Фиброминералогрунтовая смесь Российский патент 2025 года по МПК E01C7/36 E02D3/12 E01C3/04 C04B28/04 C04B18/162 C04B14/38 

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для укрепления грунтов при устройстве слоев оснований и покрытий дорожных одежд.

Известен состав для стабилизации грунта, содержащий гипс, цемент, известь, сажу в качестве минеральной добавки, доменный шлак и базальтовые волокна при следующем соотношении компонентов, мас.%: гипс - 35-42; известь – 17-23; цемент – 9–14; доменный шлак – 9–14; базальтовые волокна – 0,1–1,0; сажа – 17–22 (Патент РФ на изобретение № 2281356, МПК E01C7/36, 2006).

Известен состав для создания основания дорожного полотна, позволяющий повысить его прочность и долговечность, содержащий мас.%: связный грунт 67-75, зола-унос бурых углей 12,5-14,0, комовая негашёная известь 4–5, битум 1,5–2,0, хлористый кальций 1–1,5, вода 6–10,5 (Патент РФ на изобретение № 2239017, МПК E01C3/04, 2004).

Известные составы имеют небольшую гидрофобность и стойкость к эрозии, поэтому их применение ограничено в климатических зонах с повышенной влажностью и при пониженных температурах, а также в условиях переувлажненных грунтов. Кроме того, применение данных многокомпонентных составов требует большого числа технологических операций, дорожно-строительной техники и оборудования, что увеличивает сроки и стоимость строительства.

Известен состав для укрепления глинистых грунтов на основе 8% цемента и 0,05% пиридина (В.М. Безрук, И.Л. Гурячков, Т.М. Луканина, Р.А. Агапова «Укрепленные грунты. Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве» – М.: Транспорт, 1982).

Известен состав грунтовой смеси для дорожного строительства, включающий минеральное вяжущее, кремнийорганическую жидкость, воду и грунт, отличающаяся тем, что содержит в качестве кремнийорганической жидкости октилтриэтоксисилан, при следующем соотношении компонентов: грунт – 100%; портландцемент – 6–12% (сверх 100%); октилтриэтоксисилан – 0,01–0,3% (сверх 100%); вода – 8–20% (сверх 100%) (Патент РФ на изобретение № 2545228, МПК E01C21/100, 2006).

Известные составы отличается высокими показателями гидрофобности и морозостойкости, однако имеют низкую трещиностойкость цементогрунта, что снижает прочностные показатели дорожной одежды в целом и срок ее службы.

Известен состав для укрепления грунта, содержащий связующее вещество, включающее отверждаемые на воздухе в присутствии воды водные дисперсии полимеров, отличающийся тем, что состав для укрепления грунта включает фиброволокно, выбранное из группы волокон в отрезках длиной не менее 3 мм, в которую входят стеклянное волокно, базальтовое волокно, полимерное волокно, углеродное волокно, кварцевое волокно, базальтовая чешуя, волокна целлюлозы (Патент РФ на изобретение № 2373254, МПК С09К 17/100, 2006).

Известный состав имеет высокие показатели трещиностойкости, гидрофобности и морозостойкости и может быть использован для устройства конструктивных слоев дорожных одежд. Вместе с тем, известный состав характеризуется низкими прочностными показателями, что не позволяет его использовать в слоях оснований дорожных одежд капитального типа на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью движения транспорта, а также в условиях переувлажненных местных грунтов.

Наиболее близким техническим решением, 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 и может быть использован для укрепления грунтов при устройстве слоев оснований и покрытий дорожных одежд. Вместе с тем, при устройстве слоев оснований и покрытий дорожных одежд в условиях переувлажненных грунтов, распространённых в особенности в лесной зоне, известный состав характеризуется низкими прочностными показателями, что не позволяет его использовать в данных условиях.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных показателей, трещиностойкости и морозостойкости укрепленных грунтов в условиях переувлажненных грунтов лесной зоны, что обеспечивает долговечность конструкций дорожных одежд при интенсивных транспортных нагрузках.

Техническая задача достигается тем, что предлагаемый состав фиброминералогрунтовой смеси, содержащий природные грунты, гидравлическое вяжущее, в качестве которого используют портландцемент, воду, фиброволокно, например базальтовое волокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно, минеральную добавку на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Природный грунт 61,5–80,0 Портландцемент 4,0–10,0 Фиброволокно 0,5–3,5 Минеральная добавка на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона 5,0–25,0 Вода Остальное

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» с естественной влажностью не более 50%.

