СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ Российский патент 1999 года по МПК E01C3/04 E01C7/36 E02D3/12 C12S1/00 

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано при капитальном строительстве, устройстве дорожных оснований и покрытий, а также при рекультивации земельных участков нефтедобывающих районов.

Во многих районах Севера России, где осуществляется разведка и добыча полезных ископаемых, отсутствуют месторождения крупнообломочных материалов. В этих районах широкое применение нашло укрепление грунтов при строительстве различных объектов с использованием дефицитных вяжущих - битума, цемента и других веществ. Использование этих традиционных вяжущих связано с большими транспортными затратами, что делает их очень дорогостоящими. Последнее обстоятельство иногда является основным препятствием в широком их использовании для укрепления грунтов. Другие виды вяжущих материалов (синтетические смолы холодного отверждения, каменноугольные и древесные дегти) также являются в настоящее время дорогостоящими и имеют во многих случаях ограниченное применение.

С 1930 г. велись систематические работы по изучению использования в южных районах СССР сырых нефтей в дорожном строительстве для укрепления грунтов. Проведенные научно-исследовательские работы и практический опыт доказали возможность применения сырых нефтей в качестве реагентов для укрепления грунтов.

Однако, несмотря на высокую эффективность и экономическую целесообразность использования нефти для укрепления грунтов, эта технология не нашла широкого применения из-за резко возросших экологических требований. В процессе эксплуатации искусственных оснований наблюдается вымывание из них легких фракций нефти.

В настоящее время по многим причинам разведка и добыча нефти в России осуществляется в северных районах, климатические и грунтовые условия которых также существенно ограничивают применение сырых нефтей в строительстве. Решение этой проблемы тем более необходимо, что северные нефти характеризуются повышенным содержанием легких фракций.

Наиболее эффективным способом применения нефти для укрепления грунтов является повышение вязкости сырой нефти за счет уменьшения содержания легких фракций.

Известен способ укрепления грунта (а.с. N 1239203, МКИ E 02 D 3/12, БИ N 23, 1986 г. - аналог), по которому кроме цемента (5-8% от массы смеси) для укрепления грунта используется суперфосфат (0,5-1% от массы смеси) и отход разработки нефтяных скважин (0,5-2% от массы смеси). В отходе разработки нефтяных скважин содержание асфальтосмолистой части составляет 3,8-4,3% от общей массы. Основным недостатком данного способа является большое количество легких фракций нефтепродуктов, содержащихся в отходах разработки (дизельное топливо 15,5-20,% и нефть 0,5-1,8 от массы отходов). Возведение оснований и покрытий дорожных одежд по данному способу приводит к вымыванию и испарению легких фракций нефти.

Известен способ очистки почв от нефтяных загрязнений (патент N 2019527, МКИ E 02 B 15/04, C 09 K 17/00, БИ N 18, 1994 г.- аналог), по которому для удаления легких фракций нефти из загрязненных участков используют водную суспензию бактериальной культуры Rhodococcus Ezythropolis E-15 в смеси с минеральным удобрением - нитроаммофоской. Недостатком этого способа является только частичная рекультивация загрязненных нефтяных участков, так как остаются тяжелые фракции нефти, которые отрицательно влияют на окружающую среду около этих участков.

Известен способ укрепления грунтов с использованием сырой нефти и неорганических вяжущих (см. Безрук В.М., Линцер А.В., Юрченко В.А., Илясов Б. Ф. Применение нефтегрунта в строительстве автомобильных дорог. М., Транспорт. 1975 г., с. 14 - 32 - прототип). При комплексном укреплении грунта нефтью и добавками неорганических вяжущих (цемента или извести) по данному способу грунты с оптимальной влажностью обрабатывают цементом (2-5% от массы грунта) или известью (2-5% от массы грунта), а затем сырой нефтью (3-8% от массы грунта) с содержанием активных компонентов в нефтях в пределах: смол - 8,7-20,2%, асфальтенов - 0,73 -2,6%. При этом часть содержащихся в нефти масел и легких фракций нейтрализуется цементом или известью. Однако основная часть легких фракций нефти вымывается осадками, грунтовыми водами и испаряются в течение строительства и эксплуатации, что резко осложняет экологическую обстановку в районах строительства и является основным недостатком применения данного способа.

