КОМПОЗИЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE STRUCTURAL MATERIAL

Изобретение относится к строительству и утилизации отходов бурения, а именно - к материалам строительным грунтошламовым укрепленным (МСГУ), которые могут быть использованы для строительства сооружений на промышленных территориях, как правило, на территориях нефтяных месторождений, в том числе:
1) в конструкциях оснований дорожных одежд промысловых автодорог и площадок взамен привозных каменных материалов;
2) в земляном полотне автодорог, кустовых оснований, технологических площадок, отсыпаемых из местных, в основном песчаных, грунтов;
3) для устройства обваловок на производственных и кустовых площадках;
4) для рекультивации выработанных грунтовых карьеров, рекультивации и ликвидации шламовых амбаров с устройством производственных и технологических площадок с твердым покрытием либо последующим устройством плодородного рекультивационного слоя с посевом трав и посадкой деревьев и кустраников.
МСГУ получают в результате переработки буровых шламов (БШ) на нефтяных месторождениях в искусственный отвержденный материал путем обработки вяжущими и смешения с заполнителями и активными добавками. При этом обезвреживание производится за счет снижения концентрации загрязняющих веществ, сорбции и нейтрализации токсикантов в структуре монолитного консолидированного материала, устранения их миграционной активности и вымывания в окружающую среду. Таким образом, БШ, состоящий из частиц выбуренной породы и отработанного бурового раствора, из отходов производства переводят во вторичное сырье, используемое при приготовлении укрепленных композиций для строительства сооружений.
3
3
За прототип по совокупности существенных признаков принят известный (RU, патент №2303011) строительный материал «Буролит», включающий буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм, осушитель (карбамидоформальдегидный пенопласт плотностью 10-30 кг/м) в количестве 10-25% от объема бурового шлама, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 10-20% от объема бурового шлама и дополнительно минеральный наполнитель (песок или дробленый гранит) с размером частиц от 2,7 до 3,1 мм в количестве 10-20% от объема бурового шлама.
Применение в составе известного строительного материала в качестве осушителя карбамидоформальдегидного пенопласта (пеноизол) в количестве 10-25% от объема бурового шлама обуславливает следующие недостатки известного материала: а) пеноизол является проблемным материалом с точки зрения стоимости (достаточно дорогой в производстве) и экологической чистоты: со временем распадается и выделяет формальдегид и другие токсичные вещества, его применение ограничено санитарными правилами; 2) наличие гранул размельченного пенопласта неопределенного размера в составе материала (пеноизол имеет очень низкую плотность и прочность) вызывает образование «макропор», т.е. слабых и лишенных прочности включений, что приводит к резкому и неконтролируемому снижению прочности и однородности материала и, соответственно, ограничивает применение «Буролита» в строительстве. Кроме того, согласно известному уровню техники (например, ТУ2254-001-45581572-98) пеноизол изготавливают беспрессовым методом из пенообразующего состава, включающего карбамидоформальдегидную смолу, ПАВ, катализатор отверждения (ортофосфорную кислоту) и воду. Как правило, указанную заливочную композицию отверждают после размещения ее непосредственно в слое изготавливаемого строительного изделия. Отсутствие в описании к патенту сведений, указывающих, каким образом пеноизол используется, как компонент строительного материала - буролита, препятствует признанию того факта, что использование указанного компонента технически возможно с обеспечением качества.
К недостаткам известного строительного материала относится также использование в его составе в качестве инертного заполнителя (минеральный наполнитель) узкой фракции (2,7-3,1 мм) дробленого гранита и песка строительного, являющихся дорогостоящей и к тому же дефицитной добавкой, например, в районах нефтедобычи Западной Сибири. Введение указанного наполнителя в количестве 10-20% в текучий буровой шлам (БШ) приводит к увеличению стоимости, однако не обеспечивает каркасности смеси и ее оптимального гранулометрического состава, что необходимо для получения плотной смеси и прочного стройматериала.
Задача, на решения которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании пригодного для устройства ответственных несущих конструкций укрепленного техногенного грунта путем утилизации отходов бурения.
Основной технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении прочности и однородности строительного материала, производство которого предусматривает увеличение номенклатуры используемого сырья: минерального наполнителя более широкой размерной фракции и бурового шлама широкого диапазона влажности.
3
Указанный технический результат достигается за счет того, что композиционный строительный материал 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.
