Состав для укрепления грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог Российский патент 2023 года по МПК C04B11/06 C04B7/28 C04B18/04 C04B18/08 C04B18/30 

Изобретение относится к вяжущим на основе фторгипса и золы-уноса ТЭЦ, может быть использовано в качестве самостоятельного вяжущего или для области дорожного строительства при укреплении грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог.

Вяжущее, содержащее фторгипс и золу-уноса имеет следующее соотношение компонентов, по массе, %: фторгипс - 80, зола-уноса - 20, вода - 73,0% от массы сухой смеси. Технический результат - снижение себестоимости при одновременном расширении перечня неорганических вяжущих, получаемых из отходов промышленного производства.

Строительство автомобильных дорог сопряжено со значительным материалопотреблением, в частности с использованием большого количества каменных материалов. Большая часть территории Российской Федерации лишена высокопрочных каменных материалов, что приводит к существенному увеличению затрат на их транспортирование и, как следствие, к увеличению общей стоимости строительства автомобильных дорог. Наиболее эффективным способом снижения этих затрат является использование в конструкциях автомобильных дорог слоев из местных грунтов, укрепленных вяжущими материалами.

В практике дорожного строительства различные методы укрепления грунтов добавками органических и неорганических вяжущих материалов разрабатывались и внедрялись, начиная с 30-40-х годов XX века.

На основе патентной информации в Российской Федерации насчитывается более 200 методов укрепления грунтов и местных материалов, построено и эксплуатируется свыше 30 тыс.км автомобильных дорог. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает 3 млрд м².

Наиболее широкое распространение получили конструкции автомобильных дорог с использованием грунтов, укрепленных цементом, известью.

В качестве нетрадиционных вяжущих можно рассматривать отходы промышленного производства. Накопленный научный и практический опыт применения отходов промышленного производства как в Российской Федерации, так и за рубежом позволяет расценивать их как ценное сырье для производства строительных материалов. К основным отраслям промышленности, отходы которых можно рассматривать в качестве вторичного сырья, относятся: металлургическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, энергетическая.

В данном контексте интересно применение для укрепления грунтов таких отходов промышленного производства, как фторгипс и золы-уноса.

Известен способ получения безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения (RU 2476393, МПК С04В 7/28, С04В 28/18, опубл. 27.02.2013), включающий измельчение и смешивание техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащего отхода в виде золы терриконов - горелой породы угольных месторождений, известьсодержащего компонента в виде отхода производства ацетилена из карбида кальция, гипссодержащего компонента, указанную золу предварительно сушат до содержания влаги не более 5% вес, измельчают и смешивают с указанным отходом в весовом соотношении 3÷5:1 и вводят гипс, содержащий отход в виде фторгипса, полученного при сернокислотном разложении флюоритового концентрата, в количестве 8-12% вес. Изобретение относится к производству безобжиговых вяжущих и может быть использовано при изготовлении строительных изделий гидравлического твердения.

Недостатком данного изобретения является то, что полученное вяжущее имеет невысокую активность - 11-4-12,3 МПа.

Известен способ получения гипсового вяжущего из кислых отходов производства плавиковой кислоты (RU 2070169, С04В 11/06, С04В 11/20, опубл. 12.10.1996), включающий нейтрализацию кислого неохлажденного фторангидритового отхода известьсодержащим агентом при совместном помоле, причем вяжущее получают из смеси неохлажденного кислого фторангидритового отхода производства плавиковой кислоты и 5,0-20,0 мас. % отхода производства плавиковой кислоты из шламохранилища с влажностью 20,0 мас. %.

Недостатком данного способа является выдерживание полученного вяжущего в бункере томления в течение семи суток, способствующее повышению полноты скорости нейтрализации серной кислоты, а также низкий предел прочности на сжатие - 25,0 МПа.

Известен способ получения смеси (RU 2012135869, E02D 3/12, C09K 17/10), включающей золу, основное минеральное вяжущее, отличающаяся тем, что в качестве золы она содержит золу уноса Рефтинской ГРЭС, а в качестве основного минерального вяжущего -портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас. %: зола уноса Рефтинской ГРЭС 60-70, портландцемент 30-40, при этом смесь вводят в грунт в сухом виде.

Недостатком является высокая себестоимость, обусловленная большими количествами привозных материалов таких, как цемент, а также данный состав подразумевает дополнительного уплотнения, например, погружением инъектора.

В качестве прототипа выбран способ получения неорганического комплексного вяжущего на основе фторгипса и золы-уноса ТЭЦ, при следующем соотношении компонентов, мас. %: фторгипс - 80, зола-уноса - 20 (см. ЛОФЛЕР М. и др. Получение неорганического вяжущего на основе отходов промышленного производства. Научный журнал Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. Том 7, 2, 2017, с. 62-69) (Д1).

