Защитный гидроизоляционный экран

Защитный гидроизоляционный экран

Реферат

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям гидроизоляционных защитных экранов, предотвращающих проникновение загрязненных и грунтовых вод, и может быть использовано для создания гидроизоляции днищ накопительных амбаров, котлованов, резервуаров.

Известен защитный экран накопительного амбара, включающий гидроизоляцию дна накопительного амбара на торфяном грунте, содержащий слой песчано-глинистой смеси, уложенный на подготовленном днище амбара (RU 2144112, 7 E02D 31/02, В09В 1/00, 2004).

Использование известного технического решения обеспечивает сокращение затрат и сроков строительства. Однако низкая надежность образованного гидроизоляционного экрана, обусловленная его дискретностью и рыхлостью даже после уплотнения, является его существенным недостатком. Для повышения надежности гидроизоляционного слоя необходимо увеличение расхода глины с целью заполнения пор песка и обволакивания контактных поверхностей песчинок, по которым может проникать влага. Процесс набухания используемой негидролизованной глины незначительный - 10-15%, образовавшаяся гелевая фаза недостаточно плотная. Использование известного решения затрудняется также отсутствием данных о количественных соотношениях компонентов защитного слоя и конкретизации используемого глинистого сырья.

Известен также защитный экран, содержащий слой из тиксотропного раствора, разлитый слоем 20-50 мм на поверхность предварительно уплотненного грунта, на котором после выдержки в течение 1,5 часов насыпан слой песка не менее 500 мм (RU 2070253, 7 E02D 31/00, 1996).

Основным недостатком известного защитного экрана является низкая надежность, обусловленная отсутствием несущей способности пленки тиксотропного материала, что приводит к ее нарушению при нанесении слоя песка. Указанная выдержка до 1,5 часов не приводит к заметному изменению прочностных характеристик пленки тиксотропного материала. Таким образом, использование указанного изобретения не обеспечивает надежное предотвращение распространения агрессивных жидкостей и влаги сквозь защитный экран.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является защитный экран, образованный нанесенным на подготовленную уплотнением поверхность резервуара защитным слоем, для которого используют по меньшей мере один слой расположенных внахлест кусков гибкого материала, в качестве которого используют стеклоткань, пропитанную водным раствором анионного полимера с концентрацией от 0,1 до 5 мас.% и вязкостью от 1000 до 10000 мПа·с, причем этот слой размещен поверх слоя песка, а на поверхности стеклоткани размещен защитный слой минерального дисперсного материала, например песка, или глины, или щебня (RU 2237781, 7 E02D 31/00, 2004).

Использование известного защитного экрана исключает возможность проникновения сквозь него грунтовых вод, что обеспечивает возможность использования данного изобретения для гидроизоляции резервуаров и накопительных амбаров, содержащих технологические отходы.

К недостаткам известного решения можно отнести его высокую себестоимость, обусловленную использованием анионных полимеров заданной концентрации и вязкости для создания в совокупности со стеклотканью сплошного гидроизоляционного слоя. При этом нанесение поверх образованного слоя порошковой глины слоем 30 см нерационально и также повышает расходы на возведение защитного экрана. При поступлении жидких отходов на поверхность рыхлого слоя порошковой глины нарушается его сплошность, что отрицательно сказывается на водоупорности защитного экрана. Повышенная себестоимость известного защитного экрана затрудняет также использование данного технического решения для гидроизоляции котлованов (резервуаров), имеющих большие площади, например до нескольких гектар.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является разработка конструкции защитного гидроизоляционного экрана, обеспечивающего надежное предотвращение проникновения грунтовых вод при одновременном снижении его себестоимости.

Указанная задача решается тем, что в защитном экране, содержащем уложенные на подготовленной изолируемой поверхности слои гибкого защитного материала и минерального дисперсного материала, согласно изобретению первым на изолируемой поверхности расположен слой минерального дисперсного материала толщиной 5-7 см, выполненный из смеси, содержащей мелкозернистый песок и порошковые глину и известь при следующем соотношении компонентов, мас.%: песок 60-70, глина - 24-28, известь - 5-6, минеральные или химические комплексообразующие добавки 1-2, поверх этого слоя последовательно расположены слой водопроницаемого гибкого материала и дренирующий слой песка толщиной 10-15 см.

