RU2509188C1 - Способ укрепления естественных грунтов и минеральных материалов для строительства дорог - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области строительства оснований и покрытий дорог с использованием песчаных, супесчаных и глинистых грунтов естественного происхождения в комбинации с другими материалами. В способе укрепления естественных грунтов и минеральных материалов для строительства дорог с использование гидравлических минеральных и водоразбавляемых полимерных связующих, включающих цемент и латекс сополимеров на основе стирола, эфиров акриловой кислоты, бутадиена, акрилонитрила, этилена с винилацетатом, винилхлоридом или их смесей с добавками загустителей на основе целлюлозы, пеногасителей силоксанового типа и эфира гликоля с регулированием рН едкой щелочью, используют указанное полимерное связующее, полимерные частицы в котором имеют размеры от 50 до 200 нм, преимущественно 80-160 нм, с добавкой в количестве 0,1-5, 0 мас.ч. на 100 мас.ч. сухого вещества указанного связующего в качестве коалесцента - эфира гликоля простых моно- или диэфира этилен- или диэтиленгликоля или ароматического углеводорода, например уайт-спирита, а величину рН, равной 6,5-9, устанавливают при использовании едкой щелочи в виде 1-2%-ного раствора. Технический результат - повышение прочности, водостойкости. 10 пр., 4 ил.

Description

Изобретение относится к области строительства оснований и покрытий дорог с использованием песчаных, супесчаных и глинистых грунтов естественного происхождения в комбинации с другими материалами, например асфальтовым гранулятом или без них, укрепленных гидравлическими вяжущими и водоразбавляемыми полимерными добавками в качестве модифицирующих грунты средств.

Известны различные способы укрепления грунтов с применением минеральных вяжущих средств и продуктов нефтепереработки, производства различных поверхностноактивных веществ, водоразбавляемых связующих полимерного типа. Так, например, для незаселенных грунтов, применяемых при строительстве дорог, аэродромов и подобных сооружений предлагается использовать высокосмолистую нефть с добавкой катионоактивного продукта на основе третичных аминов и хлорметилированных фенольных масел (Авт. свид. СССР №360356, Бюл. изобр. №36, от 13.01.1973).

При укреплении глинистых грунтов для повышения прочности, водостойкости и морозостойкости в глинистый грунт предлагается вносить полимеризованный амин жирного ряда, известь, каменноугольную смолу (Авт. свид. СССР №487204, Бюл. изобр. №37, от 12.01.1976) или, наряду с этим, использовать смесь сернокислой меди с анилином в виде отдельных составляющих или более эффективно в виде медно-анилинового комплексного соединения (Авт. свид. СССР №834306, Бюл. изобр. №20, от 30.05.1981). Однако перечисленные способы укрепления грунтов предусматривают применение довольно токсичных амино- и фенольных производных органических соединений, а также медно-анилинового комплекса, при этом в соответствующих описаниях изобретений нет каких-либо фактических данных, подтверждающих достигаемый уровень упрочнения грунтов за счет рекомендуемых добавок.

Известна дорожная смесь, состоящая из грунта и пластифицирующей добавки, в качестве которой предлагается использовать дивинилстирольный латекс, его количество по отношению к 100 мас.ч. грунта составляет 2-4 мас.ч. (Авт. свид. СССР №481661, Бюл. изобр. №31, от 25.08.1975). Недостатком данного изобретения является довольно большой объем для достижения требуемых показателей дорогостоящего дивинилстирольного латекса при укреплении грунта. Кроме того, не указывается в описании и формуле изобретения никаких требований к составу сополимера в латексе, заряду и размеру его латексных частиц, коллоидно-химических характеристик, радикально влияющих на совместимость латекса с грунтом, природа грунта и достигаемые конечные результаты от укрепления.

