Патент на изобретение №2198857

(54) СТРОИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных, железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений и для получения ячеистого бетона. Технический результат – повышение прочности на сжатие, прочности на изгиб, водостойкости и морозостойкости. Строительная композиция включает вяжущее, представляющее собой неполно обожженные отходы горнодобывающих производств, и содержит по крайней мере оксиды кальция CaO, магния MgO, кремния SiO₂ и железа Fе₂О₃, и кремнеземсодержащую добавку. В качестве вяжущего содержит отходы бруситового производства, а в качестве кремнеземсодержащей добавки – отходы производства цеолита при следующем соотношении компонентов, мас. %: неполно обожженные отходы бруситового производства – 60-80, указанная кремнеземсодержащая добавка – 20-40. Кроме того, соотношение CaO к MgO в отходах бруситового производства составляет по меньшей мере 1:5. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений и для получения ячеистого бетона.

Известно, что введение отходов горнодобывающих производств в строительные композиции повышает их физико-механические свойства.

Известны строительные композиции, включающие 25% вяжущего и 75% кремнеземсодержащей добавки [1]. В качестве вяжущего взята известь, в качестве кремнеземсодержащей добавки – зола-унос следующего химического состава, мас. %: SiO₂ – 48,3-64,0; Аl₂О₃ – 4,2-8,3; (СаО + МgО) – 3,2-8,5; Na₂О – 1,4-3,9.

В результате смешивания укрепляемого грунта со строительной композицией и с последующим его уплотнением происходят сложные химические, физико-химические и кристаллообразующие процессы.

Гидроксид кальция Са(ОН)₂ извести взаимодействует с кремнеземом добавки, образуя при этом силикаты кальция, обладающие цементирующим свойством.

Катионы кальция (СА⁺⁺), являющиеся продуктов гидратации извести, поглощаются тонкодисперсной фракцией грунта с необратимой коагуляцией, что приводит к агрегатированию и цементированию частиц грунта.

Таким образом, в результате уплотнения смеси строительной композиции с грунтом образуется конгломерат, прочность, водостойкость и морозостойкость которого позволяет использовать композицию только для дорог 3-4 категории и для грунтов с влажностью ниже оптимальной.

Так, 28-суточная прочность на сжатие грунта, имеющего в своем составе 72% песчано-гравийной смеси, 20% золы-уноса и 8% извести, составляет 0,82 МПа, прочность на изгиб – 0,15 МПа, а 90-суточная прочность на сжатие – 1,8 МПа, на изгиб – 0,33 МПа. Морозостойкость упрочненного грунта в возрасте 28-90 суток повышается в 2 раза.

Однако физико-механические свойства укрепленного грунта являются низкими, что не позволяет использовать известную строительную конструкцию при строительстве дорог высокого класса (1-2 категории) и для грунтов с повышенной влажностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является строительная композиция, включающая 40-60% вяжущего и 40-60% кремнеземсодержащей добавки [2]. В качестве кремнийсодержащей добавки используют золу-унос с активностью по извести (СаО), равной 32,84 мг/г, и содержащую СаО – 2,2-2,8%; МgО – 2,0-3,0%; SiO₂ – 50,0-52,0%; Аl₂О₃ – 15,0-24,0%; Fe₂О₃ – 17,0-22,0%; SO₃ – 0,4-0,8%; К₂О – 1,5-3,0%; Na₂О – 0,2-0,4%; п.п.п.- 3,4%.

В качестве вяжущего взята доломитовая известь, которая представляет собой неполно обожженную пыль отходов доломитового производства и имеет следующий химический состав: СаО – 34,87%; МgО – 21,68%; SiO – 8,30%; Аl₂О₃ – 4,76%; Fe₂О₃ – 4,0%; SO₃ – 6,72%; п. п.п. – 20,48.

В результате смешивания укрепляемого грунта со строительной композицией и последующего его уплотнения происходят сложные химические, физико-химические и кристаллообразующие процессы.

При взаимодействии активных оксидов кальция и магния (СаО, МgО) полуообожженного доломита с кремнеземом золы (SiO₂) последний поглощает оксиды, образуя силикаты, алюмосиликаты кальция и магния. В свою очередь, силикаты, алюмосиликаты кальция и магния при химическом взаимодействии с тонкодисперсной частью грунтов образуют водостойкие гидросиликаты, гидроалюмосиликаты кальция и магния (Са и Мg).

Катионы кальция (Са⁺⁺) и магния (Mg⁺⁺), содержащиеся в полуобожженом доломите, способствуют коагуляции тонкодисперсной фракции грунта с последующим образованием водостойких кристаллических структур новой твердой фазы, которые сращиваются между собой. Результатом сращивания является прочный и водостойкий монолит.

