CC BY
27
About unseepage veils efficiency for highways
V.I. Sologaev, N.V. Zolotarev
The engineering technique filtration account unseepage veils in a skew field ground arrays of highways for a guard from underflooding and landslips is offered.
Сологаев Валерий Иванович - д-р техн. наук,
профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - защита от подтопления в городском строительстве. Имеет 77 опубликованных работ. e-mail: [email protected]
Золотарев Николай валерьевич - аспирант Омского государственного аграрного университета. Основное направление научных исследований - защита от подтопления в городском строительстве. Имеет 2 опубликованные работы. e-mail: [email protected]
Статья поступила 19.02.2009 г.
УДК 625.72
ПАТЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГРУНТОВ
В.С. Прокопец, д-р техн. наук, проф. Е.А. Голубева
Аннотация. В статье исследованы технические решения в области материалов на основе грунтов.
Анализируются причины отсутствия технических решений, устраняющих противоречия у материалов на основе грунтов и цемента между их прочностью при сжатии и прочностью при растяжении.
Ключевые слова: Технические решения, техническая система, прочность, деформативность, морозостойкость.
Введение
Современное состояние, а также общую тенденцию в применении в строительстве материалов на основе грунтов как у нас в стране, так и за рубежом отражают патентнолицензионные документы. Поэтому наиболее целесообразно современное состояние проблемы применения материалов на основе грунтов рассмотреть с позиции содержания отечественных и зарубежных авторских свидетельств и патентов, дополнив содержанием новейших исследований, не вошедших в анализируемые авторские документы. Анализ патентной литературы выполнен в рамках патентных исследований.
Описание и постановка задачи
Эффективность патентных исследований зависит от глубины проработанного пласта охранных документов. Нами был проанализирован подобный пласт глубиной в 30 лет.
Поскольку данные патентные исследования проведены на стадии планирования НИР, то оценка конкретного объекта не проводилась. Определялся только уровень техники,
по методам получения и применения материалов на основе грунтов в гражданском и дорожном строительстве путём введения в смеси затвердевающих веществ, выражаемый определённой совокупностью техникоэкономических показателей.
Согласно положению о патентных исследованиях, определение уровня техники проводилось по следующим основным критериям:
- выбор основных показателей, определяющих технический уровень объекта;
- выявление объектов техники аналогичного назначения предшествующего поколения;
- выявление лучших аналогов промышленно освоенной продукции и выбор базового объекта;
- определение тенденций развития в исследуемой области техники.
На основании проведённых исследований уровень данной области техники в настоящее время выглядит следующим образом.
1.Поскольку номенклатура техникоэкономических показателей (ТЭП) устанавли-
вается с учетом назначения и условий использования продукции, анализа требований потребителя, состава и структуры, то основными направлениями повышения техникоэкономических показателей в данной области техники являются:
- повышение прочности;
- повышение долговечности (водостойкость, морозостойкость).
Наибольшее количество технических решений направлено на повышение прочности материалов на основе грунтов.
2. В настоящее время насчитывается более 100 способов получения материалов на основе грунтов различного состава и генезиса с применением органических или неорганических вяжущих и тому подобных веществ.
Среди многообразия способов получения подобных материалов чётко выделяются следующие направления:
- композиции на основе грунтов, содержащие минеральные вяжущие вещества типа цементов;
- композиции, содержащие органические вяжущие веществ (битумы, нефтяные гудроны, нефти);
- композиции, содержащие в качестве вяжущих веществ отходы производств - золы, шлаки, шламы (нефелиновые, бокситовые) и т.д.
- композиции, содержащие полимерные вяжущие вещества;
- композиции, содержащие в разных сочетаниях вышеприведённые вяжущие вещества, а также полимерные вещества и добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ).
При этом выделены следующие наиболее перспективные смеси, содержащие кроме грунта:
- цемент;
- битум и нефть;
- известь, золы и шлаки;
- комбинации перечисленных вяжущих в комплексе с добавками полимеров и пАв.
