ГРУНТОБЕТОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2023 года по МПК C04B28/04 E01C3/04 E01C7/10 B09B3/25 

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и рекультивации.

Известен «Композиционный строительный материал» RU 2720523 [1], содержащий буровой шлам, песок, цемент, негашеную известь, отработанный буровой раствор, золошлаковую смесь, а в качестве цемента содержит портландцемент или шлакопортландцемент не ниже марок по прочности М300 при следующем соотношении компонентов:

буровой шлам 100% песок 10-20% от объема бурового шлама портландцемент или шлакопортландцемент 8-15% от объема бурового шлама негашеная известь 5-7% от объема бурового шлама золошлаковая смесь 5-10% от объема бурового шлама отработанный буровой раствор 5-7% от объема бурового шлама.

Недостатком известного композиционного строительного материала является низкая эффективность обусловленная тем, что цемента расходуется больше чем бурового шлама.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Дорожно-строительный композиционный материал - “Грунтобетон”» RU 2015107333 [2], характеризующийся тем, что он содержит буровой шлам при плотности от 1,10 до 1,85 кг/дм³, цемент в количестве 4-16% от массы смеси, улучшающие добавки, известь строительную молотую в количестве 1-3% от массы смеси, песок природный в количестве 20-75% от массы смеси.

Известный материал обладает повышенной по сравнению с [1] эффективностью благодаря уменьшению количества цемента.

К недостаткам известного состава относится недостаточная эффективность, обусловленная недостаточной стабильностью параметров грунтобетона (ГБ). Также к недостаткам относится узкая область применения.

Технический результат - повышение эффективности, повышение стабильности параметров, а также расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что грунтобетон приготовлен из смеси, включающей буровой шлам, песок природный, цемент, известь строительную молотую, полимерно-минеральную композицию «Никофлок», смолу нейтрализованную воздухововлекающую, стеарат кальция или полиакриламид технический, характеризуется тем, что смесь в качестве цемента содержит портландцемент М400, в качестве песка природного – песок природный кварцевый, в качестве извести строительной молотой – известь строительную негашеную, буровой шлам содержит твердую фазу, при следующем соотношении сухих компонентов, мас.%:

Буровой шлам 20-63,3, в том числе твердая фаза БШ 12-44

Песок природный кварцевый 30-65 Портландцемент М400 5-15 Известь строительная молотая негашеная 1-3 Полимерно-минеральная композиция «Никофлок» 0,4-0,8 Стеарат кальция 0,2-0,4 или полиакриламид технический 0,1-0,3 Смола нейтрализованная воздухововлекающая 0,1-0,2.

Применение грунтобетона с использованием бурового шлама по п. 1, характеризуется тем, что ГБ низкой марки М 5-10 (по прочности несколько превосходящий прочность плотных грунтов), используется на первом, техническом этапе для грубого выравнивания площадок и засыпки выемок, уполаживания и укрепления откосов сухоройных грунтовых карьеров, заполнения шламовых амбаров, затем на поверхность данного укрепленного (стабилизированного) слоя укладывается несущее покрытие (дорожная одежда) из ГБ высоких марок (М30-М60).

Применение грунтобетона с использованием бурового шлама по п. 1 в качестве несущего покрытия укрепленного слоя.

ГБ может содержать гипс строительный в концентрации 0,01-3%.

ГБ может содержать золу уноса в концентрации 0,01-3%.

ГБ может содержать бентонитовый глинопорошок в концентрации 0,01-3%.

Предлагаемый материал - «Грунтобетон», получается при переработке буровых шламов, в искусственную отвержденную композицию путем обработки вяжущими и смешения с заполнителями и активными добавками.

Возможны следующие варианты применения ГБ:

- в конструкциях дорожных одежд промысловых автодорог и площадок на территории месторождений ПАО «НК «Роснефть» взамен привозных каменных материалов, при строительстве, реконструкции и ремонте:

- в основаниях и покрытиях;

- в дополнительных слоях оснований (морозозащитных, гидроизоляционных и т.д.);

- для укрепления обочин дорог;

- для устройства обваловок на производственных и кустовых площадках;

- для благоустройства и рекультивации площадей, ликвидации и рекультивации шламовых амбаров, карт временного накопления отходов бурения, с устройством производственных и технологических площадок с твердым покрытием, либо с последующим устройством поверх малопрочного отвержденного грунтобетона плодородного рекультивационного слоя с посевом трав, посадкой деревьев и кустарников.

