Композиционный строительный материал
COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIAL

Настоящее изобретение относится к области строительства, в частности к дорожному строительству, и  может быть использовано для сооружения дополнительных слоев оснований автомобильных дорог I-V категорий и устройства дорожных одежд на внутрипромысловых дорогах IV-V, при сооружении насыпных оснований и грунтовых обвалований строительных и производственных площадок нефтегазовых месторождений в I-V дорожно-климатических зонах, а также при пересыпке полигонов бытовых и промышленных отходов, отсыпке промышленных площадок, засыпке и рекультивации карьеров, шламовых амбаров, шламонакопителей, полигонов отходов и искусственных земельных выемок.
Известен дорожно-строительный композиционный материал на основе бурового шлама по патенту РФ на изобретение №2629634, Е01С 3/04, С04В 28/04, 2017, содержащий в мас.%: буровой шлам влажностью 50-60% - 60-80, портландцемент – 10-20, мелкий заполнитель – 0-20, хлорид кальция – 3-5 (от массы портландцемента), вода – остальное. Недостатком известного материала является недостаточная морозостойкость из-за применения в составе воды. При низких температурах ниже -30°С происходит вымерзание воды в слое материала, образование полостей, за счет чего происходит нарушение однородности и снижение прочности композиционного материала.
3
3
Известен грунт укрепленный дорожно-строительный по патенту РФ на изобретение №2541009, С04В 28/00, Е04С 3/04, 2015, содержащий в мас.%:  буровой шлам плотностью 1,3-1,8 кг/дм – 11-63, цемент – 5-15, золошлак плотностью 1,2-1,6 кг/дм – 30-40, песок – 0-30, торфяной сорбент – 2-4. При этом буровой шлам включает (в мас.%) твердую фазу – 55-75, буровой раствор – 25-45. Недостатком известного материала является долгая схватываемость материала, повышенный уровень кислотности.
Известен композиционный строительный материал по патенту РФ №2503635, С04В 24/04, 2014, выбранный в качестве ближайшего аналога, как наиболее близкий по совокупности существенных признаков. Ближайший аналог содержит буровой шлам, цемент в количестве 1-20% от объема бурового шлама, углерод технический в количестве 0,5-1,0% от объема бурового шлама, негашеную известь 3-5% от объема бурового шлама, торф в количестве 5-10% от объема бурового шлама, песок в количестве 10-30% от объема бурового шлама, отработанный буровой раствор на углеводородной основе 10-50% от объема бурового шлама. Недостатком ближайшего аналога является недостаточно быстрая схватываемость материала, повышенный уровень ph и кислотности.
Техническим результатом является повышение скорости затвердевания дорожного композиционного материала при высоких показателях прочности на сжатие и морозостойкости.
Технический результат достигается тем, что композиционный строительный материал, содержащий буровой шлам, песок, цемент, негашеную известь, отработанный буровой раствор, согласно изобретению, также содержит золошлаковую смесь, а в качестве цемента содержит портландцемент или шлакопортландцемент не ниже марок М300 при следующем соотношении компонентов:
- буровой шлам – 100%
- песок – 10-20% от объема бурового шлама;
- портландцемент или шлакопортландцемент – 8-15% от объема бурового шлама;
- негашеная известь – 5-7% от объема бурового шлама;
- золошлаковая смесь – 5-10% от объема бурового шлама;
- отработанный буровой раствор – 5-7% от объема бурового шлама,
Технический результат обеспечивается совокупностью компонентов, входящих в состав композиционного строительного материала. Использование негашеной извести совместно с золошлаковой смесью, которая является по своей сути органической щелочью, в заявляемых пределах, обеспечивает снижение показателя ph получаемого материала и повышение его вяжущих свойств. Это ускоряет процесс схватывания композиционного материала и набора требуемой прочности.  Включение в состав композиционного строительного материала отработанного бурового раствора позволяет снизить количество присутствующей воды. Содержащиеся в отработанном буровом растворе соли и полимерные вещества препятствуют замерзанию композиционного строительного материала. Опыты показали, что использование отработанного бурового раствора в составе композиционного строительного материала способствует равномерному схватыванию портландцемента с остальными компонентами заявляемого материала без вымерзания воды. Более однородная структура заявляемого материала и отсутствие очагов напряжения в виде замерзшей воды в толще слоя композиционного строительного материала способствует получению высокой прочности при низких температурах. Использование портландцемента или шлакопортландцемента в составе композиционного строительного материала обусловлено высокой адгезией, за счет которой ускоряется процесс схватывания материала.
Используемые для получения заявляемого композиционного строительного материала буровые шламы представляют собой буровые и нефтесодержащие отходы, к которым относятся нефтешламы, замазученные грунты и другие отходы, полученные в процессе добычи, хранения и переработки углеводородного сырья. Используемые буровые шламы представляют собой пастообразную массу, в которой содержание глинистых частиц должно составлять не более 20% от объема бурового шлама, содержание нефтепродуктов в буровом шламе не нормируется, содержание сухого остатка должно быть не более 30 г/кг.
