Одним из приоритетных направлений стратегии развития транспортной системы России до 2030 года является увеличение объемов дорожного строительства с целью обеспечения доступа всех граждан Российской Федерации к транспортным услугам. Для выполнения поставленных задач существует большое количество дорогостоящих и энергоемких технологий. Однако во многих странах мира широко используются инновационные технологии, применение которых приводит к сокращению расходов, по сравнению с расходами, связанными с использованием стандартных технологий строительства и ремонта автомобильных дорог.
Компания "ДорТехИнвест" в рамках исполнения Федеральных целевых программ "Модернизация транспортной системы России (2002-2010) годы" и "Развитие г. Сочи как горноклиматического курорта (2006-2014) гг." предлагает новую технологию с использованием ферментного препарата (стабилизатора) "Дорзин" для применения в практике дорожного строительства в регионах РФ.
Развитие дорожного строительства связано с созданием дорожных одежд из монолитных покрытий, состоящих из органоминеральных и бетонных смесей. Их составляющая - битум и цемент, которые являются весьма дорогими компонентами. С целью уменьшения необходимого количества вяжущих и повышения прочности и качества органоминеральных и цементобетонных смесей используются разные примеси типа поверхностно-активных веществ и катализаторов. Подобный процесс происходит и в технологии использования грунтов в дорожном строительстве. Известно, что для их укрепления целесообразно применять соответствующие активные примеси-стабилизаторы, которые позволяют значительно сократить использование минеральных вяжущих и каменных материалов при проектировании и строительстве автодорог.
Стабилизаторы - это широкий класс разных по составу и происхождению веществ, которые в малых дозах положительно влияют на формирование свойств дорожно-строительных материалов, как за счет активизации физико-химических процессов, так и за счет оптимизации технологических процессов. Эти вещества могут использоваться почти на всех технологических этапах строительства автомобильных дорог, начиная от сооружения земляного полотна и заканчивая строительством твёрдых покрытий, искусственных инженерных сооружений и обустройством дорог.
Стабилизаторы могут быть различного происхождения, они отличаются по свойствам, но всех их объединяет то, что они увеличивают прочность, влагостойкость и морозоустойчивость. Стабилизаторы можно рассматривать как "витамины", которые стимулируют не только физико-химические процессы как катализаторы, но и улучшающие качество и эффективность механико-технологических процессов.
Препарат (ионный стабилизатор) "Дорзин" - это органический энзимный продукт, полученный путем ферментации патоки сахарной свеклы и являющийся экологически безопасным материалом. Эффект от применения ионного стабилизатора глинистых грунтов "Дорзин" основан на воздействии компонентов стабилизатора на активную часть грунта с учетом следующих особенностей коллоидных и глинистых частиц:
- Одной из наиболее важных особенностей глинистых и коллоидных частиц является то, что они несут электрический заряд. Это играет большую роль при формировании грунтов и в значительной степени обусловливает как разнообразие их свойств, так и различное поведение при взаимодействии с вяжущими и другими веществами.
Изучение строения коллоидных частиц показывает, что на внешнем слое этих частиц имеется слой адсорбированных ионов (определяющие емкость обмена, а их разнообразие - состав поглощающего комплекса), способные обмениваться на ионы раствора, с которым соприкасается коллоидная частица. Такой обмен всегда происходит в эквивалентных количествах. Грунтовые коллоиды обладают различным зарядом: органические коллоиды и коллоидная кремнекислота могут нести отрицательный заряд, а коллоидные гидраты окисей железа и алюминия - положительный. Для некоторых коллоидов характерно так называемое амфотерное поведение, выражающееся в том, что в зависимости от окружающей среды коллоиды ведут себя то как кислоты, то как основания. За эту особенность их называют амфолитоидами или амфотерными коллоидами. В зависимости от рН порового раствора амфолитоиды несут то положительный, то отрицательный заряд. При некотором промежуточном значении рН амфолитоид не обнаруживает электрических свойств. Эта величина рН называется изоэлектрическим значением рН данного амфолитоида (рНизоэл).
Необходимо отметить, что на обменную способность коллоидных частиц влияет минералогический состав глинистых грунтов и состав обменных ионов. Так монтмориллонитовые грунты имеют емкость обмена порядка 60-100 мг-экв и более, каолинитовые 3-15 мг-экв и редко более, гидрослюдистые 8-20 мг-экв и более /2/. Это объясняется особенностями строения их кристаллических решеток. У первых обменные реакции протекают не только на внешней поверхности кристалликов, но и на внутренних их поверхностях между отдельными пакетами благодаря подвижности решетки. У каолинита и гидрослюд обменные реакции возможны лишь на наружной поверхности кристалликов вследствие неподвижности кристаллической решетки. При этом, с увеличением атомного веса обменных ионов и валентности возрастает и их энергия обмена.