Задача решается также тем, что в дисперсном минеральном материале использованы или гидрослюдистая, или монтмориллонитовая глины, или их смесь, а также молотая негашеная известь. При этом минеральные комплексообразующие добавки могут быть выбраны из ряда: молотый известняк, доломит, гипс, мел, а в качестве химической комплексообразующей добавки может быть использовано хлорное железо.

Авторам не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную заявленным, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «новизна».

Использование в качестве минерального дисперсного материала смеси предлагаемого состава обеспечивает получение надежного гидроизолирующего слоя, который формируется при взаимодействии компонентов смеси с влагой. При этом указанное количество песка, выполняющего роль инертной добавки, необходимо для формирования скелетной составляющей материала, обеспечивающей его прочность и несущую способность. Количественные соотношения компонентов слоя минерального дисперсного материала находятся во взаимосвязи и выбраны из условия достижения максимальной плотности формируемого материала и оптимальных прочностных параметров. Увеличение доли песчаной составляющей приведет к повышению проницаемости смеси, а ее уменьшение - к снижению прочностных характеристик защитного экрана. Глинистый компонент минерального дисперсного матерала играет не только роль набухающей добавки, но и базового источника гелеобразования, что происходит в результате интенсивного щелочного гидролиза глинистого вещества при его взаимодействии с известью. При этом количество порошковых глины и извести соответствует количеству, необходимому для полного заполнения пустотности песка с учетом раздвижки песчаных частиц. Увеличение данного компонента приведет к снижению доли песка, песчаные частицы будут находиться как бы во взвешенном состоянии, что негативно отражается на прочности минерального слоя.

Используемая в минеральном дисперсном материале известь в заявленном количестве обеспечивает наиболее полное протекание процесса гидролиза алюмосиликатов глинистой породы. Уменьшение доли извести приведет к замедлению данного процесса, а увеличение количества извести приведет к значительному повышению пластичности материала и, как следствие, к снижению его прочностных характеристик. Использование в качестве одного из компонентов смеси для слоя минерального дисперсного материала молотой негашеной извести в сравнении с использованием гидратной извести (пушонки) обеспечивает более интенсивное протекание процесса гидролиза алюмосиликатов глины, так как этому способствует происходящая при гашении извести экзотермическая реакция.

Предложенный порядок расположения слоев гидроизоляционного защитного экрана обеспечивает возможность проникновения воды в слой минерального дисперсного материала как снизу (грунтовой), так и сверху, специально подаваемой, что важно в начальный период (3-5 суток) формирования защитного экрана. При смачивании песчано-глинисто-известковой смеси происходит формирование резкощелочной реакции среды (рН 12-14), в результате чего из кристаллических решеток глинистых минералов экстрагируются полуторные оксиды (R₂O₃) и кремнезем (SiO₂). В результате этого процесса происходит синтез водоустойчивого, обладающего вяжущими свойствами предельно гидратированного многокомпонентного геля типа nCaO·Al₂О₃·(Fe₂О₃)·SiO₂·mH₂О. Включение в состав используемого минерального дисперсного материала минеральных или химических комплексообразующих добавок способствует образованию комплексных соединений типа 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O; 3СаО·Al₂О₃·3СаСО₃·MgCO₃·nH₂O; nCaO·Al₂O₃·FeCl₃·mH₂О и так далее, способствующих уплотнению материала защитного экрана. Снижение доли комплексообразующих добавок замедлит этот процесс, а увеличение их доли может привести к ускорению процесса формирования гидроизоляционного материала в ущерб синтезу золь-гелевой фазы в результате щелочного гидролиза глинистого вещества.

Минимальные размеры толщины слоя минерального дисперсного материала обусловлены технологическими ограничениями используемого оборудования и инструментов, тогда как увеличение его толщины приведет к неоправданному повышению расхода материалов.

Размещенный поверх слоя дисперсного минерального материала слой гибкого водопроницаемого материала обеспечивает возможность свободного проникновения воды, необходимой для протекания процессов щелочного гидролиза глины и синтеза связующей золь-гелевой фазы в минеральном дисперсном слое при сохранении его однородности и сплошности. Размещенный поверх слоя водопроницаемого гибкого материала дренирующий слой песка обеспечивает равномерное распределение влаги, необходимой для формирования гидроизоляционных свойств материала защитного экрана и предотвращает размыв минерального дисперсного слоя. Увеличение толщины данного слоя выше заявленного предела нерационально с точки зрения расхода материалов.