При укреплении грунта нефтью и добавками неорганических вяжущих создается коагуляционно-кристаллизационная структура. При этом носителем коагуляционной структуры будет органическое вяжущее - нефть, а кристаллизационной - неорганическое вяжущее (цемент или известь). Такая структура обладает низкими деформативными свойствами и высокой хрупкостью при отрицательных температурах, что крайне негативно сказывается на использовании их в условиях Крайнего Севера.

Сущностью предлагаемого изобретения является удаление легких фракций нефти из смеси грунта с нефтью с помощью водной суспензии бактериальных структур, вводимых до уплотнения нефтегрунта.

Это достигается тем, что нефть и грунт нагревают до температуры, необходимой для обеспечения жизнедеятельности бактериальных культур, перемешивают их (или используют загрязненные нефтью грунтовые участки) и в процессе перемешивания дополнительно вводят водную суспензию бактериальных культур. Указанные бактериальные культуры обладают высоковыраженной окислительной активностью в отношении углеводородов нефти прямой, разветвленной и циклической структуры, вызывая в них глубокие необратимые процессы деградации до остаточных продуктов, относящихся к экологически нейтральным соединениям. После удаления легких фракций нефти производят дополнительный нагрев смеси (до температур выше температуры жизнедеятельности бактериальных культур) с целью прекращения деятельности бактериальных культур и производят укладку и уплотнение смеси.

Отличительными признаками заявляемого решения по сравнению с прототипом являются следующие:
- грунт и нефть нагревают до температуры, необходимой для обеспечения жизнедеятельности бактериальных культур;
- при перемешивании грунта и сырой нефти дополнительно вводят суспензию бактериальных культур;
- удаление легких фракций нефти из смеси осуществляют за счет жизнедеятельности бактериальных культур;
- производят дополнительный нагрев смеси для прекращения жизнедеятельности бактериальных культур.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизны".

Перечисленная совокупность новых по отношению к прототипу отличительных признаков позволяет удалить из смеси грунта и нефти легкие фракции нефтепродуктов и получить экологически чистые материалы для строительства различных сооружений. Кроме этого, применение сырой нефти позволяет возводить сооружения, соответствующие действующим ГОСТам, без применения традиционных вяжущих (цемента, извести, битума и т.п.). Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию "положительный эффект".

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают критерию "существенные отличия".

Пример реализации предлагаемого способа. В качестве вяжущего была использована сырая нефть Варандейского месторождения (свойства приведены в табл. 1), в качестве бактериальных культур - бактерии Rhodoccocus Erythropolis E-15, в качестве минерального наполнителя - пылеватые легкие суглинки (свойства приведены в табл. 2 ).

Бактериальные культуры Rhodoccocus Erythropolis E-15 представляют собой мелкодисперсный светло-коричневого цвета порошок с массовой долей влаги не более 10% и концентрацией живых бактериальных клеток не ниже 10¹¹ в одном грамме сухого вещества. Препарат получен путем наращивания бактериальной массы в ферментах, ее концентрирования и сушки методом лиофилизации или суховоздушного распыления. Температуры жизнедеятельности бактериальных культур составляли - +10...35^oC. При температуре выше +45^oC указанные бакпрепараты прекращали свою деятельность и погибали.

Приготовление рабочего раствора бактериальных культур сводится к активизации (оживлению) микробных клеток, составляющих основу сухого препарата. Раствор представляет собой взвесь бактериальных клеток в 0,03%-ном растворе нитроаммофоски с концентрацией 2•10⁵ клеток на один миллилитр. Для этого в емкость объемом 5000 литров 0,03%-ного раствора нитроаммофски вносят 2-2,5 кг сухого бакпрепарата и 500 мл нефтепродукта, являющегося конкретным источником питания. Рабочий раствор выдерживают при температуре от 18 до 28^oC в течение 12-16 часов, после чего рабочий раствор бактериальных культур готов к употреблению.

Для приготовления смеси грунта и нефти ее компоненты разогревают до температуры, обеспечивающей равномерное распределение нефти в грунте при перемешивании. Если существуют загрязненные нефтью участки земли, то их также можно использовать для укрепления грунта. Нефть, имея низкую вязкость, хорошо распределяется в грунте и перемешивается с ним, пропитывая отдельные агрегаты. Адсорбция активных компонентов нефти грунтом из менее вязкой среды происходит более интенсивно и полно, даже при меньшем их содержании и концентрации. Все это при обработке грунта сырой нефтью обеспечивает ему высокую степень гидрофобизации и высокую механическую прочность.

