Смесь для покрытий и оснований автомобильных дорог Советский патент 1992 года по МПК C04B26/26 

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог, в частности к составам смесей для устройства покрытий и осно- ваний из материалов, обработанных органическими вяжущими.

Известны смеси для дорожных покрытий и оснований, включающие грунт и органические вяжущие, например грунты, обработанные жидким битумом или битумной эмульсией.

Недрстатками материала из этих смесей, имеющего коагуляционную структуру и обладающего упруго-вязкопластичными свойствами, являются невысокая прочность при сжатии, недостаточные водо- и теплоустойчивость. Кроме того, для приготовления этих смесей требуется значительный расход органических вяжущих материалов.

В зависимости от вида обрабатываемого грунта расход, например, жидкого битума составляет 5-12% массы смеси.

Из известных смесей наиболее близкой к предлагаемой является смесь, включающая белитовый (бокситовый) шлам, нефтяной гудрон и воду.

Материал из указанных смесей, имеющий коагуляционно-кристаллизационную структуру, обладает более высокой по сравнению с грунтом, обработанным органическим вяжущим, прочностью при сжатии, а следовательно, и сдвигоустойчивостью,

Однако смесь характеризуется замедленным ее твердением, обуславливающим недостаточную прочность и сдвигоустойчи- вость слоя покрытия в начальные сроки его эксплуатации.

V| Јь VI оэ Так, например, прочность при сжатии водонасыщенных образцов из известной смеси после 70 сут твердения не превышает 2,2 МПа. Это приводит к необходимости устраивать слой покрытия или основания большой толщины, что влечет за собой увеличение материалоемкости и стоимости до-1 роги, а также ограничивать в начальный период эксплуатации дороги интенсивность движения и грузоподъемность транспорта. Кроме того, к недостаткам известной смеси относятся высокие энергозатраты, связанные с разогревом нефтяного гудрона и белитового шлама до 110-130°С при приготовлении смеси.

Цель изобретения - повышение прочности покрытия и основания, снижение стоимости и уменьшение энергозатрат на приготовление смеси.

Поставленная цель достигается тем, что смесь для покрытий и оснований автомобильных дорог, включающая белитовый шлам, органическое вяжущее и воду, содержит в качестве органического вяжущего кислый прудовый грунт и дополнительно известь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Кислый прудовый гудрон (в расчете на безводное вещество) 3,5-5 Известь (в расчете на свободные

СаО + МдО)2-7

Вода14,5-16

Белитовый шламОстальное

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемая смесь отличается от известной тем, что она в своем составе в качестве органического вяжущего вместо нефтяного гудрона содержит кислый прудовый гудрон, а также тем, что она дополнительно содержит известь,

Суть изобретения состоит в том, что при соединении в предлагаемой смеси в определенной последовательности трех основных компонентов: белитового шлама, кислого прудового гудрона и извести, в результате их химического взаимодействия образуется вещество, способное резко интенсифицировать процесс твердения системы и увеличить прочность материала покрытия или основания в начальные сроки его формирования.

Кислый прудовый гудрон (КПГ) представляет собой отходы нефтехимического производства, в частности производства сульфонатных присадок к смазочным маслам, а также сернокислотной очистки масел и имеет сметанообразную консистенцию.

Количество его, накопленное в прудах нефтехимических предприятий, например Ярославского и Омского производственных объединений Нефтеоргсинтез, измеряется

десятками тысяч тонн.

Главным компонентом КПГ являются сульфокислоты, представляющие собой водорастворимые соединения. Кроме того, в нем содержатся нефтяные масла, вода и небольшое количество серной кислоты,

Белитовый шлам (бокситовый или нефелиновый) содержит 40-85% /б-двухкальцие- вого силиката (белита), гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферрит кальция, а

также до 2,2% водорастворимых соединений, представленных, преимущественно, карбонатом, гидрокарбонатом и алюминатом натрия.

Приготовление предлагаемой смеси

предусматривает введение КПГ в белитовый шлам вместе с водой затворения, перемешивание смеси и последующее введение в смесь извести.

