КОМПОЗИЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2023 года по МПК C04B28/02 C04B14/06 C04B14/28 C04B24/00 C04B111/20 

Изобретение относится к области строительства, и может быть использовано в дорожном строительстве, при сооружении насыпных оснований и грунтовых обвалований строительных и производственных площадок нефтегазовых месторождений, при пересыпке полигонов бытовых и промышленных отходов, отсыпке промышленных площадок, засыпке и рекультивации карьеров, шламовых амбаров, шламонакопителей, полигонов отходов и искусственных земельных выемок [C04B28/04, C04B18/00, C04B18/049].

Из уровня техники известен СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ГРУНТА ЛИТОГРУНТ

[RU2682920C1, опубл. 06.02.2018], который заключается в перемешивании сырья, в качестве которого используют отходы бурения и/или выбуренную породу, либо загрязненный углеводородами грунт и/или нефтесодержащие отходы, с песком и цементом. После повышения вязкости перемешиваемой массы в нее вносят водную дисперсию поливинилацетата (ПВАД) с концентрацией поливинилацетата 10-15 мас. % и продолжают перемешивание до гомогенизации массы. Компоненты используют при следующем соотношении, в % от исходного объема сырья: сырье - 100, песок - 10-100, цемент - 0,1-30, ПВАД - 0,1-2,0. Предпочтительно цемент использовать в виде сухой смеси с растворимым силикатом при объемном отношении цемента к силикату от 10:1 до 1000:1. Кроме того, при перемешивании дополнительно вводят сорбент и/или негашеную известь в количестве 0,01-10% от исходного объема сырья. Изобретение позволяет придать получаемым в процессе переработки гранулам (и массиву в целом) повышенные пластические свойства, приводящие к увеличению сопротивления материала к атмосферному старению, разрушению под нагрузкой и морозостойкости материала до показателя не менее 20 циклов, в течение которых материал не теряет свои прочностные характеристики более чем на 25% от исходных.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БУРОВОГО ШЛАМА ИЗ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН [WO2007102743, опубл. 13.09.2007] при этом шламовые отходы содержат буровой шлам, буровой раствор и, в варианте реализации, нефтяные компоненты; указанный способ включает следующие этапы: добавление вещества, препятствующего схватыванию, к исходной суспензии; погрузка суспензии в смесительный бак; добавление комбинации связующих материалов и, при необходимости, воды для образования затвердевающей смеси, инкапсуляции твердых веществ, бурового раствора и нефтепродуктов, которая осуществляется так, что твердые вещества, буровой раствор и нефтяные компоненты не выщелачиваются в окружающую среду после схватывания, при этом агент против замедления схватывания способствует схватыванию и/или отверждению указанного схватывающегося продукта.

Также из уровня техники известен ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ – «ГРУНТОБЕТОН» [RU2015107333A, опубл. 03.03.2015] характеризующийся тем, что он содержит буровой шлам, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-16% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель, а также улучшающие добавки, при этом в качестве осушителя используется известь строительная молотая в количестве 1-3% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 20-75%от массы смеси и при необходимости щебень или другой каркасный заполнитель в количестве 40-60% от общего объема, буровой шлам может использоваться при плотности от 1,10 до 1,85 кг/дм и любой влажности, при обеспечении оптимальной структуры затвердевшего материала и оптимальной влажности смеси при уплотнении путем назначения состава «Грунтобетона» и содержания компонентов с учетом их свойств.

Наиболее близкий по технической сущности КОМПОЗИЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ [RU2720523C1, опубл. 01.10.2019] который содержит: буровой шлам 100%, песок 10-20% от объема бурового шлама, портландцемент или шлакопортландцемент не ниже марок по прочности М300 8-15% от объема бурового шлама, негашеную известь 5-7% от объема бурового шлама, золошлаковую смесь 5-10% от объема бурового шлама, отработанный буровой раствор 5-7% от объема бурового шлама.

Основной технической проблемой аналогов и прототипа является большой расход цемента при приготовлении строительного материала, из-за отсутствия в составе вышеуказанных материалов требуемого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является снижение использования цемента при изготовлении строительного материала при высоких показателях по насыпной плотности и пределу прочности на сжатие.

