Дорожно-строительный композиционный материал на основе бурового шлама
ROAD-BUILDING COMPOSITE MATERIAL BASED ON DRILL CUTTINGS

Изобретение относится к строительным материалам, используемым для укладки в качестве покрытия дороги IV категории, а также для укрепления откосов земляных сооружений и грунтовых оснований зданий и сооружений.
3
3
Известно изобретение - грунт укрепленный дорожно-строительный на основе бурового шлама, характеризующийся тем, что он получен из смеси, включающей, мас.%: цемент 5-15, отход термической утилизации нефтешламов - золошлак плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм 30-40, минеральный наполнитель 0-30, торфяной сорбент 2-4, буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм остальное (патент РФ 2541009, автор Заболоцкий С.С.).
Основными недостатками данного изобретения являются низкая прочность, морозостойкость, высокое водопоглощение, низкая долговечность материала. Данные недостатки связаны с введением в состав большого количества продуктов термической утилизации нефтешламов - золошлаков, имеющих пористую структуру. Не уточнено содержание оксида кремния в золошлаках, содержание которого влияет на структурообразование цементного камня.
3
Известна смесь для получения строительного материала, которая содержит, мас.%: буровой шлам 1,0-30,0; отработанный технологический раствор плотностью 1,08-1,86 т/м 1,0-40,0; минеральную добавку - суглинок, песок, песчано-глинистая фракция 0,9-45,0; осушитель - по крайней мере, один из: торф, минеральную вату, шлаковату, волокна целлюлозы, силикагель, пеноизол, 1,0-38,0; карбоксиметилцеллюлозу - КМЦ и/или поливинилацетат - ПВА 0,1-0,2; ускоритель - хлорид кальций и/или натрий 1,0-2,0; цемент 1,0-22,0; битум 1,0-5,0; сточные буровые воды, образующиеся в результате производства буровых работ (патент РФ 2399440, автор Аксютин О.Е., Гафаров Н.А., Меньшиков С.Н., Облеков Г.И., Уткина Н.Н.).
Недостатком является то, что данная смесь состоит из многочисленных компонентов, которые могут варьироваться. Главный упор делается на низкую себестоимость, но при этом не описываются свойства смеси и не конкретизируется область применения. Трудно судить о качестве только по составу. При меньшем количестве составляющих и с использованием большего объема бурового шлама можно получить состав, который возможно использовать так же, как и данную смесь.
Известен способ утилизации бурового шлама, который включает смешивание бурового шлама с предварительно вспененной и отвержденной карбамидной и/или формальдегидной смолой, дополнительное введение кальцийсодержащих и органических добавок с последующим смешиванием с цементом и оксидами при следующем соотношении компонентов, мас.%: буровой шлам - 30-50; карбамидная и/или формальдегидная смола - 2-5; кальцийсодержащие добавки - 2-3; органические добавки - 1-10; цемент - 3-5 (патент РФ 2323293, автор Рядинский В.Ю.).
Предлагаемый материал можно применять только лишь, как основание конструкции дороги в покрытии имеющую низкую прочность за счет большого содержания количества песка, - материал представляет собой слабосвязанной структуры смесь.
3
Известно изобретение «Композиционный строительный материал», характеризующееся тем, что он содержит буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-12% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель, при этом в качестве осушителя используется строительный гипс в количестве 2-4% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 40-70% от массы смеси. Количество цемента составляет от 4 до 7% и от 7 до 12%. Строительный материал дополнительно содержит золу уноса ТЭЦ в количестве 2-5% от массы смеси (патент РФ 2471737, авторы Митрофанов Н.Г., Зенкин И.Н.).
Недостатком изобретения является то, что материал имеет низкую прочность за счет большого содержания количества песка. За счет содержания разнообразных добавок по своему назначению себестоимость материала существенно возрастает. Конечная и максимальная прочность материала через 28 суток всего лишь 4,0 МПа, что не позволяет его применять в качестве покрытия дороги.
3
3
Известен строительный материал «Буролит», включающий буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм, карбамидоформальдегидный пенопласт плотностью 10-30 кг/м в количестве 10-25% от объема бурового шлама, цемент в количестве 10-20% от объема бурового шлама и дополнительно минеральный наполнитель с размером частиц от 2,7 до 3,1 мм, выбранный из группы, содержащей песок и дробленый гранит, в количестве 10-20% от объема бурового шлама. Дополнительно он содержит кальций хлористый в количестве 2,0% от массы бурового шлама. В качестве цемента применяется цемент марки М400 Д20, который пригоден для применения при температуре, выбранной в интервале от -30 до +40°С (патент РФ 2303011, автор Пыталев С.В.).
