Опорный Тюменский индустриальный университет

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

1. Стандарты на приготовление составов химических добавок для укрепления грунтов,
2. Стандарты на приготовление составов полимерных добавок для укрепления грунтов,
3. Нормативные документы на устройство конструктивных слоев дорожных из укрепленных грунтов с химическими и полимерными добавками;
4. Нормативные документы на устройство конструктивных элементов гидротехнических и подземных инженерных сооружений;
5. Производство и реализация полимерных и химических добавки;
6. Производство и реализация цементогрунтовых смесей;
7. Строительство конструктивных слоев дорожных из укрепленных грунтов с химическими и полимерными добавками;
8. 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 технологичес-кой 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 техноло-гий. 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.

Степень влияния результатов проекта на выполнение показателей ПРОУ и приоритетного проекта «Вузы как центры пространства создания инноваций» (на какие показатели и какими действиями результаты проекта влияют)

За весь период научно-производственной деятельности планируется:
1 издание статей ВАК – 18;
2 издание статей Scopus/Web of Science – 16;
3 подготовить и защитить 12 магистерских диссертаций;
4 подготовить и защитить 3 кандидатские диссертации (2 к.т.н., 1 к.х.н.)
5 разработать стандартов: предприятия (СТП) – 6;
региональных нормативных документов – 3;
федеральных нормативных документов – 3.

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