Зміцнена ґрунтова композиція

Реферат: Зміцнена ґрунтова композиція містить ґрунт, металургійний шлак і як добавку активний мул станцій біологічного очищення стічних вод, при такому співвідношенні компонентів, мас. %: ґрунт 25-35 металургійний шлак 30-50 активний мул 25-35. UA 116256 U (12) UA 116256 U UA 116256 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до будівництва, а саме до зміцнених ґрунтових матеріалів з використанням відходів, які можуть бути застосовані для будівництва споруд, у тому числі влаштування основ автомобільних і залізничних доріг, при прокладенні інженерних комунікацій, заповненні траншей та виїмок різної конфігурації в ґрунтах, майданчиків різного призначення, в підземному будівництві тощо. У теперішній час у світовій практиці накопичено певний досвід поліпшення властивостей ґрунтів для їх подальшого використання шляхом уведення неорганічних або органічних закріплюючих компонентів. Виходячи з економічних міркувань, найбільше застосування в будівельній практиці матимуть композиційні матеріали на основі ґрунтів, у яких дефіцитні й відносно дорогі в'яжучі та добавки до них використовуються в мінімальних обсягах, а основну частину складають ті або інші відходи та побічні продукти промислових підприємств. Одним з таких відходів є активний мул станцій біологічного очищення, проблема утилізації якого є досить актуальною для великих міст. Іншим відходом, проблема утилізації якого є більш масштабною, є металургійні шлаки, відсоток застосування яких при будівництві та виробництві будівельних матеріалів є ще незначним. Відома суміш з кам'яних матеріалів, відходів промисловості і ґрунтів, укріплена цементом [1]. Ця суміш виготовляється у змішувальній установці або пересувним ґрунтозмішувачем безпосередньо на дорозі з щебеню (або гравію, піску, відходів промисловості, ґрунту) шляхом змішування з цементом і водою, а при потребі з поверхнево-активною речовиною. Також відома органо-шлако-мінеральна суміш, яку отримують на основі фрезерованого матеріалу (верхні шари існуючих доріг) з додаванням гранульованого доменного шлаку, кам'яних матеріалів (щебінь, гравій, відсіви дроблення, металургійні шлаки), які укріплені органічним і неорганічним в'яжучим шляхом змішування їх на місці виконання робіт [2]. Застосування перелічених відходів як лужних реагентів полягає у непередбачуваності їх хімічного складу, що потребує проведення додаткових випробувань для підбору співвідношення компонентів композиції. Відома [5] композиція для зміцнення ґрунтів, що містить ґрунт і модифікуючу добавку, яка складається з нафтошламу й негашеного вапна. Твердий нафтошлам має такий склад, мас. %: асфальто-смолисті речовини - 5-13, парафіни 18-40, вуглеводи 4-6, механічні домішки 35-60, вода 2-12. Недоліком є низька міцність на стиск у віці 28 діб (3,1 МПа), а також застосування енерговитратного лужного активатора - негашеного вапна. Відома [6] композиція для влаштування основ дорожніх одягів та споруд, що містить цемент, шлам хімводоочищення ТЕ1Д і, при необхідності, воду для забезпечення необхідної вологості (оптимальної для ущільнення), пісок при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: пісок 57-82 цемент 6-12 шлам хімводоочищення ТЕЦ 12-30. (на сухе) Композиція також містить полімерно-мінеральну добавку на основі лігніну, що має пластифікуючу дію та сповільнює тужавіння суміші. Недоліком цієї композиції є необхідність використання висококондиційного цементу (12 % для досягнення міцності 6,47 МПа) та використання полімерно-мінеральної добавки, що також збільшує вартість закріплення ґрунту. Відома [7] ґрунтова суміш, яка містить глинисті ґрунти, гідравлічне в'яжуче, воду і водорозчинний поліелектроліт при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: глинистий ґрунт 67,0-85,0 портландцемент 4,0-10,0 водорозчинний 0,01-0,02 поліелектроліт вода решта. Як водорозчинний поліелектроліт використовували синтетичні поліелектроліти з молекулярною масою 500-15000, переважно у вигляді суміші катіонних і неіоногенних високомолекулярних речовин при їх співвідношенні 