Указанный технический результат достигается за счет того, что композиционный строительный материал, содержащий буровой шлам, песок, цемент, отличающийся тем, что дополнительно содержит поверхностно-активное вещество - ПАВ, нефтедеструктор, доломитовую муку, заполнитель - щебень и гравий из горных пород, шлаковый щебень, золошлаковую смесь и гипс, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

песок - 10-30;

цемент - 5-10;

буровой шлам - 50-70;

ПАВ - 0,5-1,5;

нефтедеструктор - 0,5-1,5;

указанный заполнитель - 1-10;

доломитовая мука -1-3,5.

В частности, в качестве ПАВ используют пластификатор ЛСТ.

В частности, в качестве ПАВ используют пластификатор ЛСТМ-2.

В частности, в качестве ПАВ используют суперпластификатор С-3.

В частности, в качестве ПАВ используют пластифицирующую-воздухововлекающую добавку ЩСПК.

В частности, в качестве ПАВ используют пластифицирующую-воздухововлекающую добавку ГЖК-10.»

Осуществление изобретения.

Композиционный строительный материал содержит исходное сырье (в качестве которого выступает буровой шлам - отходы бурения и нефтесодержащие отходы), песок, цемент, ПАВ, нефтедеструкторы, заполнитель и доломитовую муку при следующем соотношении компонентов, мас. ч. %:

песок - 10-30; цемент - 5-10; буровой шлам - 50-70; ПАВ - 0,5-1,5; нефтедеструкторы - 0,5-1,5; заполнитель - 1-10; доломитовая мука - 1-3,5.

Краткая характеристика компонент рецепта.

1. Песок - используется в качестве основного наполнителя.

В качестве используемого для рецепта песка, могут выступать:

1.1. Песок - природный неорганический сыпучий материал с крупностью зерен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке валунно-гравийно-песчаных, гравийно-песчаных и песчаных месторождений.

1. 2 Песок обогащенный: Природный неорганический сыпучий материал с крупностью зерен до 5 мм, с улучшенным зерновым составом и меньшим содержанием пылевидных и глинистых частиц, полученный с использованием специального оборудования.

1.3 Песок фракционированный: Природный неорганический сыпучий материал, разделенный на две или более фракций с использованием специального оборудования.

По техническим характеристикам песок, обогащенный песок и фракционированный песок должны соответствовать требованиям ГОСТ 8736.

Также применяют и другие виды песков, в том числе однородные, мелкие и пылеватые по ГОСТ 25100.

2. Цемент - используется в качестве вяжущего.

Цемент используется в качестве вяжущего вещества. Применяются марки М100 – М500. По техническим характеристикам цементы должны соответствовать ГОСТ 55224, ГОСТ 31108, ГОСТ 30515, ГОСТ 25328-82, ГОСТ 22266-2013.

3. В качестве бурового шлама (исходного сырья) выступают отходы бурения и нефтесодержащие отходы. Данные материалы образуются в результате бурения скважин нефти и газа. В состав материалов входят: выбуренная порода, вода, сырая нефть, водонефтяная эмульсия, буровой раствор на водной или углеводородной основе. Агрегатное состояние: жидкое и пастообразное (густое).

4. ПАВ – применяются в качестве добавки (реагента) - для обработки минеральных материалов.

ПАВ применяются для обработки бурового шлама, для улучшения физико-механических и технологических свойств смесей целесообразно вводить с водой добавки ПАВ. Применение добавок ПАВ - пластификаторов типа ЛСТ и ЛСТМ-2, суперпластификаторов типа С-3 и 10-03, пластифицирующие-воздухововлекающих добавок типа ЩСПК (б.ПАЩ) и ГКЖ-10 (ГКЖ-11).

5. Нефтедеструкторы (биопрепараты) - используются в качестве добавки (реагента) для нейтрализации (деструкции) углеводородов.

При высоком содержании нефтепродуктов (более 10%) в исходном сырье необходима предварительная обработка сырья биопрепаратами-нефтедеструкторами или негашеной известью строительной I и II сортов по ГОСТ 9179.

6. Заполнитель.

В качестве заполнителя может выступать: щебень и гравий из горных пород, щебень из шлаков, золошлаковые смеси и гипс.

7. Доломитовая мука – используется для повышения связывающей способности.

