Инновационные материалы — добавки и стабилизаторы для укрепления грунтов



Стабилизаторы — широкий класс разных по составу и происхождению веществ, которые в малых дозах положительно влияют на активизацию физико-химических процессов в грунтах, увеличивая плотность, влагостойкость и морозостойкость грунтов, снижая их пучинистость.

Назначение стабилизаторов в дорожной конструкции:

− гидрофобизация грунта в рабочем слое;

− структуризация (в совокупности с гидрофобизацией) грунта в основаниях дорожных одежд;

− повышение морозо- и трещиностойкости у стабилизированных грунтов в конструктивных слоях дорожных одежд.

Стабилизаторы грунтов характеризуются как многокомпонентные системы, которые имеют, преимущественно, кислую среду, обладают свойствами поверхностно-активных веществ. В состав стабилизаторов, как правило, входят суперпластификаторы, гидрофобизаторы, сложные органические соединения, которые включают сложноэфирные группы и ионогенные комплексы. Стабилизаторы рекомендуются к применению в виде разбавленного водяного раствора. Вода активизируется за счет ионизации, после того, как стабилизатор растворится в ней. На состояние глинистых и коллоидных частиц грунта раствор стабилизатора влияет активнее всего. Он изменяет их заряд за счет энергичного обмена электрическими зарядами между ионизированной водой и частицами почвы. После обмена зарядами с ионизированной водой, между грунтовыми частицами нарушаются естественные связи с капиллярной и пленочной водой. Вода легко отделяется от частиц грунта, тем самым, создавая благоприятные условия для уплотнения грунтов.

Стабилизаторы можно разделить по составу и природе взаимодействия с грунтами на следующие группы:

− ионные закрепители связных грунтов с числом пластичности от 1 до 22, при содержании песчаных частиц не менее 40 %;

− полимерные эмульсии, предназначенные для укрепления всех разновидностей крупнообломочных и песчаных грунтов, содержащих в своем составе пылеватые и глинистые частицы в количестве не менее 15 % по массе. Эффект стабилизации грунтов стабилизаторами второго типа обусловлен распадом эмульсии (испарением воды) и отверждением полимера;

− стабилизаторы основанные на ферментах, биологические и наноструктурированные вещества.

В электронную базу данных, разработанную ООО «СПбГАСУ-Дорсервис» в рамках выполнения НИР на тему: Создание базы данных расчетных характеристик материалов и грунтов с улучшенными характеристиками при проектировании нежестких дорожных одежд» включены следующие инновационные композиции и вяжущие, применяемые для укрепления грунтов:

− битумно-полимерные композиции (БПК) [1], применяемые в сочетании с минеральными вяжущими для укрепления связных грунтов, в том числе техногенных;

− полифилизаторы: «ПГСЖ — 1», изготовленный на основе концентрата добавки «Консолид 444», «ПГСБ — 2» — на основе концентрата добавки «Консервекс», «ПГСП– 3 на основе концентрата добавки «Солидрай» — смеси катионных поверхностно-активных веществ [2]. Полифилизаторы «ПГСЖ — 1» вместе с «ПГСП — 3» или «ПГСЖ — 1» вместе с «ПГСБ» применяются для стабилизации всех видов песчаных и глинистых грунтов;

− Nicoflok — полимерная добавка, работающая совместно с цементом, полученная на основе редиспергируемых полимерных порошков и минеральных наполнителей [3], обеспечивает возрастание прочностных показателей и модуля упругости по сравнению с обычным цементогрунтом;

− добавка-стабилизатор «NanoSTAB» — водная дисперсия стирол-бутадиенового полимера SIO₂. Предназначается вместе с цементом для использования в качестве отверждающей присадки для укрепления супесчаных, песчаные, крупнообломочных и техногенных (в том числе асфальтогранулята) грунтов [4];

− Концентрат Полибонд — жидкость, включающая ПАВ и цитрусовое масло, способствующее процессу ионного обмена, поляризующее глинистые частицы грунта [5]. Применяется совместно с неорганическими вяжущими для укрепления грунта рабочего слоя и конструктивных слоев основания;

− модификатор «RoadCem» [6] совместно с цементом используется для укрепления грунтов и асфальтовой крошки (асфальтогранулята). Полученные по технологии «RoadCem» конструктивные слои дорожной одежды имеют повышенную распределительную способность, что обеспечивает снижение давления от подвижной нагрузки на грунтовое основание.

− добавка «NovoCrete» [7] совместно с цементом применяется для устройства несущих и дополнительных слоев оснований. Природные супесчаные, песчаные, крупнообломочные грунты и техногенные (асфальтогранулят) обрабатываются минеральными вяжущими совместно с добавкой NovoСrete в смесительных установках или методом смешения на дороге с использованием ресайклера;

− ионоактивные современные материалы Perma-Zume и «Дорзин» — стабилизаторы третьего типа, основанные на ферментах, являющихся композицией веществ, в основном, образовавшихся в процессе культивирования организмов на комплексной питательной среде с некоторыми добавками [8]. Применяются для стабилизации суглинков (от легких пылеватых до тяжелых пылеватых) и глин (легких пылеватых).

