Состав для обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта и способ обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта

 

Изобретение относится к дорожному строительству, в частности к составам для обеспыливания, гидрофобизации и укрепления грунтовых дорог различного назначения, кюветов и откосов, также к способам упрочнения, обеспыливания и гидрофобизации грунта. Состав для обеспыливания содержит соль поливалентного металла из группы IIA, IIIA, VIII Периодической таблицы - компонент (а), органическое вяжущее - компонент (в), анионактивное поверхностно-активное вещество (б) и вещество (г), способное необратимо обменивать анионы с компонентом (а), при массовом соотношении компонентов (а):(б):(в):(г), равном 1: 0,001-10: 0,1-500: 0,05-100 в расчете на сухие компоненты (а) и (г). Способ предусматривает нанесение компонентов на грунт в любой последовательности, выдержку, уплотнение и профилирование обработанного грунта. Технический результат - повышение прочности и водостойкости грунта, обработанного описываемым составом, а также высокая технологичность способа. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к дорожному строительству и, более конкретно, к составам для обеспыливания, гидрофобизации и укрепления грунтовых дорог различного назначения, кюветов и откосов, а также к способам упрочнения грунта перед нанесением дорожного покрытия, а также обеспыливанию и гидрофобизации существующих дорог и площадок, предназначенных для восприятия значительных нагрузок.

Известны составы для обеспыливания автомобильных дорог и аэродромных покрытий на основе лигносульфонатов - отходов переработки древесины (Обеспыливание автомобильных дорог и аэродромов/ М.Р.Першин, А.П.Платонов и др. -М.: Транспорт, 1993, с.31) [1]. При использовании таких составов снижение или полное устранение пылеобразования и увеличение прочностных свойств достигается за счет склеивания структурных частиц грунта между собой и придания его внутренней поверхности гидрофобизирующих свойств.

Большим недостатком таких составов является легкая растворимость лигносульфонатов в воде, что приводит к их вымыванию и потере грунтами прочностных и гидрофобизационных свойств.

Для усиления гидрофобизационных характеристик грунтов используют смолы холодного отверждения, эпоксидные, фурановые, формальдегидные, с различными технологическими добавками [1, c.36]. Однако эти смолы достаточно токсичны, имеют большой коэффициент поверхностного натяжения и высокую вязкость. Это обусловливает плохую смачиваемость минеральной основы грунта, и проникновение на глубину до 3 см. Большие расходные нормы делают использование таких составов экономически невыгодным. Кроме того, длительность отверждения смол, включаемых в эти составы для придания грунтам обеспыливающих, гидрофобизационных и прочностных свойств, а в некоторых случаях необходимость создания повышенных температур ограничивают их применение.

Известен состав для укрепления почв, действие которого основано на катионной диффузии, в результате которой при замене ионов, находящихся в кристаллической решетке отдельных составляющих почвы, происходит ее упрочнение (Патент США N 3490241, кл. 405-263, оп. 20.01.70) [2]. В качестве компонентов этого состава использованы водные растворы солей трехвалентных металлов (например, хлорид железа), кислые соли низкомолекулярных аминов, хлорид, ортофосфат кальция и фосфат аммония. Однако процессы самопроизвольной диффузии так же, как и обмен ионов, находящихся в кристаллической решетке, на ионы, вносимые с водным раствором указанных выше солей, протекают чрезвычайно медленно, что сопровождается незначительным улучшением физико-механических свойств грунта.

Лучшие, чем в предыдущем источнике информации, результаты достигаются с помощью раздельно вносимых водного раствора соли поливалентного металла и водного раствора латекса в соответствии с патентом США N 4 168 593, кл. 47/58, оп. 25.09.1979 [3]. При этом происходит коагуляция латекса в порах грунта, приводящая к большему упрочнению грунта. Однако образующиеся при коагуляции рыхлые, частично растворимые структуры постепенно разрушаются под действием влаги, в результате чего первоначально достигаемый эффект упрочнения грунта снижается. С учетом больших расходных коэффициентов таких составов на единицу объема грунта и недостаточности достигаемого результата их использование экономически не целесообразно.

Таким образом, задачей настоящего изобретения являлось создание состава для обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта с улучшенными характеристиками и уменьшенной расходной нормой.

