Способ улучшения инженерных свойств грунта и изготовления строительных блоков из него

1 Настоящее изобретение имеет отношение к улучшению инженерных свойств грунта (почвы). В области гражданского строительства существует множество ситуаций, когда инженерные свойства почвы на месте проведения работ должны быть улучшены перед проведением строительных работ. Это особенно важно при прокладке дорог, когда нарушение стабильности подлежащего грунта может приводить к оседанию дорожного покрытия и/или к образованию трещин. Простейшим способом улучшения свойств грунта является его уплотнение. Однако, так как грунты могут варьировать от песчаных до глинистых, простое уплотнение грунта не обязательно приводит к улучшению его инженерных свойств, достаточному для поддержки возведенной на нем конструкции. Поэтому уже были сделаны предложения относительно введения реагентов в грунт для его улучшения, причем уже используется множество стабилизаторов на базе полимеров. Такие решения являются успешными и позволяют улучшить свойства грунта, однако только на относительно короткий промежуток времени, так как со временем полимер выщелачивается из почвы и эффект пропадает. Для устранения этого недостатка в соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать реагент для улучшения инженерных свойств грунта, который включает в себя: от 5 до 60% по массе цементирующего пуццолана (вулканического туфа); от 20 до 80% по массе сульфата кальция; и от 15 до 50% по массе оксида кальция (негашеной извести). Реагент для улучшения инженерных свойств грунта преимущественно включает в себя: от 15 до 35% по массе цементирующего пуццолана; от 40 до 60% по массе сульфата кальция; и от 20 до 40% по массе оксида кальция. Еще лучше, если реагент включает в себя: от 25 до 30% по массе цементирующего пуццолана; от 30 до 40% по массе сульфата кальция; и от 25 до 35% по массе оксида кальция. В качестве пуццолана преимущественно используют шлак доменной печи (шлакпортландцемент), перемешанный с обычным портландцементом, преимущественно при равных массах. Шлак доменной печи обычно именуется шлагментом. Реагент может также содержать дополнительные пуццоланы, выбранные из обычного портландцемента (известного в строительной индустрии как ОРС), сульфатостойкого цемента,портландцемента 15 SL, портландцемента 15 FA,из смесей обычного портландцемента с зольной пылью, а также из кладочного цемента. 2 Реагент может также содержать упрочняющие волокна, такие как волокна синтетического пластикового материала. Предпочтительными волокнами являются мононити из полипропилена. На 100 кг реагента может быть добавлено от 1 до 10 кг волокон. Может быть использован оксид кальция в виде собственно оксида кальция (СаО) или в виде гидроксида кальция (Са(ОН)2) (гашеной извести). В качестве сульфата кальция может быть использован минеральный гипс или частично обезвоженный гипс (CaSO41/2 Н 2 О). В одной из форм реализации настоящего изобретения реагент содержит от 1 до 30% по массе диоксида кремния (SiO2). В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения в нем предусмотрен способ улучшения инженерных свойств грунта, который предусматривает кирковку грунта для его разрыхления и размельчения, ввод описанного выше реагента в грунт, перемешивание грунта и реагента, а затем уплотнение грунта. В соответствии еще c одним аспектом настоящего изобретения в нем предусмотрен способ изготовления строительных блоков из грунта, который предусматривает разрыхление грунта, перемешивание грунта с реагентом, уплотнение перемешанного с реагентом грунта в опалубке (форме), с последующим схватыванием и твердением перемешанного с реагентом грунта. Пример 1. Реагент в соответствии с настоящим изобретением может быть использован описанным выше образом для улучшения свойств грунта гравийной или грунтовой дороги, на которую должно быть нанесено бетонное, гудроновое или кирпичное покрытие с битумным уплотнением. Однако такая дорога после проведения улучшения в соответствии с настоящим изобретением может быть использована без бетонного или гудронового покрытия, так как поверхность грунта после его улучшения позволяет производить транспортное сообщение. Существующая гравийная дорога киркуется на такую глубину, которая требуется для