Геокомпозиты на основе техногенных грунтов антропогенного генезиса и способ их получения
GEOCOMPOSITES BASED ON MAN-MADE SOILS OF ANTHROPOGENIC GENESIS AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

Решение вопроса утилизации отходов, образующихся при строительстве, ремонте, реновации, сносе зданий и сооружений, а также отходов в виде перемещенных карьерных грунтов, включая вскрышные породы, грунтов, техногенно перемещенных и преобразованных, в том числе отходов грунта, образующихся при проведении земляных работ, и грунтов загрязненных в процессе хозяйственной деятельности человека, а также других грунтов антропогенного генезиса и отвальных грунтов шахт крайне актуально в связи с сокращением землеотводов под цели создания полигонов хранения и накопления отходов.
Известно изобретение по патенту RU 2712215, в котором на основе минеральной смеси доменного гранулированного шлака и кремнийсодержащего компонента - гидроотвальной низкокальциевой буроугольной золы, изготавливают строительный материал для дорожных покрытий путем ввода в смесь вяжущих веществ в композиции битумной эмульсии и органоминеральной добавки «Динамике ПК», получаемой на основе полиоксиэтиленовых производных поликарбоновых кислот и полиэтиленгликоля. Данное изобретение близко к предлагаемому по своей сути и выбрано в качестве прототипа.
2
Наряду с достоинством данного метода в получении из отходов качественного строительного материала, такой подход к утилизации отходов имеет недостатки в виде ограничения выбора перерабатываемых отходов, обуславливающих возможность утилизировать только два вида отходов ТЭЦ (доменный гранулированный шлак и гидроотвальную низкокальциевую буроугольную золу), что делает его мало пригодным для утилизации отходов строительства и грунтов антропогенного генезиса в широком диапазонах их видов и типов, а также значительных экономических затрат на его реализацию, связанных с необходимостью реализации технологической операции сушки смеси и ее двукратным помолом в шаровой мельнице до Sуд - 6000-7000 см/г.
Известно изобретение по патенту RU 2645316, в котором производят укрепленный глинистый грунт, полученный из смеси суглинистого грунта, сталеплавильного конвертерного шлака, цемента или шлакоцемента, химической добавки «Чимстон», представляющей собой поверхностно-активное вещество. При этом методе конверторный шлак и цемент образуют комплексное вяжущее вещество. Данное изобретение близко к предлагаемому по своей сути и выбрано в качестве прототипа.
К достоинствам этого метода утилизации отходов можно отнести использование химического потенциала отхода (конвертерного шлака) к генерации вяжущих веществ в укрепляемой минеральной смеси, а к недостаткам - ограниченный выбор перерабатываемых отходов, обуславливающий возможность утилизировать только один вид отходов металлообработки (сталеплавильный конвертерный шлак), что делает его мало пригодным для утилизации отходов строительства и техногенных грунтов широкого спектра.
Известны также изобретения относящиеся к способам получения техногенных грунтов по патентам RU 2631681, RU 2490224, RU 2541009, основанных на внесении в буровые отходы сорбентов различной природы (торф, пеноизол, глауконит и др.), минеральных наполнителей (песок, проппант и др.) и неорганических вяжущих веществ (цемент, фосфогипс, стекло натриевое жидкое).
К достоинствам данных методов можно отнести снижение расхода заполнителя (инертных материалов) и вяжущих веществ с обеспечением позитивного экологического эффекта за счет частичного омоноличивания утилизируемой массы отходов. К недостаткам данных методов относится ограниченный выбор отходов, относительно низкий экологический эффект, обусловленный последующим вымыванием загрязнителей в окружающую среду в процессе жизненного цикла материала, и высокая стоимость метода, обусловленная необходимостью внесения в отход в общей сложности до 70% различных сорбентов, добавок и реагентов.