Используется мука известняковая доломитовая. Классификация муки: известняковая (доломитовая) мука марки А; известняковая (доломитовая) мука марки В; известняковая (доломитовая) мука марки С. По техническим характеристикам мука любой марки должна соответствовать требованиям ГОСТ 14050-93.

Рецептура приготовления композиционного строительного материала подбирается на основании качественных характеристик исходных минеральных материалов (уникальных для каждой отдельной партии), которые образуются в результате бурения скважин нефти и газа. В состав материалов входят: выбуренная порода, вода, сырая нефть, водонефтяная эмульсия, буровой раствор на водной или углеводородной основе. Агрегатное состояние: жидкое и пастообразное (густое). При подборе рецептуры следует стремиться получить материал оптимального состава при минимальном количестве вяжущего.

Оценка качественных характеристик каждой партии минеральных материалов проводится по пунктам 2 – 5 таблицы 1 - Технические характеристики минеральных материалов.

Таблица 1

№
п/п НАИМЕНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ЗНАЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ 1 2 3 2 Класс опасности III, IV, V 3 Влажность, % не более 10 4 Содержание нефти/нефтепродуктов не более 0,1 5 Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг, не более: для внегородских дорог и объектов - 1500 для населенных пунктов – 740

Класс опасности в таблице 1 определяется согласно критериям отнесения отходов к I - V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду (утверждены Приказом Минприроды России от 04.12.2014 N 536).

В случае отклонения качественных характеристик от заявленных показателей проводится усреднение и приведение показателей к приемлемым параметрам, путем внесения дополнительных материалов и/или откачки жидкой фракции (вода/водонефтяная эмульсия/нефть), либо добавки технической воды.

Способ производства композиционного строительного материала.

Первый вариант. Производство на полигонах утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов и отходов бурения.

Накопление исходного сырья осуществляется в специализированном сооружение полигона – карте. При накоплении исходного сырья в карте может потребоваться откачка жидкой фазы (обводненный буровой раствор) с последующей процедурой химической коагуляции. В случае принятия данного решения откачка осуществляется в отдельную технологическую карту. Для химической коагуляции норма расхода сухого коагулянта составляет 0,5-1,2 кг на 1м³ жидкой фазы.

Далее, расчетное количество исходного сырья перемещают из карты накопления в карту приготовления. Затем, согласно утвержденной рецептуре, добавляют все остальные компоненты кроме цемента. Перемешанная смесь временно хранится в карте. В случае приготовления материала «Ремедиат» с заданной маркой по прочности М20 - М100 цемент добавляется в смесь в тот момент, когда появляется возможность вывезти «Ремедиат» к местам использования. Время вывоза должно составлять не более 7 - 10 часов после окончательного приготовления (внесения цемента и перемешивания). В случае приготовления марок по прочности М5 и М 10 цемент добавляется в любое время без ориентира на время вывоза.

Перемещение исходного сырья в карту приготовления осуществляют экскаватором. Для перемещения в карту приготовления песка, гравия, щебня, золошлаковых смесей используется экскаватор или бульдозер. Требуемое количество воды из емкости технической воды подается самотеком. Перекачка обводненного бурового раствора осуществляется за счет применения насосных станций или ковшом экскаватора. Сбор и погрузка готового материала «Ремедиат» осуществляется экскаватором. Транспортировка осуществляется самосвалами или иной грузовой техникой.

Второй вариант. Производство на кустовых площадках в шламовых амбарах добывающих и разведочных скважин нефти и газа

На предварительном этапе, при необходимости, проводится химическая коагуляция жидкой фазы, которая в значительном объеме накоплена в шламовом амбаре. Коагуляция может проводится в амбаре. Осветленная техническая вода откачивается из шламового амбара и передается для использования, как правило, для подачи в систему поддержания пластового давления, использования в технологическом процессе приготовления буровых растворов. Для химической коагуляции норма расхода сухого коагулянта составляет 0,5-1,2 кг на 1м³ жидкой фазы.

Далее, при необходимости, производится разбивка шламового амбара на технологические ячейки или разрезные полосы. При этом полоса, подготовленная ранее, будет являться площадкой для работы и заезда техники. Разбивка на ячейки осуществляется за счет поперечной и продольной отсыпки разрезающих песчаных полос. Разрезающие полосы строятся из имеющегося на кустовой площадке грунта или из привозного песка.