Влияние добавок стиролбутодиенового латекса под маркой «Nanostab», Германия, в различных количествах в комбинации с гидравлическим вяжущим портландцементом ПЦ-400-ДО-Н (портландцемент ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2003) при укреплении глинистого грунта, относящегося к пылеватым суглинкам, наиболее полно представлено в опубликованной статье (Авторы: Брехман А.И., Вдовин Е.А., Мавлиев Л.Ф. Сборник «Известия Казанского Архитектурно-строительно Университета», 2010 №2(14) с.313-318. Название статьи: «Модификация укрепленных грунтов при строительстве сельских дорог»). Исследованиями установлено увеличение прочности грунта после укрепления добавками «Nanostab» в количестве 0,5-0,75% прочности при сжатии до 39% в сравнении с образцами грунта, укрепленного только цементом. Повышение прочности на сжатие при модификации глинистого грунта с использованием полимерного связующего «Nanostab» объясняется авторами статьи образованием адсорбционного слоя на поверхности зерен цемента, проницаемого для воды, участвующей в структурообразовании цементной составляющей. Однако такое свойство полимерного слоя как водопроницаемость может служить причиной пониженной водостойкости дорожного покрытия в целом на основе глинистого грунта, для которого характерным свойством является высокая гидрофильность. Водоразбавляемое связующие с торговым названием «Nanostab» или полимерный наностабилизатор предлагается фирмой «Poligate Ltd», Германия, для укрепления грунтов и других материалов, используемых в основаниях дорожного полотна.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ укрепления естественных грунтов с использованием водоразбавляемой композиции, включающей латексный полимер, загуститель, пеногаситель гидроксиды щелочного или щелочноземельных металлов (Пат. DЕ 102008016325 А1, 2009.10.01, заявитель «Poligate Ltd.», Paolo, М.Т., Федеративная Республика Германия).

Согласно предложенному изобретению без снятия старой почвы, без вывоза ее и утилизации, не применяя дорогостоящих в несущем слое дорожного полотна толщиной 50-70 см песка, гравия и каменистых заполнителей (щебня), грунт на дорожной трассе тщательно смешивают с необходимым количеством цемента и предлагаемой латексной композицией. Совмещение грунта с гидравлическим связующим цементом и латексной композицией осуществляют с использованием смесителей роторного типа, а выравнивание и уплотнение поверхности дороги ведут с помощью грейдеров и катков известных конструкций. На поверхностный слой наносится асфальтовое покрытие или дорога эксплуатируется без него.

Запатентованный фирмой «Poligate Ltd.» состав латексной композиции типа «Nanostab» для укрепления грунтов включает предпочтительно латексы акрилата, стирол-бутадиеновые, этилена, винилацетата и винилхлорида, а также латексы бутадиенакрилонитрильные, полибутадиеновые, натуральный или их смеси в количестве 0,1-50 вес.% от массы компонентов, преимущественно 5-10 вес.%.

Загуститель в количестве от 0,05 до 5,0 вес.% используется на основе целлюлозы: карбоксиметилцеллюлоза, эфиры целлюлозы, гидроксиэтил-, гидроксипропилцеллюлозы и их смеси.

Пеногасители из широкого ассортимента коммерческих представителей, таких как силиконовой природы, эфиров гликолей, жирных спиртов, применяют в количестве от 0 до 5 вес.%.

