НЕФТЕГРУНТОВАЯ СМЕСЬ Российский патент 1998 года по МПК C08L95/00 C04B26/26 

Изобретение относится к области дорожного строительства, в частности к составам материалов конструктивных слоев дорожных одежд, и предназначено для использования при строительстве автомобильных дорог для устройства морозозащитных слоев, изолирующих прослоек, верхних и нижних слоев оснований под усовершенствованные облегченные и переходные типы покрытий, нижних слоев оснований под цементобетонные и асфальтобетонные покрытия, для устройства покрытий на временных автомобильных дорогах.

Известны нефтегрунтовые смеси для дорожного строительства на основе бескарбонатных грунтов, не содержащих в своем составе легкорастворимых солей. При этом известные нефтегрунтовые смеси, аналоги заявляемой смеси, не содержат активных добавок неорганических вяжущих и различны по составляющему их основу виду грунта, который может быть представлен легкой супесью, легким суглинком, тяжелым суглинком, песчанистой глиной. Каждая известная нефтегрунтовая смесь наряду с грунтом определенного вида из указанных содержит углеводородсодержащий компонент грунта - сырую маловязкую нефть, а также воду [1].

Однако сырая маловязкая нефть, входящая в составы известных нефтегрунтовых смесей для укрепления грунта, сообщает указанным смесям относительно невысокие абсолютные значения показателя предела прочности при сжатии (2,10 - 5,5 кгс/см²).

Обладая малой вязкостью, нефть, используемая в известных смесях, имеет малую прочность клеевой связки, вследствие чего происходит слабое связывание гидрофобизированных частичек грунта нефтью. В результате этого известные нефтегрунтовые смеси имеют невысокую механическую прочность.

Вместе с тем, имея относительно высокую степень гидрофобизации в результате укрепления грунта маловязкой сырой нефтью, известные нефтегрунтовые смеси практически применимы для осуществления строительства дорог, но имеют относительно невысокие по абсолютным значениям показатели водоустойчивости (водонасыщение 3,6 - 4,0% по объему) и набухания (2,1-2,7%).

Наиболее близкой по совокупности сходных признаков и предлагаемой нефтегрунтовой смеси является нефтегрунтовая смесь на основе бескарбонатного грунта, содержащая, мас.ч.: суглинок легкий пылеватый-100, сырую нефть-7-10 и воду-7-10 [2].

Однако указанная известная нефтегрунтовая смесь имеет низкий предел прочности при сжатии (2,2 кгс/см²) также из-за малой прочности клеевой смазки при связывании гидрофобизированных частичек грунта маловязкой сырой нефтью, входящей в состав смеси, и особенно из-за отрицательного влияния пылеватых частиц грунта на свойства уже укрепленного маловязкой сырой нефтью грунта.

Данная нефтегрунтовая смесь, обладая относительно высокой степенью гидрофобизации в результате укрепления грунта маловязкой сырой нефтью, имеет также практически приемлемые значения показателей водоустойчивости и набухания для осуществления строительства дорог, но относительно невысокие их абсолютные значения из-за отрицательного влияния пылеватых частиц на свойства укрепленного грунта: водонасыщение 3,8% по объему и набухание 2,4% по объему.

Целью изобретения является повышение механической прочности на сжатие, водоустойчивости и снижения степени набухания получаемого нефтегрунта за счет повышения адгезионных и когезионных свойств состава, с обеспечением морозостойкости нефтегрунта.

Поставленная цель достигается тем, что известная нефтегрунтовая смесь содержит легкий пылеватый суглинок, углеводородсодержащий компонент и воду, в качестве углеводородсодержащего компонента содержит нефтяной шлам при следующем соотношение ингредиентов смеси, мас.ч.:
Легкий пылеватый суглинок - 100
Нефтяной шлам - 10-23
Вода - 8-10
Предлагаемая нефтегрунтовая смесь отличается от известной использованием иного вида углеводородсодержащего компонента - нефтяного шлама.

Достижение указанного технического результата обеспечивается следующим. Благодаря использованию нефтяного шлама в смеси с легким пылеватым суглинком происходит повышение активизации адгезионных и когезионных процессов по связыванию гидрофобизированных частичек грунта, в особенности пылеватых частиц, при укреплении его нефтяным шламом за счет, по-видимому, образования новой смешанной коагуляционно-кристаллизационной структуры, устраняя тем самым и отрицательное влияние пылеватых частиц грунта на физико-механические свойства грунта по прочности, водонасыщению и набуханию.

Из научно-технической литературы и патентной документации не известны нефтегрунтовые смеси на основе легкого пылеватого суглинка и с использованием в их составе нефтяного шлама, что позволяет считать заявленное техническое решение новым.

