БАРЬЕРНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛОСКОГО ТЕКСТИЛЬНОГО ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОВЫШЕННЫМИ ИЗОЛЯЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Российский патент 2023 года по МПК C04B33/04 E02D31/00 

Область техники

Изобретение относится к области гидротехники и охраны окружающей среды, в частности, к созданию противофильтрационных экранов, завес и диафрагм для локализации и предотвращения фильтрационных процессов, а также миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и размещения отходов различного класса.

Предшествующий уровень техники

Для устройства противофильтрационных диафрагм, экранов и ядер широко известны конструкции с применением минеральных глинистых материалов, в том числе материалов в виде рулонных изоляционных материалов с применением наполнителей из минеральных глинистых материалов, например, в заявке на изобретение EP 0967334, опубликованной 29.12.1999, описан уплотнительный мат для гидроизоляции слоев грунта, например, при строительстве или на насыпях имеет два бумажных слоя, соединенных поперечными стенками также из бумаги с образованием параллельных камер, заполненных минеральным герметиком. Наиболее распространенным герметиком является бентонит, который набухает при впитывании воды и может поглощать от 350 до 600 процентов воды от собственного веса. Верхний слой бумаги более пористый, чем нижний слой. Боковые стенки сделаны из такой же бумаги, как и верхний слой, чтобы отводить воду.

Недостатками данного изобретения является низкая устойчивость материала каркаса к внешним механическим и погодным воздействиям. Также применение бумажной основы сопряжено с возможностью высыпания бентонитового наполнителя из каналов каркаса. При этом материал удобен только для объектов простой формы, иначе влечет необходимость резки и есть риск полного разрушения при резке, изгибе и формовании.

Также известна технология создания комбинированного противофильтрационного покрытия. В патенте CA 2037601, опубликованном 24.11.1998, раскрыт водо- и/или маслонепроницаемый уплотнительный мат в виде комбинации бентонитового нетканого полотна с возможностью передачи сдвига от одного слоя войлока к другому через слой набухающей глины в поддерживающий войлочный материал. Такой уплотнительный мат представляет собой армированное волокном минеральное уплотнение, позволяющее передавать силы сдвига на склонах без риска того, что слой набухающей глины сам по себе станет предпочтительной плоскостью скольжения. Уплотнительный мат состоит из нетканого текстильного материала в качестве подложки, слоя набухающей глины, предпочтительно натриевого бентонита, и покровного слоя, предпочтительно состоящего также из нетканого текстильного материала, причем все три слоя были сшиты вместе иглопробиванием в обычном режиме способом в игольном ткацком станке. При увлажнении глина набухает и образует водо- и/или маслонепроницаемый слой. Водо- и/или маслонепроницаемый уплотнительный мат используется, прежде всего, в гидротехнике и технике удаления отходов.

Недостатками данного изобретения является отсутствие данных по скорости фильтрации и степени изоляционной защиты. Также по заявленным данным невозможно проверить достоверность данных, также не описана смесь, которая применяется в качестве изоляционного агента.

Также информация по аналогичным текстильным материалам имеется в сети Интернет (https://geoproduct.ru/info/brands/bentomat/), где представлен BENTOMAT компаний ГЕОПРОДУКТ – это марка бентонитовых матов, в состав которых входит натриевый бентонит, несколько слоев геотекстиля, а также полипропилен, играющий роль каркаса. Слои геосинтетики соединены между собой иглопробивным методом.

Они отличаются от аналогичных изделий высокой чистотой натриевого бентонита. Сырье, использующееся при изготовление данного строительного материала, высоко оценено строителями на территории России и стран СНГ. Также изделия марки BENTOMAT способны самовосстанавливаться, т.е. ликвидировать повреждения и разрывы, возникающие в процессе эксплуатации.

Происходит это за счет увеличения объема полотна. Бентонитовые маты BENTOMAT способны выдерживать высокое гидростатическое давление, смена циклов гидратации и дегидратации не влияет на их технические характеристики.

Гидроизоляционные материалы NaBento (https://www.road-stroy.com/produkciya/bentonitovye-maty/proizvodstvo-matov/nabento) от немецкого производителя Huesker Synthetic GmbH являются более эффективной и надёжной альтернативой классическим изолирующим минеральным материалам. Бентонитовые маты NaBento – это комбинация геотекстиля и гранул бентонитовой глины по принципу «сендвич».

Толщина готового изделия примерно 10 миллиметров. Бентонит (кальциевый или натриевый), расположенный между слоями тканого геополотна, разбухает при контакте с влагой. Особенный метод прошивки всех составляющих материала обеспечивает высокое сопротивление процессам эрозии и внутреннему сдвигу.

Совокупная работа бентонитовой глины и геотекстиля гарантирует долговременную и качественную герметизацию. Специфические особенности использования обуславливают этапы технологического процесса производства материалов NaBento. Предусмотрена возможность изменения удельного веса бентонитовой глины, характеристик исходных геосинтетических компонентов, метода прошивки. Для улучшения защиты от высыхания, а также для повышения устойчивости к сдвигу относительно материалов на контакте, рекомендуется специальная обработка поверхности.