При этом ГБ низкой марки М 5-10, по прочности несколько превосходящий прочность плотных грунтов, используется на первом, техническом этапе для грубого выравнивания площадок и засыпки выемок, уполаживания и укрепления откосов сухоройных грунтовых карьеров, заполнения шламовых амбаров. Затем на поверхность данного укрепленного (стабилизированного) слоя укладывается несущее покрытие (дорожная одежда) из ГБ высоких марок (М30-М60), таким образом, получаем площадку с твердым покрытием для стоянки техники, автотранспорта и других нужд.

Если предусматривается рекультивация участка нарушенных земель по лесохозяйственному, рекреационному или другому направлению в соответствии с ГОСТ 17.5.3.04-83, то технический этап (грубое выравнивание, уполаживание и укрепление откосов) может выполняться с применением ГБ (М5), при этом обеспечивается:

- вертикальная планировка, не допускающая развития эрозионных процессов и обеспечивающая безопасное применение машин и работ;

- исключение оползней и размыва откосов;

- закрепление поверхности материалом с достаточной водопрочностью и устойчивостью к температурным колебаниям;

- стабильность грунтов для строительства покрытий.

Поверх слабопрочного, но стабильного грунтобетона укладывается рекультивационный слой из плодородного грунта (торфо-песчаной смеси), производится посадка растений, уход, т.е. биологическая рекультивация. При этом сверху укладывается плодородный или потенциально плодородный слой почвогрунта по ГОСТ 17.4.2.02-83 с высоким содержанием гумуса и элементов питания. Он не должен содержать радиоактивные элементы, тяжелые металлы, другие токсичные соединения в концентрациях, превышающих ПДУ, установленных для почв. Толщина плодородного слоя должна быть не менее 25-30 см, уклон и характер поверхности нижнего слоя из ГБ М5 должен обеспечивать исключение размыва и сползания плодородного слоя. Малопрочный ГБ в нижнем слое, имеющий пористость и воздухопроницаемость, не помешает прорастанию и приживаемости растений.

Грунтобетонная смесь на стадии приготовления и укладки, как полуфабрикат, должна представлять собой сыпуче-пластичную смесь, физико-механические свойства которой подобны свежеприготовленным глиноцементным строительным растворам, укрепленным грунтам и малоподвижным бетонным смесям, подлежащим уплотнению катками.

За основу композиции принимается буровой шлам ПАО «НК «Роснефть», предварительно подготовленный путем частичного обезвоживания (с помощью обработки коагулянтами и откачки осветленной жидкой фазы) и перемешивания до однородного состояния.

Подготовленный буровой шлам должен иметь следующие свойства:

- влажность - 40-90%;

- содержание твердой фазы - 12-44%;

- плотность -1,35-1,75 г/см³;

- содержание глинистой фракции в составе твердой фазы - 20-50%.

Подготовленный буровой шлам, как сырье, обрабатывается введением заполнителей, цемента и активных микродобавок.

Приготовленная смесь должна сохранять подвижность в течение 4-8 часов, после чего происходит схватывание и набор прочности. Свежеприготовленная композиция в течение указанного времени должна иметь следующие свойства:

- влажность -10-35%;

- плотность -1,45-1,85 г/см³;

- устойчивость против седиментационного расслоения;

- удобоукладываемость, подвижность, оцениваемую по осадке стандартного конуса -10-30 см.

В течение индукционного периода (до схватывания) полуфабрикат грунтобетонной композиции укладывается:

- в опалубку на подготовленные поверхности сооружений в 1 или 2 слоя проектной толщины, с устройством рабочих и деформационных швов. Смесь уплотняется поверхностными вибраторами и обеспечивается уход за твердеющей композицией в течение от 1 недели до 1 месяца;

- в конструктивные слои автомобильных дорог и площадок с уплотнением катками;

- в формы с уплотнением на вибростолах с пригрузом или прессованием;

- в рекультивируемые шламовые амбары, карьеры и другие объекты.

В состав ГБ должны входить следующие компоненты:

- буровой шлам;

- песчаный грунт или крупнозернистый заполнитель;

- осушители;

- основное вяжущее - цемент;

- улучшающие добавки.

Количественный состав компонентов ГБ приведён в таблице 1.

В качестве микродобавок должны использоваться следующие материалы.

Смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ) - соль, получаемая из древесной смолы, действующее вещество - абиетат натрия. Поверхностно-активное вещество (ПАВ), регулирующее структурообразование и устойчивость дисперсной системы, обладает воздухововлекающим, гидрофобизирующим эффектом, снижает водоотделение и седаментационное расслоение смеси, повышает морозостойкость. СНВ должна соответствовать ТУ 81-05-75-74.