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 минеральной добавки на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона используют минеральный порошок размером частиц менее 0,05 мм, полученный из дробленого бетона и железобетона путем рассева.

Минеральная добавка на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона, имеет удельную поверхность не менее 2500 см²/г, поэтому она способна сорбировать своей поверхностью значительное количество избыточной воды в укрепляемом грунте и таким образом эффективно снижать естественную влажность до оптимальных значений, соответствующей максимальной плотности при уплотнении и тем самым обеспечивая высокие прочностные показатели и морозостойкость укрепленных грунтов. Благодаря химическому составу, показатель кислотности минеральной добавки pH не менее 13, в связи с этим минеральная добавка создает щелочную среду, способствующую благоприятным условиям для кристаллообразования портландцемента при укреплении грунтов, увеличивая прочностные показатели и морозостойкость укрепленных грунтов. Кроме того, основу минеральной добавки составляют диоксид кремния (SiO₂), гидросиликаты кальция (C-S-H), гидроксид кальция (Ca(OH)₂), которые эффективно кольматируют поры, а также, взаимодействуя при гидратации и гидролизе портландцемента, формируют прочную и однородную цементогрунтовую матицу, которая прочно удерживает фиброволокна, дисперсно-армирующие фиброминералогрунт. Благодаря кольматации пор, фиброминералогрунт приобретает низкие показатели водопоглощения и высокую морозостойкость, и кроме того, прочное удерживание фиброволокон в кристаллической матрице, позволяет значительно возрастать прочностным показателям на сжатие, изгиб, раскалывание и особенно на трещиностойкость укрепленных грунтов, что увеличивает срок службы дорожных одежд из фиброминералогрунтов.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод о том, что, оно соответствует критерию «новизна», т.к. заявляемая фиброминералогрунтовая смесь содержит портландцемент, базальтовое фиброволокно, являющееся отходом производства базальтовых теплоизоляционных плит, либо стеклянное волокно, либо полипропиленовое волокно, либо углеродное волокно и минеральную добавку на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона в заявляемом количестве и характеризуется определенным качественным и количественным соотношением компонентов композиции.

Введение минеральной добавки на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона и портландцемента в сочетании с фиброволокном в фиброминералогрунтовую смесь на основе природных грунтов с естественной влажностью не более 50% позволяет обеспечить формирование прочной кристаллической структуры материала, связанной внутри волокнами фибры, которая обладает повышенными прочностными характеристиками на сжатие и на изгиб, высокой морозостойкостью, низким водонасыщением, а также стойкостью к трещинообразованию. 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. Минеральный порошок на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона, портландцемент и фиброволокно вносят в грунт, перемешивают полученную смесь дорожной фрезой при необходимости с последующим введением воды до оптимальной влажности смеси, либо без введения воды, если при перемешивании минерального порошка и портландцемента с переувлажненным грунтом, влажность фиброминералогрунтовой смеси достигла оптимального значения. После перемешивания готовой грунтовой 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 фиброцементогрунта, например битумной эмульсии. После 7 суток набора прочности материала разрешается проезд по слою фиброминералогрунта дорожно-строительной техники.

Для исследования свойств заявляемого состава, образцы готовились в лабораторных условиях. Составы грунтовой смеси приведены в табл. № 1, где примеры № 2- № 3 - по изобретению, пример № 1-контрольный. Предел прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании водонасыщенных образцов, марка по морозостойкости, водонасыщение определены по утвержденным методикам.

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 предела прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании в водонасыщенном состоянии образцов, марка по морозостойкости и водонасыщение представлены в табл. № 2.

Таблица № 1

СОСТАВЫ ФИБРОМИНЕРАЛОГРУНТОВОЙ СМЕСИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА W = 13%

Ингредиенты состава, масс. % Примеры 1 2 3 Грунт (суглинок легкий песчанистый)
влажность естественная W = 13% 81,5 75,5 51,5 Портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н 8,0 8,0 8,0 Минеральная добавка на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона 0 5,0 25,0 Фиброволокно:
- базальтовое (отход производства базальтовых теплоизоляционных плит);
- стеклянное;
- полипропиленовое;
- углеродное 3,5 3,5 3,5 Вода 7,0 8,0 12,0

Как видно из данных, составы по изобретению (примеры № 2,5) имеют более высокие показатели по пределу прочности при сжатии, при изгибе, при раскалывании, марку по морозостойкости и меньшее значение по водонасыщению, чем контрольный состав (пример № 1) без минеральной добавки на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона. Увеличение дозировки минеральной добавки на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона в составе фиброминералогрунтовой смеси позволяет повышать прочностные показатели, морозостойкость и уменьшать водонасыщение.

