Укрепленные местные грунты неорганическими вяжущими с добавками в транспортном, гидротехническом и подземном строительстве
Сибирь и Арктика характеризуется сложны-ми природно-климатическими условиями и отсутствием местных строительных материалов. В данном проекте предусматривается разработка искусственных высокопрочных материалов на основе применения местных некондиционных грунтов, обработанных неорганическими вяжущими с химическими полимерными добавками. Полученные материалы планируется использовать для устройства конструктивных слоев в транспортном, гидротехническом и подземном строительстве в условиях Сибири и Арктики взамен привозных каменных материалов и ж/бетонных изделий. Разработанные материалы характеризуются повышенной прочностью и долговечностью по сравнению с традиционными и снижением стоимости строительства в 1,2 – 2 раза.
В настоящее время, увеличивающиеся объемы строительства и рекон-струкции в транспортном, гидротехническом и подземном строительстве требуют решение проблемы по разработке ресурсосберегающих и импортозамещающих материалов и технологии на базе местных ресурсов.
Одними из таких материалов являются местные грунты укрепленные цементом с добавками, заменяющие привозные каменные материалы и железобетон.
Современные теоретические основы материаловедения, технические и материальные возможности производства позволяют разработать новые способы и методы получения искусственных каменных материалов на базе укрепленных грунтов и новую нормативную базу по материаловедению и технологии в транспортном, гидротехническом и подземном строительстве для особых условиях Сибири и Арктики.
Цель НИОКР
Разработка теоретических основ и практических методов строительства транспортных, гидротехнических и других сооружений из местных грунтов, укрепленных минеральными вяжущими с полимерными добавками и поверхностно-активными веществами в условиях Сибири и Арктики.
Задачи
- Получение композиционных материалов на основе грунтов, минеральных вяжущих и полимерных добавок с формированием прочных и долговечных структур;
- Разработка механизма управления процессами формирования структур системы «грунт-вяжущее-полимерная добавка»;
- Обоснование требований к строительным материалам системы «грунт-вяжущее-полимерная добавка» для работы в условиях Сибири;
- Разработка технологического и организационного комплекса по строительству элементов и конструкций для транспортных, гидротехнических и других сооружений из укрепленных грунтов с полимерными добавками и поверхностно-активными веществами.
- Разработка новых химических добавок на базе местного сырья из отходов химической промышленности Сибири.
Методология исследований базируется на фундаментальных положениях грунтоведения, механики грунтов, инженерной геологии, физико-химической механики дисперсных структур, теории упругости, теплофизики, физической химии, теории укладок и упаковок, математического планирования эксперимента, теории надежности, теории прочности и применением методов математической статистики и теории вероятности на всех этапах исследования с использованием программ Excel, TempKeeper, SmartVideo и др., являющихся симбиозом численного и аналитически вычисленных процессов и обеспечивающих высокую точность результатов данной работы.
Изложение сущности и степени новизны НИОКР, а также преимуществ конечного инновационного продукта по сравнению с аналогами
Данная работа проводится впервые, в продолжение работ по развитию СП 34.13330.2012 Авто-мобильные дороги (актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85), СНиП 3.06.03-85, «Правила проектирования и строительства автомобильных дорог в сложных условиях», ГОСТ 23558-94. «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства» и ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства» в виду отсутствия в них правил проектирования дорожных конструкций из укрепленных грунтов и организации и технологии их строительства. Отличительной особенностью является коренное изменение требований к гранулометрическому составу исходных грунтов, разработке новых требований к уплотнению смесей и методике выбора эффективных добавок.
Описание ожидаемого научного и научно-технического результата НИОКР
- Придание укрепленным грунтам гидрофобных свойств, существенно увеличит морозо- и водостойкость. Это позволит расширить область применения рассматриваемого материала, используя его не только для строительства дорожных одежд и укрепления откосов, но и для строительства гидротехнических и подземных инженерных сооружений;
- Увеличение прочности в 1,5 – 2,0 раза (до 15 МПа) переводит УГ в класс укатываемых цементных бетонов. Это обеспечит снижение стоимости устройства всей дорожной одежды в 1,5 – 2,0 раза и увеличит межремонтный срок ремонта ДО с 3 – 5 лет до 10 – 15.
- Ускорение процесса формирования цементного камня в 1,5 – 2 раза и снижение температуры замерзания воды в цементогрунтовой смеси (эффект солевых добавок NaCl и CaCl2). Это обеспечит проведение процессов гидролиза, гидратации, кристаллизации при пониженных температурах, что позволит увеличить строительный сезон на 2 – 3 месяца за счёт увеличения градиента температурного регламента проведения производства работ на 10 0С весной и осенью.