Стеарат кальция (высокомолекулярное соединение с активными функциональными группами и углеводородным радикалом, CaCOOH-R) - гидрофобизирующая добавка. Повышение водонепроницаемости материала является основой обеспечения долговечности, морозостойкости, устойчивости смеси после твердения к высолообразованию, то есть десорбции солей, в том числе КСl. Должен соответствовать ТУ 6-09-7-96. Эффективно снижает вымываемость компонентов отходов, повышает связанность композиций, сорбцию.

Полимерно-минеральная композиция «Никофлок» по ТУ 5743-003-13881083-2006 применяется для замедления схватывания и ускорения набора прочности ГБ после уплотнения, увеличения прочности и снижения расхода основного вяжущего - портландцемента.

Хлорид кальция технический - соль СаС1₂, широко применяемая в производстве строительных материалов и выпускаемая в соответствие ГОСТ 24211 и ТУ 6-09-4711-81. Хлорид кальция вступает в сложные взаимодействия в процессе гидратации цемента, насыщает систему ионами Са++, что ускоряет набор прочности, способствует наполнению обменного комплекса глинисто-коллоидной фазы бурового шлама кальцием без поглощения кальция, выделяемого цементом и необходимого для кристаллизации системы. В связи с высоким содержанием хлоридов в буровом шламе (за счет использования КС1) введение добавки СаС1₂ допускается для ускорения отвердения материала, например, при пониженной (от 0 до +5 ^оС) температуре воздуха или необходимости открыть движение по дороге (укладывать вышележащие слои конструкций) ранее, чем через 3 суток.

Золы уноса ТЭЦ применяются для снижения расхода цемента и в качестве водопонизителей.

Кроме названных добавок, для улучшения материалов могут применяться и другие микродобавки, в том числе поставляемые в жидком виде:

- ренолит - эффективная современная добавка для обработки композиций с буровым шламом, повышающая прочность, трещиностойкость, водостойкость и гидрофобность. Добавка представляет собой белую вязкую жидкость - водно-полимерную эмульсию смеси латекса и целлюлозы;

- гидрофобизирующие кремнийорганические соединения, жидкости (силиконы);

- жидкое стекло (силикат натрия), должно иметь кремнеземистый модуль 1,7-1,8; плотность от 1,15 до 1,25 г/см³;

- акриловые соединения, КМЦ и другие полимеры.

Дозировка и номенклатура добавок уточняются при подборе рецептур ГБ в производственных условиях. Все применяемые реагенты должны иметь необходимые сертификаты и санитарные паспорта.

Буровой шлам должен содержать:

- выбуренную породу - 70 - 85%;

- отработанный буровой раствор -15 - 30%.

В состав твердой фазы бурового шлама входят частицы выбуренной породы разной степени дисперсности и вводимые в промывочную жидкость глинопорошки (бентонит, монтмориллонит), а так же нерастворимые и малорастворимые добавки (карбонат кальция, барит и другие).

Литологические характеристики геологического разреза скважин указывают на наличие в буровых шламах частиц песков, глин, алевролитов, песчаников, аргиллитов, известняков, мергелей, глауконитов и других горных пород.

Плотность частиц пород в пределах 2,40-2,90 г/см³, пористость 20-30%.

Жидкая фаза бурового шлама образуется за счет сброса определенного количества бурового раствора, а так же сточных вод при промывке оборудования - вибросит, шнеков и т.п.

Согласно паспортам, отработанный буровой раствор включает следующие компоненты: песок 2 - 3%, вода 90 - 94%; коллоидная фаза низкой плотности 5 - 6%, в состав входят химреагенты - бентонитовый глинопорошок ПМБА, препараты КМЦ - соединения полианионной целлюлозы, кальцинированная и каустическая сода, мел, барит, водорастворимые и высокомолекулярные полимерные соединения - полиакриламид, полиакрилонитрид, соли - хлорид калия, хлорид натрия и другие вещества.

В составе реагентов буровых растворов и компонентов буровых шламов выделяются следующие основные группы веществ:

а) структурообразующие, регуляторы вязкости, тиксотропных и реологических свойств, водоотдачи (акриловые соединения - Сайнан, Сайдрил; водорастворимые полимеры - полиакриламид, полиакрилонитрил, ксантановая смола ДуовизСервей Д, Сервей ФЛ; соединения КМЦ - полиамидная целлюлоза PAC-L и PAC-R, Полипак, Камцел, модифицированный крахмал, кислота НТФ и другие.);

б) основной солевой реагент - хлорид калия, утяжеляющий буровой раствор и препятствующий излишнему размыву и пептизации глинистых пород и загущению промывочной жидкости, в силикатном растворе - Кристалл 0095 - водный раствор силиката натрия;