1:31:10 відповідно. Як катіонний поліелектроліт можуть використовуватися полімери, що містять катіонні групи - NH2, =NH. Як неіоногенний поліелектроліт можуть використовуватися полімери, що містять неіоногенні групи: -ОН, =СО. Недоліком цієї суміші є необхідність використання висококондиційного цементу (4 % для досягнення міцності 5,9 МПа), а також використання синтетичних полімерів, які є 1 UA 116256 U 5 10 15 20 25 30 35 джерелами забруднення навколишнього середовища як під час їхнього виробництва, так і під час використання. Указані водорозчинні поліелектроліти можуть вимиватися ґрунтовими водами та призводити до погіршення екологічної ситуації навколо будівництва. Відомий [8] склад для влаштування основи автомобільних доріг, що містить гранульований доменний шлак, неорганічну добавку, воду і ґрунт як заповнювач. Як неорганічну добавку склад містить хлорид магнію або алюмінію, або заліза, або калію, або натрію, або кальцію, або амонію, або їх суміші. Недоліком заявленого складу є низька міцність на 28 добу (5,2 МПа). Крім цього, перелічені іони металів мають комплексоутворюючу дію, а отже утримують велику кількість води у вигляді гідратованих молекул. Це призводить до підвищення водопроникності складу та зниження його морозостійкості. Найбільш близькою до корисної моделі, що заявляється, є композиція для укріплення зв'язних ґрунтів [9], яка містить ґрунт - суглинок оптимальної вологості, вапно - 10 % від маси композиції, доменний шлак - 30 % від маси ґрунту, домішку "Релаксол" - 1,5 % від маси вапна. Недоліками прототипу є: необхідність використання як лужного активатора енерговитратного вапна та промислової домішки "Релаксол", що збільшує вартість закріплення ґрунту. Також у цій суміші недостатньо використовуються відходи виробництва і досягається низька міцність навіть на 90 добу твердіння - 4,2 МПа. В основу корисної моделі поставлена задача створення нового будівельного матеріалу, що забезпечує підвищену несучу здатність ґрунту, розширення сировинної бази для його отримання з одночасним покращенням екологічної ситуації в містах, забезпечення можливості вторинного використання укріпленого ґрунту. Поставлена задача вирішується тим, що зміцнена ґрунтова композиція містить ґрунт, металургійний шлак і добавку, причому як добавка використовується активний мул станцій біологічного очищення стічних вод, при такому співвідношенні компонентів, мас. %: ґрунт 25-35 металургійний шлак 30-50 активний мул 25-35. Це дозволяє отримати технічний результат, виражений у збільшенні міцності композиційного матеріалу на стиск без використання кондиційних високовитратних в'яжучих (цементу, вапна), зниженні витрат кондиційного ґрунту та відповідно зниженні вартості закріплення, розширенні сировинної бази для отримання матеріалу, можливості вторинного використання укріпленого ґрунту без його вивезення та утилізації. Об'єктом корисної моделі є зміцнені ґрунтові матеріали з використанням відходів металургійних шлаків та активного мулу станцій біологічного очищення стічних вод. Між суттєвими ознаками корисної моделі та технічним результатом, що досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Активний мул - продукт біологічного очищення промислових і господарчо-побутових стічних вод, що є колоїдно-дисперсною системою, яка складається з комплексу мікроорганізмів з адсорбованими на них органічними І неорганічними речовинами. Хімічний склад неорганічної частини наведено в таблиці 1. Таблиця 1 Хімічний склад мінеральної частини активного мулу, % до абсолютно сухої речовини SiO2 7-35 40 45 50 Аl2О3 7-27 Fe2O3 7-20 СаО 8-17 MgO 1,6-11 K2О 0,5-4 Na2O 1,5-8,5 SO3 ZnO+CuO+NiO+Cr2O3 1,5-7 0-6 Тобто, неорганічна частина має склад, ідентичний хімічному складу більшості металургійних шлаків. До активного мулу входить також 30-50 % органічної складової. Це в основному полісахариди (понад 50 %), білкова складова - протеїни (20 %), нуклеопротеїни (28 %). Білки є амфотерними поверхнево-активними речовинами (ПАР) за рахунок здатності функціональних груп -СООН, -NH3OH залежно від рН по різному дисоціювати і утворювати за низьких рН + + органічний катіон (R-COOH → R-CО + ОН ; R-NH3OH →R-NH3 +ОН ), а за високих рН - аніон + + (R-COOH→ R-COО +H ;R-NH3OH→R-NH3О +H ). У присутності шлаку (основного), з якого в результаті гідратації виділяється вапно, білки та, відповідно, активний мул набувають властивості аніонного ПАР і здатності адсорбуватись на позитивно заряджених поверхнях часток вапна, карбонатних складових ґрунту. Це дозволяє застосувати активний мул як іоногенну поверхнево-активну речовину з метою підвищення міцності ґрунтових матеріалів. 