Недостатком этого изобретения является то, что в нем не приведены сведения о результатах исследований материала, указано лишь, что «покрытие, получаемое при использовании этого материала, отвечает требованиям ГОСТа». Поэтому сложно судить о конкретной области применения, не зная результатов исследований. Общеизвестно, что хлористый кальций взаимодействует с цементом, а не с буровым шламом, так как буровой шлам является инертным материалом и не может взаимодействовать с данной добавкой, следовательно, применение хлористого кальция от массы бурового шлама приводит к значительному перерасходу добавки без эффекта, повышая стоимость материала.
Использование карбамидоформальдегидного пенопласта приводит в процессе эксплуатации на открытом воздухе к деструкции гранул пенопласта в поверхностных слоях конструкции. В результате на изделии возникает повышенное трещинообразование в районе гранул, снижающих эксплуатационный его ресурс. Динамическое воздействие (транспортная нагрузка), а также воздействие солнечного излучения приводит к повышению температуры поверхности изделия из данного материала. В результате из различных коэффициентов линейного термического расширения бурового шлама, цементного камня и пенопласта приводит к отслоению гранул пенопласта. Кроме того, нагретый полистирол выделяет токсичные вещества, влияющие на окружающую среду.
Из существующего уровня техники известен строительный материал, принятый нами за прототип, полученный перемешиванием влажного бурового шлама, цемента, хлорида кальция, воды, при количестве последней в зависимости от влажности шлама (WO 2007/102743, 13.09.2007).
Недостатком данного технического решения является снижение прочности, а значит долговечности, вследствие того, что применение сорбента совместно с нефтяными компонентами при взаимодействии с водой приведет к образованию высокой пористости цементного камня. Кроме того, недостатком данного изобретения является то, что буровой шлам, утилизируемый методом захоронения с применением сорбента, с течением времени из-за периодического омывания его поверхностными или грунтовыми водами приведет к техногенные последствиям на окружающую среду за счет потери впитывающих свойств сорбента. Данный состав из-за низкой прочности и наличия в составе нефтяных компонентов непригоден для устройства дорог.
Учитывая, что минералогический состав бурового шлама зависит от состава грунта, следовательно, предлагаемая в изобретении смесь (в части принятия 10-20% минерального наполнителя от бурового шлама) не является универсальной, а пригодна лишь для конкретного вида бурового шлама.
Задачей, на которую направлено заявленное изобретение, является расширение ассортимента дорожно-строительных композиционных материалов (ДСКМ) путем создания смеси, где буровой шлам утилизируется без термической обработки в качестве основного компонента материала для покрытия дороги IV категории, а также для укрепления откосов земляных сооружений и грунтовых оснований зданий и сооружений.
Техническим результатом изобретения являются: увеличение прочности покрытий и оснований дорог, снижение затрат на энергоресурсы за счет применения исходного бурового шлама, снижение затрат на содержание и рекультивацию шламовых амбаров и полигонов, что способствует улучшению экологической обстановки, а также снижение затрат на строительные материалы при строительстве дорог.
3
Указанная задача достигается тем, что дорожно-строительный композиционный материал на основе бурового шлама согласно изобретению приготовлен путем перемешивания бурового шлама влажностью 50-60%, полученного при бурении скважины на технической воде плотностью 1300-1800 кг/м, портландцемента, мелкого заполнителя (кварцевого песка) крупностью 1,5-3 мм в зависимости от содержания его в буровом шламе, добавления хлорида кальция, воды, исходя из условия необходимой пластичности смеси в зависимости от влажности бурового шлама при следующем соотношении компонентов, мас.%:
буровой шлам
60-80
портландцемент
10-20
мелкий заполнитель
0-20
хлорид кальция
3-5 (от массы портландцемента)
вода
остальное
Применяя совместно с буровым шламом цемент в количестве до 20% и ускоритель схватывания, происходит ускоренный набор прочности ДСКМ на сжатие (в 3 суток - от 0,875 до 3 МПа и выше), в 28 суток - 2,565…8,65 МПа, повышение морозостойкости, снижение водопоглощения (на 20%), к тому же за счет присутствия добавки исключается миграция галита, присутствующего в буровом шламе, на поверхность покрытия (высолообразование). Полученный ДСКМ можно применить для основания дорог, промысловых площадок и прочих сооружений (составы прочностью 2,565 МПа до 7,5 МПа) - не ниже 2 МПа по ГОСТ, а также составы прочностью от 7,5 МПа до 8,65 МПа - для покрытий дороги IV категории - не ниже 7,5 МПа по ГОСТ. Учитывая, что испытания на прочность проводились без учета уплотнения (имитация дорожного катка) и без добавления щебня, считаем, что прочность и плотность дорожного покрытия существенно увеличится при добавлении этих технологических операций.
