КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И НАЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК E01C3/04 E01C7/36 E02D3/12 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве оснований автомобильных и железных дорог, аэродромов, площадок различного назначения, фундаментов зданий и сооружений, буронабивных свай, свалок городского мусора и промышленных отходов, тампонаже карстовых и других пустот, ядер плотин и т.п.

Известна композиция для устройства оснований, содержащая грунт, молотый металлургический шлак и активатор - цемент или известь. Вода вводится в количестве, обеспечивающем требуемую удобоукладываемость полученной композиции (1).

Наиболее близким аналогом к предложенной композиции является композиция, описанная в способе устройства оснований автомобильных дорог и наземных сооружений. Композиция содержит минеральный материал - грунт, дробленый отвальный шлак черной металлургии 20 - 40%, щелочной активизатор с концентрацией 0,09 - 0,23 H (в количестве 2 - 10% и pH не менее 11) и воду 8 - 20% [2].

Недостатком указанной композици является сравнительно невысокая прочность.

Задачей изобретения является повышение прочности материалов и защита окружающей среды путем утилизации промышленных отходов.

Поставленная задача решается тем, что композиция для устройства оснований автомобильных дорог и наземных сооружений, включающая грунт, в качестве вяжущего - шлам подготовки известкового молочка ТЭС или дисперсный отвальный шлак черной металлургии, или их смесь в соотношении 1:9 - 9:1 и щелочной активизатор - известковое молочко с pH не менее 11, содержит в качестве грунта мергель дисперсный природный при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мергель дисперсный - 40 - 85
Шлам подготовки известкового молочка ТЭС или отвальный шлак черной металлургии - 15 - 60
Щелочной активизатор от массы твердых компонентов - 2 - 25
При этом композиция может дополнительно содержать воду в количестве, обеспечивающем требуемую удобоукладываемость.

Композиция также содержит в качестве щелочного активизатора известь или цемент в количестве 2-5% от массы твердых компонентов. С увеличением содержания извести или цемента показатели физико-механических свойств материалов возрастают, однако при этом утрачивается их роль как активизаторов и все больше преобладает роль как вяжущих.

Кроме того, активизатором может служить по крайней мере один из компонентов группы: сточные воды производства эпоксидных смол лакокрасочной промышленности; сточные воды отделочного производства текстильных фабрик; отход каксохимического производства, образующийся на стадии регенерации в вакууме растворов очистки коксового газа; отход крекинга нефти, образующийся на стадии очистки отходящих газов; щелочной сток, образующийся на стадии улавливания газообразного хлора с помощью NaOH в процессах, связанных с использованием жидкого или газообразного хлора или любой другой высокощелочной жидкий, пастообразный или сухой отход производства или продукт производства с величиной pH не менее 11 в количестве 2 - 25% от массы твердых компонентов.

Для приготовления композиций используются следующие исходные материалы: мергель; вяжущее - шлам подготовки известкового молочка ТЭЦ или ТЭС, дробленый отвальный шлак черной металлургии или их смесь в соотношении 1:9 - 9:1; щелочной активизатор с pH не менее 11, который может быть представлен известью или цементом или любыми другими высокощелочными продуктами производств или отходами производств, например известковым молочком, сточными водами производства эпоксидных смол лакокрасочной промышленности, сточными водами отделочного производства текстильных фабрик, отходами коксохимического производства, образующимися на стадии регенерации в вакууме растворов очистки коксового газа, отходами крекинга нефти, образующимися на стадии очистки отходящих газов, растворами NaOH различной нормальности и многими другими щелочными материалами.

Шлам подготовки известкового молочка ТЭС образуется при смешении воды со специальной кальциевой быстрогасящейся известью или (при ее дефиците) со строительной комовой известью (ГОСТ 9179-70). Нерастворившаяся в воде часть извести формирует большое количество шлама ("недопала") с химическим составом, приведенным в табл. 1, который скапливается в отстойниках, называемых "голубыми озерами".

В зависимости от срока службы и мощности ТЭС количество этого шлама подготовки известкового молочка около каждой ТЭС или ГРЭС России колеблется от 100 тыс. до миллионов тонн, создавая существенные экологические проблемы. Поэтому разработка рациональных и экологических приемлемых методов утилизации является важной задачей. Химические составы использованных в данной работе мергеля, шлама подготовки известкового молочка одной из ТЭЦ, отвальных шлаков черной металлургии приведены в табл. 1. Однако они могут существенно отличаться в различных регионах и предприятиях в зависимости от условий образования, состава исходных компонентов и технологии.

Химические составы активизаторов отходов вышеперечисленных производств приведены ниже.

Известковое молочко шлама химводоочистки - водный раствор извести CaO.