З.Объектом техники аналогичного назначения предшествующего поколения может являться состав, включающий: цемент - 12 % + добавка полиакриламида - 0,1 % + грунт (пылеватый суглинок) - остальное [1].
Физико-механические свойства образцов из этой смеси следующие:
- предел прочности при сжатии - 3,0 МПа;
- набухание - 0,8 % по объему.
4.Выявление лучших аналогов промышленно освоенной продукции, при выборе базового объекта, показало, что базовым объектом может служить смесь, включающая цемент - от 8 до 14 % .
5.При изучении научно-технической литературы и анализе отобранных охранных документов по составам грунтобетонов были выявлены следующие направления развития в исследуемой области техники:
- смеси, содержащие цемент (212 охранных документа);
- смеси, содержащие битумы и нефти (25 охранных документов);
- смеси, включающие известь, золы, шлаки и шламы и другие малоактивные отходы производств (764 охранных документов);
- смеси, включающие смолы (21 охранный документ).
Таким образом, установлено, что наибольшую перспективность имеет тенденция применения в составах материалов на основе грунтов золо-шлаковых и шламовых отходов соответствующих производств. Данная тенденция легко объяснима с точки зрения улучшения экологии окружающей среды путём утилизации отходов промышленных производств. Однако этому есть и другое объяснение, которое заключается в следующем.
Как правило, медленнотвердеющие вяжущие обладают большим запасом потенциальной химической энергии, которая проявляется во времени в результате воздействия активных компонентов смеси, являясь длительно действующим источником цементирующего вещества в структуре материала. Благодаря этой особенности подобных вяжущих веществ материалы в процессе эксплуатации приобретают способность сопротивляться постоянно накапливающимся климатическим и силовым нагрузкам [2].
I. Наибольшее количество технических решений направлено на повышение прочности цементогрунтовых композиций.
1.1. Повышение прочности может быть достигнуто различными путями, например, путем изменения коллоидно-химических свойств цемента, главным образом, за счет добавок поверхностно-активных и структурообразующих веществ (а.с. СССР № 655775, 694597, 812869, 530932, 694597). В результате обработки грунта такими веществами происходит агрегирование мельчайших наиболее активных частиц грунта, уменьшается их удельная поверхность и возрастает прочность агрегатов, которые вслед за этим взаимно скрепляются цементом.
1.2. Другой путь повышения прочности -введение пластифицирующих добавок, (а.с. СССР № 481661, 608871, 812869, 914699), которые повышают пластичность смеси и снижают водоцементное отношение, благодаря
чему возрастает плотность, а следовательно, и прочность материала.
1.3. Более интересны, на наш взгляд, технические решения, в которых задача повышения прочности укрепленных грунтов решается путем введения в смесь отходов производства: золы уноса, ферромарганцевый шлак, доменный шлак, отработанная формовочная земля и т.д. (а.с. СССР №№ 367213, 705072, 796300, 889775, 916632, 949032, пат. Франции № 2339708, пат. ФРГ № 2703908). При этом ускоренное отвердевание данных композиций может быть достигнуто различными путями:
- введением в смесь органического вяжущего (каменноугольная смола, жирные амины и т.д.). Известь коагулирует тонкодисперсную часть грунта, образует кристаллизационные связи между частицами и агрегатами, что придает грунту повышенную прочность (а.с. СССР №№ 487204, 623919, 610905,469793,876819,546679,384974);
- использования активизаторов твердения (а.с. СССР № 604894, 885392, 718543).
Наиболее значимый эффект этого плана достигнут применением смеси, включающей: цемент - 8%, торфяную золу - 20 % , битумную эмульсию, приготовленной на битуме БНД 60/90 - 1 % , окисленный петролатум -0,1 % и грунт - остальное [3].Физико-механические свойства образцов из этой смеси следующие:
- предел прочности при сжатии - 28, 6 МПа;
- прочность на растяжение при изгибе -17,8 МПа;
- модуль упругости - 13265,3 МПа;
- водонасыщение - 9 %.
