Фибробитумоцементогрунтовая смесь Российский патент 2024 года по МПК C09K17/34 E02D3/12 

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для устройства верхних слоев конструкций дорожных одежд из укрепленных грунтов.

Известна конструкция дорожной одежды, включающая верхний слой из черного щебня, уложенного на слой цементогрунта (Дорожные одежды из цементогрунта, Могилевич В.М., из-во «Транспорт», 1973 г., стр. 70).

Недостатком данной конструкции является низкая трещиностойкость черного щебня, уложенного на цементогрунт, и как следствие проявление отраженных трещин на поверхности от низлежащего слоя из цементогрунта, ухудшающие транспортно-эксплуатационные характеристики дорожной одежды. Кроме того, в условиях высокой интенсивности движения транспорта и проездах тяжеловесной техники, срок службы верхнего слоя покрытия из черного щебня существенно сокращается.

Известны конструкции дорожной одежды, в частности, описанные в патентах РФ на полезные модели № 84858, № 136442.

Двухслойные асфальтобетонные покрытия указанных конструкций дорожных одежд имеют высокие прочностные характеристики, но низкую трещиностойкость. В данных условиях, наличие асфальтобетонных слоев, устроенных поверх стабилизированного грунта, приводит в процессе эксплуатации автомобильной дорог к появлению на поверхности асфальтобетона отражённых трещин, что существенно сокращает срок эксплуатации автомобильной дороги.

Наиболее близким техническим решением для устройства верхнего слоя конструкции дорожной одежды из укрепленных грунтов, выбранным заявителем в качестве прототипа, является композиционный состав фиброцементогрунтовой смеси, содержащий мас. %: природный грунт 63,0-80,0, портландцемент от 4,0 до 10,0, базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, длиной от 0,01 до 3,00 мм, или стеклянное волокно диной от 10,00 до 30,00 мм, или пропиленовое волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, или углеродное волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм 0,5-3,5, вода – остальное (Патент РФ на изобретение № 2785742, МПК E02D 3/12, E01C 3/04, E01C 7/36, C04B 28/04, C04B 111/20, 2022).

Известный состав имеет высокие показатели предела прочности при сжатии, изгибе и раскалывании, трещиностойкости, морозостойкости и низкие значения водонасыщения. Вместе с тем, в условиях высокой интенсивности движения транспорта, данный состав имеет низкие значения коэффициента сцепления колес автомобилей с покрытием проезжей части, что не обеспечивает безопасность дорожного движения.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение коэффициента сцепления колес автомобилей с покрытием проезжей части для дорожной одежды со слоями из укрепленных или стабилизированных грунтов в условиях интенсивных транспортных нагрузок.

Техническая задача достигается тем, что предлагаемый состав фибробитумоцементогрунтовой смеси содержит: фиброволокно, гидравлическое вяжущее - портландцемент, природный грунт, отличающаяся тем, что качестве фиброволокна используют базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, длиной от 0,01 до 3,00 мм или стеклянное волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, или полипропиленовое волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, или углеродное волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, кроме того, фибробитумоцементогрунтовая смесь дополнительно содержит щебень из изверженных метаморфических горных пород фракции 16-31,5 мм, марки по дробимости не ниже М1000 и катионную битумную эмульсию марок: ЭБДК С; ЭБПДК С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фиброволокно 0,5 – 3,5

Указанная битумная эмульсия 7,0 – 7,5

Указанный щебень 25,0 – 30,0

Портландцемент 7,0 – 10,0

Грунт остальное.

В качестве гидравлического вяжущего используют портландцемент, обычно используемый для этих целей и удовлетворяющий требованиям ГОСТ 31108-2020, например, типов ЦЕМ I 42,5 Н; ЦЕМ 0 52,5Н; ЦЕМ I 42,5Б; ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н; ЦЕМ II/А-И 32,5Н; ЦЕМ II/В-К(Ш-З-И) 32,5Б; ЦЕМ III/А 42,5Н и иных аналогичных типов.

