Применение полимеров для укрепления грунтов

 

При выборе полимеров для укрепления грунтов следует учитывать целый ряд факторов, определяющих эффективность их применения. В.М.Безрук выделяет следующие наиболее важные характеристики полимера, указывающие на пригодность его для укрепления грунтов:

- растворимость или диспергируемость в воде при введении полимера (или составляющих его мономеров) в грунт, при перемешивании и уплотнении смеси;

- нерастворимость в воде и несмачиваемость после отверждения;

- способность к активной связи полимера с минеральной поверхностью зерен грунта;

- способность к избирательной адсорбции по отношению к гидрофильным глинистым минералам с образованием в дальнейшем хемосорбционных соединений;

- сопротивляемость физическим и химическим воздействиям и биологическому разрушению;

- способность самопроизвольно растекаться по поверхности увлажненного грунта;

- экономичность (возможность применения полимера в небольших количествах, недифицитность и относительная дешевизна).

Для гидрофобизации и укрепления грунтов в основном применяют поликонденсационные полимеры:

1) мочевиноформальдегидные смолы. Эти смолы термореактивны и могут отверждаться при обычной температуре с образованием достаточно прочных и нерастворимых в воде материалов;

2) мочевино-фурфуроло-формальдегидные смолы (для укрепления грунтов являются одними из лучших);

3) кремнийорганические смолы. Из них наиболее применимы пока полиорганосилоксаны.

Кремнийорганические полимеры обладают повышенной водостойкостью, термостойкостью, хладостойкостью, нетоксичны, не обладают коррозионной активностью. Их основное достоинство – высокая гидрофобность.

Как гидрофобизаторы, особый интерес представляют кремнийорганические жидкости марок ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94.

Помимо гидрофобизации грунтов ГКЖ могут придавать им ценные свойства и при пропитке. Просачиваясь по пустотам в массу пропитываемого материала, а затем затвердевая, они придают материалу водонепроницаемость и повышают механическую прочность.

 

Виды изделий из полимерных материалов

 

В строительстве получили применение следующие виды изделий из полимерных материалов:

- полимербетоны;

- пластбетоны;

- пенопласт;

- стеклопластики.

Полимерные материалы находят применение в дорожной отрасли в следующих областях:

- для разметки дорожных покрытий;

- в качестве материала для заполнителя температурных швов в цементобетонных покрытиях;

- для устройства и ремонта дорожных покрытий;

- для ухода за свежеуложенным цементобетонном;

- для обеспыливания дорог низших категорий.

 

Полимерцементобетон.

 

Полимерцементобетон - это материал, в котором кроме цементного вяжущего, содержится полимерное синтетическое вяжущее, вводимое в виде эмульсии.

Появление этого материала вызвано стремлением заменить обычный цементобетон с целью улучшения его качества при использовании для устройства фундаментов инженерных сооружений и дорожных покрытий.

В полимерцементобетонах сочетаются существующая технология водно-цементных бетонов с современной технологией полимеров.

Полимерцементные композиты делятся на 3 группы:

I группа включает полимербетоны (ПБ), которые получают путем полимеризации мономера в присутствии инертного наполнителя – цемента. Роль связующего здесь выполняет полимер.

II группа включает бетоны на основе гидратированного портландцемента, пропитанного мономером, который затем полимеризуется. Это, по существу, пропитанные полимером бетоны (ППБ).

III группа включает портландцементные композиты, в которые вводят мономер или полимер в жидкой, твердой или дисперсной фазе с последующей полимеризацией или отверждением на месте, т.е. это полимерпортландцементные бетоны (ППЦБ).

Если в ППБ полимер используется как оболочка на частицах застывшего бетона, то в ППЦБ полимер служит добавкой для свежей бетонной смеси.

Оба этих типа материалов (ППБ и ППЦБ) не являются истинными полимерными композитами, так как в них нет полимерной матрицы (вяжущего), подобно матрице в полимербетонах (ПБ).

В табл. 9.5 приведены физико-механические свойства трех типов полимербетонных композитов в сравнении со свойствами традиционных портландцементных бетонов (ПЦБ) и некоторых металлов.

Таблица 9.5. Физико-механические свойства полимербетонных композитов и традиционных конструкционных материалов

 

Свойства	Материал
ПБ	ППБ	ППЦБ	ПЦБ	Сталь	Алю-миний
Предел прочности при сжатии, кгс/см^2 при растяжении, кгс/см^2
Модуль упругости Е×10^3, кгс/см^2
Водопроницаемость, Q×10^4, м/год		0,36	1,15	1,61
Плотность, г/см^3	2,3	2,4	2,4	2,5	7,9	2,7
Стойкость к многократному замораживанию-оттаиванию
число циклов					-	-
потери массы, %					-	-
Твердость (ударный молот), усл. ед.					-	-
Потери массы за 3 мес. выдержки в 5%-ной НСℓ, %	0,3				-	-
Расширение за 2 года выдержки, %	0,003	0,006	0,25	0,5	-	-
Теплопроводность, ккал/(м×ч×°С)	1,82	1,91	1,97	2,01	-	-
Коэффициент конструктивного качества (ККК)	0,60	0,61	0,18	0,14	0,37	0,65

 

Полимербетоны на термореактивных смолах характеризуются высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе, малым водопоглощением, высокой плотностью и износостойкостью, высокой адгезией к цементобетону, металлу, древесине, большой устойчивостью к низким температурам и агрессивной среде.