Однако, недостатком подобных технических решений является необходимость введения в грунт перечисленных отходов в значительных количествах, что приводит к удорожанию производства работ.
При этом следует отметить, что зарегистрированные технические решения не преследуют повышения у цементных композиций усадочной трещиностойкости и снижения жёсткости композиционных материалов (наблюдается высокое значение отношения Rcж/ RИЗГ )
1.4. Повышение долговечности, посредством увеличения морозостойкости цементогрунтовых оснований автомобильных дорог достигается в основном уменьшением водо-насыщения объема путем применения веществ, заполняющих воздушные поры грунта (а. с. СССР №№ 914699, 655775).
1.5. Повышение водоустойчивости дости-
гается за счет введения гидрофобизирующих добавок, которые уменьшают водопоглоще-ние (а.с. СССР №№ 655774, 914699, 863745).
II. Имеется значительное количество технических решений, направленных на повышение прочности композиций на основе грунтов, битумов или нефтей.
11.1. Это достигается главным образом, путем введением в смесь смол и смолистых веществ, что улучшает прилипание битума к минеральным частичкам грунта (а.с. СССР №№ 501131, 834313, 885431).
11.2. Повышение морозостойкости таких материалов может быть достигнуто с помощью применения пластифицирующих добавок (каменноугольного дегтя и др.) (а. с. СССР № 653337, 885431),
11.3.Водоустойчивость повышается, за счет применения добавки поверхностно-активных веществ, что придает грунту гидрофобность (а.с. СССР №№ 834313, 863763).
11.4. Повышение морозостойкости, можно добиться путем введением гидрофобных добавок, которые снижают водопоглощение и повышают морозостойкость (а.с. СССР № 623919, 610905, 384974, 469793, 551426, 739172).
III. Имеются технические решения, позволяющие улучшить физико-механические свойства полимергрунтов.
Ш.1. Повышение прочности может быть достигнута при помощи применения новых отвердителей, способных образовать с молекулами смолы пространственную структуру, дополнительно содержащую водонерастворимые эластичные связи (а.с. СССР №№ 876842, 834320).
Ш.2. Повышение морозостойкости и водостойкости достигается, за счёт образования нерастворимых в воде органоминеральных соединений (а.с. СССР №№ 658219, 876842).
Таким образом, можно сделать следующие предварительные выводы.
1.Основными направлениями развития методов получения материалов на основе грунтов являются:
- смеси, включающие известь, золы, шлаки и шламы, и другие малоактивные отходы производств;
- смеси, содержащие цемент;
- смеси, содержащие битумы и нефти;
- смеси, включающие полимерные вещества.
2. Основными направлениями повышения технико-экономических показателей являются:
- повышение прочности;
- повышение долговечности (морозостойкости, водостойкости);
- снижением стоимости.
При этом подавляющее количество технических решений направлено на повышение прочности при сжатии материалов на основе грунтов.
Известно, что любая техническая система (ТС) имеет свой «жизненный» цикл, который можно отобразить в виде S-образной кривой [4,5,6]. Такая форма кривой является общей для развития технических и других систем.
Для нашей технической системы основ-
ными параметрами являются: составы материалов на основе грунтов и технологии их производства.
Построив такую кривую, всегда можно выяснить, на каком «жизненном» этапе находится данная техническая система. Одним из способов построения S-образной кривой ТС является определение по годам динамики патентования.
По выявленным охранным документам за период поиска массив отобранной информации был подвергнут статистической обработке, графическая её интерпретация на рисунке 1.
