способ получения укрепленного грунтового материала

Формула изобретения

1. Способ получения укрепленного грунтового материала, включающий замешивание наполнителя и вяжущего, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют природный грунт, а в качестве вяжущего - поливиниловый спирт в виде 3-5%-ного водного раствора в количестве, равном объему наполнителя в плотном сложении, образованную после замешивания сырьевую смесь помещают с уплотнением ее до состояния максимально плотной упаковки в формы и нагревают до температуры не выше 150°С с последующим извлечением из форм образовавшегося материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве природного грунта используют песок, супесь, суглинок, глину, грунтовую массу в состоянии естественной влажности и плотности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве, ремонте и реконструкции дорожного полотна, линейных транспортных сооружений, оснований и фундаментов искусственных сооружений, насыпей автомобильных дорог, откосов каналов, при создании насыпных грунтовых сооружений и других аналогичных целей.

В настоящее время в строительном деле существует острая потребность в галечном и щебенистом материале для закрепления конструкций оснований и бортов насыпей различного назначения и повышения несущей способности грунтов. Получение таких материалов вдали от мест их разработки экономически невыгодно, поэтому актуальной проблемой является разработка технологии производства каменного материала из разного типа местного грунта, превращения сыпучих грунтов в связные повышенной прочности.

Известно применение естественного минерального грунта в виде глин, суглинков, супесей, песков, гравия, камня для создания насыпей, гидротехнических сооружений и т.п. Недостатком аналога является необходимость устройства карьеров соответствующих грунтов и их частое отсутствие в районе строительства насыпных сооружений. [Руководство по поискам, разведке и апробированию естественных минеральных строительных материалов», М., Энергия, 1978, с.96-98.]

Известно также использование закрепляющего раствора в виде цементно-песчаной смеси с водой для повышения несущей способности мерзлых грунтов путем нагнетания в приконтактную зону грунта с фундаментом сооружения и последующего замораживания его, где за счет физико-химического эффекта упрочнения повышается несущая способность грунта. Однако данный грунтоукрепляющий материал и технология его применения не пригодны при дорожном строительстве. Способ трудоемкий и дорогостоящий, связанный с необходимостью бурения скважин и установки охлаждающих установок. [«Руководство по проектированию оснований и фундаментов», М., Стройиздат, 1980, с.64-65, 110.]

Известны материалы для укрепления грунта, используемые при устройстве дорожных покрытий, строительстве дорог и наземных сооружений, заявленные в RU №2106454 (E02D 3/12, 1998.03.10) и RU №2114238 (Е01С 3/04, 1998.06.27) Так, согласно RU №2106454, материал содержит соолигомеры, хлорид аммония, гидрат двуокиси титана, гудрон, жидкие продукты пиролиза бензина в количестве соответственно: (мас.%): 40-50; 2,7-3,4; 1,4-1,8; 0-20; 11,2-14,0; вода - остальное.

Согласно RU №2114238, грунтоукрепляющий материал включает: природный грунт, вяжущее, в качестве которого используют шлам известкового молочка ТЭЦ, или отвальный шлак черной металлургии или их смесь в соотношении 1:9-9:1, щелочной активатор рН не менее 11. В качестве природного грунта используют дисперсный мергель, в качестве щелочного активатора - известь или цемент, допускается дополнительно вводить воду для удобоукладываемости.

Предлагаемые в вышеуказанных источниках составы сложны, а применение и изготовление их вдали от мест их производства экономически невыгодно.

Известен способ, предназначенный для закрепления песка при получении покрытий дорог и откосов, согласно которому сначала получают состав смешением при нагревании карбоксиметилцеллюлозы, глины, кальцинированной соды и воды. Предварительно готовят суспензию глины в воде, нагретой до 40°С, с помощью лопастной мешалки непрерывного действия, после введения всех добавок перемешивание осуществляют еще 30 мин. Полученным составом послойно пропитывают песок, толщина слоев не более 15 мм при расходе состава - 15 л/м ².