Недостатком является отсутствие данных о количестве воды, необходимой для затворения и гидратации вяжущего материала.

Наличие новой совокупности существенных отличительных от прототипа признаков в заявляемом изобретении позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».

Проведенный дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Техническим результатом является получения состава для укрепления грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог, комплексного вяжущего золы-уноса и гипсосодержащего отхода производства плавиковой кислоты - фторгипса.

Технический результат достигается тем, что состав для укрепления грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог, содержащий неорганическое комплексное вяжущее на основе фторгипса и золы-уноса ТЭЦ, имеющий следующее соотношение компонентов, мас. %: фторгипс - 80, зола-уноса - 20, вода -73,0 от массы сухой смеси.

Экономия существующих неорганических вяжущих - портландцемента, улучшение экологической обстановки за счет утилизации отходов промышленного производства. Предлагаемый состав позволяет эффективно использовать отходы промышленного производства в дорожном строительстве. Предлагаемое комплексное неорганическое вяжущее - искусственный материал, относящийся к V классу опасности и получаемый путем смешения в карьерных смесительных установках, либо на полигонах, либо непосредственно на месте производства с применением существующих установок и дорожно-строительных единиц. По составу, структуре, физико-механическим показателям и другим свойствам, а также области применения является разновидностью комплексного неорганического вяжущего в соответствии с требованиями ГОСТ 23558-94. Применяемый в составе заявленного вяжущего фторгипс представляет собой твердую фазу, для получения комплексного неорганического вяжущего проходит процесс измельчения и дегидратации для получения гидравлических вяжущих свойств. Применяемая в составе заявленного вяжущего зола-уноса представляет собой мелкодисперсный твердый компонент, имеющий развитую удельную поверхность

Данные компоненты связывают значительное количество воды, превращаясь в прочный комплексный неорганический материал, препятствующий миграции веществ в окружающую среду.

Процесс получения комплексного вяжущего включает следующие стадии:

- дегидратация фторгипса;

- измельчение фторгипса с целью получения гипсового вяжущего с повышенной удельной активности;

- добавление золы-уноса, воды и перемешивание компонентов.

Характеристики компонентов, входящие в состав неорганического вяжущего:

1. Фторгипс

Фторгипс (фторангидрит), по-своему составу, тот же двуводный сульфат кальция CaSO4×2H2O, только с примесями исходного неразложившегося флюорита, образующийся при производстве фтористоводородной кислоты безводного фтористого водорода, фтористых солей.

Содержание гидратной воды фторгипса составила 20%, определяемое по ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний».

В естественном состоянии фторгипс не проявляет вяжущие свойства. Дегидратация при температуре 160-1600°С приводит к появлению вяжущих свойств.

Экспериментальным путем были определены температура и время для дегитратации.

Для проявления вяжущих свойств произведено высушивание фторгипса при температуре 200°С по формуле:

Химический состав фторгипса представлен в таблице 1.

Содержание сульфата кальция составляет более 80%.

По результатам испытаний получены физические характеристики гипсового вяжущего, приведенные в таблице 2.

2. Зола-уноса

Зола-уноса представляет собой тонкодисперсный материал с зернами мельче 0,16 мм, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании и осажденный из дымовых газов золоулавливающими устройствами.

Результаты лабораторных испытаний физических характеристик золы-уноса приведены в таблице 3.

3. Вода затворения - техническая

Для экспериментальной проверки предлагаемого состава изготавливались различные варианты процентного соотношения компонентов, в зависимости от физико-механических показателей исходных компонентов.

Результаты испытаний на прочность образцов-балочек комплексного вяжущего приведены на графиках, где:

Фиг. 1 - График зависимости прочности на сжатие образцов-балочек гипсового вяжущего от процентного содержания золы-уноса в возрасте 90 суток;

Фиг. 2 - График зависимости прочности на растяжение при изгибе образцов-балочек гипсового вяжущего от процентного содержания золы-уноса в возрасте 90 суток.

По результатам испытаний образцов-балочек в возрасте 90 суток установлено, что наиболее высокие показатели прочности получены при 20 процентном содержании золы-уноса.

Изобретение относится к составам для укрепления грунтов оснований и может быть использовано для области дорожного строительства при укреплении грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог. Состав содержит неорганическое комплексное вяжущее на основе фторгипса и золы-уноса ТЭЦ, при следующем соотношении компонентов: 80 мас.% фторгипса и 20 мас.% золы-уноса ТЭЦ. При этом состав содержит 73,0 мас.% воды от массы сухой смеси. Техническим результатом является расширение арсенала средств. 2 ил., 3 табл.

Состав для укрепления грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог, содержащий неорганическое комплексное вяжущее на основе фторгипса и золы-уноса ТЭЦ, имеющий следующее соотношение компонентов, мас.%:

фторгипс - 80,

зола-уноса ТЭЦ - 20,

вода - 73,0 от массы сухой смеси.