Неожиданно было найдено, что поставленная задача решается, в соответствии с настоящим изобретением, составом для обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта, включающим компонент а, представляющий собой водный раствор соли поливалентного металла, и компонент в - органическое вяжущее, отличающимся тем, что в качестве компонента а используют соль и смесь солей металлов, выбранных из IIA, IIIA, VIII групп Периодической таблицы, а в качестве компонента в - органического вяжущего используют ненасыщенные длинноцепочечные органические моно-, ди-, или поликислоты, или их эфиры, или их смесь, или полиэфиры, или соли кислот неразветвленного или разветвленного строения, или их смесь, или полиэфиры ненасыщенных спиртов, или их смесь, и состав дополнительно содержит анионактивное поверхностно-активное вещество б и вещество г, способное необратимо обменивать анионы с компонентом а, при массовом соотношении компонентов а:б:в:г, равном: 1 : 0,001 - 10 : 0,1 - 500 : 0,05 - 100, в расчете на сухие компоненты а и г; компонент б представляет собой предельную органическую кислоту неразветвленного или разветвленного строения, или ее производное - соль или эфир, или соль щелочного, или щелочноземельного металла сульфокислоты алифатического или ароматического ряда, или их смесь, компонент г представляет собой неорганическую кислоту или ее соль, способную необратимо обменивать анионы с компонентом а, который предпочтительно представляет собой формиат или ацетат, или нитрат, или сульфат, или хлорид магния, кальция, бария, алюминия, железа или их смесь; компонент б представляет собой додецилсульфат натрия, додецилбензолсульфонат натрия, контакт Петрова; компонент в представляет собой нефтяное масло и/или нефтеполимерную смолу, причем предпочтительно массовое соотношение компонентов а: б:в:г выдерживают равным 1:0,005 - 0,2:0,5 - 5:0,1 - 2.

В качестве компонента в состав в соответствии с настоящим изобретением может содержать нефтеполимерную смолу, лигносульфонат натрия, сульфированные синтетические и нефтяные масла, сульфированные продукты переработки сырого таллового масла, сульфатированные животные и растительные жиры; в качестве компонента г - серную, фосфорную кислоту, щавелевую и другие кислоты, а также их водорастворимые соли - фосфаты натрия, калия, аммония, сульфаты натрия, калия, аммония, лития, оксалаты натрия и калия и другие кислоты и соли. Концентрация компонента а не превышает 2,5 мас.%.

Составы для обеспыливания, гидрофобизации и стабилизации грунта в соответствии с настоящим изобретением позволяют стабилизировать самые разные грунты, начиная от песчаных до глинистых в различных географических районах, характеризующихся разнообразием климатических условий. При этом в зависимости от минералогического и химического состава грунта за счет изменения качественного и количественного состава стабилизатора (в объеме настоящего изобретения) можно придать грунту требуемый уровень гидрофобных, обеспыливающих и прочностных характеристик.

Особое значение имеет тот факт, что эти составы, обладая вяжущими свойствами при взаимодействии с грунтами, образуют прочные водонерастворимые соединения, которые наряду с упрочнением грунта одновременно придают ему гидрофобность.

Составы, содержащие нефтепродукты, кроме перечисленных свойств придают стабилизированным грунтам высокую морозоустойчивость, что является весьма важным для районов со значительными сезонными перепадами температур.

Еще одним объектом настоящего изобретения является способ обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта. Известен способ укрепления грунта от эрозии, вызываемой погодными воздействиями [3]. В соответствии с этим способом, укрепление грунта проводят нанесением на поверхность почвы водного 3-15% раствора соли поливалентного металла, например сульфата алюминия, или хлорида железа в количестве, необходимом для коагуляции наносимого затем бутадиен-стирол-акрильного латекса. Растворы поливалентного металла используемой концентрации обладают повышенными вязкостью и поверхностным натяжением, что препятствует их равномерному распределению на достаточную глубину в обрабатываемом слое грунта.

Таким образом, задачей настоящего изобретения являлось создание способа обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта улучшенной технологии.