В качестве фиброволокна используют: базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, длинной волокон от 0,01 до 10,00 мм; стеклянное волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм, либо полипропиленовое волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм, либо углеродное волокно длиной волокон от 10,00 до 30,00 мм.

В качестве щебня используют щебень из изверженных и метаморфических горных пород по ГОСТ 32703-2014 фракции 16-31,5 мм, марки по дробимости не ниже М1000.

В качестве битумной эмульсии используют катионную битумную эмульсию по ГОСТ Р 58952.1-2020 различных марок: ЭБДК С; ЭБПДК С. ЭБДК С представляет собой эмульсию битумную дорожную катионную среднераспадающуюся. По ГОСТ Р 58952.1-2020 – это эмульгированный жидкий битум, получаемый путем смешения битума и водного раствора эмульгатора, обладающий высокой клеящей способностью. ЭБПДК С представляет собой эмульсию битумно-полимерную дорожную катионную среднераспадающуюся. По ГОСТ Р 58952.1-2020 – это однородный материал, получаемый путем эмульгирования полимерно-битумного вяжущего в водном растворе эмульгатора или дополнительным модифицированием водными растворами полимера жидкого битума при его диспергировании.

В качестве грунтов могут быть использованы дисперсные несвязные и связные грунты: пески и глинистые грунты (супеси песчанистые, супеси пылеватые, суглинки легкие песчанистые, суглинки легкие пылеватые, суглинки тяжелые песчанистые, суглинки тяжелые пылеватые, глины легкие песчанистые, глины легкие пылеватые), удовлетворяющие ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация».

Щебень в составе фибробитумоцементогрунтовой смеси создает на поверхности покрытия шероховатую макроструктуру, благодаря которой обеспечиваются высокие показатели коэффициента сцепления в течение всего межремонтного периода эксплуатации автомобильной дороги. Благодаря комплексному вяжущему из портландцемента и битумной эмульсии происходит надежное сцепление и удерживание каменных зерен щебня в фибробитумоцементогрунтовой обойме. Портландцемент и битумная эмульсия в составе фибробитумоцементогрунтовой смеси создают кристаллизационно-коагуляционную структуру материала, благодаря которой смесь приобретает высокие показатели трещиностойкости, прочности и морозостойкости. Кроме того, битумная эмульсия кольматирует внутренние поры и значительно снижает показатель водонасыщения фибробитумоцементогрунтовой смеси. Фиброволокна в составе фибробитумоцементогрунтовой смеси выполняют функцию дисперсного армирования материала. Равномерно распределяясь в смеси в процессе кристаллообразования цемента они прочно удерживаются внутри цементогрунтовой матрицы и значительно усиливают прочностные показатели материала и морозостойкость, кроме того, фиброволокна препятствуют проявлению отраженных трещин на фибробитумоцементогрунтовом слое от нижележащего слоя укрепленного или стабилизированного грунта, увеличивая срок службы дорожной одежды.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод о том, что, оно соответствует критерию «новизна», т.к. заявляемая фибробитумоцементогрунтовая смесь содержит портландцемент, базальтовое фиброволокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно, щебень и битумную эмульсию в заявляемом количестве и характеризуется определенным качественным и количественным соотношением компонентов композиции.

Введение портландцемента в сочетании с фиброволокном, щебнем и битумной эмульсии в фибробитумоцементогрунтовую смесь на основе природных грунтов позволяет обеспечить формирование прочной кристаллизационно-коагуляционной структуры с включениями каменного материала, связанной волокнами фибры, которая обладает повышенным показателем коэффициента сцепления, прочностными характеристиками на сжатие и на изгиб, высокой морозостойкостью, низким водонасыщением, а также стойкостью к трещинообразованию, что является необходимыми условиями для использования данного материала в верхнем слое покрытия дорожной одежды, уложенного на слои из укрепленных или стабилизированных грунтов. В известных источниках информации не обнаружено сведений о составах, аналогичных заявляемому, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый состав может быть использован в дорожном строительстве, изготовлен из известных в науке и технике компонентов с применением известных приемов их смешения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «промышленная применимость».