Недостатком такого состава является его неустойчивость, склонность к расслаиванию в течение 1-24 часа, в зависимости от свойств глины, и в связи с этим невозможность транспортировки материала к месту строительства. Более того, способ экономически невыгоден.

[Патент РФ №2190060, E02D 3/12, С09К 17/40, приор. 2000.08.04, опубл. 2002.09.27.]

С целью удешевления процесса создания насыпных грунтовых сооружений (дамб, плотин, автодорог, штабелей и т.п.) и их оснований предложен материал, использующий шлам алюминиевого производства, включающий углерод в свободном и связанном состоянии, фториды и фторсоли, оксид алюминия, оксид натрия и натриевые соли, оксиды железа, кремния. Шламы, имеющие данный состав, перекачивают в шламохранилище, где они образуют массив техногенного грунта - отходов производства. По своим характеристикам они могут быть использованы в строительстве. Производится экскавация шлама, его доставка и укладка в насыпные сооружения, ограждающие дамбы с послойным уплотнением до заданных проектом показателей. Однако данный материал можно назвать местным строительным материалом, целесообразность применения которого определяется наличием данного профильного производства в данном месте строительства.

[Патент R№2242562, E02D 3/12, приоритет 2003.07.24, опубл. 2004.12.20.]

Известна композиция для упрочнения грунта, полученная смешением наполнителя, в качестве которого используют щебень, вяжущего - цемента и негашеной извести, и грунта при следующем соотношении компонентов (мас.%): наполнитель - 20,0-30,0; цемент и негашеная известь - 7,5-10,0; грунт - остальное. Благодаря введению в грунты минеральных вяжущих веществ излишняя влага расходуется на гидратацию и цементацию вяжущих, что способствует осушению и, как следствие, упрочению грунта.

Однако известная композиция может быть использована только при влажности, характеризуемой пластичностью W_n, не более 1,7%, т.к. при переходе интервала оптимальной влажности грунт приобретает мягкопластичное состояние и перестает уплотняться, что приводит к потере прочности грунта.

[«Композиционные материала на основе грунтов», А.П.Платонов, М.Н.Першин, М., 1987, с.134-136.]

Известна грунтоукрепляющая грунтовая композиция, предназначенная для переувлажненных грунтов, введение которой в грунт приводит к образованию однородного по прочности и структуре грунтового монолита, включающая наполнитель крупной фракции - щебень, и мелкой фракции - известняковый и бруситовый отсев, вяжущее - доломитовая известь и цеолит, и фермент-уплотнитель - ПАВ на основе протеинов и сахаров. Грунтовую композицию получают путем механического перемешивания всех компонентов. Полученную композицию вносят в разрыхленный укрепляемый грунт естественной влажности в количестве 10-20% от его массы. В результате химического взаимодействия грунта с компонентами укрепляющей композиции начинается процесс его цементации. Обычно указанную композицию используют только для переувлажненных грунтов, где необходимо проводить осушение грунтов. Кроме того технико-эксплуатационные свойства материала ухудшаются в условиях повышенной нагрузки.

[Патент RU №2236504, E02D 3/12, опубл. 2004.09.20 (прототип)].

Задачей настоящего изобретения является создание нового строительного материала, обеспечивающего повышенную несущую способность грунта, и расширение сырьевой базы для его получения.

Поставленная задача решается созданием способа получения укрепленного грунтового материала, включающего замешивание наполнителя и вяжущего, при этом в качестве наполнителя используют природный грунт, в качестве вяжущего - поливиниловый спирт в виде 3-5% водного раствора в количестве, равном объему наполнителя в плотном сложении, образованную после замешивания сырьевую смесь помещают в ячейки форм, уплотняют до состояния максимально плотной упаковки смеси и нагревают до температуры не выше 150°С с последующим извлечением из форм образовавшегося материала.