Химический состав отходов очистки отходящих газов при крекинге нефти, мас.%:
Na₂CO₃ - 5 - 6
NaOH - 0,85
Na₂S - 3
pH - 12,5 - 13,0
Химический состав регенерированных отходов раствора очистки коксового газа от сероводорода коксохимических производств, мас.%:
Карбонаты - 3,5 - 4
Эфирорастворимые - 0,25 - 0,6,
Сероводород - 0,1 - 0,23
Сульфат натрия - 0,4 - 0,6,
Тиосульфаты - 0,3 - 0,6
pH - 12 - 14,0
Химический состав отработанной щелочи дисорбата парекса в производствах нефтеоргсинтеза, мг/л:
Сульфат натрия - Не более 3000
Гидросульфит натрия - Не более 5000
Сульфит натрия - Не более 16000
Нефтепродукты - Не более 100
Химический состав сточных вод производства эпоксидных смол лакокрасочной промышленности, мас.%:
Вода - 69,3
Глицерин - 4,1
NaOH - 1,8
Смола - 4,2
NaCl - 14,6
Толуол - 5,2
Химический состав сточных вод отделочного производства текстильных фабрик, мг/л:
Хлориды (NaCl) - 106
ПАВ неионогенные - 0,01
Сульфиды (Na₂S) - 1
Нефтепродукты (лигнины, пектины, орг.красители) - 14,4
Окислы железа - 2,8
CuSO₄ - 0,3
Взвешенные вещества - 97,5
Сухой остаток - 34,07
Химический состав щелочных стоков, образующихся при улавливании газообразного хлора с помощью NaOH при производстве хлора, каустической соды, фенозона и др. процессах, связанных с использованием жидкого или газообразного хлора, мас.%:
Взвешенные вещества - 0,2 - 0,5
Сухой остаток (растворимые органические и минеральные соли) - 0,2 - 1,5
Из них:
хлориты - 0,2 - 0,4
Сульфаты - 0,0,5 - 0,1
Нефтепродукты - 0,0025
Гипохлориты натрия - 0,05 - 0,1
pH - 12,5 - 13,5
Смесь можно готовить путем смешивания сухих компонентов - мергеля и шлама подготовки известкового молочка ТЭС (или шлака черной металлургии) - в стационарных смесительных установках или непосредственно на земляном полотне с помощью фрезы или автогрейдера и т.п. Полученную равномерную смесь увлажняют активизатором или его раствором до оптимальной влажности (около 20%), а затем уплотняют традиционными методами.

Представленные в табл. 2 основные результаты определения механических свойств образцов показывают, что к 90 сут. прочность почти всех материалов при одноосном сжатии значительно превышает 4 МПа, т.е. соответствует первому классу (4-6 МПа) укрепленных грунтов. Максимальной прочностью (12,2 МПа) обладают материалы с отвальным шлаком черной металлургии. Продолжение реакций гидратации вызывает дальнейший рост прочности, характерный для шлакогрунтовых материалов. Поэтому к годичному сроку прочность почти всех материалов превышает максимальный уровень (6,0 МПа) требований российских стандартов к укрепленным грунтам.

Прочность водонасыщенных образцов (R_b) заявляемых материалов к 90-суточному возрасту в ряде случаев (1, 3, 5 и 8) значительно превышает максимальную величину прочности у прототипа.

Все материалы обладают высокой водо- и морозостойкостью, что позволяет рекомендовать их для использования в качестве верхнего слоя оснований автодорог вместо традиционного щебня. Дренирующий слой песка при этом должен быть исключен как препятствующий капиллярному поднятию влаги земполотна, необходимой для длительного протекания реакции гидролиза и гидратации (и, естественно, упрочнения) нового материала.

Применение больших количеств промышленных отходов и их прочное связывание в нерастворимые новообразования позволяет сократить использование природных строительных материалов (щебень, гравий, песок и др.), заметив их неутилизируемыми в настоящее время промышленными отходами.

Сущность изобретения: разработана серия новых строительных материалов, состоящих из мергеля в качестве связываемого природного грунта и из промышленных отходов, в качестве вяжущих - шлама подготовки известкового молочка ТЭЦ или ТЭС или дробленого отвального шлака черной металлургии или их смесь в соотношении 1: 9-9: 1, а также щелочного компонента, как правило, промышленного отхода с рН не менее 11 в качестве активизатора процессов химического взаимодействия первых двух твердых компонентов исходной смеси. Разработанные материалы являются тощими бетонами и обладают высокой прочностью, водо- и морозостойкостью; надежно химически связывают тяжелые металлы в соединения, практически нерастворимые в кислой, щелочной и нейтральной средах. Поэтому они могут быть с большим экономическим и экологическим эффектом использованы в качестве оснований автомобильных и железных дорог, аэродромов, свалок городского мусора и промышленных отходов, ядер плотин и других различных фундаментов, буронабивных свай, при тампонаже карстовых и других пустот и т.п. вместо песка, щебня, гравийнопесчаных смесей и др. Таким образом, природозащитный аспект разработанных материалов заключается также в значительной экономии природных ресурсов (щебень, песок, гравий и др.) и в замене их неутилизируемыми в настоящее время промышленными отходами. 3 з.п. ф-лы. 2 табл.

1. Композиция для устройства оснований автомобильных дорог и наземных сооружений, включающая природный грунт, вяжущее и щелочной активизатор с pH не менее 11, отличающаяся тем, что она содержит в качестве природного грунта дисперсный мергель, в качестве вяжущего - шлам подготовки известкового молочка теплоэлектростанций (ТЭС) или дисперсный отвальный шлак черной металлургии или их смесь в соотношении 1 : 9 - 9 : 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мергель дисперсный - 40 - 85
Шлам подготовки известкового молочка ТЭС или отвальный шлак черной металлургии или их смесь в соотношении 1:9-9:1 - 15 - 60
Щелочной активизатор от массы твердых компонентов - 2 - 25
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит воду в количестве, обеспечивающем требуемую удобоукладываемость. 3. Композиция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит в качестве щелочного активизатора известь или цемент в количестве 2 - 5% от массы твердых компонентов. 4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит в качестве щелочного активизатора по крайней мере один компонент из группы: сточные воды производства эпоксидных смол лакокрасочной промышленности, сточные воды отделочного производства текстильных фабрик, отход коксохимического производства, образующийся на стадии регенерации в вакууме растворов очистки коксового газа, отход крекинга нефти, образующийся на стадии очистки отходящих газов, щелочной сток, образующийся на стадии улавливания газообразного хлора с помощью NaOH в процессах, связанных с использованием жидкого или газообразного хлора (с pH не менее 11), известковое молочко шлама химводоочистки, раствор NaOH.