Изготавливают заявляемый состав в месте производства дорожных работ и расположения природного грунта следующим образом. Портландцемент, фиброволокно и щебень вносят в грунт, перемешивают полученную смесь дорожной фрезой с последующим введением битумной эмульсии при повторном перемешивании. После перемешивания готовой фибробитумоцементогрунтовой смеси производят ее уплотнение дорожными катками. Для протекания оптимальных процессов гидратации и гидролиза портландцемента на период набора прочности материала (не менее 7 суток) производят нанесение пленкообразующего материала на поверхность фибробитумоцементогрунтовой смеси, например битумной эмульсии. После 7 суток набора прочности материала разрешается проезд по слою фибробитумоцементогрунта дорожно-строительной техники.

Для исследования свойств заявляемого состава, образцы готовились в лабораторных условиях. Составы грунтовой смеси приведены в таблице № 1, где пример № 1 – контрольный, пример № 2 – по изобретению. Коэффициент сцепления, предел прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании водонасыщенных образцов, марка по морозостойкости и водонасыщение определены по утвержденным методикам. В связи с тем, что в контрольном составе (пример № 1) по сравнению с составом по изобретению (пример № 2) отсутствует битумная эмульсия и щебень, в целях увлажнения материала до оптимальной влажности использовалась вода.

Для определения физико-механических свойств готовилось по три образца каждого состава диаметром 5 см (площадь основания 20 см²). Физико-механические свойства определены по ГОСТ 23558-94 (с изм. №1 1998 г, с изм. № 2, 2000 г.) «Смеси щебеночно-гравийно-песочные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства». Результаты определения коэффициента сцепления, предела прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании в водонасыщенном состоянии образцов, марка по морозостойкости и водонасыщение представлены в таблице № 2.

Таблица № 1

СОСТАВЫ ФИБРОБИТУМОЦЕМЕНТОГРУНТОВОЙ СМЕСИ

Ингредиенты состава, масс.% Примеры 1
2 Фиброволокно:
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 3,5 3,5 Битумная эмульсия, марки ЭБДК С 0,0 7,5 Щебень, фракции 16-31,5 мм, марки по дробимости М1000 0,0 30,0 Портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н 8,0 8,0 Грунт (суглинок легкий песчанистый) 68,5 51,0 Вода 20,0 0,0

Таблица № 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОАРАТОНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИБРОБИТУМОЦЕМЕНТОГРУНТОВОЙ СМЕСИ ПРИГОТОВЛЕННОЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ФИБРЫ

№ состава
Показатели в
зависимости от видов фибры 1 2 Требуемые значения по ГОСТ 23558-94 (табл. А1) для капительного типа дорожной одежды при устройстве слоя покрытия для районов со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 до -30 °С, не менее Коэффициент сцепления 0,23 0,39 0,3 Водонасыщение, %:
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 0,70
0,69
0,72
0,68 0,67
0,67
0,70
0,66 - Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа (марка по прочности):
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 6,75
(М60)
6,77
(М60)
6,75
(М60)
7,12
(М60) 6,98
(М60)
7,05
(М60)
6,97
(М60)
7,33
(М60) М40 Предел прочности при изгибе водонасыщенных образцов, МПа (марка по прочности):
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 1,48 (М60)
1,53
(М60)
1,51
(М60)
1,59
(М75) 1,52
(М60)
1,54
(М60)
1,53
(М60)
1,61
(М75) М40 Предел прочности при раскалывании водонасыщенных образцов, МПа:
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 1,43
1,44
1,43
1,49 1,45
1,46
1,44
1,52 - Марка по морозостойкости:
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное F25
F25
F25
F25 F25
F25
F25
F50 F25

Как видно из данных таблицы № 2, состав по изобретению (пример № 2) имеет более высокие показатели по коэффициенту сцепления, пределу прочности при сжатии, при изгибе, при раскалывании, марку по морозостойкости и меньшее значение по водонасыщению, чем контрольный состав (пример № 1) без битумной эмульсии и щебня. При этом, коэффициент сцепления по контрольному составу (пример № 1) не соответствует нормативному, а коэффициент сцепления состава по изобретению (пример № 2) выше нормативного на 0,09, что обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию автомобильной дороги в условиях интенсивных транспортных нагрузок.