Задачей предлагаемого авторами изобретения является утилизация широкого спектра отходов строительства и техногенных грунтов с одновременным созданием из них полезного товарного продукта - грунтов техногенно преобразованных - геокомпозитов.
Техническим эффектом является получение геокомпозита повышенной плотности, связности частиц грунта и пониженной пористости, при одновременном достижении обезвреживания и обеззараживания исходных элементов.
Геокомпозиты представляют собой искусственно образованные связанные грунты, на основе дисперсных грунтов антропогенного генезиса, крупнообломочного материала, полученного из широкого спектра строительных изделий (в том числе бой бетона, кирпича, керамической плитки, облицовочных изделий и т.д.), кремния диоксида; полиэтилена; древесины (целлюлозы); текстиля; гипса; поливинилхлорида; каучука синтетического (резины); бумаги, картона; стекла; лома черных металлов (железо) и прочих компонентов.
Под грунтом антропогенного генезиса понимается грунт, созданный человеком, - в том числе грунт, образованный в результате естественноисторического освоения территорий (культурные слои), а также твердые бытовые и промышленные отходы, искусственные материалы, являющиеся (ставшие) компонентами геологической среды, в том числе грунты техногенно перемещенные (переотложенные), а именно природные грунты, перемещенные тем или иным способом и подвергнутые при этом частичному преобразованию, а также грунты техногенно измененные, а именно природные грунты, подвергнутые техногенному воздействию (химическому, физическому, физико-химическому и т.п.), в том числе в результате их загрязнения в процессе хозяйственной деятельности человека.
Область применения геокомпозитов включает их использование в качестве материала:
оснований, дополнительных слоев оснований и нижних слоев покрытий автомобильных дорог и аэродромов;
грунта обратной засыпки при планировочных работах, сооружении откосов и земляных валов;
для устройства гидроизоляционных конструктивных слоев, а также геохимических барьеров;
в качестве материала обратной засыпки (рекультиванта) при производстве геоэкологических работ по рекультивации нарушенных территорий.
Теоретические основы предлагаемого авторами способа получения геокомпозитных материалов (ГКМ) на основе техногенных грунтов антропогенного генезиса базируются на положениях «Теория синтеза неорганических вяжущих веществ в дисперсных грунтах» (Л. изд-во: ЛГУ, 1989, 91 с, Кнатько В.М.) и на методиках подбора оптимальных механических смесей, позволяющих получать повышенную плотность и пониженную пористость техногенного грунта. Это сочетание дает возможность управлять физико-механическими свойствами ГКМ и обеспечивать достижение ими требуемых эксплуатационных (потребительских) и экологических характеристик.
Особую роль в реализации предлагаемого способа играет уникальная способность алюмосиликатов преобразовываться в условиях интенсивного щелочного гидролиза в высокодисперсную минерально-матричную систему, обладающую высокой сорбционной емкостью и вяжущими свойствами.
Для обеспечения технического эффекта в смесь техногенных грунтов, предназначенных к переработке, вводится комплекс специально подобранных щелочных минеральных реагентов, а также нормируется показатели маркерных физических и компонентных характеристик грунтовой смеси, определяемые исходя из достижения смесью оптимальных механических характеристик. После введения в грунтовую смесь щелочного реагента водородный показатель рН среды увеличивается до 11-12 ед. В процессе этого увеличения рН происходит гидролиз глинистых частиц, десорбция в жидкую фазу окислов металлов и генерация на их основе неорганических вяжущих веществ. Процесс генерации неорганических вяжущих веществ приводит к созданию внутриструктурных связей в объеме грунтовой смеси и повышению прочностных и деформационных характеристик конечного геокомпозита, а именно к увеличению значений угла внутреннего трения (ср), значений удельного сцепления (С) и модуля общей деформации (ЕО).