Ввиду высокой стоимости полимербетонов на термореактивных смолах дорожные покрытия с его применением устраивают тонкослойными по прочному бетонному основанию.

Полимербетоны применяют также для ремонта цементобетонных покрытий. При этом используются цемент-пушки, растворонасосы.

При устройстве новых покрытий могут использоваться асфальтоукладчики.

Слои износа на существующих покрытиях могут устраиваться методом поверхностной обработки или методом пропитки. Из полимербетонов на покрытиях устраивают защитные и шероховатые слои толщиной 1,5…2 см. При температуре воздуха 15…20 °С покрытие готово к эксплуатации через 6…10 ч.

Технология приготовления полимербетонной смеси включает:

- сушку и дозирование минеральных материалов;

- приготовление вяжущего и его дозирование;

- перемешивание всех компонентов смеси в смесительной установке.

Все указанные процессы можно осуществить на асфальто- или цементобетонном заводе с использованием стандартного оборудования.

Широкое применение полимербетонов в дорожном строительстве пока сдерживается высокой стоимостью вяжущего.

 

Полимербетон (пластбетоны)

 

Полимербетон − искусственный строительный композиционный материал, получаемый на основе синтетических смол, отвердителей, заполнителей, наполнителей и других добавок без участия минеральных вяжущих материалов.

Он применяется в несущих и не несущих монолитных и сборных химически стойких конструкциях и изделиях, работающих при воздействии агрессивных сред.

Разновидностью полимербетонов является армополимербетон – материал, армированный стальной, алюминиевой, стеклопластиковой арматурой или рубленым стекловолокном.

В качестве связующего применяют синтетические смолы:

- фурфуролацетоновую (ФА или ФАМ);

- фурано-эпоксидную (ФА-ЭД-20) и др.

В качестве крупных заполнителей используют кислотостойкий щебень (кислотостойкость не ниже 96 %). Наполнителем служит кварцевая мука с удельной поверхностью 2300-3000 см²/г.

 

Геотекстили

 

Геотекстили – материалы в виде полотна из синтетических волокон, расположенных в одном направлении или беспорядочно.

Для производства геотекстилей главным образом используют полиэфир, полипропилен, полиамид и др.

Геотекстили все шире применяют при строительстве автомобильных дорог и аэродромов. В мировой практике общая площадь применения геотекстиля превышает 30 млн. м².

Важнейшими свойствами геотекстильных материалов в виде полотна являются:

- значительная прочность при растяжении;

- незначительная толщина;

- большая гибкость;

- пористость структуры, обеспечивающая пропуск воды.

Геотекстиль применяют:

- для создания армирующих и дренирующих прослоек в верхней части земляного полотна;

- в конструктивных слоях дорожной одежды;

- для защиты откосов земляного полотна от эрозии и др.

Прослойки геотекстиля позволяют уменьшить расход дорожно-строительных материалов, снизить объем земляных работ, сократить сроки строительства, энергозатраты и транспортные расходы, повысить сроки службы автомобильных дорог и аэродромов.

В последнее время для повышения сдвигоустойчивости верхнего слоя асфальтобетонного покрытия начали применять новую разновидность геотекстиля – геосетки.

Предпочтительным видом вяжущего для изготовления геотекстиля является полиэфир.

По структуре полотна геотекстильные материалы подразделяют на нетканые и тканые. Большинство синтетических геотекстильных материалов, применяемых в дорожном и аэродромном строительстве, относят к нетканым.

Производство нетканых материалов состоит из двух основных операций: формирование холста из волокон и его упрочнение.

Широко распространенным способом получения нетканых материалов является фильерный способ, поскольку он наиболее производительный и высокомеханизированный.

Фильерный способ позволяет изготавливать нетканый материал непосредственно из расплава полимеров. Для фильерного способа пригодны следующие полимеры: полиэфир, полиамид, полипропилен. Могут быть использованы как первичные (кондиционные), так и вторичные полимеры (отходы). В первом блоке установки (рис. 9.5) для изготовления нетканого полотна из расплава полимеров поддерживают постоянную температуру и продавливают расплав полимера через многочисленные калиброванные капиллярные отверстия (фильеры). Образующиеся при продавливании волокна направляются в вытяжную трубу (второй блок). Туда же направляется струя воздуха, подхватывающая волокна и вытягивающая их со скоростью в 300…500 раз превышающей скорость на выходе из фильеры. За счет вытягивания происходит молекулярная ориентация полимера в волокне, повышается его прочность.