Основным недостатком материалов, описанных в изобретениях и в источниках является низкая изоляционная защита, которая выражается в коэффициенте фильтрации материала и находится в интервале от 1,5x10^-9 до 1,2х10^-11 м/сек.

Также в данных изобретениях отсутствуют данные по интенсивности фильтрации данных материалов, которая проявляется в объеме фильтрата в единицу времени на единицу площади т.к. данный параметр является реальным показателем изоляционной защиты. Также не описана смесь, которая применяется в качестве изоляционного агента.

Раскрытие изобретения

Задачей заявленного изобретения является создание противофильтрационных элемента для экранов, завес и диафрагм для локализации и предотвращения фильтрационных процессов, а также миграции загрязняющих веществ из объектов накопления и размещения отходов за счет применения противофильтрационных элементов, изготовленных из материалов с применением описанной барьерной смеси.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является создание барьерной смеси, применение которой позволит изготовить текстильный противофильтрационный элемент (бентонитовый мат) с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1х10^-12 - 1х10^-13 м/с, что обеспечит создание противофильтрационных конструкций различных типов: экранов, завес и диафрагм высокой степени защиты и надежности для ответственных объектов.

Указанный технический результат достигается за счет того барьерная смесь содержит в составе водонабухающие материалы в виде набора разнофракционных бентопорошков в следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бентопорошок А (фр. 0,4 - 0,5 мм) - 2,91 – 23,61;

Бентопорошок Б (фр. 0,16 - 0,4 мм) - 30,41 – 33,9;

Бентопорошок В (фр. 0 - 0,16 мм) – 45,98 – 66,68.

Указанный технический результат достигается за счет того, что применяемые порошки должны удовлетворять следующим параметрам:

Содержание активных минералов, масс. %:

Монтмориллонит - 70 – 92;

Иллит – 0,1 – 5;

Кварц - 5 – 10;

Кальцит - 1 – 7;

Полевые шпаты - 1 – 2;

Плагиоклазы – 0,8 – 3;

Слюда – 0,1 – 3.

Заявленная барьерная смесь элемент имеет индекс свободного набухания 24 - 40 мл/2г, насыпная плотность, не менее 0,9 - 0,95 г/см³, что позволяет достигнуть крайне низкий коэффициент фильтрации в диапазоне 1х10^-12 - 1х10^-13 м/с, и, соответственно, имеет значительно более высокий уровень изоляционной защиты, за счет того, что имеет подобранный тонкодисперстный полифракционный состав такой, при котором во время иглопробивного скрепления текстильного каркаса происходит самопроизвольное удаление воздуха из дисперсной матрицы наполнителя, а также происходит плотная укладка барьерной смеси.

Имея пористость на 10-15 % ниже, чем аналогичнные смеси с применением гранулированного бентонита, при гидратации барьерной смеси происходит заполнение воздушных пор гелеобразной структурой, при этом чем меньше присутствует воздушных пор, тем более плотную гелеобразную структуру образует смесь. Плотность гелеобразной структура напрямую влияет на проницаемость материала.

Применение тонкодисперсной бентонитовой глины в барьерной смеси приводит к ее мгновенной реакции с водой и вовлечению в реакцию большого количества материала, что исключает возможность фильтрации бентонитового мата даже на начальной стадии применения материала.

Варианты рецептур барьерной смеси

Пример 1

Барьерная смесь для достижения коэффициент фильтрации противофильтрационного элемента 1,0х10^-12 м/с имеет следующий состав, мас.%:

Бентопорошок А (фр. 0,4 - 0,5 мм) - 2,91;

Бентопорошок Б (фр. 0,16 - 0,4 мм) - 30,41;

Бентопорошок В (фр. 0 - 0,16 мм) - 66,68.

Такая полифракционная структура снижает количество воздушных пор в смеси и приводит к более плотной укладке частиц при производстве текстильного противофильтрационного элемента.

Реологические свойства смеси обеспечиваются за счет того, что применяемые порошки должны удовлетворять следующим параметрам:

Содержание активных минералов, мас.%:

Монтмориллонит - 70;

Иллит - 5;

Кварц - 10;

Кальцит - 7;

Полевые шпаты - 2;

Плагиоклазы - 3;

Слюды - 3;

Отличительной особенностью является содержание активных минералов в составе бентопорошков согласно Примера 1 которые обеспечивают необходимое и достаточное содержание в итоговом барьерном материале высококоллоидальных минералов - в высокоактивной форме, а также плотность глинистого геля и, соответственно, изоляционные свойства текстильного противофильтрационного элемента такие как: индекс свободного набухания, коэффициент фильтрации.

Индекс свободного набухания смеси (для Примера 1 - составляет 24,0 мл/2г) с образованием вязко-упругого гидрогеля, обладающего высокой противофильтрационной способностью.