стабилизации. При кирковке происходит разрыхление и размельчение существующего поверхностного слоя дороги, после чего грунт на месте проведения работ полностью перемешивается при помощи грейдера или плуга с почвенными фрезами. После этого производят нанесение реагента в виде слоя на киркованную поверхность в заданной пропорции, которая уже была определена при помощи лабораторных испытаний. Такие испытания описаны далее со ссылкой на пример 2. Минеральный гипс (CaSO4) 35% по массе Кварцевый песок 12% по массе Оксид кальция (СаО) или гидроксид кальция (Са(ОН)2) 25% по массе Шлакопортландцемент 28% по массе В продаже имеются смеси минерального гипса с кварцевым песком, которые продаются под торговым названием "Cretestone" (кретстоун). Всего используют 47% по массе кретстоуна. Шлакопортландцемент содержит шлагмент (отходы из доменной печи), который размалывается и перемешивается в равных долях с ОРС (с обычным портландцементом). На 100 кг указанной смеси можно добавить 1 кг упрочняющих волокон. Среди других продуктов, которые могут быть использованы, следует указать штукатурку СВ и Hydrostone (гидростоун), которые содержат минеральный гипс и кварцевый песок. Количество нанесенного реагента зависит от типа грунта и от экономических соображений, но обычно лежит в диапазоне от 2 до 10% от массы улучшаемого грунта. После нанесения реагент тщательно перемешивают с киркованным слоем, пока не будет получен совершенно однородный слой. Экспериментальные работы показали, что самые удовлетворительные результаты могут быть получены при использовании плуга с почвенными фрезами, который обеспечивает глубокое(тщательное) перемешивание реагента с грунтом. После этого добавляют воду и перемешивание продолжают до тех пор, пока не будет обеспечено равномерное распределение смеси и пока не будет достигнуто ОМС (оптимальное содержание влаги) в стабилизированном грунте,которое было заранее определено в лаборатории. Затем производят уплотнение стабилизированного слоя с использованием дорожных катков, пока не будет достигнута заданная плотность слоя. Наконец, производят профилирование стабилизированного слоя до окончательного уровня дороги и укатывают его, пока не будет получена гладкая поверхность. Экспериментальные работы показали, что использованный реагент не выщелачивается из почвы после его схватывания. Пример 2. Испытания грунта были произведены в Малайзии. Почва представляла собой илистый Образец 1 2 Пропускание через сито , % 3" 2" 1,5" 3/4" 3/8" 4 10 100 98 97 95 91 86 83 100 4 песок с классификацией А 2-6. Испытания грунта были проведены с использованием тестов на стандартное свободное сжимающее усилие(UCS) и на Калифорнийское число несущей способности грунта (CBR). В качестве реагента использовали описанный здесь ранее реагент. Образец грунта имеет следующие характеристики: Число пластичности 12% реагента МПа Без обработки 0,67 2 2,22 4 2,54 6 2,85 Результаты теста CBR% реагента 93 95 98 100 Без обработ 8 13 25 39 ки 2 16 26 50 79 4 33 52 104 165 6 66 106 210 340 Из этого теста можно сделать вывод о том,что прочность обработанного материала возросла в 3-4 раза по сравнению с исходной прочностью. Пример 3. Испытания двух образцов грунта были проведены в Израиле Институтом Стандартизации Израиля. Первый образец представляет собой гравий из мягкого известняка, а второй образец представляет собой влажную необработанную карбонизированную глину. Свойства двух образцов приведены в таблице. Испытания проводили на цилиндрах диаметром 35 мм и высотой 80 мм. Использовали способ приготовления образцов и методику измерений в соответствии со стандартом ASTMD 2850-87 "Стандартный способ испытания на прочность сжатия в рыхлом неосушенном состоянии связанных грунтов при сжатии по трем осям". На фиг. 1 и 2 показано влияние предлагаемого здесь реагента на прочность образцов 1 и 2. На фиг. 3 и 4 приведены результаты CBR испытаний образцов 1 и 2. Следует иметь в виду,что при увеличении процентного содержания реагента в соответствии с настоящим изобретением свойства образцов существенно улучшаются. Термин RBI обозначает реагент с указанным здесь ранее в примере 1 составом. Пример 4. В этом примере реагент перемешивают с грунтом для получения строительных элементов,таких как кирпичи