Из существующего уровня техники не известно, что использование нефтяного шлама при укреплении грунта в виде легкого пылеватого суглинка, со значительным преобладанием в гранулометрическом составе грунта пылевых частиц, с очевидностью позволяет исключить отрицательное влияние указанных частиц грунта на физико-механические свойства укрепленного грунта, имеющее место при использовании сырой нефти, для обеспечения достигаемого данным техническим решением технического результата, заключающегося в повышении прочностных свойств, водоустойчивости и снижения набухания грунта указанного вида. Следовательно, заявленное техническое решение имеет изобретательский уровень.

Изобретение является промышленно применимым, поскольку известно использование нефтегрунтовых смесей на основе легкого пылеватого суглинка в дорожном строительстве. В производственных условиях размельчение и перемешивание грунта с нефтяным шламом, уплотнение и формирование нефтегрунтовых конструктивных слоев дорожной одежды из заявляемой нефтегрунтовой смеси может производиться путем смешения на дороге с использованием машин - дорожных фрез и автогрейдеров, смешением на дороге и с использованием грунтосмесительных машин, а также в карьерах с использованием стационарных или передвижных смесительных установок.

Предлагаемая нефтегрунтовая смесь была испытана в лабораторных условиях. Для ее приготовления были использованы в соответствии с заявляемым способом следующие ингредиенты:
грунт - суглинок легкий пылеватый следующего гранулометрического состава: песчаные частицы-37,6%, пылеватые частицы-46,6% и глинистые частицы - 15,8%. Влажность грунта на границе текучести - 33,52%; влажность грунта на границе раскатывания - 22,33%; оптимальная влажность - 16,7%. Число пластичности грунта - 11. Максимальная плотность грунта - 1,77 г/см³;
нефтяной шлам-отход производства при подготовке нефти на нефтепромыслах (донный слой нефтепромыслового амбара), состоящий при центрифугировании из устойчивой многофазной суспензии - 58%, воды-20% и тяжелого нефтяного остатка с большим содержанием механических примесей - 22%. Суспензионная часть нефтешлама включает мехпримеси-93,9 мас.% и органическую часть-6,1 мас.%, при этом мехпримеси, нерастворимые в горячей соляной кислоте, составляют 76,0 мас.%, растворимые в горячей соляной кислоте - 17,9 мас.%. Нерастворимые мехпримеси представлены песком, глинистым материалом, растворимые представлены солями двухвалентного железа - 155,5 мг/л и солями трехвалентного железа - 139,5 мг/л. Органическая часть представлена асфальтенами - 1,3 мас.%, смолами - 0,6 мас.% и парафинами - 4,2 мас.%;
техническая (водопроводная) вода с жесткостью не более 5 г-экв/л.

Пример. Образцы из заявляемой нефтегрунтовой смеси с различным количественным соотношением входящим в нее ингредиентов изготавливали следующим образом.

Грунт высушивали до воздушно-сухого состояния, определяли его влажность путем высушивания навесок грунта в термостате до постоянной массы при температуре 105^oC. После чего готовили нефтегрунтовые смеси путем перемешивания грунта нефтяного шлама и воды, в соответствующих количественных соотношениях, без подогрева, в течение 5 мин в лабораторной лопастной мешалке КП-118. Всего было изготовлено семь нефтегрунтовых смесей. Данные о количественном содержании ингредиентов в этих исследованных составах заявляемой смеси приведены в табл.1. Затем из каждой приготовленной нефтегрунтовой смеси изготавливали образцы размером 50,5 х 50,5 мм в полой металлической цилиндрической форме с двумя вкладышами для уплотнения смеси. Образцы изготавливали из каждой смеси сериями по 3 штуки для определения каждого конкретного (одного) показателя физико-механических свойств нефтегрунта из нефтегрунтовой смеси. При изготовлении каждого образца смесь в форме ставили под нагрузку для уплотнения из расчета 300 кг/см² в течение 3 мин на гидравлическом прессе ИП-500.

После уплотнения смеси форму с каждым образцом устанавливали на специальную подставку и выдавливали образец под прессом из формы. Все образцы выдерживали на воздухе при температуре +20^oC в течение 7 сут. Затем на 3 сухих неводонасыщенных образцах 7-суточного возраста, выдержанных при температуре +20^oC, каждой из семи нефтегрунтовых смесей проводили испытания нефтегрунтов на показатель предела прочности при сжатии на гидравлическом прессе ИП-100. Затем брали по 3 сухих образца 7-суточного возраста каждой нефтегрунтовой смеси, помещали их в термостат и выдерживали в течение 2 ч. при температуре +50^oC. После чего эти сухие образцы нефтегрунтов подвергали испытанию на показатель предела прочности при сжатии на гидравлическом прессе ИП-100. Следующую серию из 3 образцов каждой нефтегрунтовой смеси подвергали капиллярному водонасыщению через слой влажного песка в ванне с гидравлическим затвором в течение 3 сут. За показатель капиллярного водонасыщения принималось количество воды, поглощенное образцом, выраженное в процентах от первоначального объема образца. Затем определяли предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов нефтегрунтов на гидравлическом прессе ИП-100.