Количество барьерной смеси необходимого к размещению в противофильтрационном элементе по Примеру 1 - 4,5 кг/м2, достигается за счет дозирования смеси и является достаточным для нормальной эксплуатации противофильтрационного элемента и равномерной укладки в текстильный каркас.

Пример 2

Барьерная смесь для достижения коэффициент фильтрации противофильтрационного элемента 1,0х10^-13 м/с имеет следующий состав, мас.%:

Бентопорошок А (фр. 0,4 - 0,5 мм) - 23,61;

Бентопорошок Б (фр. 0,16 - 0,4 мм) - 33,9;

Бентопорошок В (фр. 0 - 0,16 мм) - 42,49;

Такая полифракционная структура снижает количество воздушных пор в смеси и приводит к более плотной укладке частиц при производстве текстильного противофильтрационного элемента.

Реологические свойства смеси обеспечиваются за счет того, что применяемые порошки должны удовлетворять следующим параметрам:

Содержание активных минералов, мас.%:

Монтмориллонит - 92;

Иллит – 0,1;

Кварц - 5;

Кальцит - 1;

Полевые шпаты - 1;

Плагиоклазы – 0,8;

Слюды – 0,1;

Отличительной особенностью является содержание активных минералов в составе бентопорошков согласно Примера 1 которые обеспечивают оптимальное содержание в итоговом барьерном материале высококоллоидальных минералов - в высокоактивной форме, а также плотность глинистого геля и, соответственно, изоляционные свойства текстильного противофильтрационного элемента такие как: индекс свободного набухания, коэффициент фильтрации.

Индекс свободного набухания смеси (для Примера 1 - составляет 40,0 мл/2г) с образованием вязко-упругого гидрогеля, обладающего высокой противофильтрационной способностью.

Количество барьерной смеси необходимого к размещению в противофильтрационном элементе по Примеру 1 - 5,2 кг/м2, достигается за счет дозирования смеси и является достаточным для нормальной эксплуатации противофильтрационного элемента и равномерной укладки в текстильный каркас.

Текстильный противофильтрационный элемент (бентонитовый мат) на основе описанной барьерной смеси, для защиты природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом CA 2037601 имеет следующие преимущества:

1) Технический вариант реализации имеет крайне низкий коэффициент фильтрации в диапазоне 1х10^-12 - 1х10^-13 м/с;

2) Применение тонкодисперсного наполнителя приводит к мгновенной реакции барьерной смеси с водой и вовлечению в реакцию большого количества материала, что исключает возможность фильтрации даже на начальной стадии применения материала.

3) Применение полифракционного наполнителя с оптимальным гранулометрическим составом снижает количество воздушных пор в материале и приводит к более плотной укладке частиц. При гидратации такой смеси получается бентонитовый гель более высокой плотности, что в свою очередь приводит к снижению коэффициента фильтрации до значений 1х10^-12 - 1х10^-13 м/с.

4) Применение смеси с описанным содержанием активных минералов позволяет достигнуть, описанный ранее индекс свободного набухания и коэффициент фильтрации.

Изобретение относится к области гидротехники и охраны окружающей среды, в частности к созданию противофильтрационных экранов, завес и диафрагм для локализации и предотвращения фильтрационных процессов, а также миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и размещения отходов различного класса. Техническим результатом является создание барьерной смеси, применение которой позволит изготовить текстильный противофильтрационный элемент с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1×10^-12 - 1×10^-13 м/с. Барьерная смесь для изготовления текстильных противофильтрационных элементов содержит в качестве сырья водонабухающую глину в виде набора разнофракционных бентопорошков в следующем соотношении компонентов, мас.%: бентопорошок А (фр. 0,4-0,5 мм) - 2,91-23,61; бентопорошок Б (фр. 0,16-0,4 мм) - 30,41-33,9; бентопорошок В (фр. 0-0,16 мм) - 45,98-66,68, при этом каждый бентопорошок содержит активные минералы при следующем соотношении, мас.%: монтмориллонит - 70-92; иллит - 0,1-5; кварц - 5-10; кальцит - 1-7; полевые шпаты - 1-2; плагиоклазы - 0,8-3; слюды - 0,1-3. 2 пр.

Барьерная смесь для получения плоского текстильного противофильтрационного элемента с повышенными изоляционными характеристиками, характеризующаяся тем, что представляет собой смесь из трех разнофракционных бентопорошков при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бентопорошок А (фр. 0,4-0,5 мм) - 2,91-23,61;

Бентопорошок Б (фр. 0,16-0,4 мм) - 30,41-33,9;

Бентопорошок В (фр. 0-0,16 мм) - 45,98-66,68,

при этом каждый из бентопорошков смеси содержит активные минералы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Монтмориллонит - 70-92;

Иллит - 0,1-5;

Кварц - 5-10;

Кальцит - 1-7;

Полевые шпаты - 1-2;

Плагиоклазы - 0,8-3;

Слюды - 0,1-3.