Приведенные сведения, по мнению авторов, подтверждают соответствие заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена конструкция защитного гидроизоляционного экрана, разрез.

На выровненной и уплотненной поверхности 1 котлована (резервуара) размещен слой 2 минерального дисперсного материала, поверх которого расположены слой 3 из гибкого водопроницаемого материала, выполняющий также защитную функцию, и дренирующий слой 4 из песка. Объем котлована заполнен экологически чистым почвогрунтом 5.

Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. Выровненная поверхность 1 резервуара или котлована уплотняется. Подготовленные компоненты для слоя 2 - глина, песок, известь и выбранные комплексообразующие добавки совмещаются и тщательно перемешиваются (в заданном соотношении) с использованием смесителя, например лопастной растворомешалки, после чего распределяются по подготовленной поверхности слоем толщиной 5-7 см. После выравнивания и уплотнения слоя 2 поверх него укладывают слой 3 гибкого водопроницаемого материала, в качестве которого может быть использован любой рулонный или листовой материал, обладающий водопроницаемостью, например мешковина, мелкоячеистый синтетический материал или другие подобные материалы. Поверх сформированных слоев 2 и 3 защитного экрана равномерно распределяют дренирующий слой 4 толщиной 10-15 см из песка, после чего выполняют обильное равномерное увлажнение его поверхности. Проникающая вода равномерно распределяется в дренирующем слое 4 и после прохождения гибкого водопроницаемого слоя 3 распределяется в объеме минерального дисперсного материала - слоя 2. При этом поступление воды в слой 2 возможно и снизу - через поверхность 1 котлована из нижерасположенных грунтов. В результате протекания процесса гидролиза алюмосиликатов глины и взаимодействия компонентов смеси минеральный дисперсный материал слоя 2 преобразовывается в тугопластичную монолитную структуру, обладающую гидроизоляционными свойствами.

Возможность реализации изобретения подтверждается проведенными модельными и полевыми экспериментами.

Для проведения модельных экспериментов использовались прозрачные контейнеры, которые последовательно послойно заполнялись:

- используемым в качестве уплотненной поверхности резервуара слоем 1 среднезернистого песка, увлажненным до 8-10%, толщиной 3 см;

- минеральным дисперсным материалом 2, содержащим заданное количество компонентов, толщиной 5 см, который после разравнивания и уплотнения покрывали фильтровальной бумагой или мешковиной, использующимися в качестве гибкого водопроницаемого слоя 3;

- дренирующим слоем 4 из песка толщиной 10 см.

В качестве глинистого компонента дисперсного минерального слоя 2 использовались порошковые мономинеральные глины естественной влажности, такие как гидрослюдистая кембрийская или монтмориллонитовая, или их смеси в соотношении 1:1, а также смешанослойная глина (все ГОСТ 3226). В качестве известкового компонента использовались молотая негашеная известь или гидратная известь (пушонка) (ГОСТ 9179-77). Минеральные комплексообразующие добавки выбирались из ряда: молотый известняк, доломит, гипс, мел, а в качестве химической комплексообразующей добавки использовалось хлорное железо (ГОСТ 24640-91).

После обильного увлажнения подготовленных моделей их выдерживали в лабораторных услових в течение 7 суток. При этом визуально наблюдалось проникновение воды в объем дисперсного минерального материала слоя 2, увеличение в ходе увлажнения его толщины и формирование тутопластичного монолитного гидроизоляционного слоя. После выдержки моделей в течение нескольких суток они были подвергнуты прочностным испытаниям на стационарном лабораторном пенетрометре и сдвиговым испытаниям на приборе ВСВ -25 конструкции Маслова-Лурье.

В таблице представлены полученные в результате модельных экспериментов физико-механические характеристики материала, сформировавшегося в слое 2 защитного экрана. Результаты представлены для 5 моделей, отличающихся составами дисперсного минерального материала.