Динамика патентования в Россини
количество патентов 60 50 40 30 20 10 0
по технологии \по составам \ / ,
/' \
\ I I I I I I I I I I I I I Г
год
1978 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008
Рис.1 Динамика патентования в РФ (СССР) по годам технических решений в области материалов на основе грунтов
Из приведённых данных патентных исследований можно сделать определённые выводы состояния разработок в области получения и применения материалов на основе дисперсных грунтов:
- техническая система, как композиционные материалы на основе грунтов, не исчерпала до конца своё развитие и находится в состоянии дальнейшего развития;
- зарубежные патенты основное направление имеют на технологические аспекты данной ТС;
- основным критерием всех заявляемых технических решений являются либо прочность при сжатии, либо долговечность, оценкой которой является показатель морозостойкости или водостойкости материала. При этом, как правило, не рассматривается возможность повышения у изделий из укреплённых материалов прочности на растяжение;
- почти отсутствуют технические решения, направленные на повышение усадочной трещиностойкости этих материалов;
- обращает на себя внимание то, что за
последние пятнадцать лет основная роль, в заявляемых технических решениях, отводится вяжущим веществам в виде зол, шлаков, бели-товых шламов и тому подобных материалов;
- в то же время почти нет работ, направленных на разработку и применение эффективных добавок в виде многокомпонентных полимерных веществ.
В связи с вышесказанным, а также на основе анализа научно-технических источников очевидными становятся проблемы, существующие в области материалов на основе грунтов. Эти проблемы сводятся к следующему:
- отсутствуют технологические решения, устраняющие противоречия у материалов на основе грунта и цемента между их прочностью при сжатии и прочностью при растяжении.
- нет эффективных способов повышения прочности материала, кроме как путём введения традиционных минеральных веществ в повышенном количестве или совместно с добавками, зачастую малоэффективных ПАВ;
- практически очень слабо отражены вопросы повышения усадочной трещиностой-кости цементогрунта.
Выводы
Анализ технических решений в области материалов на основе грунтов в нашей стране показывает, что в связи с известными экономическими условиями в период с 1992 года по 2000 год произошел резкий спад научных изысканий в этой области. Однако, последние годы характеризуются заметным подъемом принятия технических решений по применению в строительстве материалов на основе грунтов. Это вполне объяснимо, поскольку техническая целесообразность и большой экономический эффект от использования различных местных материалов (грунтов, различных по составу и свойствам) подтвержден многолетним производственным и научным опытом, особенно при строительстве автомобильных дорог и аэродромов.
Библиографический список
1. Марков Л.А. и др. Улучшение свойств грунтов поверхностно-активными и структурообразующими веществами. - М.: Научно-техническое издательство Министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР, 1985 - С. 63.- 142.
2. Белоусов Б.В. Материалы для долговечных и экономичных оснований дорожных одежд. - Омск: СибАДИ, 2000. - 165с.
3. Оковитый А.Л. Укрепление грунтов цементом с добавками отходов производства. Автомобильные дороги, №9, 1982. -С. 22-24.
4. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. -М.: Советское радио, 1979. -188с.
5. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач.
- Новосибирск: Наука, 1986. - 209с.
6. Рождение изобретения (стратегия и тактика решений изобретательских задач) А.И. Гасанов. Б.М. Гохман А.П. Ефимочкин и др. -М.: Интерпракс, 1995. - 432с.
Patent researches of technology in the field of soil-based materials
Prokopets V., E. Golubeva
The technoology in the field of soil-based materials is investigated in the article. During the patent literature analysis the conclusions about absence of technical decisions, resolving the soil and cement-based materials contradictions between their compression and stretching strength, were made.
Прокопец Валерий Сергеевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Строительные материалы и спецтехнологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное
направление научных исследований - комплексное укрепление грунтов для строительства оснований дорожных одежд. Имеет 156 опубликованных работ. E-mail: [email protected]
Голубева Елена Анатольевна - преподаватель кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное
направление научных исследований - модификация цементогрунта полимерными добавками. Имеет 18 опубликованных работ. E-mail: [email protected]
Статья поступила 23.10.08 г.