По результатам спектрального анализа опасных элементов в буровом шламе не обнаружено, поэтому он может использоваться в составе материала для дорожного покрытия без ущерба для окружающей природной среды. Обнаруженные в буровом шламе элементы (Са, С, K, Cl, Fe, Al, Na, О, Mg, Si) опасности не представляют и связываются с цементом в процессе его гидратации. Поэтому используемый буровой шлам, в отличие от предыдущих, является экологически чистым, и не нуждается в добавлении в своем составе дополнительных добавок.
Полученный ДСКМ представляет собой инертный композиционный материал, который можно применить (в зависимости от соотношения компонентов) для укладки в качестве дорожного покрытия дороги IV категории при условии ее уплотнения с втапливанием щебня, либо для сооружения насыпей земляного полотна, либо для укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок. Устройство дорожного покрытия такой дороги дешевле базового варианта дороги - щебеночной, укрепленной цементом, - в 2,65 раза (по I способу, см. далее) и в 4,75 раза (по II способу, см. далее).
Предлагаемый ДСКМ из бурового шлама имеет прочность более 7,5 МПа, что удовлетворяет, в отличие от аналогичных составов на основе бурового шлама, требованию по прочности дорожного покрытия (7,5 МПа и выше). При условии уплотнения смеси катками с втапливанием щебня прочность покрытия существенно возрастает.
3
3
2
2
4
2
Применяемый буровой шлам получен при бурении скважин на технической воде на территории республики Башкортостан. Основными фазами бурового шлама являются: карбонат кальция СаСО - 50-60%, доломит CaMg(CO) - ок. 20%, галит NaCl - ок. 10%, диоксид кремния SiO - 5-10%), эттрингит - 5-7%, гипс CaSO⋅2HO - менее 5%, ангидрит - менее 3%.
Процесс утилизации бурового шлама включает следующие стадии.
I способ: ДСКМ, приготовленный на мобильном бетоносмесительном узле БСУ:
1) Подготовка бурового шлама. В этот этап входят следующие операции: отстаивание бурового шлама в шламбассейнах после доставки его на БСУ; осуществляется транспортировка бурового шлама в БСУ; дозирование бурового шлама.
2) Подготовка цемента. В этот этап входят следующие операции: складирование цемента (в силосах); дозирование; транспортировка дозированного количества цемента в БСУ.
3) Подготовка песка фр. 1,5-3 мм. В этот этап входят следующие операции: складирование песка в насыпях; фракционирование песка; транспортировка песка в бункер заполнителя; дозирование песка; транспортировка песка в БСУ.
4) Смешение ДСКМ в бетоносмесительном узле. После подготовки всех компонентов происходит смешение ДСКМ непосредственно в бетоносмесительном узле.
5) Подготовка воды. В этот этап входят следующие операции: извлечения воды из скважины с помощью насоса; после этого вода помещается в резервуар для хранения воды; затем происходит дозирование воды; смешивание с добавкой; перекачка воды в БСУ.
2
6) Подготовка CaCl. В этот этап входят следующие операции: складирование добавки после доставки его на БСУ с соблюдением требований ГОСТ; дозирование добавки и добавление в воду затворения; транспортировка раствора в БСУ в смесь, состоящую из шлама, цемента и песка.
7) После смешения смеси в БСУ она подается в накопитель. Затем происходит загрузка готовой смеси в автобетоносмесители, далее - транспортировка бурового шлама на строительную площадку.
8) На строительной площадке слой устраивают из песка толщиной 40 см на всю ширину предварительно профилированного и уплотненного земляного полотна. Песок завозится на земляное полотно из карьера каменных материалов автомобилями самосвалами, после чего уплотняют катками и профилируют автогрейдерами.
9) Устройство слоя из ДСКМ производится на ширину 10 м и толщиной слоя 40 см, его завозят с завода и распределяют с помощью распределителя минеральных материалов ДС-54. Для обеспечения лучшего сцепления слоев не допускается проезд по песчаному основанию.