На обменную способность также влияют величина рН раствора и амфотерный характер некоторых грунтовых коллоидов. Поскольку величина рН среды определяет знак заряда амфолитоида, то очевидно, что при рН среды больше рНизоэл амфолитоида будет происходить обмен катионами. Если же рН среды будет меньше рНизоэл обмениваться будут анионы.
Емкость обмена указывает также и на способность глинистых частиц связывать воду. Обменные ионы, находясь на диффузном слое связывают воду. Этим они обеспечивают взаимосвязь и интенсивный переход от одной фазы (частицы) к другой (воде). При этом, катионы обменного комплекса ведут себя по-разному, что определяется их степенью гидратации. Так толстые водные оболочки частиц Nа- глины обусловливают разъединение их между собой, т.е. потерю между ними связи, чему благоприятствует ряд других причин. Гель Nа- глины в воде постепенно переходит в суспензию, состоящую из отдельных частиц. Иная картина отмечается в том случае, когда частицы обладают тонкой водной оболочкой (Са- глина). В этом случае поверхностный раствор, находящийся под сильным влиянием электростатического притяжения, сильно сжат. Благодаря этому частицы с тонкими водными оболочками могут склеиваться друг с другом, чему способствуют и некоторые другие причины. То есть, гель Са- глины в отличи от геля Nа- глины не переходит в суспензию, а неопределенно продолжительное время устойчиво сохраняет в воде свою первоначальную форму.
- Другой особенностью грунтов, содержащих тонкодисперсные частицы, является их способность поглощать (сорбировать) своей поверхностью те или иные вещества из окружающего раствора или суспензии. Тонкодисперсная часть грунтов, обладающая поглотительной способностью, очень тесно связана с поверхностью более крупных частиц или микро и макроагрегатов грунта и не может быть отделена от них механическим путем.
Различают несколько видов поглотительной способности почв и грунтов: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую. При разработке методов укрепления грунтов и рассмотрении их взаимодействия с вяжущими материалами и другими веществами особенно важное значение имеют физико-химическая, химическая и биологическая способности. Однако при изучении влияния поглотительной способности всегда надо учитывать все возможные виды поглощения и оценивать их суммарное действие на результаты укрепления.
При использовании ионного стабилизатора "Дорзин" в обрабатываемых им грунтах будут протекать следующие процессы:
химические процессы - химическое взаимодействие грунта с активными реагентами стабилизатора (поверхностно-активные вещества);
физико-химические процессы - обменное поглощение отдельных ионов стабилизатора тонкодисперсной частью грунта или поглощение других катионактивных или анионактивных веществ. При этом может иметь место молекулярная сорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, а также необратимая коагуляция глинистых и коллоидных веществ, их микроагрегирование и прочное цементирование. Под коагуляцией понимается укрупнение частиц в глинистых грунтах в результате их слипания под действием молекулярных сил сцепления, резко убывающих с расстоянием. Коагуляция может быть вызвана рядом причин, из которых наиболее существенно действие электролитов (химических веществ) среды и взаимная коагуляция грунтовых частиц при перемешивании и уплотнении укрепленных грунтов. Свертывающее (коагулирующее) действие оказывает один из ионов среды укрепляемого грунта, а именно, в отношении положительно заряженных коллоидов коагулирующим ионом является отрицательно заряженный ион - анион среды, а в отношении отрицательно заряженных коллоидов коагулирующим ионом является положительно заряженный ион - катион среды. Осаждающая способность различных катионов в отношении глинистых частиц неодинакова: чем выше их валентность и чем больше их атомный вес, тем больше их коагулирующая способность. Поэтому одновалентные катионы свертывают слабее двухвалентных, а двухвалентные - слабее трехвалентных. В результате проявления физико-химической (обменной) поглотительной способности грунт существенно меняет химические, физические и механические свойства.
При использовании ионного стабилизатора "Дорзин" необходимо учитывать особенности обрабатываемого им грунта. Ниже приведены особенности основных разновидностей глинистых грунтов, залегающих на территории России:
- Насыщение поглотительного комплекса грунта (ПК) двухвалентными или многовалентными катионами (Ca2+, Mg2+, Fe3+) уменьшает его гидрофильность, способствует коагуляции тонкодисперсных частиц и является весьма положительным фактором, повышающим эффективность коагуляции.
