СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ОСНОВАНИЙ АВТОДОРОГ И НАЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD TO MANUFACTURE BUILDING MATERIAL AND METHOD TO ERECT MOTOR ROAD BEDS AND SURFACE STRUCTURES ON ITS BASIS

Изобретение относится к области строительства и предназначено, например, для изготовления оснований автомобильных и железных дорог, аэродромов, оснований промышленных и муниципальных свалок, площадок различного назначения, ядер плотин, фундаментов зданий и сооружений, а также строительных материалов типа безобжигового кирпича и блоков.
Известен ряд объектов, близких по существенным признакам к заявляемому изобретению, например [1-7], недостатком которых является не полное соответствие их предъявляемым эксплуатационным требованиям. В частности, из [1] известен способ устройства оснований дорог и наземных сооружений, включающий смешение грунта с дробленым шлаком и щелочным активатором, увлажнение водой в количестве 8-20% от массы сухих компонентов, укладку и уплотнение смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и морозостойкости оснований, а также снижения их стоимости, в качестве дробленого шлака используют отвальный шлак черной металлургии в количестве 20-40 мас.%, из которого предварительно выделяют железистые включения.
Из [3] известен также способ строительства оснований автодорог и наземных сооружений, включающий перемешивание минерального материала, шлака черной металлургии и щелочного активатора, укладку, увлажнение и уплотнение, отличающийся тем, что, с целью защиты окружающей среды при сохранении водо- и морозостойкости, в качестве минерального материала используют горелую породу углеобогащения, или отходы дробления известняка, или горелую формовочную смесь литейного производства, в качестве шлака - дисперсный отвальный шлак в количестве 20-40 мас. от минерального материала, а увлажнение проводят раствором щелочного активатора, в качестве которого используют отход коксохимического производства, образующийся на стадии регенерации в вакууме раствора очистки коксового газа, или отход крекинга нефти, образующийся на стадии очистки отходящих газов.
Из [5] известен также способ устройства оснований автодорог путем укрепления несвязных (песчаных и супесчаных) грунтов, однако ряд авторов считает нерентабельным использованное здесь укрепление суглинков и глин золо-цементными и золо-известковыми смесями [6].
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом является способ устройства оснований автодорог и наземных сооружений, включающий смешение песчаных и суглинистых грунтов смесями 2,5-5% цемента или 6% Са(ОН) и 25% эстонской или сызранской золы [6]. Недостатками указанного способа являются: 1) невысокая морозостойкость оснований с применением гидратированной извести; 2) использование в качестве обязательных активаторов сравнительно больших количеств дорогостоящих строительных материалов - цемента и гидратированной извести.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков и достижение практического и технического результата в отношении значимого повышения экономической эффективности процесса, утилизации больших количеств различных промышленных отходов как эффективного метода защиты окружающей среды, а также увеличения прочности и морозостойкости изготавливаемых материалов и объектов и снижения их себестоимости.
В качестве кратких сведений, раскрывающих сущность изобретения, следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают с помощью заявленного способа изготовления строительного материала, по которому смесь исходных компонентов при влажности в пределах 10-15% гомогенизируют в выбираемом весовом процентном соотношении: природный грунт - 48-75%, промышленный отход, обладающий вяжущими свойствами, - 50-20% и щелочной активатор - 2-5%, производят весовую или объемную дозировку смеси, уплотняют полученную смесь при нагрузке от 3 до 10 МПа в зависимости от химического, минерального и гранулометрического составов исходных компонентов, режима хранения уплотненных материалов и требуемых механических свойств.
Указанный технический результат достигается также в модификациях заявленного способа, в которых:
⇒ в качестве промышленного отхода используют высокоосновную золу горючих сланцев;
⇒ в качестве промышленного отхода используют дисперсный шлак черной металлургии (доменный, мартеновский, конвертерный или электросталеплавильный);
⇒ в качестве промышленного отхода используют смесь золы и шлака;
⇒ в качестве щелочного активатора используют добавки растворов шламоотстойников теплоэлектростанций, работающих на горючих сланцах;
⇒ в качестве щелочного активатора используют щелочные стоки каустических производств;
⇒ в качестве щелочного активатора используют парекс (отработанная щелочь дисорбата парекса заводов нефтеоргсинтеза);
⇒ в качестве щелочного активатора используют пыль электрофильтров или просыпь цементных заводов;
⇒ в качестве щелочного активатора используют отход производства извести (известковый недожог);
⇒ в качестве щелочного активатора используют добавки извести или цемента;
⇒ после уплотнения смеси упрочнение материала ускоряют автоклавированием в экспериментально выбранном режиме при температуре 175°-200°С и давлении насыщенного водяного пара 1-3 атм в течение 8-16 часов.