Описание предполагаемой научной и научно-технической продукции, предназначенной для реализации
- Стандарты на приготовление составов химических добавок для укрепления грунтов,
- Стандарты на приготовление составов полимерных добавок для укрепления грунтов,
- Нормативные документы на устройство конструктивных слоев дорожных из укрепленных грунтов с химическими и полимерными добавками;
- Нормативные документы на устройство конструктивных элементов гидротехнических и подземных инженерных сооружений;
- Производство и реализация полимерных и химических добавки;
- Производство и реализация цементогрунтовых смесей;
- Строительство конструктивных слоев дорожных из укрепленных грунтов с химическими и полимерными добавками;
- Учебно-методический материал для учебного процесса в ТИУ и переподготовки специалистов производственных предприятий
Описание потенциала коммерциализации научного проекта, в рамках которого выполняется НИОКР (потенциальный рынок сбыта, планируемые объемы продаж и потребители технологической инновации)
В данном проекте предусмотрена стратегия разработки двух новых товаров. Применение укрепленных грунтов (УГ) взамен привозных каменных материалов и разработка и изготовление импортозамещающих полимерных и химических добавков. Отличаем в данном проекте от традиционных композиций является введение химическими и полимерными добавок, существенно изменяющих физико-механические свойства материалов. Это позволяет перевести новый товар (УГ) в другую группу, расширяющую его область применения на производстве и получить импортозамещающие добавки. До 1985 года вопросами оптимизации укрепленных грунтов занимались две организации – Союздорнии и Омский филиал Союздорнии. В настоящий момент они ликвидированы.
Основными потребителями услуг и материалов являются:
- министерство транспорта РФ, ОАО «НК «Роснефть», ПАО «Газпромнефть» министерство науки и высшего образования РФ;
- администрации регионов и городов (Тюменская область, ХМАО, ЯНАО, городов и муниципалитетов);
- организации по добыче рудных и нерудных полезных ископаемых в Сибири;
- организации транспортной системы.
Практическая значимость НИОКР и проекта в целом (описание эффекта от внедрения технологической инновации, эффекта импортозамещения на государственном и региональном уровнях)
Одной из проблем в области строительства дорожных одежд является отсутствие каменных материалов более чем на 90% территории РФ. Наиболее перспективным материалом являются местные грунты, обработанные неорганическими вяжущими, но низкая водостойкость и морозостойкость ограничивает их применение. В течение последних пятнадцати лет зару-бежными учеными получен ряд поверхностно-активных добавок (ПАВ), активно влияющих на формирование дорожно-строительных материалов, а именно — на укрепленные грунты. Анализ, проведенный в течение последних пяти лет) оказал, что не все предлагаемые на рынке полимерные добавки эффективны в строительных конструкциях. Было апробировано более 20 отечественных и зарубежных марок. Стоимость этих добавок без таможенных сборов составляет от 5 до 20 долларов США. Причем наблюдается нестабильность их свойств в процессе транспортировки и хранения. Это ограничивает использование импортных полимерных добавок, особенно в суровых климатических условиях Сибири.
В предлагаемом проекте основным исходным ресурсом являются местные грунты. Обработка грунта неорганическим вяжущим, решает перевод его из рыхлого состояния в скальное на основе физико-химических и химических процессов на разделе двух фаз и в самом вяжущем. Строительный рынок широко заполнен зарубежными и отечественными полимерными добавками предназначенными в основном только для цементо- и асфальтобетонов. Автоматически эти полимерные добавки невозможно использовать по причине большой разницы химических процессов. Исходя из этого планируется привлечь к реализации проекта квалифицированных химиков и химические лаборатории университета для получения новых полимерных добавок на основе применения местного сырья. В качестве местного сырья будут использоваться отходы нефтехимических комбинатов (г. Тобольск, г. Омск, г. Иркутск и т.д.) или их продукция. Кроме того, получаемые в нефтегазоносных районах в результате бурения скважин отработанные буровые растворы (ОБР) также рассматриваются нами как потенциальный источник сырья. В данном случае решается злободневная экологическая задача по утилизации ОБР.
Предварительные расчеты показывают, что стоимость импортозаменяющих отечественных полимерных добавок будет на порядок ниже по сравнению с зарубежными. Промышленное изготовление полимерных добавок будет производиться в отечественных реакторах и вспомогательном оборудовании, а приготовление смесей грунт+вяжущее+добавка — в смесителях принудительного перемешивания отечественного производства.
Для реализации проекта запланировано подготовка специалистов для работы на химических реакторов и грунтосмесительных установках.