В качестве природного грунта используют песок, супесь, суглинок, глину, грунтовую массу в состоянии естественной влажности и плотности. Укрепленный грунтовый материал («камнегрунт») получают следующим образом.

Исходный грунт (песок, супесь, суглинок, глина) в состоянии естественной влажности и плотности замешивают в лопастной мешалке непрерывного действия с водным раствором поливинилового спирта (ПВС) с концентрацией 3-5%.

Количество ПВС определяют перед замешиванием и берут равным объему используемого исходного грунта в плотном сложении.

Полученную пасту помещают с уплотнением до максимально плотной упаковки пасты в формы с ячейками заданной формы и размера или другие пресс-формы, уплотняют и нагревают постепенно до температуры твердения полимера - в пределах 150°С. Максимально плотная упаковка зернистых материалов - широко используемый в геологии, грунтоведении, механике грунтов термин, определяющий состояние материала, при котором между частицами есть поры минимального размера, а материал частиц еще не разрушен. При таком уплотнении обеспечивается состояние «оптимальной влажности» и «оптимальной плотности» материала.

Полученную упрочненную массу «камнегрунта» вынимают из пресс-формы. Камни нужного размера и формы получают из соответствующей по геометрии пресс-формы. В случае необходимости производят дробление полученного материала, однако куски разрушенного материала могут не обладать уровнем прочности и морозостойкости ненарушенного материала.

Используют материал следующим образом.

«Камнегрунт» используют либо в качестве крупнообломочного материала (аналогично гальке, щебню), либо вносят в разрыхленный укрепляемый грунт с естественной влажностью в количестве, определяемом расчетом по требованиям условий применения согласно нормативным документам строительства. При влажности грунта меньше естественной его увлажняют, перемешивают, доводя влажность грунта до оптимальной, и уплотняют катками или вибротрамбовками.

Пример 1

Песок средней крупности замешивают с водным раствором поливинилового спирта с концентрацией 5%, доводят до состояния оптимальной влажности и плотности и помещают в форму, состоящую из ячеек заданной формы камнегрунтовых гранул. Полученную массу в ячейках формы уплотняют, нагревают, постепенно повышая температуру до 140°С. Получают песчаный камнегрунт с фракцией, определяемой конфигурацией ячеек формы.

Пример 2

В качестве исходного материала используют супесь, замешивают с водным раствором поливинилового спирта с концентрацией 4%, доводят до состояния оптимальной влажности и плотности и помещают в форму, состоящую из ячеек заданной формы камнегрунтовых гранул. Полученную массу в ячейках формы уплотняют, нагревают, постепенно повышая температуру в пределах до 140°С. Получают супесчаный камнегрунт с фракцией, определяемой конфигурацией ячеек формы.

Пример 3

Аналогично примеру 1 и 2 получают камнегрунтовые гранулы, используя в качестве исходного материала суглинок, с водным раствором поливинилового спирта с концентрацией 3%.

Физико-механические показатели полученного в примерах 1-3 укрепленного грунтового материала представлены в таблице.

№ примера/наполнитель	Удельное сцепление (мПа)	Морозостойкость (цикл)
1 - песок	3,0	200
2 - супесь	2,5	150
3 - суглинок	2,0	150

Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 «Методы определения механических свойств глинистых пород при одноосевом сжатии», на морозостойкость - в соответствии с ГОСТ 10060-87 «Методы определения морозостойкости».

Морозостойкость определялась числом циклов насыщения в растворе серно-кислого натрия и высушивания при контроле потери % веса.

Таким образом, полученный укрепленный грунтовый материал обеспечивает повышенную прочность сцепления естественного грунта, повышает несущую способность грунтов и морозостойкость, что позволяет использовать его в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов. Более того, обеспечивается возможность изготовления «камнегрунта» из местной сырьевой смеси, что является экономически выгодным, а результаты эксперимента показывают экологическую безопасность выбранного направления получения «камнегрунта».