10) Уплотнение производят гладкими катками (2-3 прохода) и на пневмомашинах (8-10 проходов), затем производят профилирование готового основания, а после втапливание щебня в готовое покрытие. Окончательное уплотнение происходит в результате движения транспорта в течение 20 суток при ограничении скорости движения до 40 км/ч. Толщина уплотненного слоя ДСКМ: 35-40 см.
11) Укрепление обочин осуществляют на ширину 1,5 м. Щебень завозится из карьера каменных материалов, разравнивается бульдозерами или автогрейдерами и уплотняется катками.
Описание технологической схемы приготовления ДСКМ на БСУ:
Первоначально на БСУ доставляются компоненты ДСКМ - песок, щебень, цемент, шлам. Песок и щебень доставляются с карьеров каменных материалов и хранятся навалом на крытых площадках (под навесом); цемент доставляется с завода в автоцементовозах и хранится в силосах, для предотвращения контакта с окружающим воздухом; шлам доставляется непосредственно с буровой площадки, после отстаивания в шламовых амбарах, и представляет собой текучепластичную массу, которую выгружают в шлам-бассейн с принудительным перемешиванием. Там происходит его усреднение, путем принудительного перемешивания, через определенные промежутки времени. Лабораторией отслеживаются изменения в составе шлама, для корректировки его состава. Перед перемешиванием происходит сортировка щебня и песка для выделения необходимых фракций и отделения различных включений. Затем отсеянный песок и щебень подаются в бункеры, находящиеся в БСУ. Цемент подается в БСУ из силоса и так же хранится в бункере. Аналогично подается шлам и хранится в бункере. Транспортировка осуществляется ленточными конвейерами, либо элеваторами. После подготовки начинается дозировка компонентов в строгих пропорциях в смесители непрерывного действия. Туда подается вода, необходимая для затворения смеси, с растворенной в ней добавкой.
После перемешивания происходит выгрузка готовой смеси сразу в автобетоносмесители, которые перевозят ее к месту укладки. Они обеспечивают лучшую однородность и качество смеси, при доставке на строительную площадку, по сравнению с другим транспортом.
II способ: ДСКМ, изготовленный на строительной площадке методом ресайклинга:
1) Подготовка песка фр. 1,5-3 мм. В этот этап входят следующие операции: складирование песка в насыпях; фракционирование песка; транспортировка песка в бункер заполнителя; доставка песка к месту непосредственной укладки с помощью автомобилей-самосвалов; распределение песка слоем толщиной 40 см.
2) Подготовка бурового шлама. В этот этап входят следующие операции: отстаивание бурового шлама в шламбассейнах; доставка бурового шлама на строительную площадку; затем буровой шлам с помощью распределителя материалов укладывается слоем 34 см.
3) Подготовка цемента. В этот этап входят следующие операции: складирование цемента после доставки его на строительную площадку; доставка цемента к месту непосредственной укладки ДСКМ с помощью автоцементовозов; распределение цемента с помощью распределителя материалов слоем толщиной 6 см.
4) Подготовка воды. В этот этап входят следующие операции: извлечение воды из скважины с помощью насоса; после этого вода помещается в цистерну для перевозки воды; затем происходит транспортирование воды на строительную площадку.
2
5) Подготовка CaCl. В этот этап входят следующие операции: складирование добавки после доставки его на строительную площадку с соблюдением требований ГОСТ; осуществляется доставка добавки на строительную площадку; смешение с водой в установленных пропорциях перед смешением компонентов ресайклером.
6) Смешение ДСКМ. После подготовки всех компонентов, а именно распределения слоями бурового шлама, песка, и цемента происходит смешение ДСКМ непосредственно на строительной площадке с помощью ресайклера. Затем осуществляется уплотнение полученного материала и его профилирование полотна.
7) Уплотнение производят гладкими катками (2-3 прохода) и на пневмомашинах (8-10 проходов), затем производят профилирование готового основания, а после втапливание щебня в готовое покрытие. Окончательное уплотнение происходит в результате движения транспорта в течение 20 суток при ограничении скорости движения до 40 км/ч. Толщина уплотненного слоя ДСКМ: 35-40 см.
8) Укрепление обочин осуществляют на ширину 1,5 м. Щебень завозится из карьера каменных материалов, разравнивается бульдозерами или автогрейдерами и уплотняется катками.