Кроме того, указанный технический результат достигается также в способе строительства оснований автодорог и наземных сооружений, по которому на предварительно уплотненное земляное полотно завозят расчетное количество грунта (песок, супесь, суглинок, глина, лесс, лессовидный суглинок), с помощью бульдозера и автогрейдера грунт равномерно распределяют по поверхности земляного полотна. Поверх разрыхленного и распределенного грунта завозят и таким же образом распределяют промышленные отходы, обладающие вяжущими свойствами (золы горючего сланца, или тонкодисперсного шлака черной металлургии, или смеси золы и шлака в разных пропорциях, или смеси этих отходов с цементом или известью), и сухие щелочные активаторы. Эти компоненты выбирают в зависимости от их химического, минерального и гранулометрического составов, а также требований к механическим свойствам производимого материала при массовом соотношении в пределах 45-88% грунта, 50-10% вяжущих и 5-2% сухих активаторов. Далее компоненты смешивают за несколько проходов дорожно-строительной или болотной фрезы до получения гомогенной смеси. Смесь увлажняют водой или жидким щелочным активатором в количестве 5-15% (в зависимости от влажности твердых компонентов и рН активатора). Увлажненную смесь уплотняют виброкатками или кулачковыми катками, а в случае их отсутствия гладковальцовыми катками при нагрузке уплотнения в диапазоне от 5 до 10 МПа и покрывают материал основания составом из обычной дорожной водно-битумной эмульсии или жидкого битума с последующим покрытием асфальтом.
Указанный технический результат достигается также в модификациях данного способа, в которых:
⇒ в качестве промышленного отхода используют высокоосновную золу горючих сланцев;
⇒ в качестве промышленного отхода используют дисперсный шлак черной металлургии (доменный, мартеновский, конвертерный или электросталеплавильный);
⇒ в качестве промышленного отхода используют смесь золы и шлака;
⇒ в качестве щелочного активатора используют пыль электрофильтров или просыпь цементных заводов;
⇒ в качестве щелочного активатора используют отход производства извести (известковый недожог);
⇒ в качестве щелочного активатора используют добавки извести или цемента;
⇒ в качестве щелочного активатора используют парекс (отработанная щелочь дисорбата парекса заводов нефтеоргсинтеза);
⇒ завоз грунтов заменяют рыхлением верхнего слоя первоначального земляного полотна с помощью дорожно-строительной, или болотной фрезы, или бороны, или других механизмов;
⇒ смешение всех твердых и жидких компонентов производят в стационарном смесителе в тех же весовых соотношениях и готовую строительную смесь основания дорожной одежды вывозят и равномерно распределяют на заранее уплотненное земляное полотно;
материал основания покрывают составом из обычной дорожной водно-битумной эмульсии или жидкого битума;
⇒ материал основания покрывают асфальтобетоном или бетоном.
Следует обратить внимание, что в заявке соблюден принцип единства изобретения, так как предложенные способы имеют одно и то же назначение, служат одной цели, независимо друг от друга обеспечивают достижение одного и того же технического результата, а также взаимосвязаны единым изобретательским замыслом, охарактеризованным формулой изобретения. При этом концепция правовой охраны основана на том, что неразрывность и взаимосвязанность предложенных объектов, а также допускаемая вариантность осуществления отдельных существенных признаков или их совокупностей предопределяют в том числе нетрадиционный характер формулировок некоторых признаков. Например, особенности осуществляемых операций предложенных способов отражены не только их технологическими характеристиками, но и составом и концентрациями используемых компонентов.
При изложении сведений, подтверждающих возможность осуществления заявленного технического решения, целесообразно более детально описать практические примеры его реализации. При описании примеров нецелесообразно детально останавливаться на известных из опубликованных данных сведениях. Детально целесообразно остановиться только на отличительных существенных особенностях предложенного решения. Приведенные поясняющие конкретные примеры не являются единственно возможными и наглядно демонстрируют достижение приведенной совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.