или блоки. Например, реагент может перемешиваться с грунтом, вынутым из котлована, предназначенного для закладки фундамента здания. После этого смесь помещают в опалубку и производят ее уплотнение в опалубке. После достаточного схватывания смеси строительные элементы вынимают из опалубки и дают им время схватиться окончательно перед их использованием в строительстве. Пример 5. Были проведены испытания гравия из Шри Ланки, который имеет следующие свойства. Источник гравия После перемешивания пробы с 6% по массе предложенного здесь реагента были получены следующие результаты испытания CBR: Не стабилизированный Материал, стабилизированный материал 6% RBI 81 Можно видеть, что значение CBR при 100% стандартной плотности существенно увеличилось с 24 до 213, то есть в 8-9 раз, если сравнивать не стабилизированное значение CBR со значением при стабилизации 6% реагентом. Это означает, что при стабилизации реагентом имеется существенное увеличение CBR прочности. Пример 6. При проведении данного испытания был использован илистый, глинистый песок с диспергированным в нем гравием, имеющий следующие свойства: Единицы Аттерберга 75 63 53 37,5 26,5 10,9 13,2 4,75 2,00 0,245 0,075 LL PL PI 100 95 92 90 88 82 76 58 47 35 13 18 13 5 Размер ячейки сита, мм: % пропускания Указанный грунт имеет классификацию А.1-b в соответствии с классификациейAASHTO. Реагент, который был перемешан с грунтом для проведения данного испытания, имел следующий состав: Гипс (CaSO4) 33% по массе Известь (негашеная) СаО 27% по массе ОРС/шлагмент 27% по массе Кварцевый песок 13% по массе 6 Были получены следующие результаты испытания CBR: Процентное Без 2% 4% 6% содержание реагента обработкиAASHTO-плотность Несущая способность грунта существенно возросла. Расходы на эксплуатацию дороги после обработки существенно снизились. Наблюдались меньшие выбоины в дорожном покрытии и меньшая потеря гравия с поверхности при сырой погоде. Пример 7. Образец коричневого гранитного гравия был получен из провинции KwaZulu Natal. Этот образец также имеет классификацию А.1-b и следующие свойства: Пределы Аттерберга 2,00 0,425 0,075 LL PL PT 63 30 11 Использованный реагент имел следующий состав: СВ штукатурка (CaSO4) 60% по массе Гидратная известь (Са(ОН)2) 15% по массе Шлагмент и ОРС в равном количестве 27% по массе Были получены следующие результаты испытания CBR:MDD OMC Без добавки 4% реагента 2080 6,8 11 103 Несущая способность CBR обработанного образца резко возросла по сравнению с необработанным образцом. Конечный продукт является твердым и может служить в качестве хорошего дорожного покрытия. Однако он не был таким долговечным, как этого хотелось бы, причем высокое процентное содержание дорогого гипса делает продукт слишком дорогостоящим для широкого применения. Такой реагент может найти применение при обработке грунта в подслое, который затем покрывают битумом, бетоном и пр. Пример 7. Был взят образец дробленого каменного заполнения (щебенки) вместе с грунтом со старой дороги в жилой зоне, причем можно полагать, что эта щебенка получена из песчаника или гранита. Дорога имеет выбоины и эрозию в результате недостаточного дренажа воды с поверхности. И в этом случае классификацияAASHTO соответствует А.1-b. Грунт имеет следующие свойства: Пределы Аттерберга 7 Размер ячейки сита, мм: % пропускания 53 37,5 26,5 19,0 13,2 4,75 2,00 0,425 0,075 100 98 96 94 90 77 69 46 11 Использованный для обработки образца реагент имел следующий состав: 60% по массе Гипс (CaSO4) Известь (Са(ОН)2) 20% по массе Шлагмент/ОРС 20% по массе Следует иметь в виду, что реагент совсем не содержит кварцевого песка. Результирующая поверхность дороги была твердой и долговечной, однако высокое процентное содержание дорогого гипса делает продукт слишкомт дорогостоящим для широкого применения. Пример 8. Были проведены испытания на мелком песке с классификацией A.3. Использованный реагент имел следующий состав: Гипс (CaSO4) 45% по массе 50% по массе Известь (Са(ОН)2) Цемент (ОРС) и шлак доменной печи 5% по массеCBR тест дает показание 30 для песка до его обработки и 178 после обработки 5% по массе реагентом. Однако конечный продукт разрушается при приложении чрезмерного давления от проходящего транспорта. Таким образом, он является слишком