в) минеральные добавки - утяжелители и регуляторы тиксотропных свойств - бентонит ПМБА, известняк - карбонат кальция (кольматант), мрамор молотый, барит и др.;

г) регуляторы pH и другие присадки (гидроксид натрия, кальцинированная сода, бикарбонат натрия, эмульгаторы, пеногасители ПЭС-1, биоциды, бактерициды и др.);

д) смазывающие добавки - жировые смазки - ФК 2000, Лубриол, Биолуб, многоатомные спирты - полигликоли, Глидрил, нефтепродукты, графит. Нефть в данные буровые растворы не вводится, ее незначительное присутствие в шламе обусловлено разбуриванием продуктивных горизонтов.

Технический результат повышение эффективности достигается уменьшением расхода цемента, что положительно скажется на экологии нефтедобывающего региона и Земли в целом. Повышение стабильности параметров обусловлено контролем содержания твердой фазы в используемом для рекультивации буровом шламе. Расширение области применения достигается использованием бурового шлама применяемого на нефтяных и газовых месторождениях.

Промышленная применимость. Предлагаемые способы приготовления и применения грунтобетона (ГБ) с использованием бурового шлама могут с успехом применяться для рекультивации земель в районе нефтяных месторождений с использованием шлама.

Таблица 1
Количественный состав компонентов ГБ Наименование компонентов Ориентировочный расход, содержание в смеси, % oт массы Буровой шлам ПАО «НК «Роснефть», в том числе твердая фаза БШ 20-63,3
12-44 Песок природный кварцевый 30-65 Портландцемент М400 5-15 Известь строительная молотая негашеная 1-3 Полимерно-минеральная композиция «Никофлок» 0,4-0,8 Стеарат кальция
или полиакриламид технический 0,2-0,4
0,1-0,3 Гипс строительный марки не ниже М5
Зола уноса 0-3,0
0-3,0 Бентонитовый глинопорошок 0-3,0 Смола нейтрализованная воздухововлекающая 0,1-0,2

Изобретение относится к области рекультивации земель в районе нефтяных месторождений. Грунтобетон приготовлен из смеси, включающей, мас.%: буровой шлам 20-63,3, песок природный кварцевый 30-65, портландцемент М400 5-15, известь строительную молотую негашеную 1-3, полимерно-минеральную композицию «Никофлок» 0,4-0,8, смолу нейтрализованную воздухововлекающую 0,1-0,2, стеарат кальция 0,2-0,4 или полиакриламид технический 0,1-0,3, при этом содержание твердой фазы в буровом шламе составляет 12-44 %. Грунтобетон применяют для грубого выравнивания площадок и засыпки выемок, или уполаживания и укрепления откосов сухоройных грунтовых карьеров, или заполнения шламовых амбаров, или в качестве несущего покрытия укрепленного слоя. Технический результат – повышение стабильности параметров грунтобетона за счет контроля твердой фазы в используемом буровом шламе, повышение водонепроницаемости, морозостойкости и долговечности. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Грунтобетон, приготовленный из смеси, включающей буровой шлам, песок природный, цемент, известь строительную молотую, полимерно-минеральную композицию «Никофлок», смолу нейтрализованную воздухововлекающую, стеарат кальция или полиакриламид технический, отличающийся тем, что смесь в качестве цемента содержит портландцемент М400, в качестве песка природного – песок природный кварцевый, в качестве извести строительной молотой – известь строительную негашеную, буровой шлам содержит твердую фазу, при следующем соотношении сухих компонентов, мас.%:

Указанный буровой шлам 20-63,3, в том числе твердая фаза БШ 12-44 Песок природный кварцевый 30-65 Портландцемент М400 5-15 Известь строительная молотая негашеная 1-3 Полимерно-минеральная композиция «Никофлок» 0,4-0,8 Смола нейтрализованная воздухововлекающая 0,1-0,2 Стеарат кальция 0,2-0,4 или полиакриламид технический 0,1-0,3

2. Грунтобетон по п. 1, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит гипс строительный в концентрации 0,01-3 % от массы смеси.

3. Грунтобетон по п. 1, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит золу уноса в концентрации 0,01-3 % от массы смеси.

4. Грунтобетон по п. 1, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит бентонитовый глинопорошок в концентрации 0,01-3 % от массы смеси.

5. Применение грунтобетона по п. 1 для грубого выравнивания площадок и засыпки выемок или уполаживания и укрепления откосов сухоройных грунтовых карьеров или заполнения шламовых амбаров.

6. Применение грунтобетона по п. 1 в качестве несущего покрытия укрепленного слоя.