На практике в соответствии с предложенным изобретением для достижения указанного технического результата производство новых строительных материалов типа кирпича, блоков и т.п. состоит из следующих технологических операций:
1) смешение компонентов в оптимальном процентном соотношении для достижения требуемых величин механических свойств без предварительной сушки компонентов, но с учетом их влажности;
2) весовая или объемная дозировка рабочей гомогенизированной смеси;
3) уплотнение смеси на прессе при заранее определенной нагрузке, величина которой обычно колеблется от 3 до 10 МПа в зависимости от химического, минерального и гранулометрического составов исходных компонентов, режима хранения уплотненных материалов и требуемых механических свойств;
4) после уплотнения смеси для ускорения набора прочности материала возможно автоклавирование в экспериментально выбранном режиме. Однако эта операция вызывает высокие энергозатраты и значительное повышение себестоимости материалов;
5) хранение уплотненных материалов для набора технологической прочности может осуществляться в течение 1-3 дней различными способами в зависимости от вещественного состава смеси. При использовании в качестве вяжущего преимущественно известковых материалов (отхода производства извести, гидратированной извести или извести) готовые материалы можно хранить на воздухе под навесом или под полиэтиленовой пленкой. Материалы с портландцементом или шлаком черной металлургии в качестве вяжущих лучше хранить во влажной среде или в плотной упаковке из пленки полиэтилена.
При строительстве оснований автодорог и наземных сооружений достижение указанного технического результата на практике обеспечивается, в частности, тем, что в способе, включающем смешение грунта с вяжущим (золой, или со шлаком или с их смесью), увлажнение водой в количестве 5-20% от массы сухих компонентов, укладку и уплотнение смеси, в качестве золы используют золу горючих сланцев или дисперсный шлак черной металлургии (доменный, мартеновский, конвертерный или электросталеплавильный) в количестве 10-40 мас.% или более, в зависимости от требований к механическим параметрам производимого материала.
Для ускорения химического взаимодействия грунта и вяжущего и увеличения прочности и морозостойкости основания могут быть использованы в качестве щелочного активатора добавки растворов шламоотстойников теплоэлектростанций, работающих на горючих сланцах, или щелочные стоки каустических производств, или парекс (отработанная щелочь дисорбата парекса заводов нефтеоргсинтеза), или пыль электрофильтров и просыпь цементных заводов, отход проиводства извести (известковый недожег) и тому подобные щелочные отходы с высокими значениями рН. Необходимое количество жидких активаторов определяется экспериментально и зависит в основном от величин их рН и концентрации щелочных ионов. В случае отсутствия таких высокощелочных отходов они могут быть заменены 1-3% или более добавками извести или цемента, что неизбежно вызовет некоторое уменьшение экономической эффективности применения данного способа.
Практически способ устройства оснований с достижением указанного технического результата может быть осуществлен следующим образом:
1) на предварительно уплотненное земляное полотно из резерва завозится расчетное количество грунта (песок, супесь, суглинок, глина, лесс, лессовидный суглинок). В некоторых случаях завоз грунтов может быть заменен рыхлением верхнего слоя земляного полотна с помощью дорожно-строительной или болотной фрезы, или бороны, или других механизмов;
2) с помощью бульдозера грунт равномерно распределяется по поверхности земляного полотна;
3) поверх разрыхленного и распределенного грунта завозится и таким же образом распределяется соответствующее количество вяжущих материалов (золы горючего сланца, или тонкодиспесного шлака, или смеси золы и шлака в разных пропорциях, в зависимости от их химического, минерального и гранулометрического составов, а также требований к механическим свойствам производимого материала) при массовом соотношении 90-50% грунта и 10-50% вяжущих;
4) оба компонента смешиваются за несколько проходов дорожно-строительной или болотной фрезы до получения гомогенной смеси;
5) с помощью поливомоечной машины гомогенную смесь увлажняют водой или жидким щелочным активатором в количестве 5-20% (в зависимости от влажности твердых компонентов) для приведения смеси в удобоукладываемое состояние; увлажнение может также производиться с помощью фрезы в случае наличия на ней специального бака для воды;
2
6) увлажненную гомогенную смесь уплотняют виброкатками или кулачковыми катками, а в случае их отсутствия гладковальцовыми катками при нагрузке уплотнения до 10 МПа (100 кг/см) или выше; в уплотненной гидратированной смеси происходят сложные процессы химического взаимодействия грунта и вяжущего в щелочной среде с постепенным переходом рабочей смеси в камнеподобное состояние;
7) для предотвращения преждевременного высыхания рабочей смеси (с прерыванием процесса химического взаимодействия исходных компонентов), а также для улучшения сцепления между основанием и вышележащим слоем асфальтобетона необходимо создать покрытие из обычной дорожной водно-битумной эмульсии или жидкого битума.