хрупким для использования в качестве поверхностного слоя, однако, он может быть использован в качестве подслоя в зонах без тяжелой нагрузки. В заключение можно сказать, что грунты,как песчаные, так и глинистые, после обработки смесью пуццолана, сульфата кальция и оксида кальция показывают улучшенные значенияCBR. Некоторые реагенты в соответствии с настоящим изобретением, в особенности такие, в которых имеется высокое процентное содержание сульфата кальция, являются слишком дорогими для общего применения, когда ставится задача улучшения инженерных характеристик грунта, используемого в качестве верхнего слоя или подслоя дороги. Однако такие реагенты могут быть использованы в небольших зонах,где требуются существенное улучшение характеристик. Другие реагенты позволяют улучшать значения CBR, однако грунт после обработки имеет долговечность, которая является недостаточной для поверхности дороги. Грунты, обработанные такими реагентами, могут быть использованы в качестве подслоя, на котором укладывают слой кирпича, бетона, битума и пр. Для получения реагента производят взвешивание необходимых количеств СаО, после чего их перемешивают до получения однородной смеси. Затем вводят необходимое количество кварцевого песка и перемешивание продол 002759 8 жают до получения однородной смеси. Наконец,в смесь СаО, CaSO4 и кварцевого песка добавляют цементирующий пуццолан и продолжают перемешивание. Могут быть использованы различные типы извести, примеры которых даны в следующей таблице: Тип извести% м/м известь, % м/м Гашеная Негашеная Гашеная Негашеная 75 85 50 80 75 75 35 35 75 75 30 30 Содержание магния должно быть менее 5% по массе, а отношение оксида кальция к оксиду магния должно быть больше чем 14 к 1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ улучшения инженерных свойств грунта, отличающийся тем, что он предусматривает проведение кирковки для разрыхления и размельчения грунта, введение в грунт реагента,который содержит от 5 до 60% по массе цементирующего пуццолана, от 20 до 80% по массе сульфата кальция и от 15 до 50% по массе оксида кальция; перемешивание грунта с реагентом,а после этого уплотнение грунта. 2. Способ изготовления строительных блоков из грунта, отличающийся тем, что он предусматривает разрыхление грунта, перемешивание грунта с реагентом, который содержит от 5 до 60% по массе цементирующего пуццолана, от 20 до 80% по массе сульфата кальция и от 15 до 50% по массе оксида кальция; уплотнение перемешанного с реагентом грунта в опалубке с последующим схватыванием и твердением перемешанного с реагентом грунта. 3. Способ по одному из пп.1-2, отличающийся тем, что реагент содержит от 15 до 35% по массе цементирующего пуццолана, от 40 до 60% по массе сульфата кальция и от 20 до 40% по массе оксида кальция. 4. Способ по одному из пп.1-2, отличающийся тем, что реагент содержит от 25 до 30% по массе цементирующего пуццолана, от 30 до 40% по массе сульфата кальция и от 25 до 35% по массе оксида кальция. 5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что пуццолан содержит шлакопортландцемент. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что реагент также включает в себя дополнительные пуццоланы, выбранные из обычного портландцемента, минерального гипса и частично обезвоженного гипса. 7. Способ по одному из пп.5-6, отличающийся тем, что реагент содержит равные массы шлакопортландцемента и обычного портландцемента. 8. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что он включает в себя операцию перемешивания упрочняющих волокон с реагентом. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что волокна изготавливают из синтетического пластикового материала. 10. Способ по одному из пп.8-9, отличающийся тем, что на 100 кг реагента добавляют от 1 до 10 кг волокон. 10 11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что используют оксид кальция в виде собственно оксида кальция (СаО) или в виде гидроксида кальция (Са(ОН)2). 12. Способ по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что добавляют от 1 до 30% по массе диоксида кремния. Влияние концентрации реагента RBI на прочность сжатия (МПа) образцов (мягкий известняк) Фиг. 1 Влияние концентрации реагента RBI на прочность сжатия (МПа) образцов (карбонизированная глина)