Было найдено, что поставленная задача в соответствии с настоящим изобретением решается способом обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта, путем нанесения на поверхностный слой грунта компонента а, представляющего собой водный раствор соли поливалентного металла, и других компонентов состава, отличающегося тем, что перед нанесением состава поверхностный слой грунта разрыхляют и компоненты наносят в следующей очередности: вначале наносят смесь компонента а, представляющего собой соль или смесь солей металлов, выбранных из IIA, IIIA или VIII групп Периодической таблицы, и компонента б, представляющего собой анионактивное поверхностно-активное вещество, затем поверхностный слой обрабатывают последовательно компонентом в, являющимся органическим вяжущим, и компонентом г, способным необратимо обменивать анионы с компонентом а, или их смесью, или вначале поверхностный слой обрабатывают компонентом в, а затем компонентом г, или их смесью, а затем вносят смесь компонента а и компонента б, после чего осуществляют выдержку и производят уплотнение и профилирование обработанного грунта.

Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет более эффективно стабилизировать грунт.

Пример 1.1-1.4 Состав для обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта готовят следующим образом: компонент а растворяют в воде и смешивают с компонентом б. Затем готовят эмульсию компонента в в воде и водный раствор компонента г в концентрациях, не превышающих 2,5%. Соотношение компонентов состава приведено в табл. 1. Приготовленную смесь компонента а и б наносят на предварительно разрыхленную поверхность грунта, минералогический состав которого приведен в табл. 2. После выдержки в течение контрольного времени ≈ 1 час, наносят сначала эмульсию компонента в, затем после дополнительной часовой выдержки - раствор компонента г. Далее грунт уплотняют, используя постоянную одинаковую нагрузку. После чего из уплотненного грунта вырезают контрольный образец, который используют для определения прочностных, обеспыливающих и гидрофобизационных характеристик путем сравнения этих свойств со свойствами образца сравнения. Образец сравнения готовят тем же способом, что и контрольный образец, за исключением использования для затворения воды в количестве, равном суммарному количеству состава для обработки грунта. Обеспыливающее действие состава и способа его применения в соответствии с настоящим изобретением оценивают следующим образом. На торцевую поверхность предварительно взвешенного с точностью до 0,0001 г контрольного образца (образца сравнения) от источника сжатого воздуха направляют газовую струю в течение контрольного времени. При этом происходит частичное разрушение поверхности образца, приводящее к потере массы образца, уносимой газовой струей, в виде пыли. Обеспыливающий эффект оценивают по разности в потере массы контрольного образца сравнения. Гидрофобизационные свойства составов в соответствии с настоящим изобретением оценивают сравнением предела прочности при сжатии капиллярно-водонасыщенных контрольных образцов и образцов сравнения. Капиллярно-водонасыщенные образцы готовят следующим образом. В эксикатор заливают воду объемом, обеспечивающим высоту слоя - 7 см. На расстоянии 5 см от дна эксикатора помещают металлическую сетку, на которую кладут слой песка высотой 10 см. Сверху на влажный песок помещают контрольный образец и образец сравнения, которые выдерживают в закрытом эксикаторе трое суток, после чего производят определение предела прочности при одноосном сжатии. Гидрофобизационные свойства оценивают по разности предела прочности при сжатии контрольного образца и образца сравнения. Свойства контрольных образцов и образцов сравнения приведены в табл. 3.

Пример 2.1-2.2 Состав для обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта готовят следующим образом: компонент а растворяют в воде и смешивают с компонентом б. Затем готовят эмульсию компонента в в воде и добавляют компонент г. Грунт обрабатывают в соответствии с примером 1, за исключением того, что компонент в наносят в смеси с компонентом г. Минералогический состав грунта приведен в табл. 2.

Пример 3.1-3.3 На предварительно разрыхленный поверхностный слой грунта наносят эмульсию компонента в, затем после контрольной выдержки - водный раствор компонента г. После часовой выдержки наносят смесь компонентов а и б. Соотношение компонентов состава приведено в табл. 1, минералогический состав грунта приведен в табл. 2. Далее грунт уплотняют, используя постоянную одинаковую нагрузку. После чего из уплотненного грунта вырезают контрольный образец, который используют для определения прочностных, обеспыливающих и гидрофобизационных характеристик путем сравнения обеспыливающих и гидрофобизационных характеристик путем сравнения этих свойств со свойствами образца сравнения, приготовленного по примеру 1. Свойства контрольного образца и образца сравнения приведены в табл. 3.

Пример 4.1-4.4 Способ обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта осуществляют в соответствии с примером 3, за исключением того, компоненты в и г наносят в виде смеси за один прием. Минералогический состав грунтов приведен в табл. 2.