Технологические операции 1)-5) могут быть заменены приготовлением рабочей смеси грунт-вяжущее в стационарном смесителе. Для этого все компоненты смеси предварительно завозятся в силосы, с помощью дозаторов подаются в смеситель и после получения увлажненной гомогенной смеси самосвалами вывозят на уплотненное земляное полотно для выполнения операций 6) и 7). При этом вследствие перевозок исходных компонентов, а затем и готовой рабочей смеси экономическая эффективность метода будет существенно снижена.
Традиционный водопрерывающий слой песка конструкции автодороги должен быть отменен, потому что новый материал нуждается в поддержании постоянной влажности для длительно протекающих реакций гидратации и химического взаимодействия компонентов смеси.
В настоящем описании изобретения в качестве примеров практической реализации способов приведены результаты экспериментов автора с золами горючих сланцев Прибалтийской ГРЭС (г.Нарва, Эстония), однако близость ее химического и минералогического составов к золам сланца Поволжья и Ленинградской области не оставляет сомнении в применимости этих результатов к золам вышеупомянутых месторождений горючих ископаемых. Упрочнение различных грунтов золами горючих сланцев Прибалтийской ГРЭС происходит в течение длительного периода и значительно превышает требования действующих российских дорожно-строительных стандартов, что приводит к значительному увеличению межремонтного срока автодорог.
Золо-грунтовые материалы оснований обладают высокой водо - и морозостойкостью (см. Таблицу 1), значительно превышающей максимальные нормативные требования Российских стандартов (см. Таблицу 2).
Коэффициент морозостойкости материалов (Км) после 25 циклов замораживания при -25°С в течение 8 часов и оттаивания при +20°С также в течение 8 часов в некоторых случаях превышает единицу (см. Таблицу 3). Это явление, как было установлено детальными исследованиями автора, объясняется искусственной десквамацией (шелушением) поверхности остеклованных частиц золы 50 термическими ударами (величиной 45-50°С в течение 1-2 секунд) и вызванным ими увеличением активной поверхности гидратации золы. Поэтому количество новообразований, укрепляющих образцы во время испытаний морозостойкости, значительно превышает аналогичное количество у сравниваемых образцов воздушно-влажного хранения, что сказывается на величине коэффициента морозостойкости материалов.
Достаточно близкие результаты были получены автором при упрочнении различных грунтов наиболее распространенными дисперсными отвальными шлаками черной металлургии (см. Таблицу 4). Дисперсный шлак получается путем дробления или помола отвального шлака с магнитной сепарацией металлического железа. Возможен также отсев мелкой фракции шлака, но при этом наблюдается снижение показателей механических свойств конечных материалов.
Как видно из приведенных данных, предлагаемый способ позволяет получить основание более прочное и морозостойкое (сравнение Таблиц 1, 3 и 4 с Таблицей 2), а также более дешевое за счет
1) применения сравнительно дешевых промышленных отходов как вяжущего материала;
2) замены двух дорогостоящих слоев природных материалов - подстилающего слоя песка и щебеночно-гравийного слоя - на один укрепленный слой грунта;
3) сокращения транспортных расходов по доставке песка и щебеночно-гравийных материалов из удаленных карьеров при замене их местными грунтами.
Однако наибольший эффект широкого использования предложенного изобретения на индустриальном уровне достигается в области охраны окружающей среды вследствие утилизации больших количеств высокощелочных отходов (золы и шлаков) и активаторов их химического взаимодействия с местными грунтами.
Кроме того, появляется возможность значительно сократить разработку карьеров традиционных строительных материалов - щебня, песка, гравия и т.п., необратимо нарушающую естественные природные связи верхнего слоя литосферы.
Таким образом указанные в формуле изобретения совокупности операций заявленных способов взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, необходимой и достаточной для получения требуемого технического результата. Достигаемый технический результат, как показали данные экспериментов и описанных примеров, может быть реализован только взаимосвязанной совокупностью всех существенных признаков заявленных объектов, отраженных в формуле изобретения, при любых значениях параметров, охватываемых испрошенными притязаниями и удовлетворяющих заявленным особенностям. Заявленные существенные отличительные признаки были получены на основе творческой обработки результатов проведенных исследований, анализа и обобщения их и известных из опубликованных источников данных, взаимосвязанных условиями достижения указанного в заявке технического результата, а также с использованием изобретательской интуиции. Вышеизложенное убедительно доказывает соответствие заявленных способов установленным законодательством условиям охраноспособности.