В составе заявленного изобретения в качестве осушителя (наиболее эффективная макродобавка) применяют экологически чистый (дополнительный технический результат) строительный гипс. Гипс является также коагулянтом БШ, способствует агрегированию глинисто-коллоидной фазы БШ, что является важнейшим фактором получения оптимальной структуры композиции при уменьшении удельной поверхности и поглощающего комплекса твердой фазы БШ и ведет к повышению прочности МСГУ.
Интервал дозировок осушителя обусловлен технико-экономическими факторами: при малой влажности БШ принимается дающая эффект минимальная дозировка гипса - 2%, при высокой влажности БШ принимается повышенная дозировка - до 4%. Дальнейшее увеличение расхода гипса нецелесообразно, т.к. значительно увеличивает стоимость и может снизить водостойкость. Дополнительно к указанному в смеси осушителю можно рассматривать использование в качестве такового зол уноса ТЭЦ в количестве 2-5% от массы смеси, которые являются многотоннажными требующими утилизации отходами теплоэнергетики, перспективными для применения, т.к. имеют развитую удельную поверхность и гидравлические вяжущие свойства (активность). Данные осушители в сочетании с основным вяжущим (цементом) связывают значительное количество воды и примесей, превращая БШ в инертный и прочный композиционный материал.
3
3
Использование в составе заявленной смеси в качестве минерального наполнителя (заполнителя) более (по сравнению с указанным в прототипе наполнителем) распространенного и имеющего более широкий диапазон фракций природного дисперсного несвязного грунта - песка по ГОСТ 25100-95 снижает себестоимость МСГУ. В соответствии с таблицей Б10 ГОСТ 25100-95 гранулометрический состав природного песка (размер и содержание зерен) может быть любым, т.е. могут применяться пески от гравелистых до пылеватых. Основным вариантом минерального наполнителя является выбор наиболее распространенного в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири песка мелкого и/или пылеватого с характеристиками: размер частиц крупнее 0,10 мм - не менее 75% для мелкого или, соответственно, менее 75% для пылеватого. Причем дозировка песка (40-70% от массы смеси) подбирается с учетом гранулометрического состава его и БШ по условию получения числа пластичности смеси порядка 3-7, т.е. оптимальной гранулометрии смеси, соответствующей супеси, что наиболее благоприятно для укрепления грунта, в т.ч. техногенного, цементом. Объем вводимого наполнителя зависит от влажности и плотности БШ, например, при минимальной плотности 1.3 кг/дм и максимальной влажности БШ (70%) вводится максимальный объем песка - 70% от массы смеси; при максимальной плотности 1,8 кг/дм и, соответственно, минимальной влажности (40%) расход песка составляет 40% от массы смеси. Также расход песка зависит от требуемой прочности и области применения конечного продукта в конструкциях сооружений.
Используемый в составе заявленной композиции буровой шлам представляет собой текучепластичную (от полужидкой до вязкой консистенции) пастообразную массу и состоит из частиц выбуренной породы и отработанного бурового раствора (ОБР). В состав твердой фазы БШ входят разной степени дисперсности (от коллоидных до 5-10 мм) частицы выбуренной породы и вводимые в промывочную жидкость глинопорошки (бентонит, монтмориллонит), а также нерастворимые и малорастворимые добавки (карбонат кальция, барит и др.). Жидкая фаза БШ образуется за счет сброса определенного количества бурового раствора, а также сточных вод при промывке оборудования.
В состав БШ входят частицы выбуренной породы и буровой раствор, их соотношение может быть различным, так, например, буровой шлам месторождений Салымской группы Компании «СПД» содержит, мас.%:
- выбуренная порода - 55-85;
- буровой раствор отработанный (ОБР) - 15-45.
При этом ОБР включает следующие компоненты: песок в количестве 2-3%, воду в количестве 90-94% и коллоидную фазу низкой плотности - 5-6%, в состав которой входят следующие химреагенты: бентонитовый глинопорошок (например, марки ПМБА), препараты КМЦ (соединения полианионной целлюлозы), кальцинированная и каустическая сода, мел, барит, водорастворимые и высокомолекулярные полимерные соединения (полиакриламид, полиакрилонитрил), соли (хлорид калия, хлорид натрия) и другие вещества.
3
Для переработки используется БШ, имеющий плотность в пределах 1,3-1,8 кг/дм и влажность в пределах 40-90%.
Используемый в качестве основного вяжущего в составе МСГУ цемент обеспечивает набор прочности, водостойкость, в сочетании с воздушным связующим (гипс) устраняет текучесть БШ, придает материалу прочностные свойства, связывает токсиканты и компоненты ОБ, препятствуя миграции загрязняющих веществ в окружающую среду.