Далее экскаватором на поверхность шламового амбара (на исходное сырье) вносятся послойно структураторы, последним вносится цемент. Рабочая смесь многократно перемешивается ковшом экскаватора. По окончании перемешивания смесь в ячейке выравнивается.

Готовый материал «Ремедиат» используется на месте при ликвидации шламового амбара, либо может быть вывезен для использования в других местах согласно техническим условиям «Материал «Ремедиат» ТУ № 23.99.19–001– 0132491087–2022.

Третий вариант. Производство в полосах отвода автодорог.

Обработке подлежит грунт, предназначенный для строительства земляного полотна.

Метод смешения на автодороге включает следующие операции:

- организация площадки приготовления рабочей смеси;

- грубая планировка завезенного материала на всю толщину основания с учетом уплотнения;

- распределение вяжущего;

- перемешивание материала с цементом, добавление воды и окончательное перемешивание смеси;

- временный отстойник для ливневых стоков, пожарный щит, дизельный генератор для освещения.

Доставленные на производственный участок исходное сырье и структураторы разравниваются бульдозером и распределяются по поверхности грунта. Затем однократно производится перемешивание на глубину до 1 м от суммарно отсыпанного слоя.

Далее подготовленная смесь разравнивается. Поверх перемешанного слоя смеси распределяется цемент. В случае, если влажность превышена, необходимо подсушивание смеси за счет выдерживания технологического перерыва или дополнительного перемешивания.

Добавки ПАВ вводят в грунт в виде водного раствора ковшом экскаватора и перемешивают с грунтом, после чего грунт профилируют и прикатывают.

Следом за распределением вяжущего производится окончательное перемешивание смеси экскаватором, после чего рабочая смесь считается готовой. Далее производится ее профилирование бульдозером. После этого кладется глина, гравий песок, выполняющие функцию защитного слоя автодороги, либо кладется материал Ремедиат повышенной прочностью марок от М60 до М100.

Четвертый вариант. Производство в грунтосмесительных емкостях мобильного типа.

На предварительном этапе проводится химическая коагуляция жидкой фазы, которая проводится непосредственно в тонаре или в отдельной специализированной емкости. Осветленная техническая вода откачивается из емкости и передается для использования, как правило для подачи в систему поддержания пластового давления, или использования в технологическом процессе приготовления буровых растворов.

Процесс перемешивания исходного сырья и структураторов осуществляется в тонаре или иной специализированной емкости за счет применения ковшом манипулятора или ковшом экскаватора. Также, возможно осуществлять перемешивание специализированной перемешивающей насадкой, при этом необходимо применять ковш и перемешивающую насадку поочередно.

Готовый материал «Ремедиат» используется на месте при ликвидации шламового амбара, либо может быть вывезен для использования в других местах согласно техническим условиям «Материал «Ремедиат» ТУ № 23.99.19–001– 0132491087–2022. В случае приготовления материала «Ремедиат» с заданной маркой по прочности М20 - М100 цемент добавляется в смесь в тот момент, когда появляется возможность вывезти материал «Ремедиат» к местам использования. Время вывоза должно составлять не более 7 - 10 часов после окончательного приготовления (внесения цемента и перемешивания). В случае приготовления марок по прочности М5 и М 10 цемент добавляется в любое время без ориентира на время вывоза.

Технический результат снижение использования цемента при изготовлении строительного материала при высоких показателях по насыпной плотности и пределу прочности на сжатие, достигается за счет использования совокупности компонентов входящих в состав композиционного строительного материала.

Использование ПАВ, а качестве которых могут выступать: пластификаторы типа ЛСТ и ЛСТМ-2, суперпластификаторы типа С-3, пластифицирующие-воздухововлекающие добавки типа ЩСПК и ГКЖ-10 позволяют сэкономить от 6 до 20% цемента. Использование указанных ПАВ для достижения технического результата подтверждено экспериментальным путем, при этом, не исключается возможность применения иных видов ПАВ с аналогичными функциями.

Использование песка, цемента (с указанными марками прочности), минеральных материалов, нефтедеструкторов (и/или негашёную известь), заполнителей и доломитовой муки - обеспечивает высокие показатели по насыпной плотности и пределу прочности на сжатие конечного продукта.