В результате образования новых связей и комплексов, рН среды понижается до 8-10 ед., что и является характерной величиной рН конечного продукта (геокомпозита). В процессе повышения рН среды происходит омыление органических включений, в том числе биокомпонентов и элементов патогенной микрофлоры, что обеспечивает обеззараживание исходной смеси техногенных грунтов. А содержащиеся в техногенных грунтах тяжелые металлы и их комплексы, активно учувствуют в процессе генерации неорганических вяжущих веществ и составе в реакциях образования внутриструктурных связей конечного геокомпозита, тем самым переходя из подвижных форм в неподвижные, что обуславливает их конечную миграционную пассивность к процессам вымывания и выщелачивания. Частицы глинистых пород наиболее подверженные процессам гидролиза при повышении рН среды обеспечивают создание минеральной структурной матрицы, адсорбирующей в себя подвижные формы тяжелых металлов техногенной грунтовой смеси и включение их в процесс генерации неорганических вяжущих веществ. При этом, частицы и агломераты грунтовой смеси подвергаются щелочному гидролизу лишь частично; в процесс десорбции и гидролиза включены их поверхностные слои и поверхностные слои открытой пористости. Трансформируясь в процессе генерации неорганических вяжущих веществ и создания внутриструктурных связей, минеральная матрица преобразуется в алюмосиликатную искусственную породу, связывающую и капсулирующую частицы и агломераты грунтовой смеси и присутствующие в среде загрязнители, образуя тем самым конечную структуру геокомпозита. Одновременно с процессом формирования минеральной матрицы и искусственной алюмосиликатной породы в грунтовой смеси происходит разрушение пленочного водного покрытия частиц грунта. Поэтому, при уплотнении геокомпозита в процессе его укладки происходит водоотделение за счет отжатия несвязанной и слабосвязанной воды, установление оптимальной влажности смеси, формирование плотного водоустойчивого твердеющего материала, образующего в следствие его применения единый консолидированный массив с необходимыми масса-габаритными и объемными параметрами.
Для практического рассмотрения механизма получения и формирования структуры геокомпозита по предлагаемому изобретению рассмотрим получение геокомпозита на основе такого техногенного грунта антропогенного генезиса как каолинит, загрязненный тяжелыми металлами, а затем перейдем к общему случаю.
3
3
2
На основании предложенного подхода в каолинит вносится щелочная комплексообразующая добавка на основе алюмосиликатных пород «ПолиГео», представляющая собой гидрофильный сухой минеральный порошок, состоящий из пакетов глинистых частиц химически связанных с ионами переходных металлов (Са+, Са++, Mg+, Mg++), а также включающий комплексы металлов в окисных, гидратных формах и их солей, и соединений метасиликатов кальция типа CaSiO и силикатов карбоната кальция CaCO⋅SiO, повышающих вяжущие свойства вещества. Добавка "ПолиГео" производится ООО «Гексокон» (г. Санкт-Петербург) в соответствии с техническими условиями ТУ 20.59.59 - 001 - 19727360 - 2020 «Щелочная комплексообразующая добавка «ПолиГео» на основе алюмосиликатных пород».
Следствием внесения добавки является внедрение иона щелочи ОН- в координационную среду атомов Al и Si алюмосиликатов, приводящее к разрушению связей Si-O-Al, а затем и Si-O-Si, и выходу из кристаллической решетки в раствор оксидов кремния и алюминия:
или
на следующих стадиях происходит формирование по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия гидросодалитоподобного типа:
При использовании в качестве щелочного реагента гидроксидов щелочноземельных металлов в описанной реакции ион натрия заменяется на ион щелочноземельного металла либо на его гидратную форму с образованием на примере гидроокиси кальция соединений типа:
2
3
2
Возможны более сложные соединения с учетом валентности щелочноземельного металла. Представляя AlO⋅2SiO радикалом R, а окислы щелочных и щелочноземельных металлов, а также их соединения, в виде аббревиатуры ЩК, образующаяся твердая фаза гидроалюмосиликатов может быть представлена в общем виде как
где х отражает валентность ЩК.