Для регулирования величины водородного показателя рН изобретенной композиции и ее стабилизации, как представляется автором патента, особое внимание уделяется добавкам гидроксидов натрия, магния или соединений кальция. В частности, особенно предпочтительна комбинация гидроксида натрия в количестве от 0,1 до 0,15 вес.%, а для гидроксида кальция предпочтительно от 0,5 до 5 вес.%. Такая значительная дозировка по отношению к общей массе и в первую очередь относительно принятого количества латекса соли или гидроксидов двухвалентных металлов используется в патенте, по нашему мнению, с целью вызвать существенную агломерацию или резкое укрупнение полимерных глобул, или, как указывается в патенте, получить сшитые латексы, которые даже при высоких концентрациях полимера в единице объема обладают низкой вязкостью. Существенным недостатком в таких коллоидных системах является то, что основная масса различных добавок к латексу - защитные коллоиды эмульгаторы, стабилизаторы, минеральные порошкообразные вещества - концентрируются в межглобулярном пространстве и в процессе высыхания латекса на поверхности какого либо субстрата препятствуют коалесценции частиц полимера и образованию сплошной пленки, тем самым являясь как бы ее микродефектами, резко снижают однородность, прочностные характеристики и, что особенно важно, водостойкость полимерного покрытия, так как по своей природе все названные добавки или полностью водорастворимы, или обладают высокой гидрофильностью. Каких-либо данных о водостойкости пленок латексной композиции, полученной согласно патенту и, что особенно важно, для образцов укрепленных грунтов, подвергаемых в реальных условиях эксплуатации дорожного покрытия воздействию осадков или грунтовой влаги, в патенте не приводится.

Кроме этого, учитывая высокую степень дисперсности частиц глинистых грунтов, необходимым условием ликвидировать способность их взаимодействия с водой за счет нейтрализации сил поверхностного натяжения воды и обеспечения необходимых прочностных и водостойких характеристик грунтов после их укрепления латексным связующим полимерная фаза связующего должна образовывать на поверхности частиц грунта сплошную гидрофобную пленку, и только в таком случае модификатор совместно с минеральным вяжущим - цементом или известью способствует повышению физико-механических характеристик грунта, а также снижению расхода минерального вяжущего и повышенную водостойкость дорожного материала.

В связи с этими положениями и так как в патенте отсутствуют сведения о степени дисперсности полимерных глобул в водоразбавляемых латексных композициях, заявленных как в патенте, так и в документации на полимерную композицию «Nanostab», производимую по технологии владеющей рассматриваемым патентом фирмой «Poligate Ltd.», возникла необходимость более глубоко исследовать конкретные характеристики указанного полимерного связующего.

По данным инфракрасной спектроскопии пленки, изготовленной высушиванием на воздухе пробы связующего «Nanostab» на целлофановой подложке, наблюдаются три полосы поглощения в областях 1601,6; 1493,6; 1452,3 см^-1, характерные для фенильных групп звеньев стирола в сополимере. В области 965 см^-1 наблюдается полоса поглощения для связи -СН=СН-, относящейся к внутренней симметричной двойной связи звеньев бутадиена в сополимерах. Таким образом, полимерная фаза в связующем «Nanostab» представлена сополимером стирола и бутадиена. Судя по температуре пленкообразования или температуре хрупкости пленки, равной около -10°С, содержание стирола в сополимере в соответствии со справочными данными составляет 50-60%.

По внешнему виду пленка из композиции «Nanostab» непрозрачна, мутно-белого оттенка, имеет когезионную прочность при растяжении менее 0,5 МПа; после выдерживания в дистиллированной воде в течение 10 часов визуально заметно значительное набухание, а затем при встряхивании в водной среде пленка распадается на отдельные хлопья. Указанные признаки пленки непрозрачность, мутно-белый оттенок, низкая прочность при разрыве и разрушение при воздействии влаги подтверждают ее глобулярную морфологию со свойственными, вышеперечисленными недостатками. В противоположность этому пленка аналогичного бутадиенстирольного сополимера, отлитая и высушенная из 5% раствора в толуоле, однородна, прозрачна, бесцветна, деформируется при растяжении на 220% и имеет когезионную прочность 2,2 МПа, водопоглощение не более 3,6% без видимых внешних изменений в водной среде в течение 10 часов. Таким образом, для обеспечения высокой водостойкости грунтов после их укрепления полимерными добавками и, соответственно, долговечности дорог, построенных на основе укрепленных грунтов, одним из основных условий успешного выбора и применения модифицирующих грунты водоразбавляемых латексных композиций является способность применяемой полимерной фазы к образованию на поверхности любого субстрата или частиц грунта сплошной, однородной, водостойкой и довольно прочной пленки, гидрофобизирующей как отдельные частицы грунта, так и конструкцию дорожного полотна в целом. Проведенные исследования коллоидно-химических характеристик товарного продукта «Nanostab» фирмы «Poligate Ltd.», соответствующего по составу требованиям прототипа - патента DЕ 102008016325 А1, 2009.10.01, установили, что латексные частицы сополимера бутадиена со стиролом в связующем характеризуются из данных лазерной спектроскопии на современном приборе производства компании США «Microtrac Inc», модели «ZETATRAC» (NPA152-31 А) очень широким интервалом распределения по размерам в пределах от 500 до 1650 нанометров (нм), причем более 60% от общего количества частиц выходит за пределы наноразмеров и относятся к микрочастицам. В этой связи название «Nanostab» или наностабилизатор не совсем корректно.