После перемешивания грунта и нефти смесь охлаждают до температуры жизнедеятельности бактериальных культуру (от 10 до 35^oC) и в нее вводят водную суспензию бактериальных культур. В течение 12-16 часов бактериальные культуры при температуре 10-35 ^oC обеспечивают удаление легких фракций нефти из смеси.

Результаты группового состава нефти, определенные по методу Марнуссона на аппарате Сокслета, после обработки нефтегрунта бактериальными культурами приведены в табл. 3 .

Анализ табл. 3 показывает, что с первых же часов после введения бактериальных культур в смесь грунта и нефти происходит сокращение содержания углеводородов (легких фракций нефти) в нефти и за счет этого увеличивается процентное содержание асфальтосмолистой части в ее составе. Однако после 12-16 часов использования бактериальных культур происходит разрушение и удаление отдельных фракций асфальтосмолистой части, что приводит к сокращению процентного их содержания.

Таким образом, полностью удаляются легкие фракции нефти, которые могут легко вымываться и испаряться из смеси грунта и нефти, а сама нефть по классификации А. С.Колбановской из материалов, не пригодных для окисления, переходит после 12-16 часов в разряд наиболее пригодных материалов для окисления.

Для прекращения жизнедеятельности бактериальных культур в смеси с минимальным содержанием легких фракций нефти смесь нагревают до температур выше 45^oC. Дополнительный нагрев удаляет бактериальные культуры из смеси и прекращает нежелательный распад асфальтосмолистой части нефти. Кроме этого, дополнительный нагрев способствует полимеризации нефтепродуктов в смеси до их укладки уплотнения.

Для практической реализации предлагаемого способа укрепления грунтов были построены опытные участки дороги около п. Варандей (ненецкий национальный округ Архангельской области). Состав смеси грунта и нефти был принят в следующем соотношении:
грунт - 92%
нефть - 8%
Перед дополнительным нагревом смесей составы N 1, 2, 3 (табл. 4) подвергались соответственно 8, 12 и 16 часов обработки бактериальными культурами. Для анализа эффективности данного способа укрепления грунта одновременно был сделан контрольный участок по известному решению (прототипу),
грунт - 90%
нефть - 7%
цемент - 3%.

Результаты испытаний физико-механических свойств укрепленного грунта приведены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что получаемые укрепленные грунты в 2,5-4 раза превосходят по приведенным показателям дорожные конструкции, изготовленные по известному способу. При этом после завершения работ по известному способу в прилегающих земельных участках было обнаружено содержание нефтепродуктов выше предельно допустимых концентраций. Рядом с участками, изготовленными по предлагаемому способу, наличие нефтепродуктов в пределах границ землеотвода не отмечено.

Нижняя граница времени обработки смеси нефтепродукта бактериальными культурами (12 часов, смесь 2) ограничена из условия обеспечения полного удаления легких фракций из смеси грунта и нефти для рекомендуемой области применения предлагаемого способа.

Верхняя граница времени обработки бактериальными культурами (16 часов, смесь 3) установлена из условия сохранения асфальтосмолистой части нефти в смеси.

Из вышеприведенного очевидно, что предлагаемый способ в полном объеме реализует поставленную цель - резко повышает эффективность удаления сырой нефти, используемой в качестве вяжущего при укреплении грунтов.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при капитальном строительстве, устройстве дорожных оснований и покрытий, а также при рекультивации земельных участков нефтедобывающих районов. Сущность изобретения: после перемешивания грунта и нефти в смесь вводят водную суспензию бактериальных культур, поддерживают их жизнедеятельность и с помощью бактериальных культур удаляют легкие фракции нефти, производят дополнительный нагрев смеси, а затем осуществляют ее послойную укладку и уплотнение. Технический результат: повышается эффективность удаления сырой нефти. 4 табл.

Способ укрепления грунтов, включающий нагрев грунта и нефти, их перемешивание, послойную укладку и уплотнение смеси, отличающийся тем, что после перемешивания грунта и нефти вводят водную суспензию бактериальных культур, поддерживают их жизнедеятельность и с помощью бактериальных культур удаляют легкие фракции нефти, производят дополнительный нагрев смеси, а затем осуществляют ее послойную укладку и уплотнение.