В присутствие в реагирующей среде комплексов тяжелых металлов (КТМ), таких как Cu, Zn, Pb, Со, Ni, Mn в щелочной водной среде происходит десорбция их окислов и гидратных форм, которые участвуют в образовании гидроалюмосиликатов
где у отражает валентность КТМ.
Как показано, присутствующие в среде каолинита комплексы тяжелых металлов в процессе гидролиза каолинита и синтеза твердой фазы гидроалюмосиликатов вовлекаются в процесс гидролиза образования новой породы. Присутствие в минеральной системе тяжелых металлов в виде окислов или комплексных соединений может способствовать синтезу пространственной полимероподобной структуры. Тяжелые металлы оказываются химически связанными во вновь образуемой твердой фазе гидроалюмосиликатов, тем самым производиться обезвреживание загрязненного техногенного грунта.
При замене каолинита на другие типы глиносодержащих материалов и техногенных грунтов идеализированная формула глинистого материала может быть представлена следующим образом:
3
2
2
2
3
2
Гидролиз глинистой породы в присутствии загрязнителей приводит к образованию глинозема Al(ОН), кремнигеля SiO*nHO, гидроксидов металлов типа (CaO, MgO, FeO … FeO)*nHO, гидроксидов тяжелых металлов, которые по конденсационному механизму образуют новую устойчивую породу, а комплексы тяжелых металлов оказываются встроенными в структуру этой породы.
По предлагаемому изобретению геокомпозит, представляет собой смесь техногенных грунтов (грунтов техногенно перемещенных и техногенно преобразованных) и антропогенных крупно дисперсных грунтов, образованных в результате строительной деятельности, таких как бой бетона, кирпича, кремний диоксида (песка); полиэтилен; древесина (целлюлоза); текстиль; гипс; поливинилхлорид; каучук синтетический (резина); бумага, картон; стекло; лом черных металлов (железо) от 0 до 70% от объема смеси техногенных грунтов и отличается тем, что дополнительно содержит щелочную комплексообразующую добавку «ПолиГео» от 3 до 20% от массы смеси техногенных грунтов, а смесь техногенных грунтов имеет рН более и равную 3,0, содержит глинистые частицы размером менее 0,002 мм - не менее 10% от массы смеси техногенных грунтов, имеет фракционный состав в диапазоне 0-50 мм, обладает влажностью в диапазоне от 0 до 70% и содержит не более 45% органических веществ от массы конечной смеси. Дополнительно геокомпозит может содержать неорганические вяжущие вещества: портландцемент или высокоосновные золы уноса в объеме от 5 до 20% от массы техногенных грунтов.
Диапазон фракционного состава 0-50 мм позволяет обеспечить рациональный объем пустотности антропогенного грунта, гомогенность среды конечного геокомпозита и избежать образования локальных зон крупных агрегатов антропогенного грунта, являющимися источниками вторичной эмиссии поллютантов. Кроме того выбранный диапазон значений может быть легко достижим с использованием серийных образцов измельчительной техники и механизмов, что делает процесс не дорогостоящей технологической операцией.
Показатель влажности в диапазоне 0-70% задается операционной пригодностью антропогенного грунта к технологическому циклу. При влажности антропогенного грунта более 70% существенно усложняются требования к его транспортировке, смешиванию, загрузки и т.д. и возрастают экологические риски попадания компонентов в окружающую среду.
Показатель содержания органических веществ до 45% от массы конечной смеси позволяет обеспечить минимально необходимые конструкционные показатели геокомпозита (прочность, водоустойчивость, связность и т.д.). При превышении порогового значения прямо пропорционально возрастает количество вносимых реагентов, требуемых для преодоления буферности органического вещества и процесс получения геокомпозита выходит в зону экономически затратного технологического процесса.