- В том случае, когда грунт насыщен обменными катионами щелочных металлов (К+, Na+), во влажном состоянии он имеет щелочную среду. В этих условиях отрицательно заряженные коллоиды, присутствующие в грунтах, стабилизируются в состоянии устойчивого золя. В результате этого такие грунты как, например, солонцы, содержащие катионы натрия в поглощающем комплексе, при увлажнении быстро размокают, делаются чрезвычайно липкими, сильно набухают и утрачивают способность сопротивляться нагрузкам.
- Грунты первой и второй дорожно - климатических зон характеризуются наличием в поглощающем комплексе поглощенных катионов (Н+, Al3+), придающих грунтам кислую среду, повышенные гидрофильность и дисперсность тонкодисперсной части по сравнению с грунтами, насыщенными двухвалентными катионами. Такие кислые грунты (например, подзолистые почвы) требуют предварительной нейтрализации кислотности грунта. Это может быть достигнуто за счет повышения содержания в грунте ионов Са.
Коллоидные свойства грунта, емкость обмена и состав поглощенных катионов, а также степень дисперсности и физические свойства грунта сильно изменяются в том случае, если в порах грунта и на поверхности его частиц присутствуют легкорастворимые в воде соли. Особенно заметно влияние таких солей в зависимости от качественного состава и когда количественное их содержание превышает порог коагуляции тонкодисперсных частиц грунта. Максимально допустимое содержание легкорастворимых солей в укрепленных грунтах зависит как от качественного состава этих солей, так и от вяжущих и других веществ, применяемых для укрепления и нормируется существующими стандартами (ГОСТ 23558 - 94, ГОСТ 30491-97).
При использовании стабилизатора "Дорзин" необходимо учитывать вышеперечисленные особенности грунтов. Их состав должен быть таким, чтобы входящие в него элементы могли обеспечить химическое взаимодействие с активными центрами грунта или физико-химические (обменные) процессы обменного комплекса коллоидных и глинистых частиц.
Расход стабилизатора назначают из расчета обеспечения полной коагуляции коллоидных частиц и, соответственно, повышения физико-механических показателей обработанного им грунта, при повышенном или пониженном расходе стабилизатора коагуляция может не произойти, или произойти частично (не изменяя свойств материала).
В обычных условиях (не укрепленные) глинистые грунты содержат определенное количество воды. Частицы воды вблизи диффузного слоя коллоидных и глинистых частиц поляризуются, возникшие диполи, называют наведенными или индуцированными. Дипольные моменты ориентируются вдоль силовых линий коллоидных частиц (диффузного слоя поглощающего комплекса) и притягиваются одним из своих полюсов к противоположно заряженному иону. Возникающие при этом силы Ван - дер - Ваальса, действующие на расстоянии 5 Ангстрем и более, обусловливают взаимодействие и между коллоидными частицами. В адсорбированном на поверхности грунтовых частиц слое воды имеют место водородные связи. Силы Ван - дер - Ваальса и водородные связи невелики (2-11 ккал/моль и 5-8 ккал/моль, соответственно) в сравнении с ковалентной (50-200 ккал/моль) и ионной (20-150 ккал/моль) связью, возникающих при химическом взаимодействии, в связи с чем легко могут быть разрушены в том числе механически.
Существующие методы обработки грунтов стабилизатором"Дорзин" основаны на компенсации активных центров диффузного слоя коллоидных и глинистых частиц с целью устранения явления поляризации капиллярной воды, обусловливающей явление их гидратации и вытекающих из этого последствий (набухание, водо и морозостойкость укрепленного грунта). В случае, если для целей коагуляции коллоидных частиц, обеспечения надлежащей водо - и морозостойкости одного стабилизатора недостаточно, необходимо прибегать к комплексным способам укрепления грунтов (дополнительному введению, например неорганических вяжущих материалов).
Необходимо отметить, что особенно большую роль в механической прочности (R) /R=2C tg(?/4+?/2)/ естественных (обработанных стабилизатором "Дорзин") глинистых породах играют силы сцепления С (при малых значениях сил внутреннего трения), которые в свою очередь складываются из сил:
1) молекулярных С1, относящихся главным образом к глинисто-коллоидной части грунта; сюда относятся электростатические, дисперсионные силы и силы взаимного притяжения частиц;
2) капиллярных С2;
3) сил, возникающих в породе вследствие старения и синерезиса коллоидных гелей С3;
4) сил, возникающих при кристаллизации солей в результате почвенных процессов, высыхания, а в отдельных случаях и диагенеза породы С4.
