СОСТАВ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ГРУНТОВЫХ НАСЫПНЫХ И НАМЫВНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЙ ПОД НАСЫПНЫЕ, НАМЫВНЫЕ И ДРУГИЕ СООРУЖЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОМ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ Российский патент 2008 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к области строительных материалов в гидротехническом и промышленном строительстве и может быть использовано при создании насыпных, намывных и других сооружений (дамб, полотен автодорог, заполнения выработок, возведения шламо- и хвостохранилищ и др.) и оснований под строительство сооружений.

Известен состав естественного минерального грунта в виде глин, суглинков, супесей, песков, гравия, камня, применяемых в насыпях, в том числе гидротехнических сооружений (Руководство по поискам, разведке и опробованию естественных минеральных строительных материалов для гидротехнического строительства. - М., Энергия, 1987, с.96-98; Попова А.Н. Рекомендации по использованию аналогов для проектирования и строительства насыпных плотин. - М., Энергоатомиздат, 1984, с.33-35; Каган А.А. Расчетные показатели физико-механических свойств грунтов. - Л., Издательство литературы по строительству, 1973, с.20-21, 33-35).

Недостатком аналога является необходимость устройства карьеров соответствующих грунтов с нарушением естественного природного состояния местности и ее экологии и частое отсутствие залежей природных грунтов в районе строительства насыпных сооружений.

Известен состав для возведения противофильтрационного экрана гидросооружений (а.с. СССР 1209744) на основе смеси гидроалюмосиликатов и оксидов, в качестве которых он содержит определенные выборочные шламовые отложения глиноземного производства следующего состава, мас.%: гидроалюмосиликат натрия и кальция Na₆Ca(AlSiO₄)H₂O - 35-50, гидросиликат кальция и алюминия типа гидрограната Са₃Al₂(SiO₄)_n·(ОН)_12-4n, где 0,4<n<1,4 - 25-40, оксид железа типа гематита Fe₂О₃ - остальное.

Недостатком его является ограниченное количество карьеров грунтов именно такого состава , несплошное их залегание в отложениях, выборочность таких грунтов-шламов и обоснование возможности укладки лишь тонкослойных грунтовых экранов из шламов такого состава.

Известен состав для возведения насыпных грунтовых сооружений и их оснований (патент RU 2242562) на основе смеси углерода, фторидов и оксидов, фтористых и натриевых солей. В качестве такой смеси он содержит шламовые отложения алюминиевого производства следующего состава, мас.%: углерод свободный и связанный 7,0-70,0, фториды и фторсоли 5,0-40,0, оксид алюминия 2,0-40,0, оксид натрия и натриевые соли 3,0-30,0, мелкие составляющие (оксиды железа и кремния, смолистые, связанная вода и др.) 1,0-20,0.

Недостатком его является ограниченное количество карьеров шламов алюминиевого производства, малые объемы выхода и хранения шламов на нескольких алюминиевых заводах и существенное снижение выхода шламов в связи с переводом мокрой на сухую газоочистку в электролизном производстве и улучшением режимов его работы.

Известен состав для возведения грунтовых насыпных сооружений и оснований под насыпные сооружения в гражданском, промышленном и гидротехническом строительстве (патент RU 2316628) на основе смеси оксидов железа, алюминия и кремния, и в качестве такой смеси он содержит песковые шламовые отложения глиноземного производства следующего состава, мас.%: оксид железа 30-75, оксид алюминия 10-40, оксид кремния 0-5, мелкие составляющие (оксиды титана, натрия, фосфора, связанная вода и др.) 1-20, при этом гранулометрический состав содержит не менее 80% частиц с крупностью более 0,1 мм.

Недостатком этого состава является отсутствие шламовых песков в СНГ, так как ни на одном заводе в СНГ шламовые пески не образуются и везде отсутствуют. Шламовые пески периодически отделяются на выходе из основного потока шламов на горизонтальных сгустителях в объеме до 20% и только на заводе ACG в Гвинее , принадлежащем компании РУСАЛ, и построенном и работающем по старой французской технологии Пешине. Поэтому состав по патенту RU 2316628 имеет крайне ограниченную зону применения и только в Гвинее.

Технической задачей изобретения является масштабное использование массовых отходов глиноземного производства, улучшение экологии и упрощение процесса создания грунтовых сооружений.

Решение технической задачи заключается в том , что для возведения грунтовых насыпных и намывных сооружений и создания их оснований в качестве грунтового материала используют шлам или шламовые отложения глиноземного производства по способам Байера и Байер-спекания, включающие оксиды железа, алюминия, кальция, кремния, титана, натрия и в качестве мелких составляющих оксиды магния, фосфора, серы, фтора, углерода, ванадия, марганца, калия, хрома, связанную воду и др. при следующем соотношении компонентов , мас.%:

Оксид железа30-75Оксид алюминия5-25Оксид кальция0-20Оксид кремния0-12Оксид титана0-5Оксид натрия0-8Мелкие составляющие (оксиды магния, фосфора, серы, фтора, углерода, ванадия, марганца, калия, хрома, связанная вода и др.)0-20.