Модель 1		Модель 2
Песок мелкозернистый	65,0	Песок мелкозернистый	70,0
Глина кембрийская	27,0	Глина монтмориллонитовая	24,0
Известь молотая негашеная	6,0	Известь гидратная	5,0
Известняк молотый	2,0	Хлорное железо	1,0
Модель 3		Модель 4
Песок мелкозернистый	60,0	Песок мелкозернистый	63,0
Глина кембр. + монтмор. 1:1	27,0	Глина смешанослойная	24,0
Известь молотая негашеная	6,0	Известь молотая негашеная	5,0
Доломит	2,0	Гипс	1,0
Модель 5
Песок мелкозернистый	62,0
Глина гидрослюдистая	28,0
Известь молотая негашеная	6,0
Мел	2,0

Полевые испытания защитного экрана были произведены на квартале 9^а СУН (севернее улицы Новоселов) в г. С.-Петербурге. На данном квартале произведена выемка массива ранее существовавшего золоотвала. Глубина выемки 4 м от дневной поверхности. Данный котлован планируется заполнить экологически безопасным естественным грунтом. Для предотвращения миграции загрязненных вод в формируемый грунтовый массив со стороны днища и бортов котлована планируется устройство защитного гидроизоляционного экрана. На участке котлована в несколько м² был сформирован защитный экран предлагаемой конструкции. Состав минерального дисперсного материала слоя 2 соответствовал составу модели 2, последовательность выполнения работ полностью соответствовала проведенным экспериментам. После трехсуточной выдержки защитного экрана данный участок котлована был заполнен экологически чистым грунтом на всю его глубину (4 м). Таким образом, на поверхность экрана была создана пригрузка силой 0,8-1,0 кг/см². Физико-механические характеристики подвергнутых испытаниям фрагментов защитного экрана соответствовали характеристикам, полученным в результате модельных испытаний с небольшим превышением прочностных характеристик (на 5-10%), что можно объяснить положительным воздействием пригрузки на защитный материал, формирующийся в процессе щелочного гидролиза и взаимодействия компонентов минерального дисперсного слоя.

Таким образом, теоретические обоснования и проведенные модельные и полевые эксперименты подтверждают эффективность использования предлагаемого изобретения для создания защитных гидроизоляционных экранов различного назначения и возможность его реализации. В совокупности с используемыми для реализации предлагаемого изобретения доступными материалами и стандартным оборудованием указанные обстоятельства могут служить подтверждением соответствия изобретения критерию «промышленная применимость».

№ модели	Пластическая прочность Pm, кг/см2	Показатели сдвига при 3-х ступенях нагрузки: 0,1; 0,15; 0,2 и сдвигающем усилии соответственно 0,0943; 0,1220; 0,1370 МПа
tg ϕ	Угол внутреннего трения ϕ, град	Сцепление, МПа
1	1,67	0,425	23	0,054
2	1,43	0,348	21	0,050
3	1,69	0,404	22	0,057
4	1,75	0,445	24	0,061
5	1,70	0,445	24	0,061

1. Защитный гидроизоляционный экран, содержащий уложенные на подготовленной изолируемой поверхности слои гибкого защитного материала и дисперсного минерального материала, отличающийся тем, что первым на изолируемой поверхности расположен слой дисперсного минерального материала толщиной 5-7 см, выполненный из смеси, содержащей мелкозернистый песок и порошковые глину и известь, при следующем соотношении компонентов, мас.%: песок 60-70, глина 24-28, известь 5-6, минеральные или химические комплексообразующие добавки 1-2, поверх слоя дисперсного минерального материала последовательно расположены слой водопроницаемого гибкого материала и дренирующий слой песка толщиной 10-15 см.

2. Защитный гидроизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что в дисперсном минеральном слое использована или гидрослюдистая, или монтмориллонитовая глина, или их смесь в соотношении 1:1.

3. Защитный гидроизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что в дисперсном минеральном слое использованы порошковые глина и молотая негашеная известь.

4. Защитный гидроизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что в дисперсном минеральном слое минеральные комплексообразующие добавки выбраны из ряда: молотый известняк, доломит, гипс, мел.

5. Защитный гидроизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что в дисперсном минеральном слое в качестве химической комплексообразующей добавки использовано хлорное железо.