Описание технологической схемы устройства покрытия из ДСКМ:
Слой из песка толщиной 40 см устраивают на всю ширину предварительно профилированного и уплотненного земляного полотна. Песок завозится на земляное полотно из карьера каменных материалов автомобилями-самосвалами, после чего его уплотняют катками и профилируют автогрейдерами.
Устройство слоя из ДСКМ производится на ширину 10 м и толщиной слоя 40 см, смешение компонентов (цемента, воды, добавки - ускорителя схватывания и бурового шлама) происходит на дороге в определенных пропорциях, с помощью ресайклера «Wirtgen» WR 2500SK.
Доставка песка и щебня осуществляется из карьеров автомобилями самосвалами; добавки и бурового шлама - так же автомобилями самосвалами; цемента - в автоцементовозах. Цемент, воду, добавки доставляют непосредственно с временного склада главной площадки строительства; буровой шлам доставляют из шламозапасника непосредственно с буровой площадки. Для обеспечения лучшего сцепления слоев не допускается проезд по основанию, и на нем немедленно строят покрытие.
Сущность предлагаемого изобретения подтверждается приведенными примерами.
Пример 1. Дорожно-строительный композиционный материал получают путем перемешивания исходных компонентов, состав, мас.%: буровой шлам влажностью 50-60% Згурицкого месторождения - 68; портландцемент - 14,5; мелкий заполнитель (кварцевый песок) крупностью 1,5-3 мм - 14,5; добавка хлорид кальция - 3. Вода добавляется для обеспечения расплыва конуса 106-115 мм.
Содержание мелкого заполнителя (кварцевый песок) подбирается в зависимости от его содержания в буровом шламе. Для этого буровой шлам предварительно высушивается до постоянной массы и просеивается через сита №1,5 и №3. Для применяемого бурового шлама отсутствуют остатки песчаной составляющей на ситах №1,5 и 3, следовательно количество мелкого заполнителя принято из расчета выполнения соотношения «портландцемент : песок» = 1:1 = 14,5%.
В первую очередь перемешивается мелкий заполнитель с портландцементом, далее добавляется буровой шлам и вода. Для определения количества добавляемой воды в смесь находят влажность бурового шлама методом высушивания до постоянной массы. Далее определяют подвижность смеси методом стандартного испытания на расплыв конуса. Если после испытания расплыв окажется менее 106 мм, количество воды добавляется до требуемого значения 106 мм.
После определения требуемого количества воды в нее добавляют хлорид кальция 3% от массы портландцемента, и смесь перемешивается.
3
Свойства полученного ДСКМ в возрасте 28 суток: средняя плотность около 2000 кг/м, прочность при сжатии 2,1-6,1 МПа. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям для устройства основания дорог.
Данная смесь может быть получена II способом - ДСКМ, изготовленный на строительной площадке методом ресайклинга, - для устройства основания дороги.
Пример 2. Дорожно-строительный композиционный материал получают путем перемешивания исходных компонентов, состав, мас.%: буровой шлам влажностью 50-60% Згурицкого месторождения - 60; портландцемент - 18,5; мелкий заполнитель (кварцевый песок) крупностью 1,5-3 мм - 18,5; добавка хлорид кальция - 3. Вода добавляется для обеспечения расплыва конуса 106-115 мм.
Содержание мелкого заполнителя (кварцевый песок) подбирается в зависимости от его содержания в буровом шламе. Для этого буровой шлам предварительно высушивается до постоянной массы и просеивается через сита №1,5 и №3. Для применяемого бурового шлама отсутствуют остатки песчаной составляющей на ситах №1,5 и 3, следовательно, количество мелкого заполнителя принято из расчета выполнения соотношения «портландцемент : песок» = 1:1 = 18,5%.
В первую очередь перемешивается мелкий заполнитель с портландцементом, далее добавляется буровой шлам и вода. Для определения количества добавляемой воды в смесь находят влажность бурового шлама методом высушивания до постоянной массы. Далее определяют подвижность смеси методом стандартного испытания на расплыв конуса. Если после испытания расплыв окажется менее 106 мм, количество воды добавляется до требуемого значения 106 мм.
После определения требуемого количества воды в нее добавляют хлорид кальция 3% от массы портландцемента, и смесь перемешивается.
3
Свойства полученного ДСКМ в возрасте 28 суток: средняя плотность около 2000 кг/м, прочность при сжатии 8,6 МПа. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям для устройства основания дорог.
Данная смесь может быть получена I способом - ДСКМ, приготовленный на мобильном бетоносмесительном узле БСУ, - для устройства дорожного покрытия дорог IV категории.