− стабилизатор «ANT» — комплексное органическое соединение, которое является поверхностно-активным веществом, полученным в результате катализа, с добавления комплекса химических элементов к органическим веществам [9]. Грунты, обработанные неорганическими вяжущими с добавкой «ANT» применяют на всех категориях автомобильных дорог, во всех климатических зонах. На дорогах низких категорий существенно уменьшается материалоемкость дорожной одежды;

− LBS — жидкий силикатно-полимерный стабилизатор грунта. При внесении водного раствора LBS в грунт обеспечивается необратимое изменение физико-механических свойств грунта за счет химического воздействия, путем ионного замещения пленочной воды на поверхности пылеватых частиц молекулами стабилизатора, которые обладают водоотталкивающим действием. Обработанный стабилизатором грунт становится более прочным и практически водонепроницаемым, что делает его устойчивым к воздействию любых климатических условий. Связные грунты после воздействия на них LBS переходят в разряд непучинистых или слабопучинистых и ненабухающих или слабонабухающих. Модуль упругости для грунтов (от супеси песчанистой до суглинка тяжелого), стабилизированных LBS, достигает 160–180 МПа. Такие грунты имеют также более высокие, по сравнению с нестабилизированными грунтами в сухом состоянии, показатели устойчивости на сдвиг.

На рис. 1 показан пример применения стабилизированных грунтов на автомобильной дороге 3 категории.

Рис. 1. Устройство основания из стабилизированного грунта

Преимущества применения грунтов, стабилизированных инновационными добавками:

− возможно использовать пылеватые грунты для создания стабильных слоев;

− возможно смешивать грунт с добавками в стационарных условиях с последующим вывозом смеси на объект строительства;

− наблюдается уменьшение водонасыщения обработанного грунта вплоть до полной водонепроницаемости. Практически полное отсутствие капиллярного подъема воды обеспечивает повышение допустимых нагрузок на дорожную одежду;

− допустимая прочность конструктивных слоев может сохраняться во влажные периоды года из-за постоянного влагосодержания обработанного грунта;

− механические (прочность на сжатие и изгиб) и деформативные (модуль упругости) характеристики грунтов после введения добавок увеличиваются в 3–5 раз и выше;

− строящаяся дорога используется для движения автотранспорта немедленно после необходимого по технологии уплотнения грунта тяжелым виброкатком;

− снижается стоимость строительства дорог различных категорий на 10–15 %;

− ускоряются сроки строительства дороги;

− продлевается срок службы дороги без капитального ремонта;

− используются местные грунты вместо дорогих и дефицитных привозных материалов.

Литература:

1. СТО 79954613 001–2014. Грунты, обработанные раствором битумно-полимерной композиции на водном растворе «Стандарт» для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. — Ижевск, 2014. — 68 с.
2. СТО 98983709–002–2010 Смеси грунтовые, обработанные полифилизаторами «ПГСЖ 1», «ПГСП 3», «ПГСБ 2» для автодорожного и аэродромного строительства; введ. с 01.04.10. — М, 2010. — 31 с.
3. СТО 13881083–001–2009. Полимерцементогрунтовая смесь «Nicoflok» в дорожном строительстве. — СПб., 2009. — 10 с.
4. СТО 001–2012 Грунты, укрепленные цементом совместно с добавкой «NanoSTAB» для дорожного строительства; введ. с 16.03.2012. — М. 2012. — 20 с.
5. СТО 69646750–001–2011. Смеси грунтовые асфальтограноулобетонные, укрепленные добавкой Полибонд, для автодорожного, железнодорожного и аэродромного строительства; введ. с 12.04.2011. — М., 2011. — 61 с.
6. СТО 01393679–001–2012. Грунты укрепленные цементом совместно со стабилизатором «RoadCem» для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. — М. 2012. — 12 с.
7. СТО 1–2011. Грунты, укрепленные цементом совместно с добавкой «NovoCrete» для дорожного и аэродромного строительства; введ. с 01.02.2011. — М., 2011. — 24 с.
8. СТО 13548260–002–2011. Материалы каменные и грунты, обработанные цементом с добавкой ферментного препарата «Дорзин». Технические условия; введ. с 13.01.2011.- М., 2011. — 33 с.
9. СТО 60929601.003–2012. Грунты, укреплённые стабилизатором «ANT», для автодорожного строительства; введ. с 18.04.2012.- ЗАО «АНТ-Инжиниринг». – 53 с.