Шлам или так называемый красный шлам глиноземного производства по способу К.И.Байера получается на конечном этапе технологического процесса. Для способа Байера пригодны лишь высококачественные бокситы с малым содержанием кремнезема SiO₂.

Поступающий из карьера боксит дробят и размалывают в смеси с раствором каустической щелочи. Полученную пульпу нагревают под давлением в автоклавах, где и происходит выщелачивание боксита, т.е. переход окиси алюминия Al₂О₃ в раствор. В пульпу затем добавляют флокулянт и разбавляют водой , после чего в системе сгустителей-промывателей раствор отделяется от шлама, а шлам промывается водой. Промытый байеровский шлам направляется на шламохранилище, а щелочно-алюминатный раствор на производство глинозема, т.е. чистого Al₂О₃.По этому способу работают Уральский, Николаевский и Днепровский заводы в СНГ и все глиноземные заводы во всем мире.

Шламы составляют по весу 50-60% от веса исходного боксита, выход их на заводах СНГ достигает в сумме до 4 млн.т в год, а общий выход в мире составляет ˜60 млн. т в год. Вторичного использования красных шламов в качестве сырья практически нет. Все шламы складируются на шламохранилищах , где их общемировые запасы превышают 2 млрд.т. Высоты шламохранилищ достигают 50 м , а площади под ними составляют сотни тысяч га. Большие шламохранилища имеют Уральский и Богословский заводы на Урале, Николаевский и Днепровский на Украине. Объем запаса шламов на шламохранилищах в СНГ превысил 200 млн.т.

Для бокситов низкого качества с высоким содержанием кремнезема SiO₂ применяется переработка по способу Байер-спекания. По этому способу приготавливается шихта из молотых боксита и известняка и соды, которая затем спекается в печах , после чего проводится выщелачивание спека, отделение шлама от щелочно-алюминатного раствора и его промывка. Промытый шлам направляется на шламохранилище. На Богословском заводе применяется комбинированный способ Байер-спекания и шлам на шламохранилище поступает в виде смеси от Байера (˜60%) и спекания (˜40%).

Технология производства определяет свойства и характеристики как самих шламов, так и их отложений на шламохранилищах.

Байеровские шламы имеют мелкий грансостав и содержат в пробах песчанистых фракций 0,16-0,074 мм - 3-48% и пылевато-глинистых <0,074 мм - 50-94%. При укладке шламов на шламохранилищах намывом , что практикуется на заводах СНГ, шламы фракционируются и на периметральной части шламохранилища откладываются более крупные песчанистые фракции 27-60% , а пылевато-глинистые консолидируются в центральной зоне. Таким образом, по грансоставу шламовые отложения в периметральной зоне близки к природным суглинкам. При намыве дифференцируется по зонам шламохранилища и фазово-минералогический, и химический состав шлама в отложениях.

Спекательные шламы в соответствии с технологией производства имеют более крупный гранулометрический состав и смешанный шлам на выходе содержит гравийных частиц >1 мм - 17%, песчанистых - 2% и пылевато-глинистых - 83%.

Плотность частиц байеровских шламов 3,3-4,1 г/см³ , спекательных 2,9-3,1 г/см³. Плотности шламов в отложениях периметральной и переходной зон по сухому скелету байеровских и смешанных 1,0-1,4 г/см³. Прочностные характеристики шламов в отложениях достаточно велики и составляют для байеровских угол внутреннего трения 29 градусов и сцепление 5 кПа. Для смешанных шламов эти величины выше. Т.е. байеровские шламы по прочностным показателям близки к суглинкам.

Коэффициенты фильтрации в отложениях байеровских шламов меняются от 0,008 м/сут до 0,0002 м/сут и после уплотнения в насыпи дают близкие величины. Показатели фильтрационной прочности шламов соответствуют показателям суглинков.

На заводах СНГ шламы транспортируются на шламохранилища в виде пульпы с соотношением твердого к жидкому по массе от 1:5 до 1:20 и обезвоживаются в процессе самоуплотнения на шламохранилище до влажности 0,5-0,6 в периметральной зоне. В мировой практике байеровские шламы проходят предварительное сгущение на фильтрах или сгустителях до влажности 0,4-0,6, после чего укладываются на шламохранилищах. На Николаевском заводе также внедрено сгущение шламов на вертикальных сгустителях с переходом от прежнего налива пульпы в емкость шламохранилища к возведению его вверх намывом.

Чисто спекательные шламы, получаемые на Бокситогорском (Россия) и Павлодарском (Казахстан) глиноземных заводах, отличающиеся малым содержанием оксида железа до 27% и более высоким содержанием оксида кальция до 43%, а также большой крупностью (гравий и песок), в объем заявки на изобретение не включены.