Как и следовало ожидать, такие крупные полимерные глобулы имеют малую электрофоретическую подвижность (~0,2 мкм в секунду на вольт/см). Довольно низкий дзетта-потенциал (2,0-2,5 мв) и положительный заряд частиц связан с нейтрализацией отрицательного заряда адсорбционного слоя глобул, построенного анионоактивным защитным эмульгатором, под действием противоионов двухвалентного кальция или магния, добавляемых согласно патенту в состав латексного связующего, что может предопределять пониженную агрегативную устойчивость его при совмещении с цементом и грунтами разного минерального состава, а также недостаточный уровень водостойкости и воспроизводимости достигаемых результатов в дорожном строительстве.

Фактические испытания связующего «Nanostab» при укреплении глинистых, песчаных и супесчаных грунтов в сочетании с гидравлическим связующим цементом показали недостаточно высокие прочностные характеристики и довольно низкую водостойкость опытных образцов грунтов, после их укрепления. Кроме перечисленных технологических недостатков, например, для связующего «Nanostab» его цена при поставке фирмой в Россию для выполнения пробных испытаний составляла в 2009-2010 гг. около 4000 евро за тонну товарного продукта. При норме расхода связующего 8-12 л на м грунта затраты на его использование сильно удорожают новую технологию строительства дорог.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа укрепления естественных грунтов и минеральных материалов для строительства дорог, обеспечивающего более высокий уровень прочностных характеристик укрепленных грунтов в связи со все более высокими нагрузками на дороги автотранспорта, повышенную водостойкость и устойчивость к низким температурам, к трешинообразованию дорожного покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе укрепления естественных грунтов и минеральных матерориалов в составе водоразбавляемого полимерного связующего на основе сополимера стирола с бутадиеном, стирола с эфирами акриловой кислоты, например с бутилакрилатом, бутадиена с акрилонитрилом, этилена с винилацетатом или с винилацетатом и винилхлоридом, названные сополимеры используют в виде загущенных 6-12% водных эмульсий, со средним диаметром полимерных глобул в интервале 50-200 нм, преимущественно 80-180 нм, в комбинации с коалесцирующими добавками в количестве 0,1-5 мас.ч. по отношению к 100 мас.ч. сухого вещества связующего в виде простых моно - или диэфиров этилен- или диэтиленгликолей или ароматических углеводородов, например уайт-спирита, а для предотвращения агломерации и сохранения размера полимерных глобул в выбранных пределах устанавливают с помощью 1-2% раствора едкой щелочи значение величины водородного показателя в пределах 6,5-9,0.

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от известного, следующие:

- использование в составе водоразбавляемого связующего для укрепления естественных грунтов сополимерных латексов на основе стирола с бутадиеном или сложными эфирами акриловой кислоты, этилена с винилацетатом и винилхлоридом, с акрилонитрилом при выбранном среднем размере полимерных глобул в интервале 50-200 нм в строго контролируемой щелочной среде (рН 6,5-9,0) создает необходимые условия образования сплошного гидрофобного слоя с высокоразвитой поверхностью, превышающей во много раз гидрофильную поверхность сополимерных частиц в единице объема обрабатываемого грунта связующим известного технического решения, и тем самым обеспечивает на 20-60% более высокие прочностные характеристики при упрочнении глинистых, суглинистых и песчаных грунтов, в 1,5-2 раза большую прочность обрабатываемых смесей грунтов с добавками асфальтового гранулята;