В зависимости от количественного содержания основного связующего производимые согласно данному изобретению строительные смеси можно разделить на два типа:
- МГСУ прочный (марки 20-40) для несущих слоев дорожных одежд и т.п. - с содержанием цемента 7-12% от массы смеси;
- МГСУ малопрочный (марки 3-10) для засыпки карьеров, рекультивации амбаров и т.п. - с содержанием цемента 4-7% от массы смеси.
В заявленной композиции возможно применение цемента различных марок. Основным вариантом вяжущего является портландцемент, шлакопортландцемент и портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 10178. Допускается применение глиноземистых цементов по ГОСТ 969, а также:
- цементов гипсоглиноземистых расширяющихся по ГОСТ 11052;
- тампонажных цементов по ГОСТ 1581;
- сульфатостойких и пуццолановых цементов по ГОСТ 22266;
- цементов для строительных растворов по ГОСТ 25328.
Основное требование - применять цемент с нормальными (начало схватывания должно происходить не ранее чем через 2 часа после затворения) сроками схватывания и твердения.
Для повышения свойств и показателей МСГУ применяют улучшающие добавки, в том числе в качестве микродобавок используются:
- СНВ (в количестве до 1% от массы смеси) - смола нейтрализованная воздухововлекающая (поверхностно-активное вещество, регулирует структурообразование и устойчивость дисперсной системы, обладает воздухововлекающим, гидрофобизирующим эффектом, снижает водоотделение и седиментационное расслоение смеси, повышает морозостойкость);
- хлорид кальция технический (в количестве до 2% от массы смеси), который ускоряет набор прочности материала, способствует наполнению обменного комплекса глинисто-коллоидной фазы БШ кальцием без поглощения кальция, выделяемого цементом и необходимого для кристаллизации системы.
Вышеперечисленные микродобавки являются порошковыми сыпучими веществами, что в северных условиях предпочтительно с точки зрения их транспортировки и введения при перемешивании композиций.
Для улучшения МСГУ могут применяться и другие микродобавки, в том числе поставляемые в жидком виде (растворы, эмульсии):
- гидрофобизирующие кремнийорганические соединения, жидкости (силиконы) - в количестве до 0,5% от массы строительной смеси;
- жидкое стекло (силикат натрия) - в количестве до 1% от массы строительной смеси. Данные добавки повышают водонепроницаемость и водостойкость, снижают водопоглощение и коэффициент фильтрации, что исключает суффозию и вымывание токсичных компонентов ОБ из композиции. В качестве добавок, связывающих загрязняющие вещества БШ, используют сорбенты-комплексообразователи, например сорбент алюмосиликатный в количестве до 2% от массы строительной смеси.
Для повышения прочности, водостойкости и деформативности материалов в дополнение к минеральным вяжущим используют добавки органических вяжущих и полимеров: жидкие битумы и битумные эмульсии, гудроны и др. (для повышения прочности, водостойкости и деформативности материалов - в дополнение к минеральным вяжущим). Органика повышает водостойкость и деформативность материала за счет образования гибких коогуляционных и конденсационных структурных связей в композиции, снижает хрупкость и трещинообразование, что бывает при использовании минеральных вяжущих, обуславливающих жесткие кристаллизационные связи.
Ниже приводится таблица 1 с основными показателями МСГУ в соответствии с заявленным изобретением:
Таблица 1
Наименование показателя
Показатели по классам прочности и маркам МСГУ
М 40
М 20
М 10
М 3
Прочность на сжатие водонасыщенных образцов в возрасте 28 суток, не менее МПа
4
2
1
0,3
Средние дозировки вяжущего - портландцемента М 400, %
10-12
8-10
6-8
4-6
Средняя дозировка БШ, %
35-45
40-60
35-45
30-40
Предел прочности на растяжение при изгибе, не менее МПа
0,8
0,4
0,2
Не определяется
Коэффициент морозостойкости/ марка
0,75-0,80 /F50
0,70-0,75 /F25
0,65-0,70 /F25
0,55-0,60 /F15
МСГУ являются взрыво- и пожаробезопасными материалами, не пылят, не выделяют летучих токсических веществ.
Радиационная безопасность стройматериала обеспечивается при допустимой удельной эффективной активности естественных радионуклеидов в буровых шламах (Аэфф). Для материалов, используемых в дорожном строительстве, а также при возведении земляных сооружений вне населенных пунктов (III класс), Аэфф<1350 Бк/кг.