Таблица 1
Изменение пределов прочности при одноосном сжатии и разрыве образцов гидратированной смеси грунтов с 30% добавкой золы горючего сланца Прибалтийской ГРЭС
Параметры
Тип грунта
Сроки упрочнения, сутки
1
7
14
28
90
180
360
R сжатия, МПа
М.С.
1,2
6,9
8,7
12,2
19,6
18,3
19,7
П.С.
1,1
8,8
9,1
14,9
30,3
27,4
31,1
Лесс
6,2
8,4
8,4
11,0
19,4
27,1
22,6
σ разрыва, МПа
М.С.
0,4
1,6
1,9
2,2
4,8
4,2
4,8
П.С.
0,3
2,0
2,6
3,4
3,8
4,6
5,5
Лесс
0,3
1,2
1,8
2,2
2,8
3,8
4,5
Примечание: М.С. - моренный суглинок,
П.С. - покровный суглинок.
Таблица 2
Основные требования СН 25-74 к механическим свойствам укрепленных оснований автодорог
Свойства материалов основании
Категории автодорог
I
II
III
Предел прочности одноосного сжатия водонасыщенных образцов, МПа
6-4
4-2
2-1
Коэффициент морозостойкости после 25 циклов
0.75
0.70
0.65
Таблица 3
Водопрочность и морозостойкость 90-суточных образцов гидратированной смеси грунтов с 30% добавкой золы горючего сланца электрофильтров Прибалтийской ГРЭС
Тип грунтов
Водопрочность после 24 часов водонасыщения
Морозостойкость, после 25 циклов
R сжатия, МПа
Коэффициент водопрочности Кв
R сжатия, МПа
Коэффициент морозостойкости Км
Воздушно-влажное хранение
Водонасыщенные
М.С.
12,2
9,5
0,78
11,1
1,17
П.С.
14,9
11,0
0,74
11,7
1,06
Лесс
11,0
9,0
0,82
7,4
0,82
Примечание: М.С. - моренный суглинок,
П.С. - покровный суглинок.
Таблица 4
Изменение прочности при одноосном сжатии, водо- и морозостойкость различных грунтов наиболее распространенными шлаками черной металлургии
Составы материалов
Прочность (МРа) после (суток)
Водо и Морозостойкость
Грунты
Шлаки
28
90
360
Rв
Кв
Rм
Км
Глина легкая
Доменный
2,9
2,6
3,6
2,5
0,96
2,08
0,84
Суглинок тяжелый
2,5
3,1
6,0
2,9
0,96
2,30
0,79
Песок средний
Мартеновский
1,5
3,0
5,6
3,4
1,04
4,08
1,16
Глина легкая
1,2
1,9
7,0
1,7
0,93
1,50
0,86
Суглинок лессовидн.
Электро-сталеплавильный
4,8
9,2
7,8
9,6
1,16
7,96
0,83
5,8
11,9
14,4
13,6
1,13
11,0
0,81
Суглинок тяжелый
Конвертерный
2,1
3,7
8,6
4,3
1,14
3,32
0,78
Где:
Rв и Rм - прочности водонасыщенных образцов после 25 циклов замораживания и оттаивания (-25°С and +20°C) в 90-суточном возрасте,
Кв и Км - коэффициенты водо- и морозостойкости материалов в 90-суточном возрасте.
Литература
1. Мымрин В.А. Патент РФ №2028408, МПК Е01С 7/36, приоритет 18.07.1990
2. Мымрин В.А. Кочеткова Р.Г. Патент РФ №2030507, МПК Е01С 7/36, приоритет 07.07.1992
3. Мымрин В.А. Патент РФ №2060315, МПК Е01С 7/36, приоритет 28.06.1991
4. Мымрин В.А. Патент РФ №2101413, МПК Е01С 7/36, приоритет 07.06.1996
5. Володько В.П. Использование зол и шлаков в дорожном строительстве. Автодорожник Украины, 1972, №4.
6. Sherwood P.T., Pocok R.G. Roads and road construction, v.47, №554, 1969.
7. Гончарова Л.В., Гурячков И.Л. и Панюкова М.П. Укрепление дисперсных грунтов с использованием зол-уноса и пути их активации. Труды СоюзДорНИИ, вып.82, Москва, 1975.