- водостойкость грунтов, укрепленных по предлагаемому способу, в 4 - 6 раз выше, чем в известном техническом решении;

- дополнительное введение в состав укрепляющего грунты водоразбавляемого связующего коалесцирующих добавок в виде простых моно- или диэфиров этилен - или диэтиленгликолей или ароматических углеводородов (уайт-спирита) в количестве 0,1-5,0 мас.ч. по отношению к 100 мас.ч. сухого вещества в связующем повышает однородность, гидрофобность полимерной пленки и, соответственно, ведет к дополнительному увеличению на 15-20% прочностных показателей грунта и его водостойкости.

Проведение испытаний предлагаемого способа укрепления естественных грунтов и минеральных материалов для строительства дорог осуществлялось в строго одинаковых условиях смешения укрепляемого грунта с гидравлическим вяжущим цементом одной и той же марки (Портландцемент ЦВМ 1 32,5 Н ГОСТ 31108-2003), при равнозначной оптимальной влажности готовой смеси, которая составляла 11-16% и одинаковой нагрузке, равной 30 МПа при прессовании образцов в течение 2 минут для испытаний размером: высота 50 мм диаметр 50 мм. В примерах приведены результаты, получаемые по предлагаемому способу укрепления разных видов грунтов или их смесей с другими материалами при использовании водоразбавляемых полимерных связующих, в которых применяют латексы разного мономерного состава с выбранными оптимальными значениями размеров полимерных глобул в сочетании с вспомогательными добавками коалесцентов, при значениях величины pH 6,5-9,0, совместно определяющими значительные преимущества предлагаемого способа укрепления грунтов в сравнении с известным техническим решением.

Изобретение иллюстрируется примерами конкретного исполнения.

Пример 1

В стакан механического перемешивающего устройства вносят 1000 г глинистого грунта с влажностью 8%. Испытуемый глинистый грунт относится к пылеватым суглинкам, по числу (интервалу) пластичности и содержанию песчаных частиц - к легким пылеватым суглинкам. Грунт гомогенизируют с помощью механической мешалки в течение 5 мин, после чего, не прекращая перемешивание, вводят навеску цемента в количестве 100 г или 10% от массы грунта и 80 г стабилизатора грунта в виде загущенной 9% водной композиции на основе стиролбутилакрилатного латекса, имеющего по данным лазерной спектроскопии на приборе «ZETATRAC» распределение полимерных глобул по размерам преимущественно в интервале 80-120 нм в сочетании с 0,144 г или с 2% по отношению к массе сухого вещества стабилизирующей композиции коалесцентной добавки уайт-спирита. Для загущения стабилизатора грунта используется добавка в количестве 0,5 вес.% к массе стабилизатора оксипропилцеллюлозы со средней молекулярной массой 70000, а в качестве пеногасителя - 50%-ная водная эмульсия полиметилсилаксана в количестве 3,2 г по отношению к массе предлагаемого стабилизатора. Для приготовленного стабилизатора с помощью 1,0%-ного водного раствора калиевой или натриевой щелочи устанавливается величина водородного показателя рН 7,5.

Отлитая и высушенная на целлофановой подложке из связующего на основе стиролбутилакрилатного латекса пленка толщиной 0,3 мм однородна, прозрачна, бесцветна, имеет прочность при разрыве 6,5 МПа, водопоглащение после 10 часов пребывания в водной среде - 2,1 вес.%.

Перед формованием смесь грунта и укрепляющих добавок цемента и полимерного стабилизатора дополнительно перемешивают в течение 5 мин. При этом требуемую оптимальную влажность корректируют, добавляя расчетное количество воды, после чего смесь помещают в пресс-форму и образец формуют под давлением 30 МПа в течение 2 минут, затем проводят определение предела прочности на сжатие, предела прочности на растяжение при изгибе в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94, а также показателей предельного водонасыщения и морозостойкости.