2 UA 116256 U 5 10 15 20 25 30 Суть корисної моделі пояснюється схемами, на яких зображено: фіг. 1 - схема контактів в структурі неукріпленого (а) та укріпленого (б, в) ґрунту з оптимальною (б) та неоптимальною (в) структурою: 1 - агрегати частинок ґрунту; 2 - частинки шлаку; 3 - частинки гідроксиду кальцію; 4 - частинки активного мулу; фіг. 2 - застосування корисної моделі за прикладом 1; фіг. 3 - застосування корисної моделі за прикладом 1; фіг. 4 - застосування корисної моделі за прикладом 2; фіг. 5 - застосування корисної моделі за прикладом 2. У звичайному стані частинки ґрунту утримуються в агрегатах, а агрегати між собою капілярними та молекулярними силами (фіг. 1, а). Після уведення шлаку та активного мулу в результаті гідратації шлаку утворюється деяка кількість гідроксиду кальцію, який утворює з агрегатами частинок ґрунту і частинками активного мулу певну кількість електрогетерогенних контактів (фіг. 1, б, в). Уведення аніонактивної ПАР сприяє також пептизації - руйнуванню агрегатів ґрунту і утворенню контактів між окремими частинками (фіг. 1, б, в). Кристалогідрати гідроксиду кальцію та колоїдні частинки активного мулу мають розмір на порядок менший, ніж у частинок шлаку. Отже, розміщуючись у поровому просторі між частинками шлаку, частинки гідроксиду кальцію та активного мулу формують оптимальну структуру ґрунтової композиції (фіг. 1, б), ущільнюючи її та підвищуючи міцність. При цьому контакти між частинками різних розмірів забезпечуються у тому числі електрогетерогенними взаємодіями. Крім того, адсорбована ПАР утворює на гідрофільних мінеральних частках гідрофобні оболонки, зменшуючи водопроникність та збільшуючи морозостійкість кінцевого ґрунтового матеріалу. Активний мул за певних умов (дисоціації карбоксильних груп і аміногруп білків з утворенням гідроксильних іонів) може бути лужним активатором твердіння шлаку. З часом міцність матеріалу збільшується, що є типовим для всіх шлаковмісних матеріалів. Вказані процеси і реакції перетворюють ґрунт, у результаті чого виникає ґрунтовий матеріал з новими будівельними властивостями. Для визначення характеристик ґрунтової композиції, що заявляється, були виготовлені зразки-куби із різним співвідношенням компонентів (табл. 2). У різні терміни (7, 14, 28 та 90 діб) було визначено міцність на стиск згідно з ДСТУ Б В.2.7-214. У табл. 2 наведено порівняльні характеристики прототипу та композицій за корисною моделлю. Додатково було визначено водостійкість за ДСТУ Б В.2.7-45, яка становить 0,87 для серії № 4. Таблиця 2 Склад композиції та міцність зразків Міцність при стиску, МПа, зразків у віці, діб Кількість компонентів, мас. % № серії Ґрунт 1 2 3 4 5 Прототип 35 40 45 Шлак 45 40 35 30 25 60 10 20 30 40 50 30 Активний мул 45 40 35 30 25 - Вапно Релаксол 7 14 28 90 -----10 -----0,15 1,1 1,2 1,4 1,9 1,5 1,6 1,2 2,2 3,3 3,3 2,6 2,7 2,3 3,3 5,2 7,3 6,2 3,9 3,9 4,6 5,5 7,4 6,8 4,2 Як бачимо, співвідношення компонентів у серії № 4 є оптимальним для досягнення найбільшої міцності композиції, що відповідає марці М75 за [1]. Відхилення співвідношення в більший або менший бік призводить до зменшення міцності. Це пояснюється утворенням неоптимальної структури матеріалу за схемою на фіг. 1, в. Виготовляють композицію, що заявляється, безпосередньо в місці виробництва будівельних робіт шляхом змішування компонентів у стаціонарних змішувальних установках або за допомогою фрези способом ресайклінгу [2]. Здійснення корисної моделі проілюстровано прикладами. Приклад 1. Знімають верхній