Данные о химическом составе компонентов предлагаемой смеси позволяют описать их взаимодействие в процессе приготовления смеси и твердения материала дорожного покрытия или основания следующим образом:

взаимодействие растворимых щелочей белитового шлама с содержащимися в КПГ сульфокислотой и серной кислотой с образованием сульфоната и сульфата натрия

2CHjCHfcn2V,CH

О2СН3снГснг „сн3 (1)

1 NnC031 so3H3

II -МгсО}

У-50;Ыа

40 W2504 Ка2СОх - Wa2SC 4 + Н2С03

(2)

взаимодействие сульфоната натрия с

известью с образованием водонерастворимого сульфоната кальция (модификация

водорастворимой органики в водонерастворимое соединение)

zcHjCH CHjVChj

лсч сна1„с11}гснгсн(гчг „сн3гН. о :о)2+со г

-SC/Jc.,

ь Гс70Н

(3)

взаимодействие образовавшегося суль- фата натрия с известью с образованием дву- водного сульфата кальция

N32S04 + Са(ОН)2 + 2Н20 CaS04 x x2H20 + 2NaOH(4)

взаимодействие образовавшегося дву- водного сульфата кальция с гидроалюмина- .том кальция, содержащимся в белитовом шламе, с образованием гидросульфоалюми- ната кальция (эггрингита).

В результате этой реакции происходит интенсивное твердение системы в начальный период, так как объем гидросульфоа- люмината в несколько раз превышает суммарный объем исходной твердой фазы.

Дальнейшее твердение системы происходит в результате гидратации белита, содержащегося в шламе, и образования низкоосновных гидросиликатов кальция. При этом непрореагировавшая в начальный период известь играет роль щелочного возбудителя, активизируя процесс гидратации белита, кроме того, она выполняет роль реагента, взаимодействующего с активными окислами, присутствующими в белитовом шламе.

Известны смеси, содержащие КПГ и известь и белитовый шлам и известь. Однако применение в этих смесях попарных сочетаний указанных компонентов вместе с другими компонентами не обеспечивает смесям такие свойства, которые проявляются в изобретении, где имеет место сочетание всех трех компонентов, Так в смеси, содержащей кислый гудрон и известь, в результате взаимодействия образуют такой компонент органического вяжущего как сульфонат кальция. Последний вместе с битумом и нефтяным гудроном образуют органическое вяжущее, которое в смеси с минеральным заполнителем дает дорожно-строительный материал с коагуляционной структурой, эластичный, трещиностойкий, способный сопротивляться истиранию, но имеющий малые прочность, тепло- и сдвигоустой- чивость. Смесь, содержащая белитовый шлам и известь, дает материал с кристаллизационной структурой, обладающий вы-. сокой прочностью и сдвигоустойчивостью, но излишне жесткий, подверженный трещи- нообразованию и истиранию. Предлагаемая смесь, представляющая собой сочетание всех трех компонентов: белито- вого шлама, КПГ и извести, дает материал дорожного покрытия или основания с коагу- ляционно-кристаллизационной структурой, обладающий достоинствами известного ма- териала, но свободный от их недостатков. Кроме того, только при сочетании всех трех компонентов в предлагаемой смеси в системе в присутствии воды дополнительно образуется новое вещество - гидросульфо- алюминат кальция, являющееся массовым структурообразующим фактором и обеспечивающее интенсивное нарастание прочности материала в начальный период его твердения.

Для экспериментальной проверки . предлагаемой смеси были приготовлены не- 5 сколько составов смеси при различном сочетании компонентов - белитового шлама, КПГ, извести и воды.

В качестве белитового шлама использовали бокситовый шлам Павлодарского алю- 0 миниевого завода с содержанием белита ..около 50%.

Гранулометрический состав шлама при- , веден в табл.1.

Содержание химических компонентов, 5 мас.%:5Ю2 20,6;А12Оз 6,1; РеаОз 23,5; 1 СаО 39,5; МдО 0,55; R20 3,0; 50з 0,35; Н20 0,23; П.П.П. 6,75.

Водная вытяжка из бокситового шлама характеризуется величиной сухого остатка, 0 равной 1,78 %, величиной рН 11,9, в ней преобладают ионы Na+, СОз и НСОз .

В качестве органического вяжущего использовали КПГ из пруда накопителя ПО Омскнефтеоргсинтез, имеющий условную 5 вязкость 30 с по вискозиметру ВЗ-4.

Характеристика КПГ дана ниже: содержание Нг504 2,04%, общая кислотность . 49,7мгКОН/г; содержание масла 20,2%; органическая кислотность 23,5 мгКОН/г; со- 0 держание сульфосоединения 27,0%; . содержание воды 51,4%.

Используемая в эксперименте гидрат- нал известь первого сорта без добавок по ГОСТ 9179-77 имела содержание свободных 5 окиси у кальция и магния 68,4% и влажность 31,6%.

Смеси готовили следующим обозом. Сухой белитовый шлам увлау,нг,ли, вводя в него половинное коли1 т. воды за- 0 творения и перемешивая. В оставшейся части воды затворения при комнатной температуре растворяли КПГ, полученный раствор вводили во влажный шлам, тщательно « перемешивали, после чего в смесь вводили 5 известь и смесь окончательно перемешивали. Из полученной смеси изготавливали образцы, уплотняя их на гидравлическом прессе нагрузкой 30 МПа. Хранили образцы во влажной камере в течение 28 и 90 сут, 0 после чего испытывали на при влажности твердения (сухие) и в во/рнасыщен- ном состоянии (полное водонасыщение в течение 14 сут).