Результаты определения свойств полученных образцов укрепленного пылеватого суглинка с помощью связующего на основе стиролбутилакрилатного латекса следующие: предел прочности на сжатие 11,5 МПа, предел прочности на растяжение при изгибе 3,5 МПа, предельное водонасыщение 0,1%.

Примеры 2-4

Все операции по укреплению мелкодисперсного глинистого грунта осадочного типа с содержанием до 20% карбонатных и бикарбонатных минеральных соединений осуществляются в соответствии с примером 1. При этом количество гидравлического связующего меняется в пределах 6, 8, 10 вес.% и дорожного стабилизатора 6, 8, 10 литров на 1 м по отношению к грунту.

Как показали полученные результаты испытаний, увеличение количества стабилизатора грунта на основе предложенного стиролакрилатного латекса с выбранным оптимальным размером полимерных глобул в сочетании с добавками уайт-спирита закономерно повышает водостойкость укрепленного мелкодисперсного глинистого грунта с содержанием до 20% карбонатных отложений по показателю водонасыщения в среднем на 45-50%, а прочность на сжатие и растяжение при изгибе с увеличением количества цемента и полимерного связующего растет на 25-30%.

Пример 5

В примере 1 предлагаемый способ используют для укрепления грунта, состоящего из песка с небольшим, около 5 вес.%, количеством суглинистого материала. Для укрепления используют 10 вес.% цемента и 10 л на 1 м дорожного стабилизатора, состав которого описан в примере 1. По результатам испытания изготовленные образцы после укрепления имеют прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии после выдержки в течение 28 суток согласно ГОСТ 23558-94 5,64 МПа. Образцы, изготовленные в аналогичных условиях с использованием цемента 10 вес.% и 10 л на 1 м «Nanostab», имеют прочность на сжатие 4,2 МПа или на 27,3% ниже уровня, достигаемого по предлагаемому способу.

Пример 6

В примере 1 предлагаемый способ используют для укрепления грунта, состоящего из 70 вес.% песка и 30 вес.% «чернозема» (суглинка с содержанием 6-8% органических веществ). Для укрепления комбинированного грунта применяют добавки гидравлического связующего цемента в количестве 10 вес.% и полимерного связующего по примеру 1 в объеме 8 л на 1 м³ по отношению к грунту. По результатам испытания изготовленные образцы укрепленного грунта песок-чернозем (70:30) имеют прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии после выдержки в течение 28 суток 4,8 МПа, а образцы, изготовленные в аналогичных условиях и с такими же добавками цемента и связующего «Nanostab», имеют прочность на сжатие 3,6 МПа или на 25% ниже уровня, достигаемого по предлагаемому способу.

Пример 7

В примере 1 предлагаемый способ используют для укрепления совмещенного грунта, состоящего из песка (75 вес.%) и асфальтового гранулята (25 вес.%), образующегося в результате механического измельчения и смешения основания дороги, вышедшего из рабочего состояния и асфальтового покрытия. Для укрепления грунта и реконструируемого дорожного основания, совмещенного с измельченными минеральными материалами реконструируемой дороги, используют добавки гидравлического связующего в количестве 8 вес.% и полимерного связующего по примеру 1 в объеме 10 л на 1 м по отношению к отработанному дорожному грунту, совмещенному с асфальтовым гранулятом. По результатам испытания изготовленные образцы укрепленного отработанного грунта в комбинации с асфальтовым гранулятом имеют прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии после выдерживания в течение 28 суток 13,3 МПа, а образцы, изготовленные с аналогичным составом и добавками цемента и связующего «Nanostab», имеют прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии 6,1 МПа или на 54% ниже уровня, достигаемого по предлагаемому способу.