В процессе измельчения и перемешивания грунта силы С3 и С4 будут разрушены и восстановлены в течение длительного времени, в то время как молекулярные и капиллярные силы восстанавливаются после его уплотнения. Стабилизатор "Дорзин" и минеральные вяжущие, коагулируя колодные и глинистые частицы, повышают силы молекулярного сцепления грунта.
Предлагаемая к рассмотрению технология строительства оснований дорожных одежд с конструктивными слоями из укрепленных грунтов с использованием ферментного препарата (стабилизатора) "Дорзин" проста и эффективна. При применении данного препарата можно конструировать новую дорожную основу, используя местные почвенные материалы, находящиеся в районе дорожного строительства. Препарат смешивается с водой, вносится в размельченный грунт, который затем утрамбовывается. При сжатии происходит каталитический связывающий процесс, вызывающий сильный цементирующий эффект. В результате чего получается более прочная и менее уязвимая к воздействию влаги дорожная одежда, чем при использовании какого-либо другого стабилизатора. Ферментный препарат "Дорзин" работает практически со всеми видами грунтов. Он может применяться в широком диапазоне погодных и климатических условий. При конструировании дорожных одежд с применением ферментного препарата "Дорзин" достигается сокращение объемов использования каменных материалов (щебень, песок) и минеральных вяжущих. Для строительства 1 км дорожного полотна шириной 8 метров и толщиной 15 сантиметров требуется 37 л ферментного препарата "Дорзин" и 2%-4% цемента. Такое дорожное полотно способно выдержать нагрузку на ось 9-12 тонн.
В настоящее время компанией "ДорТехИнвест" подготовлены для рассмотрения варианты дорожных одежд с конструктивными слоями из укрепленных местных грунтов (на примере аргиллитовых и мергелевых пород) для использования их в строительстве автодорог в г. Сочи при подготовке и проведении зимних Олимпийских игр 2014 года.
Целью применения ферментного препарата "Дорзин" является уменьшение от 50% до 80% объемов поставок каменных материалов, а также минеральных вяжущих, в результате чего происходит снижение стоимости и сокращение времени строительства автодорог в районе города Сочи.
В процессе строительства автодороги Джубга-Сочи планируется проложить большое количество автомобильных тоннелей, из которых будут извлечены десятки миллионов кубических метров пород, в основном состоящих из мергелей и аргиллитов. В результате могут возникнуть проблемы по их использованию. Предлагаемая нами технология позволит их разрешить.
Эта технология широко используется в США: штат Аляска - магистральные дороги более 500 км, штат Айдахо - второстепенные, рудничные и лесосечные дороги более 400 км, штат Миссури - второстепенные дороги более 600 км, штат Калифорния, графство Сан-Диего - второстепенные дороги в полупустынных районах 600 км, штат Пенсильвания - шоссейные дороги общей протяженностью 700 км. В Казахской Республике: дорога 1-й категории Астана-Петропавловск через курортный город Боровое - 1000 км, Санта-Лючии, в Украине, на Гаити и т.д.
На территории Российской Федерации данная технология применялась в Ставропольском крае (участок дороги Левокумское-Турксад), в Липецкой области, Нижегородской и Белгородской областях.
Внедрение технологии "Дорзин" в практику дорожного строительства в регионах РФ позволит решить вопросы по обеспечению дорожными сетями малых городов, поселков и "медвежьих углов", уменьшить расходы по использованию денежных средств федерального и местных бюджетов, а также сократить сроки строительства и ремонта автодорог.
Технологию "Дорзин" можно применять не только в дорожном строительстве, но и при производстве безобжиговых строительных материалов методом гиперпрессования из местного сырья.
Препарат "Дорзин" работает практически со всеми наполнителями сырьевой смеси - отсевами горных пород, ракушечником, известняком, мергелем, аргиллитом, различными видами шлаков и т.д. Безобжиговая технология гиперпрессования предполагает наличие вяжущего компонента в смеси - цемента. Применение препарата "Дорзин" при производстве строительных материалов приводит к снижению расхода цемента до 50 %, увеличению прочности и морозостойкости.
Полученные строительные материалы и изделия из них на основе нанотехнологий имеют низкую себестоимость, что дает возможность строить недорогое малоэтажное социальное жильё для жителей регионов Российской Федерации
Генеральный директор А.А.Струков
ООО "ДорТехИнвест"