Как видно из данных, представленных в табл. 3, упрочняющее действие составов и способа в соответствии с настоящим изобретением проявляется в увеличении прочности контрольных образцов в сопоставлении с образцами сравнения в 1,2 - 1,5 раза.

Эффект гидрофобизации проявляется в меньшей потере прочностных характеристик капиллярно-водонасыщенных контрольных образцов относительно сухих по сопоставлении с теми же характеристиками для образцов сравнения.

Так, для примера 1.1 отношение предела прочности при сжатии сухого и капиллярно-водонасыщенных контрольных образцов составляет 1,82; та же величина для образцов сравнения составляет 3,83. Таким образом, при обработке грунтов предлагаемыми составами и способом гидрофобизационные характеристики возрастают ≈ в два раза.

Обеспыливающее действие предлагаемых составов и способа проявляется в уменьшении потери массы контрольного образца в сопоставлении с образцом сравнения от 1,15 до 2,1 раза.

Производственная база приготовления обеспыливающих, гидрофобизационных и упрочняющих составов обеспечена использованием серийно выпускаемых компонентов, а также широко применяемым емкостным оборудованием и смесителями.

Высокая технологичность способа в соответствии с настоящим изобретением обусловлена сокращением операций по нанесению предлагаемых составов и использованием обычной дорожно-строительной техники.

Формула изобретения

1. Состав для обеспыливания, гидрофобизации и упрочения грунта, включающий компонент a, представляющий собой водный раствор соли поливалентного металла и компонент в - органическое вяжущее, отличающийся тем, что в качестве компонента a используют соль или смесь солей металлов, выбранных из IIA, IIIA, VIII групп Периодической таблицы, а в качестве компонента в - органического вяжущего, используют ненасыщенные длинноцепочечные органические моно-, ди-, или поликислоты, или их эфиры, или их смесь, или полиэфиры, или соли кислот неразветвленного или разветвленного строения, или их смесь, или полиэфиры ненасыщенных спиртов, или их смесь, состав дополнительно содержит анионактивное поверхностно-активное вещество б и вещество г, способное необратимо обменивать анионы с компонентом а, при массовом соотношении компонентов а:б:в:г, равном 1:0,001-10:0,1-500:-0,05-100, в расчете на сухие компоненты а и г.

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что компонент б представляет собой предельную органическую кислоту неразветвленного или разветвленного строения, или ее производное - соль или эфир, или соль щелочного, или щелочноземельного металла сульфокислоты алифатического или ароматического ряда, или их смесь.

3. Состав по п.1, отличающийся тем, что компонент г представляет собой неорганическую кислоту или ее соль, способную необратимо обменивать анионы с компонентом а.

4. Состав по п.1, отличающийся тем, что компонент а предпочтительно - формиат, или ацетат, или нитрат, или сульфат, или хлорид магния, кальция, бария, алюминия, железа или их смесь.

5. Состав по п.1 или 2, отличающийся тем, что компонент б предпочтительно представляет собой додецилсульфат натрия, додецилбензолсульфонат натрия, контакт Петрова.

6. Состав п. 1, отличающийся тем, что компонент в представляет собой нефтяное масло и/или нефтеполимерную смолу.

7. Состав по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно массовое соотношение компонентов а:б:в:г выдерживают равным 1:0,005-0,2:0,5-5:0,1.

8. Способ обеспыливания, гидрофобизации и упрочнения грунта путем нанесения на поверхностный слой грунта компонента а, представляющего собой водный раствор соли поливалентного металла, и других компонентов состава, отличающийся тем, что перед нанесением состава поверхностный слой грунта разрыхляют и компоненты наносят в следующей очередности: вначале наносят смесь компонента а, представляющего собой соль или смесь солей металлов, выбранных из IIA, IIIA или VIII группы Периодической таблицы, и компонента б, представляющего собой анионактивное поверхностно-активное вещество, затем поверхностный слой обрабатывают последовательно компонентом в, являющимся органическим вяжущим, и компонентом г, способным необратимо обменивать анионы с компонентом а или их смесью, или вначале поверхностный слой обрабатывают компонентом в, затем компонентом г или их смесью, а затем вносят смесь компонента а и компонента б, после чего осуществляют выдержку и производят уплотнение и профилирование обработанного грунта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3