При этом важно отметить, что эффективность действия минеральной добавки увеличивается при увеличении показателя естественной влажности грунта. Так, при естественной влажности суглинка легкого песчанистого W = 13%: предел прочности при сжатии увеличивается в среднем на 14,54%; предел прочности при изгибе увеличивается в среднем на 15,80%; предел прочности при раскалывании увеличивается в среднем на 14,99%; марка по морозостойкости возрастает с F25 до F50; водонасыщение уменьшается в среднем на 11,78%. При естественной влажности суглинка легкого песчанистого W = 50%: предел прочности при сжатии увеличивается в среднем на 50,05%; предел прочности при изгибе увеличивается в среднем на 55,84%; предел прочности при раскалывании увеличивается в среднем на 52,54%; марка по морозостойкости возрастает с F5 до F25; водонасыщение уменьшается в среднем на 25,33%.

Прочностные показатели и марка по морозостойкости фиброминералогрунтовых смесей соответствуют требуемым значениям по ГОСТ 23558-94 (табл. А1) и могут использоваться при устройстве слоев оснований дорожных одежд капительного типа 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 из укрепленных местных переувлажнённых грунтов, которые могут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности в I и II дорожно-климатической зоне по СП 34.13330-2021 и пониженных температурах.

Повышенные показатели предела прочности при изгибе и при раскалывании фиброминералогрунтовых образцов доказывают стойкость фиброминералогрунтовых покрытий к трещинообразованию и, следовательно, увеличению срока службы дорожных одежд.

Использование предлагаемого состава фиброминералогрунтовой смеси для строительства дорог, стояночных площадок, автомагистралей, аэродромов позволяет осуществить строительство и эксплуатацию дорожных одежд, из местных укрепленных грунтов с естественной влажностью не более 50%, благодаря снижению минеральной добавкой на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона естественной влажности грунтов до оптимальных значений и снижению показателя водонасыщения фиброминералогрунтовой смеси.

Заявляемый состав позволяет обеспечить повышение прочности основания или покрытия автомобильных дорог для всех категорий дорог, его несущей способности, не требует замены и перемещения исходного грунта, обеспечивая высокую экономическую эффективность строительных и ремонтных работ, повышение срока эксплуатации в условиях переувлажненных местных грунтов и пониженных температур.

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для укрепления переувлажненных грунтов при устройстве слоев оснований и покрытий дорожных одежд. Фиброминералогрунтовая смесь содержит, мас. %: природный грунт – 61,5-80,0, портландцемент – от 4,0 до 10,0, фиброволокно – 0,5-3,5, минеральную добавку на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона – 5,0-25,0, воду – остальное. Техническим результатом является повышение предела прочности при сжатии, изгибе и раскалывании, трещиностойкости, морозостойкости и уменьшение водонасыщения укрепленных грунтов с естественной влажностью не более 50%. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Фиброминералогрунтовая смесь, содержащая природный грунт, вяжущее, фиброволокно, минеральную добавку на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона и воду, отличающаяся тем, что в качестве минеральной добавки на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона используют минеральный порошок размером частиц менее 0,05 мм, полученный из дробленого бетона и железобетона путем рассева, а в качестве вяжущего используют портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%

Грунт 61,5–80,0 Портландцемент 4,0–10,0 Фиброволокно 0,5–3,5 Минеральная добавка на основе пылевидных частиц из дробленого бетона и железобетона 5,0–25,0 Вода Остальное

2. Фиброминералогрунтовая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве грунта используют пески, супеси песчанистые, супеси пылеватые, суглинки легкие песчанистые, суглинки легкие пылеватые, суглинки тяжелые песчанистые, суглинки тяжелые пылеватые, глины легкие песчанистые, глины легкие пылеватые с естественной влажностью, равной 13%.

3. Фиброминералогрунтовая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что портландцемент используют с прочностью на сжатие в возрасте 28 сут не менее 32,5 МПа.

4. Фиброминералогрунтовая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что в 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.