В технологическом аспекте, разрушение пленочных водных систем в грунтовой смеси при взаимодействии среды с «ПолиГео» обеспечивает существенное преимущество геокомпозитов перед природными связными (глинистыми) или пылеватыми грунтами при создании грунтовых массивов или грунтовых конструкций, заключающееся в возможности уплотнения ГКМ до максимальной плотности, при этом достижение оптимальной влажности производится за счет выдавливания излишков воды при уплотнении композита, а в случае сохранения избыточной влажности смеси (при технологической невозможности или нецелесообразности уплотнения смеси) за счет образования внутриструктурных связей композит переходит из текучего или мягкопластичного состояния в тугопластичное или полутвердое.
Кроме того, создание внутриструктурных связей и разрушение пленочной водной системы обеспечивает отсутствие у геокомпозитов эффекта морозного пучения.
Наиболее динамичное изменение прочностных и деформационных характеристик геокомпозита, а именно увеличение значений угла внутреннего трения (ϕ), значений удельного сцепления (С) и модуля общей деформации (Е0) происходит в течение первых 72 часов (50-60% конечных механических показателей). В последующее время наблюдается постепенный рост показателей, зависящий от температурных условий и условий эксплуатации сформированного слоя или элемента из геокомпозита. Предложенный ГКМ водоустойчив, не разрушается и практически не теряет прочность при избытке воды (в пределах 30%) в окружающих грунтах и материалах.
Помимо этого, процесс внесения в грунтовую смесь добавки «ПолиГео» и цемента сопровождается экзотермическими реакциями, что обеспечивает возможность проведения работ при отрицательных температурах воздуха, т.е. дает возможность реализации технологического процесса по получению геокомпозита на открытом воздухе даже в зимнее время (при температуре окружающей среды до -10°С).
На практике технологический процесс формирования геокомпозита состоит из следующих стадий.
Создание оптимальной смеси техногенных грунтов. На данной стадии производится подготовка и смешивание техногенно перемещенных и техногенно измененных грунтов (песков, супесей, суглинков, глин и т.д.) с достижением смесью рационального диапазона значений по водородному показателю - диапазон значения рН более и равный 3,0 по минеральному составу - содержание глинистых частиц размером менее 0,002 мм - не менее 10% от массы смеси техногенных грунтов, по фракционному составу - в диапазоне 0-50 мм, по показателю влажности - в диапазоне от 0 до 70% и по показателю содержанию органических веществ - не более 45% от массы конечной смеси и, по возможности, по гранулометрическому составу - с приближением гранулометрического состава к зоне ее оптимальности по треугольнику Фере.
Активация физико-химических преобразований формирования геокомпозита. На данной стадии производится внесение, с последующей гомогенизацией, в подготовленную смесь техногенных грунтов щелочной комплексообразующей добавки «ПолиГео» по ТУ №20.59.59 - 001 - 19727360 - 2020 «Щелочная комплексообразующая добавка «ПолиГео» на основе алюмосиликатных пород» в объеме, обеспечивающем повышение рН смеси до величин 11-12 водородных единиц. Как правило, для этого достаточно внесения комплексообразующей добавки в пределах 3-20% от массы смеси. На этой стадии происходят процессы щелочного гидролиза и генерации вяжущих веществ сформированной грунтовой среде.
Внесение в активированную минеральную среду техногенных грунтов компонентов крупно дисперсных грунтов антропогенного генезиса. На данной стадии в сформированную и активированную щелочной комплексообразующей добавкой «ПолиГео» грунтовую техногенную смесь вносятся элементы крупнодисперсных грунтов антропогенного генезиса: крупнообломочный материал, полученный из строительных изделий (в том числе бой бетона, кирпича, керамической плитки, облицовочных изделий и т.д.), кремний диоксид; полиэтилен; древесина (целлюлоза); текстиль; гипс; поливинилхлорид; каучук синтетический (резина); бумага, картон; стекло; лом черных металлов (железо); прочие компоненты. Фракционный состав вносимых компонентов нормируется в диапазоне от 0 до 50 мм, а количественный от 0 до 70% от объема смеси техногенных грунтов с последующим тщательным смешиванием всех компонентов конечной смеси геокомпозита до показателя гомогенности не менее 70%.