Величину набухания последующей серии из 3 испытуемых образцов каждой нефтегрунтовой смеси определяли по приращению объема каждого образца после капиллярного водонасыщения, выраженному в процентах, по отношению к его первоначальному объему.

Затем брали серию из 3 образцов 28-суточного возраста каждой нефтегрунтовой смеси и определяли их морозостойкость по окончании 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Каждый цикл состоял из помещения образцов в морозильную камеру на 4 ч. при температуре минус 20^oC, последующего погружения образцов во влажный песок на 4 ч. и помещения образцов повторно в морозильную камеру. После 25 циклов замораживания-оттаивания образцов нефтегрунта определялся их предел прочности при сжатии на прессе ИП-100.

Коэффициент морозостойкости определялся отношением прочности при сжатии образцов, которые прошли установленное количество циклов замораживания-оттаивания, к прочности водонасыщения образцов 7-суточного возраста до прохождения циклов замораживания-оттаивания.

Приготовление предлагаемой смеси в различных опытных и заявляемых количественных соотношениях ингредиентов, изготовление образцов из полученных смесей, капиллярное водонасыщение образцов, определение прочности сухих и водонасыщенных образцов при сжатии, определение набухания и морозостойкости образцов проводились в соответствии с требованиями действующей Инструкции по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорого и аэродромов. СН 25-74-М.: Стройиздат, 1975.

Данные о физико-механических свойствах нефтегрунтов, получаемых из известной и заявляемой нефтегрунтовых смесей приведены, в табл.2.

Данные табл.2 показывают, что заявляемая нефтегрунтовая смесь по сравнению с известной нефтегрунтой смесью имеет более высокие абсолютные значения показателей физико-механических свойств получаемого из нее нефтегрунта. Этим значениям показателей соответствует заявляемый состав нефтегрунтовой смеси со следующим количественным соотношением ингредиентов, мас.ч.:
Легкий пылеватый суглинок - 100
Нефтяной шлам - 10-23
Вода - 8-10
Оптимальным является следующий состав смеси, мас.ч.:
Легкий пылеватый суглинок - 100
Нефтяной шлам - 14
Вода - 10
Указанные количественные соотношения заявляемого состава нефтегрунтовой смеси обеспечивают при использовании изобретения достижение полученного технического результата. Это выражается в том, что у нефтегрунта, получаемого из заявляемой нефтегрунтовой смеси, по сравнению с нефтегрунтом из известной нефтегрунтовой смеси механическая прочность неводонасыщенных образцов выше в 1,2-2 раза, механическая прочность водонасыщенных образцов выше в 1,9 - 3,8 раза, водоустойчивость выше в 2,6-4,1 раза, набухание ниже в 3 - 5,3 раза. Заявляемый состав нефтегрунтовой смеси обеспечивает высокую морозостойкость получаемого нефтегрунта (коэффициент морозостойкости 0,74-0,83). Такое повышение физико-механических свойств нефтегрунта по сравнению с известным нефтегрунтом достигается без использования в заявляемой нефтегрунтовой смеси каких-либо неорганических активных добавок, таких, например, как цемент и известь.

Предлагаемая нефтегрунтовая смесь является материалом для получения нефтегрунта с более высокими физико-механическими свойствами для использования его в различных конструктивных слоях дорожных одежд - морозозащитных слоях, верхних и нижних слоях оснований, изолирующих прослойках, покрытиях.

Использование: строительство автомобильных дорог для устройства морозозащитных слоев, изолирующих прослоек, верхних и нижних слоев оснований под усовершенствованные облегченные и переходимые типы покрытий, нижних слоев оснований под цементно-бетонные и асфальтобетонные покрытия, для устройства покрытий на временных автомобильных дорогах. Сущность изобретения: смесь содержит легкий пылеватый суглинок, углеводородсодержащий компонент и воду. В качестве углеводородсодоржащего компонента она содержит нефтяной шлам. Количественное содержание указанных ингредиентов смеси, мас. ч.: легкий пылеватый суглинок -100, нефтяной шлам - 10 - 23, вода - 8 - 10. 2 табл.

Нефтегрунтовая смесь, содержащая легкий пылеватый суглинок, углеводородсодержащее связующее и воду, отличающаяся тем, что в качестве углеводородсодержащего связующего смесь содержит нефтяной шлам, являющийся отходом производства при подготовке нефти на нефтепромыслах в виде донного слоя нефтепромыслового амбара, при следующем содержании компонентов, мас.ч.:
Легкий суглинок - 100
Нефтяной шлам - 10 - 23
Вода - 8 - 10о