Перечисленный в заявке химический состав предлагаемых к использованию шламов получен обработкой данных исследований состава шламов на выходе из процесса и шламовых отложений в основном в периметральной и переходной к центру зонах шламохранилищ перечисленных заводов СНГ.

Шламовые пески завода ACG в Гвинее по патенту RU 2316628 в состав включают лишь оксиды железа, алюминия и кремния и отличаются от заявляемых байеровских и байер-спекания шламов полным отсутствием оксида кальция , малым содержанием оксида кремния до 5% и высоким содержанием оксида алюминия 10-40%. Тогда как по настоящей заявке содержание в шламах оксида кальция составляет до 20%, оксида кремния до 12% и предельное содержание оксида алюминия 5-25%. По крупности шламовые пески резко превышают байеровские и смешанные байер-спекания шламы на выходе и в отложениях шламохранилищ, где фракций крупностью менее 0,1 мм содержится до 94% вместо допустимых до 20% указанных для шламовых песков, а содержание песчанистых фракций крупнее 0,1 мм в шламах не превышает 19-48% вместо требуемых не менее 80% в шламовых песках.

Шламы, имеющие заявляемый изобретением вышеуказанный состав в насыпных и намывных грунтовых сооружениях, образуют массив техногенного грунта, обладающий механической и фильтрационной прочностями, позволяющими воспринимать строительные и эксплуатационные нагрузки на сооружение.

Строительные характеристики данного состава байеровских и смешанных шламов определяли путем исследования шламов и шламовых отложений на шламохранилищах глиноземных заводов, в том числе химического и фазово-минералогического состава, физико-механических и воднофизических характеристик, и посредством опытных работ по выемке шламов и отсыпки на них и из них дамб (см. например, «Красные шламы. Свойства, складирование, применение.» В.И.Корнеев, А.Г.Сусс, А.И.Цеховой. М., Металлургия. 1991 г.).

Пример 1.

В качестве исходного шлама глиноземного производства по способу Байера используют шламы глиноземного завода, выходящие из процесса в виде пульпы с Т:Ж=1:5-8, перекачиваемой на шламохранилище, образованное ограждающей дамбой, где шламы осаждаются, а подшламовая вода возвращается насосной станцией на завод. Шлам в шламовых отложениях периметральной зоны самоуплотняется до плотности скелета 1,0-1,2 г/см³ при влажности 1,0-1,4. После обезвоживания и подсушки до необходимых плотности скелета 1,3-1,4 г/см³ и влажности 0,45-0,58 проводится экскавация шлама, его доставка и укладка в насыпные сооружения - ограждающие дамбы с послойным уплотнением до заданных проектом показателей плотности скелета 1,40-1,45 г/см³ при влажности 0,35-0,42.

Пример 2.

В качестве исходного шлама производства по способу Байер-спекания используют смешанные шламы глиноземного завода, выходящие из процесса в виде пульпы с Т:Ж=1:10-12 ,перекачиваемой на шламохранилище через выпуски на ограждающей дамбе, где шламы выпадают и осаждаются, а подшламовая вода насосной станцией возвращается на завод. Шламы во внешней зоне самоуплотняются до плотности скелета 1,0-1,1 г/см³ при влажности 1,0-1,4. После естественного обезвоживания до влажности 0,5-0,6 шлам доставляется в насыпь дамб, где укладывается с послойным уплотнением до плотности скелета 1,4 г/см³.

Изобретение относится к области строительных материалов в промышленном и гидротехническом строительстве. Технический результат - утилизация отходов глиноземного производства, улучшение экологии и упрощение процесса создания грунтовых сооружений. Состав для возведения грунтовых насыпных и намывных сооружений и оснований под насыпные, намывные и другие сооружения в промышленном и гидротехническом строительстве на основе смеси оксидов железа, алюминия, кальция, кремния, титана и натрия в качестве такой смеси содержит шламы или шламовые отложения глиноземного производства по способам Байера и Байер-спекания следующего состава, мас.%: оксид железа 30-75, оксид алюминия 5-25, оксид кальция 0-20, оксид кремния 0-12, оксид титана 0-5, оксид натрия 0-8, мелкие составляющие (оксиды магния, фосфора, серы, фтора, углерода, ванадия, марганца, калия, хрома, связанная вода и др.) 0-20.

Состав для возведения грунтовых насыпных и намывных сооружений и оснований под насыпные, намывные и другие сооружения в промышленном и гидротехническом строительстве на основе смеси оксидов железа, алюминия, кальция, кремния, титана и натрия, отличающийся тем, что в качестве такой смеси он содержит шламы или шламовые отложения глиноземного производства по способам Байера и Байер-спекания следующего осредненного состава, мас.%:

оксид железа30-75оксид алюминия5-25оксид кальция0-20оксид кремния0-12оксид титана0-5оксид натрия0-8мелкие составляющие (оксиды магния, фосфора, серы, фтора, углерода, ванадия, марганца, калия, хрома, связанная вода и др.)0-20