Описание возможностей реализации инновационного проекта на территории Тюменской области (включая описание возможности открытия производства и создания рабочих мест, оказания услуг и производства новой продукции)
После выполнения работ по гранту, созданная лаборатория продолжить научные и практические исследования в рамках применения и использования полимерных и химических добавок для модификации цементогрунта на основе местных грунтов. Целью продолжения работ, будет являться использование и внедрение вновь получаемых и не исследуемых ранее полимерных веществ и добавок улучшающих свойства местных грунтов, а также разработка индустриальных методов укрепления грунтов.
Оборудование и персонал лаборатории планируется задействовать при проведении работ по научному сопровождению, техническому надзору и контролю качества за строительством сооружений из местных грунтов, обработанных минеральными вяжущими с добавками, как на объектах Тюменской области, так и на территории соседних областей.
Лаборатория будет использоваться для проведения учебных и лабораторных занятий, для повышения квалификационного уровня и улучшения качества подготовки бакалавров и магистров по инженерным направлениям.
Для последующего функционирования лаборатории, финансовые средства предполагается получать за счет коммерческой деятельности и создания производственной базы для широкого внедрения в Сибири разработанных ресурсосберегающих материалов, конструкций и технологий. Внедрение планируется организовать путем создания следующих подразделений ТИУ:
1 — Проектно-сметный отдел. Целью которого является –
применение в процессе разработки проектов современных материалов и
технологий, в том числе в обязательном порядке собственных разработок. Проведение инженерно-геологических изысканий сооружений. Поиск и разведка местных строительных материалов. Разработка проектно-сметной документации. Проведение авторского надзора. Экспертиза внешних проектов. Создается за счет внешних источников.
2 — Строительная лаборатория.
Область работ. Испытания строительных материалов и их составляющих по определению физико-механических характеристик. Управление контролем качества производства работ. Проведение технического надзора и технических экспертиз строительных и транспортных конструкций. Проведение испытаний и расчет несущей способности инженерных сооружений и их элементов. Создается за счет средств инвестиционных и внешних источников.
3 — Производственный цех по приготовлению полимерных добавок и ПАВ по рецептуре и техно-логии, разработанные ВНК ТИУ, производительностью 2,5-5,0 тонн в месяц. Строительство цеха планируется в течение 2021 года. Производство добавок и ПАВ в 2021 г. В состав предприятия входят:
— химическая лаборатория контроля качества;
— реактор и спецоборудование;
— система безопасности;
— складские помещения для хранения исходных материалов и готовой продукции;
— административные и бытовые помещения.
Продукцию планируется реализовывать в течение круглого года. Создается за счет средств инвестиционных и внешних источников.
4 — Мобильная смесительная установка производительностью до 100 тонн в час по приготовлению дорожных полуфабрикатных смесей. Каменный материал + органические и минеральные вяжущие + полимерные добавки (ПАВ), грунты+ органические и минеральные вяжущие + полимерные добавки (ПАВ).
Комплектность: смеситель, одноковшовый погрузчик, автоцистерна, трейлер (без тягача), бортовой автомобиль G=3,0 тонны, административный и лабораторный передвижной вагончик, система безопасности. В летний период установка работает под открытым небом, в зимний — в отапливаемом помещении.
Создается за счет средств инвестиционных и внешних источников.
5 — Строительно-монтажный участок планируется создать в 2021-2022 г за счет внешних источников.
Описание имеющегося задела для НИОКР
В 2008 году по заданию Минтранса РФ сотрудниками ВНК были разработаны составы укрепленных грунтов с применением немецких полимерных добавок. Построены опытные участки на полигоне МАДИ (ТУ) и в Мурманске. Получены обнадеживающие результаты. Прекращение работ связано со сменой руководства Минтранса закрытием Союздорнии и экономическим дефолтом 2009 года. Для реализации проекта будут привлекаться квалифицированные специалисты по теплофизике и физической химии, имеющие большой опыт работы.
Научный коллектив
- Шуваев Анатолий Николаевич (руководитель), д.т.н., профессор, консультант, кафедра «Геотехника», СТРОИН, ТИУ
- Панова Марина Владимировна, к.т.н., доцент, доцент, кафедра «Строительные материалы», СТРОИН, ТИУ
- Тестешев Александр Александрович, к.т.н., доцент, доцент, кафедра АДиА, СТРОИН, ТИУ
- Куюков Сергей Анатольевич, к.т.н., доцент, доцент, кафедра АДиА, СТРОИН, ТИУ
- Пимнева Людмила Анатольевна , д.х.н. профессор, зав. кафедрой «Химии» СТРОИН, ТИУ
