображения представлены фиг.1 и фиг.2.

По результатам исследований, выполненных методом электронной микроскопии, можно сделать заключение, что:

- у образцов материала, обработанных цементом без комплексной модифицирующей добавки (см. фиг.1), преобладает каркасная кристаллическая структура с наличием игольчатых кристаллов, характерных для кристаллов новообразований цементного камня, которые обуславливают хрупкость и ломкость материала при наложении на него внешней нагрузки;

- у образцов материала, обработанных цементом и комплексной модифицирующей добавкой (см. фиг.2), преобладает монолитная аморфная структура с наличием микропористой кристаллической сетки алюмосиликатов с размерами пор менее 50-500 нм, что обеспечивает однородность структуры материала, его стабильные физико-механические свойства. Совместное действие цемента и комплексной модифицирующей добавки связано с комплексом взаимосвязанных механизмов: каталитическая роль наноразмерных (до 100 нм) частиц как центров кристаллизации, при которой происходит снижение энергетического барьера химических и физико-химических взаимодействий; механизма, связанного с увеличением вероятности протекания химических превращений в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений при соответствующих химико-минеральном составе и высоких значениях удельной площади поверхности частиц комплексной модифицирующей добавки и наноразмерных частиц реагирующих фаз.

Группа изобретений относится к области дорожного строительства и может быть использована при выполнении работ по устройству конструктивных слоев дорожных одежд. Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в повышении физико-механических характеристик укрепляемого цементом материала совместно с комплексной модифицирующей добавкой, в частности в повышении его прочностных показателей, уменьшении водопоглощения и водонасыщения, повышении морозостойкости, повышении средней плотности и несущей способности, уменьшении набухания и, как следствие, в повышении долговечности и надежности конструктивных слоев дорожных одежд или грунта земляного полотна, укрепленного цементом, а также в расширении области применения материалов повторного применения в строительстве. Модифицирующая комплексная добавка для основания дорожной одежды из грунтов и материалов, укрепленных цементом, представляет собой тонкодисперсный белый или светло-серый порошок, содержащий соли высших карбоновых кислот, хлориды щелочных или щелочноземельных металлов, гидратированные алюмосиликаты при следующем соотношении компонентов, мас.%: соли высших карбоновых кислот 25-75, хлориды щелочных или щелочноземельных металлов 20-70, гидратированные алюмосиликаты 5-45. Укрепленное цементом основание дорожной одежды содержит сырьевую смесь компонентов, включающих цемент, воду и указанную выше комплексную модифицирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 2-20, вода 2-20, комплексная модифицирующая добавка 2-4% от массы цемента, материал (грунт) для укрепления – остальное. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл.

1. Модифицирующая комплексная добавка для основания дорожной одежды из грунтов и материалов, укрепленных цементом, представляющая собой тонкодисперсный белый или светло-серый порошок, содержащий соли высших карбоновых кислот, хлориды щелочных или щелочноземельных металлов, гидратированные алюмосиликаты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Соли высших карбоновых кислот 25-75 Хлориды щелочных или щелочноземельных металлов 20-70 Гидратированные алюмосиликаты 5-45

2. Укрепленное цементом основание дорожной одежды, содержащее сырьевую смесь компонентов, включающих цемент, воду и указанную выше комплексную модифицирующую добавку, представляющую собой тонкодисперсный белый или светло-серый порошок, содержащий компоненты в мас.%:

Соли высших карбоновых кислот 25-75 Хлориды щелочных или щелочноземельных металлов 20-70 Гидратированные алюмосиликаты 5-45,

при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цемент 2-20 Вода 2-20 Комплексная модифицирующая добавка 2-4% от массы цемента Материал (грунт) для укрепления остальное