В качестве песка применяют однородные, мелкие и пылеватые виды песков.
В качестве цемента используют портландцемент или шлакопортландцемент по ГОСТ 10178-85.
Негашеную известь применяют в виде тонкодисперсного порошка по ГОСТ4.204-79.
Золошлаковая смесь представляет собой продукт строительный минеральный, изготовленный по ТУ5712-001-73150003-2009. Золошлаковую смесь получают в результате прохождения нефтесодержащих отходов: буровых шламов, отработанных буровых растворов и буровых сточных вод, нефтезагрязненных грунтов, твердых нефтесодержащих отходов через термодеструкционную установку.
Отработанный буровой раствор представляет собой раствор химических реагентов, используемых при бурении скважины, в том числе полимерные составляющие, нефтепродукты и др. Например отработанный буровой раствор может содержать, мас.%: нефтепродукты 0,092%, вода – 63,45, магния сульфат – 0,14, сера – 0,33, АПАВ – 1,88, натрия гидроксид – 0,34, хлориды – 2,69, кальция оксид – 2,45, железа оксид 0,68, земля, песок – 28,04
Композиционный строительный материал готовят следующим образом.
Получают структурообразующую основу композиционного строительного материала. Для этого необходимое количество бурового шлама смешивают с песком в количестве 10-20% от объема бурового шлама и размельчают. В результате смешивания получают грунтоподобную смесь. При этом песчано-шламовая грунтоподобная смесь должна содержать не более 25 мас.% комков глины размером свыше 5 мм и не более 10 мас.% комков глины размером свыше 10 мм. Песчано-шламовая смесь должна иметь влажность на границе текучести не более 55 мас.% и число пластичности не менее 5. Использование бурового шлама и песка в заявляемом количестве обеспечивает указанные параметры песчано-шламовой смеси.
3
Далее песчано-шламовую смесь обрабатывают комплексным неорганическим вяжущим составом, который включает основной компонент, активатор твердения и отработанный буровой раствор. В качестве основного компонента используют золошлаковую смесь, полученную в результате прохождения нефтесодержащих отходов через термодеструкционную установку. Золошлаковую смесь используют в количестве 5-10% от объема буровых шламов. В качестве активатора твердения используют портландцемент или шлакопортландцемент марок по прочности не ниже М300 в количестве 8-15% от объема бурового шлама и негашеную известь в количестве 5-7% от объема бурового шлама. Песчано-шламовую смесь смешивают с комплексным вяжущим составом в специализированных смесительных установках, либо на полигонах, в шламовых амбарах и на иных отведенных производственных площадках или непосредственно на строящейся дороге с использованием фрез экскаваторов и автогрейдеров. Затем добавляют отработанный буровой раствор в количестве 5-7% от объема бурового шлама. Смешивание производят в течение одного часа до получения однородной пастообразной субстанции. После смешивания композиционный строительный материал укладывают на месте применения с помощью дорожно-строительной техники и уплотняют с получением максимальной плотности 1,88 г/см и доводят до оптимальной влажности до 18% уплотнением. Минимальное время до появления твердой корки составляет 48 часов, максимальное – 60 часов. Полное затвердевание происходит в течение 96 – 130 часов.
Примеры конкретного исполнения композиционного строительного материала и его свойства приведены в таблице.
Таблица
Примеры состава/Компоненты, мас.%
1
2
3
4
Буровой шлам
75,1
71,4
68,5
62,9
Негашеная известь
3,8
4,3
4,1
4,4
Песок
7,5
8,6
10,3
12,6
Золошлаковые смеси
3,8
4,3
5,5
6,3
Отработанный буровой раствор
3,8
4,3
4,8
4,4
Портландцемент М400
6,0
-
6,8
9,4
Шлакопротландцемент М300
-
7,1
-
-
Свойства составов
Время появления твердой корки, час
60
58
54
48
Период полного затвердевания, час
130
120
108
96
Прочность на сжатие
0,2
0,3
0,6
0,8
морозостойкость
F20
F25
F30
F35
Испытания заявляемого композиционного материала показали, ускорение схватывания материала по сравнению с аналогами (см. таблицу). При этом композиционный строительный материал имеет прочность 0,2-0,8 МПа и морозостойкость F20-F-35, достаточные для использования его в качестве основания или дополнительных слоев основания дорожных одежд при низких температурах ниже -30°С.
2
Испытания на прочность на сжатие проводили при температуре от -30°С путем сжатия образца композиционного строительного материала размером 10*10 см до разрушения. Морозостойкость полученного композиционного материала определяли по числу циклов замораживания до температуры ниже -30°С. и оттаивания, при которых допускается снижение прочности на сжатие не более чем на 25% от нормируемой прочности.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет ускорить схватывание композиционного строительного материала при высоких показателях прочности на сжатие и морозостойкости.