Пример 8

В примере 1 используют для укрепления мелкодисперсный глинистый грунт осадочного типа с содержанием до 20% карбонатных и бикарбонатных отложений и гидравлическое связующее цемент в количестве 8 вес.% и водоразбавляемое полимерное связующее в количестве 8 л на 1 м³ на основе стиролбутадиенового латекса, в составе которого содержится 60 вес.% связанного стирола и 40 вес.% бутадиена. Латекс получен сополимеризацией мономеров в присутствии смеси анионактивных и неионогенных эмульгаторов, формирующих на 80% размер полимерных глобул в интервале 110-170 нм, имеющих отрицательный заряд поверхностного защитного слоя с величиной дзетта-потенциала - 16,6 мВ, с электрофоретической подвижностью глобул - 1,15 нм в сек на В/см. Указанные размеры глобул и другие физические характеристики, свойственные латексу, сохраняются также и для связующего на его основе. Так, размеры частиц в предлагаемом связующем, величины дзетта-потенциала и электрофоретической подвижности частиц полимера в 8-10 раз выше, чем в известном связующем «Nanostab». Отлитая и высушенная на целлофановой подложке из связующего на основе стиролбутадиенового латекса пленка толщиной 0,3 мм однородна, прозрачна, бесцветна, имеет прочность при разрыве 2,8 МПа, устойчива к воде, при этом предельное водопоглощение после 10 часов пребывания в водной среде составляет 1,8 вес.%.

Полимерное связующее на основе стиролбутадиенового латекса готовится как в примере 1 с использованием вместо уайт-спририта монобутилового эфира диэтиленгликоля в количестве 2,5 вес.% по отношению к массе сухого вещества латекса, а также с добавками загустителя, пеногасителя и выдерживанием величины рН 7,5-8,0. По результатам испытания изготовленные образцы укрепленного мелкодисперсного глинистого грунта осадочного типа с использованием 10 вес.% цемента и 8 л на 1 м³ приготовленного связующего имеют прочность на сжатие в среднем 11,2 МПа, прочность на сжатие при изгибе 3,4 МПа, водонасыщение - около 0,1%.

Для образцов аналогичного грунта с добавками «Nanostab» и цемента в таких же количествах получены примерно на 15% более низкие прочностные показатели. В тоже время водонасыщение образцов составляет в среднем 0,6%, то есть примерно в 6 раз водостойкость образцов, укрепленных по известному способу хуже, чем в предлагаемом.

Пример 9

В примере 1 для укрепления грунта, состоящего из песка с небольшим количеством (около 5 вес.% суглинистого материала), используют 8 вес.% цемента и 8 л на 1 м грунта водоразбавляемого связующего на основе латекса, полученного сополимерезацией в водной эмульсии в присутствии анионоактивных эмульгаторов этилена (40 мас. ч.) винилацетата (20 мас. ч.) и винилхлорида (40 мас.ч). Средний размер полимерных глобул латекса и водоразбавляемого связующего на его основе, состоящего из 8, 5 вес.% указанного сополимера, 0,5 вес % оксиэтилцеллюлозы - загустителя, 0,2 вес.% полиметилсилоксана в виде 50% водной эмульсии и 3,0 вес.% по отношению к сополимеру монобутилового эфира диэтиленгликоля при величине водородного показателя рН 7,5, составлял по данным прибора «ZETATRAC» 120 нм. Отлитая и высушенная на целлофановой подложке пленка толщиной 0,25 мм однородная, глянцевая, прозрачная, имеет прочность при разрыве 5,6 МПа, водопоглощение после 10 часов - 2,6%. Образцы грунта, укрепленные цементом - 8 вес.% и предлагаемым связующим - 8 л на 1 м^3, имеют прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии после выдерживания в течение 28 суток 7,64 МПа, водонасыщение - 0,23 вес.%.