При этом соотношение вносимых компонентов и общее их количество варьируется в зависимости от конечной области использования геокомпозита, а объем грунтовой смеси задается большим или равным пустотности вносимых агрегатов антропогенного грунта.
В зависимости от требующихся физико-механических свойств конечного геокомпозита, за счет регулирования угла внутреннего трения в пределах от 5 до 45° и сцепления частиц в пределах от 10 до 85 кПа, а также в целях увеличения скорости достижения данных показателей в смесь вместе с щелочной комплексообразующей добавкой «ПолиГео» может вводиться портландцемент и/или высокоосновные золы от сжигания углей, а также другие высокоосновные неорганические и органические вещества, обладающие вяжущими свойствами в условиях минеральной высокощелочной среды. Добавки портландцемента и других веществ, генерирующих вяжущие вещества, осуществляются в диапазоне от 3 до 20% от массы смеси.
Увеличение водородного показателя до рН более или равного 11 обеспечивает обеззараживание смеси. В процессе генерации неорганических вяжущих и образования новых связей в минеральной среде происходит включение в образующиеся соединения тяжелых металлов и комплексов с их участием, что обеспечивает обезвреживание компонентов среды. Взаимодействие высокощелочной среды с крупными элементами антропогенных грунтов обеспечивает обезвреживание и обеззараживание их поверхности и открытой пористости за счет щелочного гидролиза. Создание переходных барьеров между поверхностью агрегатов и грунтовой смесью в процессе гидролиза обеспечивает высокую адгезию минеральной смеси и элементов антропогенного грунта. В процессе образования новой структуры связей в минеральной среде рН плавно снижается до 8-10 ед. Таким образом, одновременно с получением геокомпозита повышенной плотности, связности частиц грунта и пониженной пористости достигается обеззараживание и обезвреживание всех компонентов, входящих в состав техногенных грунтов антропогенного генезиса, в том числе максимальное подавление миграционной активности экотоксикантов.
В зависимости от целевой области применения геокомпозита и ожидаемых условий его эксплуатации основные физико-механические характеристики геокомпозита, являющиеся производными от значений угла внутреннего трения (ϕ), значений удельного сцепления (С) и модуля общей деформации (Е0) приведены в таблице 1.
Таблица 1. Область применения геокомпозита и нормируемые физико-механические характеристики.
Область применения
Нормируемые показатели
Rэ, кг/см<sup>2</sup>
F(цикл)
Kв
Kф, м/сут
Подстилающие слои инженерных объектов и объектов транспортной инфраструктуры
Меньше или равно 3
н.н.
Больше или равно 0,6
н.н.
Слои оснований инженерных объектов и объектов транспортной инфраструктуры
Меньше или равно 10
н.н.
Больше или равно 0,6
Меньше или равно 10<sup>-2</sup>
Укрывные слои при производстве геотехнических и рекультивационных работ
Меньше или равно 10
5-10
Больше или равно 0,5
Меньше или равно 10<sup>-3</sup>
Конструкционные слои для капитальных объектов при геотехнических работах
10÷20
н.н.
Больше или равно 0,7
Меньше или равно 10<sup>-2</sup>
Конструкционные слои для некапитальных объектов при геотехнических работах
Меньше или равно 10
н.н.
Больше или равно 0,6
Меньше или равно 10<sup>-2</sup>
Гидроизоляционные слои при инженерной подготовки территорий и участков размещения инженерных объектов и объектов транспортной инфраструктуры
Меньше или равно 10
н.н.
Больше или равно 0,5
10<sup>-3</sup>-10<sup>-6</sup>
Примечание: Rэ – прочность на одноосное сжатие; F – морозоустойчивость; Kв – коэффициент водоустойчивости; Kф – коэффициент фильтрации.