Прочностные показатели и марка по морозостойкости фибробитумоцементогрунтовых смесей соответствуют требуемым значениям по ГОСТ 23558-94 (табл. А1) и могут использоваться при устройстве слоев покрытий дорожных одежд для районов со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 до -30 °С. Приведенные данные показывают, что составы по изобретению позволяют изготавливать автомобильные дороги высокого качества, которые могут эксплуатироваться в условиях интенсивных транспортных нагрузок в I и II дорожно-климатической зоне по СП 34.13330-2021 с нормативным показателем коэффициента сцепления колес автомобилей с покрытием проезжей части.

Повышенные прочностные показатели, морозостойкость и низкое водонасыщение фибробитумоцементогрунтовых образцов доказывают стойкость фибробитумоцементогрунтовых покрытий к интенсивным транспортным нагрузкам и, следовательно, увеличению срока службы дорожных одежд.

Использование предлагаемого состава фибробитумоцементогрунтой смеси для строительства верхних слоев покрытий дорог, стояночных площадок, автомагистралей, аэродромов позволяет осуществить укрепление грунтов и эксплуатацию дорожных одежд в условиях повышенных транспортных нагрузок при нормативных показателях коэффициента сцепления колес автомобилей с покрытием проезжей части.

Заявляемый состав позволяет обеспечить высокие показатели коэффициента сцепления, повышение прочности покрытия для всех категорий дорог, его несущей способности, не требует замены и перемещения исходного грунта, обеспечивая высокую экономическую эффективность строительных и ремонтных работ, увеличение срока эксплуатации в условиях интенсивных транспортных нагрузок.

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для устройства верхних слоев конструкций дорожных одежд из укрепленных грунтов. Предлагаемый состав фибробитумоцементогрунтовой смеси, содержащий в качестве фиброволокна базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно, а также битумную эмульсию, щебень, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент, природный грунт, повышает коэффициент сцепления колес автомобилей с покрытием проезжей части, прочностные показатели, трещиностойкость, морозостойкость и снижает показатель водонасыщения, что обеспечивает нормативные транспортно-эксплуатационные показатели и увеличивает срок службы покрытий автомобильных дорог в условиях интенсивных транспортных нагрузок. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Фибробитумоцементогрунтовая смесь, содержащая фиброволокно, гидравлическое вяжущее - портландцемент, природный грунт, отличающаяся тем, что качестве фиброволокна используют базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, длиной от 0,01 до 3,00 мм или стеклянное волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, или полипропиленовое волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, или углеродное волокно длиной от 10,00 до 30,00 мм, кроме того, фибробитумоцементогрунтовая смесь дополнительно содержит щебень из изверженных метаморфических горных пород фракции 16-31,5 мм, марки по дробимости не ниже М1000 и катионную битумную эмульсию марок: ЭБДК С; ЭБПДК С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фиброволокно 0,5–3,5 Указанная битумная эмульсия 7,0–7,5 Указанный щебень 25,0–30,0 Портландцемент 7,0–10,0 Грунт остальное

2. Фибробитумоцементогрунтовая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве грунтов используют пески, супеси песчанистые, супеси пылеватые, суглинки легкие песчанистые, суглинки легкие пылеватые.

3. Фибробитумоцементогрунтовая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве грунтов используют суглинки тяжелые песчанистые, суглинки тяжелые пылеватые, глины легкие песчанистые, глины легкие пылеватые.

4. Фибробитумоцементогрунтовая смесь по п.1, отличающаяся тем, что портландцемент используют с прочностью на сжатие в возрасте 28 суток не менее 32,5 МПа.