Пример 10 (по прототипу)

Для укрепления мелкодисперсного глинистого грунта осадочного типа с содержанием до 20% карбонатных и бикарбонатных отложений используют гидравлическое связующие цемент в количестве 10 вес.% и водоразбавляемое полимерное связующее в количестве 8 л на 1 м на основе стиролбутадиенового латекса, изготовленное по аналогии с рецептурой связующего, предлагаемой в известном патенте Германии DЕ 102008016325 А1, 2009.10.01. Для этого исходный стиролбутадиеновый латекс, аналогичный латексу, использованному в связующем по примеру 8, разбавляют дистиллированной водой от исходной концентрации 50,5% до содержания сухого вещества 9,0 вес.% и к объему разбавленного латекса 200 г добавляют при перемешивании 0,4 вес.% оксипропилцеллюлозы, 2 вес.% гидроксида кальция и 0,1 вес.% полиметилсилоксана - пеногасителя в виде водной 50%-ной эмульсии. Коалесцирующие добавки в связующем, изготовленном по прототипу, не применяются.

На основании анализа связующего на лазерном приборе «ZETATRAC» определяют распределение полимерных глобул по размерам. Полученные данные указывают на то, что в отличие от заявляемого способа, в котором для водоразбавляемых связующих в предложенных разных по составу латексах и связующих на их основе во всех вариантах размеры полимерных глобул укладываются в пределах 50-200 нм, преимущественно 80-160 нм и относятся к типичным наносистемам; в примере по прототипу напротив для связующего на основе стиролбутадиенового латекса, имевшего в исходном состоянии размеры полимерных глобул в интервале 110-170 нм, происходит неуправляемая агломерация частиц стиролбутадиенового полимера после введения в состав связующего гидроксида кальция. Приготовленное связующее приобретает новый интервал распределения по размерам глобул более чем на 80% в пределах от 550 до 1600 нм и более низкие показатели качества при укреплении грунта в сравнении предлагаемым способом.

Отлитая и высушенная на целлофановой подложке пленка из связующего, приготовленного по прототипу, толщиной 0,4 мм, не прозрачна, мутно-белого цвета, не однородна, имеет максимальную прочность при разрыве 0,4 МПа; при испытании на водостойкость после пребывания в водной среде в течение 10 часов пленка распадается на отдельные хлопья при встряхивании.

По результатам испытания готовых образцов на основе мелкодисперсного глинистого грунта осадочного типа с использованием для укрепления 10 вес.% цемента и 8,0 л на 1 м связующего, приготовленного по прототипу, образцы имеют прочность на сжатие 9,3 МПа, прочность на сжатие при изгибе - 2,8 МПА, а водонасыщение - 0,68%.

Таким образом, проведенными испытаниями установлено, что укрепление грунтов различного минерального состава, дисперсности и присутствия в них других материалов с использованием водоразбавляемых связующих согласно предлагаемому способу позволяет получить укрепленные материалы для дорожного строительства, соответствующие предъявляемым требованиям ГОСТ 23558 - 94 и превосходящим по уровню прочностных характеристикам на 20-60% и в 4-6 раз более устойчивые к воздействию воды в сравнении с известным способом.

Claims (1)

1. Способ укрепления естественных грунтов и минеральных материалов для строительства дорог с использование гидравлических минеральных и водоразбавляемых полимерных связующих, включающих цемент и латекс сополимеров на основе стирола, эфиров акриловой кислоты, бутадиена, акрилонитрила, этилена с винилацетатом, винилхлоридом или их смесей с добавками загустителей на основе целлюлозы, пеногасителей силоксанового типа и эфира гликоля с регулированием pH едкой щелочью, отличающийся тем, что используют указанное полимерное связующие, полимерные частицы в котором имеют размеры от 50 до 200 нм, преимущественно 80-160 нм с добавкой в количестве 0,1-5,0 мас.ч. на 100 мас.ч сухого вещества указанного связующего в качестве коалесцента эфира гликоля простых моно - или диэфира этилен - или диэтиленгликоля или ароматического углеводорода, например уайт-спирита, а величину pH, равной 6,5-9, устанавливают при использовании едкой щелочи в виде 1-2% раствора.

Images