Пример достижения технического результата.

Составы заявленного композиционного строительного материала в двух вариантах (1,2) и составы материалов аналога (3) и прототипа (4) приведены в таблице 2.

Согласно заявленным решениям прототипа и аналога: в СПОСОБЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ГРУНТА ЛИТОГРУНТ [RU2682920C1, опубл. 06.02.2018] (3) содержание мас. ч. % цемента в зависимости от варианта изготовления материала может варьироваться от 1 до 13%; в КОМПОЗИЦИОННОМ СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛЕ [RU2720523C1, опубл. 01.10.2019] (4) содержание мас. ч. % цемента в зависимости от варианта изготовления материала может варьироваться от 6 до 9,5%. В заявленном решении, содержание мас. ч. % цемента в зависимости от варианта изготовления материала может варьироваться от 5 до 7,5%. Таким образом подтверждается заявленный технический результат, в вариантах реализации изготовления композиционного строительного материала, верхняя граница процентного содержания цемента уменьшена на 21% для (3) и на 17% уменьшена нижняя граница содержания цемента для (4).

Таблица 2

Наименование компонентов, мас. ч. % (1) (2) (3) (4) песок - 30 10 43 13 цемент - 5 8 10 9,3 буровой шлам - 50 70 4 67,2 ПАВ - 1,5 0,5 нефтедеструкторы - 0,5 0,5 негашёная известь - 6,2 Заполнитель (щебень) - 10 8 доломитовая мука - 2 3 ПВАД - 1 золошлаковая смесь - 4,3

Также были проведены испытания строительных материалов (1-4) по насыпной плотности и пределу прочности (приведены в таблице 3).

Таблица 3

Показатели покрытия (1) (2) (3) (4) Нормативные показатели Предел прочности на сжатие, МПа 0,98 1,96 2 0,75 0,8-2,0 Насыпная плотность, кг/дм³ 1 1,2 1,4 1 Не менее 1

Анализ испытаний показывает, что одновременно с уменьшением использования цемента заявленное решение позволяет сохранить высокие (нормативные) показатели по насыпной плотности.

Изобретение относится к области строительства, и может быть использовано в дорожном строительстве, при сооружении насыпных оснований и грунтовых обвалований строительных и производственных площадок нефтегазовых месторождений, при пересыпке полигонов бытовых и промышленных отходов, отсыпке промышленных площадок, засыпке и рекультивации карьеров, шламовых амбаров, шламонакопителей, полигонов отходов и искусственных земельных выемок. Техническим результатом изобретения является снижение использования цемента при изготовлении строительного материала при высоких показателях по насыпной плотности и пределу прочности на сжатие, который достигается за счет того, что композиционный строительный материал, содержащий буровой шлам, песок, цемент, и дополнительно содержит поверхностно-активное вещество - ПАВ, нефтедеструктор, доломитовую муку, заполнитель - щебень и гравий из горных пород, шлаковый щебень, золошлаковую смесь и гипс, при следующем соотношении компонентов, мас.%: песок - 10-30; цемент - 5-10; буровой шлам - 50-70; ПАВ - 0,5-1,5; нефтедеструктор - 0,5-1,5; указанный заполнитель - 1-10; доломитовая мука -1-3,5. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Композиционный строительный материал, содержащий буровой шлам, песок, цемент, отличающийся тем, что дополнительно содержит поверхностно-активное вещество - ПАВ, нефтедеструктор, доломитовую муку, заполнитель - щебень и гравий из горных пород, шлаковый щебень, золошлаковую смесь и гипс, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

песок - 10-30;

цемент - 5-10;

буровой шлам - 50-70;

ПАВ - 0,5-1,5;

нефтедеструктор - 0,5-1,5;

указанный заполнитель - 1-10;

доломитовая мука - 1-3,5.

2. Композиционный строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют пластификатор ЛСТ.

3. Композиционный строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют пластификатор ЛСТМ-2.

4. Композиционный строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют суперпластификатор С-3.

5. Композиционный строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют пластифицирующую-воздухововлекающую добавку ЩСПК.

6. Композиционный строительный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют пластифицирующую-воздухововлекающую добавку ГЖК-10.