шар ґрунту у місці улаштування будівельного майданчика. Вологоміром визначають його вологість. У даному прикладі вона становила 5 %. Потім майданчик трамбують катком не менше двох разів. Повертають знятий ґрунт за допомогою ресайклера, який фрезерує й розпушує ґрунт, одночасно змішуючи його з активним мулом та 3 UA 116256 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 шлаком. Склад композиції відповідав серії № 4 з таблиці 2. Отриману рівномірну суміш зволожують водою до оптимальної вологості (10-12 %), а потім ущільнюють традиційними методами (фіг. 2, 3). Приклад 2. Цей приклад відрізнявся тим, що запропонована композиція використовувалася для засипки труб підземних комунікацій. Після розробки траншеї та прокладки труб замість кондиційного піску здійснювали засипку композицією із відвального ґрунту, який змішували з активним мулом та шлаком у змішувальних установках (фіг. 4, 5). Склад композиції відповідав серії № 4 з таблиці 2. Заміна кондиційного піску дозволила знизити собівартість будівництва. Джерела інформації: 1. ГБН В.2.3-37641918-554:2013. Автомобільні дороги. Шари дорожнього одягу з кам'яних матеріалів, відходів промисловості і ґрунтів, укріплених цементом. Проектування та будівництво. К.: Укравтодор. - 2013. - 43 с. 2. ВБН В.2.3-218-537:2008. Споруди транспорту. Влаштування шарів дорожнього одягу методом ресайклінгу з використанням гранульованих доменних шлаків. К.: Укравтодор. - 2008. 13 с. 3. Пат. 102551 Україна: МПК Е01С21/00, Е01С7/00. Композиція для улаштування основ дорожніх одягів на основі укріплених суглинних ґрунтів. Заявка № u201502893. Винахідник та патентовласник: Черногіль Віталій Богданович (UA). - Опубл. 10.11.2015, бюл. № 21. 4. Пат. 2114238 Рос. Федерация: МПК Е01С3/04, Е01С7/36, E02D3/12. Композиция для устройства оснований автомобильных дорог и наземных сооружений. Авторы: Мымрин В.А., Волков Ф.Е., Гера Л.Н., Осипов В.И. Патентообладатель: Мымрин Всеволод Анатольевич Опубл. 27.06.1998. 5. Пат. 2493316 Рос. Федерация: МПК Е01С7/36. Композиция для укрепления грунтов. Авторы: Хабибуллина Ильвера Нигматовна (RU), Бешенов Максим Евгеньевич (RU). Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный архитектурностроительный университет" КазГАСУ (RU). - Опубл. 20.09.2013. 6. Пат. 2520118 Рос. Федерация: МПК: Е01С3/04, E02D3/12, С09K17/10. Композиция для устройства оснований дорожных одежд и других сооружений. Авторы: Митрофанов Николай Георгиевич (RU), Панов Иван Валерьевич (RU), Румянцев Дмитрий Анатольевич (RU), Шабанова Татьяна Николаевна (RU), Зенкин Игорь Николаевич (RU). Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный архитектурно-строительный университет" (ФГБОУ ВПО "ТюмГАСУ") (RU). - Опубл. 20.06.2014. 7. Пат. 2400593 Рос. Федерация: МПК Е01С7/36. Ґрунтовая смесь. Авторы: Булдаков Сергей Иванович (RU), Свиридов Владислав Владиславович (RU), Свиридов Алексей Владиславович (RU), Чудиков Сергей Александрович (RU). Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования уральский государственный лесотехнический университет (RU). - Опубл. 27.09.2010. 8. Пат. 2094560 Рос. Федерация, МПК Е01С3/04, E02D3/12. Состав для устройства основания автомобильных дорог. Авторы и патентообладатели: Бабушкин Валерий Неофитович; Кузнецов Александр Юрьевич; Петухов Олег Иванович; Расковалов Александр Михайлович. - Опубл. 27.10.1997. 9 Пат 58654 Україна: МПК Е01С3/00, E02D3/00, Е01С21/00, Е01С23/00. Композиція для укріплення званих грунтів. Заявка № u201009294. Винахідники: Кожушко Валерій Петрович (UA), Грано Наталія Миколаївна (UA). Патентовласник: Сумський Національний аграрний університет (UA). - Опубл 26.04.2011, бюл. № 8. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Зміцнена ґрунтова композиція, що містить ґрунт, металургійний шлак і добавку, яка відрізняється тим, що як добавку містить активний мул станцій біологічного очищення стічних вод, при такому співвідношенні компонентів, мас. %: ґрунт 25-35 металургійний шлак 30-50 активний мул 25-35. 4 UA 116256 U 5 UA 116256 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6