В дальнейшем холст так же, как и при сухом способе производства нетканых материалов, упрочняется механическим, химическим, термическим или комбинированным способом.

Среди известных способов упрочнения полотна наиболее распространен механический – иглопробивной. Способ заключается в переплетении волокон иглами с зазубринами, расположенными на пластине при плотности 2000…3000 иголок на линейный метр при ширине 0,3…0,4 м. Пластина приводится в возвратно-поступательное движение приводом синхронно с ходом холста (рис. 9.6). Прочес вводится в рабочую часть иглопробивного устройства транспортером. Иглы пробивают прочес с определенной частотой, что придает ему заданную прочность. Способ применим независимо от исходного сырья, позволяет вырабатывать полотна шириной до 6,5 м с высокой скоростью, связан с незначительными затратами энергии и производственных площадей, не вызывает вредных выбросов в окружающую среду.

Известен также рулонный нетканый материал – дорнит, получаемый иглопробивным способом из отходов синтетических волокон и вторичного текстильного сырья. Для производства дорнита используют отходы лавсанового, штапельного и капронового волокна. Дорнит используют для устройства конструктивной и фильтрующей прослойки при строительстве автомобильных дорог на участках слабых грунтов, а также для укрепления откосов и устройства дренажа.

Геотекстильные прослойки в силу способности сопротивляться растяжению и продавливанию выполняют роль арматуры (рис. 9.7). Так, геотекстиль применяют в качестве горизонтальных армирующих прослоек в откосах и основании насыпи, для армирования асфальтобетона с целью уменьшения образования трещин и снижения толщины слоя.

Геотекстильные полотна толщиной более 2 мм способны проводить воду в полости полотна и выполнять функцию дрены. Полосы из геотекстиля применяют для вертикального дренирования слабых водонасыщенных грунтов. Дренирующие полотна, закрепленные на тыльной стороне подпорной стенки, обеспечивают вывод воды из застенного пространства.

Уложенные в основание дорожной одежды или в тело насыпи из переувлажненного грунта дренирующие текстильные прослойки содействуют осушению грунтового массива.

Использование геотекстильных материалов в дорожном и аэродромном строительстве свидетельствует о рождении принципиально нового направления, способного решать значительный круг практических задач. Применение этих материалов способствует облегчению производства работ, повышению технологической дисциплины и культуры производства в целом.

 

Стеклопластики

 

Для обустройства автомобильных дорог путем установки километровых столбов, указательных знаков, ограждающих устройств и постройки павильонов на остановках автобусов применяют стеклопластики.

Стеклопластики – материалы на основе полимерного связующего и стеклянного наполнителя. Наиболее широко в качестве стеклонаполнителя применяют стеклянные волокна различной формы: нити, ткани, ленты, холсты. В качестве связующих используют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие полимеры.

Применяемые для стеклопластиков стеклянные волокна по сравнению с другими синтетическими и натуральными волокнами имеют повышенную прочность на разрыв, химическую стойкость и негорючесть. Прочность на разрыв различных искусственных и природных волокон (МПа):

Волокна из плавленого кварца 80…100

Стекловолокно до 25

Найлон 4…7

Натуральный шелк 3…5,5

Хлопок 4…6,5

Прочность стеклянного волокна зависит от диаметра волокон: при уменьшении диаметра от 20 до 2 мкм прочность при разрыве возрастает в 10 раз.

В зависимости от расположения в матрице стеклянных волокон и способа уплотнения стеклопластики подразделяются на три группы:

- стекловолокниты – стеклопластики на основе рубленого стекловолокна, расположенного хаотично с применением фенолоформальдегидной смолы. Используют для изготовления деталей высокой прочности способом горячего прессования в прессформах;

- стеклотекстолиты – стеклопластики на основе стеклянных тканей с различным переплетением нитей. Используют как конструкционный электроизоляционный материал;

- стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) – стеклопластик на основе различного ориентационного расположения в слоях стеклошпона, волокна которого могут быть расположены в каждом слое либо параллельно друг другу, либо в различных слоях – под углом.

Стеклошпон получают из элементарных волокон, которые выходят из фильер печи, смачиваются жидкой синтетической смолой и наматываются на барабан. Полученный стеклошпон срезают с барабана и подсушивают. В результате получают стеклошпон с однонаправленным волокном.

Стеклопластик СВАМ отличается значительной прочностью при сжатии (420 МПа) и еще большей прочностью при растяжении (480 МПа).

Из стеклопластиков получают различные изделия:

- листовой стеклопластик;

- крупноразмерные панели для стен;

- плиты для перекрытий;

- изделия в виде столбиков для ограждений, километровых и указательных знаков;

- детали, используемые при строительстве павильонов на автобусных остановках и др.