По уровню активности природных радионуклеидов, не превышающему 370 Бк/кг (характерно для БШ Западной Сибири), используемые БШ относятся к I классу и могут использоваться при обустройстве месторождений без ограничений.
Применение МСГУ для строительства дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог, площадок и других объектов способствует повышению экологической безопасности, надежности сооружений, исключает возможность попадания компонентов БШ и отходов в окружающую среду.
Ниже на конкретных примерах состава МСГУ приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата.
В опытах и примерах конкретного применения использовались БШ Салымской группы месторождений, типичные для Западной Сибири. Качественный и количественный состав БШ приведен выше.
Основные свойства и состав проб БШ, отобранных на месторождениях Компании «СПД», приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование показателей
Среднее значение по интегральной пробе №1
Среднее значение по интегральной пробе №2
Среднее значение по интегральной пробе №3
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,80
1,30
1,55
Влажность, %
40
90
65
Плотность частиц грунта, г/см<sup>3</sup>
2,75
2,75
2,75
Водородный показатель, ед. рН
9,20
7,40
8,30
Прочность на сдвиг по сопротивлению срезу, кг/см<sup>2</sup>
0,03
0,01
0,02
Содержание твердой фазы/ жидкой фазы, %
72/28
54/46
63/37
Гранулометрический состав твердой фазы шлама: содержание частиц диаметром менее 0,071 мм
60
65
62
- содержание песка
40
35
38
- содержание глинистой фазы
22
35
24
Содержание нефти и нефтепродуктов, %
0,06
0,05
0,05
Уровень засоления, %
1,0
0,5
0,7
Пример 1
Строительный материал МСГУ прочный марки М40 включает, мас.%:
БШ, проба №1
25
портландцемент М-400
12
осушитель (гипс строительный марки Г5
по ГОСТ125)
2,9
минеральный наполнитель - песок мелкий
60
улучшающая добавка СНВ (смола
нейтрализованная воздухововлекающая)
0,1
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,4МПа, пригодный для строительства несущих оснований дорожных одежд, например, на промысловых автодорогах.
Пример 2
Строительный материал МСГУ марки М10 включает, мас.%:
БШ, проба №2
45
портландцемент М-400
8
осушитель (гипс строительный марки Г5
по ГОСТ125)
2
зола уноса ТЭЦ
3
минеральный наполнитель
42
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,1 МПа, пригодный для строительства дополнительных слоев (морозозащитных и т.п.) оснований дорожных одежд, например, на промысловых автодорогах; а также для устройства прочных обваловок.
Пример 3
Строительный материал МСГУ малопрочный марки М3 включает, мас.%
БШ, проба №3
53
портландцемент М-400
4
гипс строительный марки Г5 по ГОСТ125
2
песок пылеватый
40
сорбент алюмосиликатный (добавка для
связывания компонентов БШ и
предотвращения их вымывания)
1
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,03 МПа, т.е. несколько прочнее обычного грунта, пригодный для строительства земляных сооружений, засыпки и рекультивации шламовых амбаров.
Заявленный состав композиции позволяет, утилизируя многотоннажные отходы бурения, получить монолитный, плотный, однородный и прочный композиционный материал, соответствующий строительным нормам и техническим требованиям, исключающий миграцию загрязняющих веществ в ОПС окружающую природную среду.
Разбуривание месторождений проводится по усовершенствованной технологии с использованием малотоксичных рецептур буровых растворов, что обеспечивает стабильный состав отходов бурения (ОБ).
Производство МСГУ включает складирование и хранения сырьевых материалов, дозирование, приготовление смеси, отгрузку потребителю, укладку «в дело», уплотнение и уход.
С целью получения качественных физико-механических показателей приготовление композиции (полуфабриката) производится с помощью смесительного оборудования (грунтосмесительные установки, бетономешалки, экскаваторы в картах) в следующей последовательности - перемешивание БШ с песком, затем введение добавок, на окончательном этапе введение цемента.
Свежеприготовленная смесь незамедлительно вывозится на место применения и укладывается в конструктивные элементы, затем тщательно и быстро уплотняется для получения коэффициента уплотнения 0,90-0,98, в зависимости от назначения. Продолжительность технологического цикла от введения цемента до окончательного уплотнения должна быть не более 4-6 часов. После этого осуществляется уход (защита от высыхания, перекрытие движения от 3 до 7 суток) за слоем, твердение и набор прочности МСГУ. Марочные значения прочности достигаются при выдержке 28 суток.