Дополнительно в образцах, твердевших 5 90 сут, определяли наличие водорастворимой органики (непрореагировавшего с известью сульфоната натрия), для чего образец измельчали, заливали водой и оставляли в залитом состоянии на 14 сут. Затем водную вытяжку отфильтровывали и в фильтрат вводили водный раствор хлористого кальция. Появление при этом хлопьевидного осадка сульфоната кальция свидетельствовало о наличии в образце водорастворимой органики, т.е. о неполном химическом превращении КПГ в водонерастворимую форму, Последнее может иметь отрицательное влияние как на свойства материала дорожного покрытия или основания, так и на экологическую ситуацию в случае воздействия на материал атмосферных осадков и грунтовых вод.

В табл.2 представлены свойства образцов из предлагаемой смеси при различном соотношении компонентов. Приведенные данные позволяют выбрать оптимальные пределы содержания компонентов в смеси. Так за нижний предел содержания в смеси КПГ и извести следует принять соответственно 3,5 и 2%, так как при 3,5% КПГ образцы смеси имеют наибольшую прочность (больше жестких связей в структуре), а при содержании извести менее 2% в образцах остается водорастворимая органика, что нежелательно по вышесказанным соображениям.

За верхний предел содержания КПГ и извести следует принять соответственно 5 и 7%, так как при увеличении содержания КПГ более 5% отмечается тенденция к снижению прочности (больше эластичных связей в структуре), увеличение содержания извести с 7 до 9% дает настолько незначительное повышение прочности материала, что оно не оправдывает почти 30%-ный перерасход извести.

Таким образом, оптимальным содержанием в предлагаемой смеси КПГ и извести является КПГ 3,5-5%, извести 2-7%.

Сравнивая показатели физико-механических свойств образцов известной смеси с показателями предлагаемой смеси, видно, что образцы мз предлагаемой смеси в начальный период твердения 28 сут имеют значительно большую прочность, чем образец из известной смеси. Так, например, прочность образцов из предлагаемой смеси в 3,3-5,2 раза выше прочности образцов из известной смеси. Это дает возможность

уменьшить толщину дорожного покрытия или основания при сохранении их несущей способности, уменьшить материалоемкость и стоимость дороги.

Приготовление предлагаемой смеси не

требует (в противоположность прототипу) разогрева органического вяжущего и бели- тового шлама, что позволяет снизить энергозатраты и улучшить экологическую обстановку на территории АБЗ и прилегающей к чему местности. В результате использования кислого гудрона улучшается также экологическая обстановка в районе нефтехимических предприятий, производящих масла и сульфонатные присадки.

Как показали расчеты, дорожному покрытию из известной смеси толщиной 21 см эквивалентно равнопрочное покрытие из предлагаемой смеси толщиной 11-12 см. При этом на 1 км дороги расходуется бели- тового шлама на 1056-1146 т и органического вяжущего на 57-75 т меньше, чем при использовании известной смеси, а стоимость дороги снижается на 10-11 тыс. руб. Энергозатраты на приготовление смеси в расчете на 1 км дороги снижаются на 427 ГДж,

Формула изобретения Смесь для покрытий и оснований авто- мобильных дорог, включающая нефтяной гудрон, воду v белитовый шлам, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности покрытия и основания, снижения их стоимости и уменьшения энергозатрат на приготовление смеси, она содержит в качестве нефтяного гудрона кислый прудовой гудрон и дополнительно известь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кислый прудовой гудрон (в пересчете на безводное вещество)3,5-5,0 Известь (в пересчете на свободные

СаО + МдО)2-7

Вода 14,5-16,0

Белитовый

шламОстальное

Использование: дорожное строительство, смеси для покрытий и оснований. Сущность изобретения: смесь содержит, мас.%: кислый прудовой гудрон (в пересчете на безводное вещество) 3,5-5,0; известь (в пересчете на свободные СаО + МдО) 2-7; вода 14,5-16,0; белитовый шлам остальное. Смесь готовят смешиванием компонентов. Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте в сухом состоянии 14,5-16 МПа, в во- донасыщенном состоянии 8,1-16,1 МПа, водонасыщение 6,0-9,2%. 2 табл.

Таблица 1

Примечание. Содержание воды а смесях определено методом подбора и соответствует максимальной плотности смеси

при нагрузке уплотнения, равной 30 МПа. « Приведено значение прочности после 70 сут. твердения