Кроме того, в результате гидратации и дедоломитизации содержащиеся в отходах оксиды кальция и магния образуют гидроксилы кальция и магния. Последние, в свою очередь, (гидроксиды кальция и магния) взаимодействуют с активным кремнеземом и глиноземом золы, создавая новообразования гидросиликатов и алюмосиликатов, которые обволакивают не прореагировавшие частицы доломита, кальцита и золы, служащие микронаполнителями в формирующемся монолите.

В результате физико-химического и химического взаимодействия грунта с укрепляющей композицией повышается его плотность, прочность и водостойкость.

Так, образцы укрепленные строительной композицией, включающей 60% отходов доломита и 40% золы, имеют прочность на сжатие 4,5 МПа, прочность на изгиб 2,2 МПа, коэффициент водостойкости К=0,75.

Прочностные показатели грунта позволяют использовать строительную композицию только для дорог 3-4 категории и для грунтов, имеющих нейтральную или щелочную среду (песчаные или обломочные грунты).

К недостаткам строительной композиции относится ограниченная возможность использования грунта для строительства дорог повышенной категории, дорог без покрытия и грунтов, имеющих кислую среду (суглинистые и глинистые грунты).

Задача, стоящая перед авторами, заключалась в разработке строительной композиции, позволяющей получать для строительства широкого диапазона дорог грунт, обладающий высокими прочностными, водо- и морозостойкими показателями за счет увеличения в 2-2,5 раза в процессе твердения количества центров кристаллизации, обусловленного наличием в композиции водонерастворимых кристаллов форстерита и энстатита.

Для достижения указанного результата в известной строительной композиции, включающий вяжущее с содержанием СаО, МgО, SiO₂ Al₂О₃, Fe₂О₃, SO₃ и п. п. , представляющее собой неполно обожженные отходы горнодобывающих производств, и кремнеземсодержащую добавку, в качестве вяжущего в ней взяты отходы производства брусита, а в качестве кремнеземсодержащей добавки – отходы производства цеолита при следующем соотношении компонентом, мас.%:
Неполно обожженные отходы бруситового производства – 60-80
Указанная кремнеземсодержащая добавка – 20-40
Кроме того, для укрепления грунта соотношение СаО к МgO в отходах бруситового производства выбрано равным по меньшей мере 1,5.

Благодаря введению строительной композиции в укрепляемый грунт значительно повышаются его физико-химические свойства. Улучшение показателей обусловлено следующими причинами.

При обжиге отходов бруситового производства кроме кальциевой и магнезиальной извести, которые при взаимодействии активно реагируют с кремнеземом и глиноземом цеолита, образуя прочные кристаллы силикатов, гидроксиликатов, гидроалюминатов Са и Мg, из серпентинита образуются минералы форстерита и энстатита. Последние являются дополнительными центрами кристаллизации в процессе взаимодействия с кремнеземом и глиноземом цеолита. Это приводит к дополнительному образованию силикатов, гидроксиликатов, гидроалюминатов Са и Мg. Наличие в составе отходов бруситового производства 14-15% серпентинита позволяет увеличить в 2-2,5 раза количество центров кристаллизации в укрепляемом грунте.

Увеличение количества центров кристаллизации и, как следствие, кристаллов силикатов, гидросиликатов, гидроалюминатов Са и Мg приводит к доуплотнению и доупрочнению дисперсных глинистых частиц грунта. При этом прочностные характеристики укрепленного грунта значительно повышаются.

Кроме того, наличие в отходах бруситового производства большого содержания окиси магния МgО (до 60%) приводит при гидратации к повышенному поглощению воды из грунта, что, в свою очередь, вызывает его осушение и переводит грунт из переувлажненного состояния до состояния оптимальной влажности. Следствие оптимальной влажности является максимальное уплотнение грунта, повышение водостойкости и морозостойкости.

Строительная композиция включает вяжущее, представляющее собой неполно обожженные отходы бруситового производства, в количестве 60-80%, и кремнеземсодержащую добавку, представляющую собой отходы производства цеолита, в количестве 20-40%.

Отходы бруситового производства содержат 65-66% брусита Мg(ОН)₂, 14-15% серпентинита Мg[(ОН)₈] Si₄О₁₀, 13-14% кальцита СаСО₃, доломита СаМgСО₃ и магнезита МgСO₃, 1,5-2% гидромагнезита Мg₅[СО₃]₄(ОН)₂4Н₂О, 1-2% кварца SiO₂ и имеют следующий химический состав: СаО – 1,46-12,46%, МgО – 55,02-62,73%, SiO₂ – 0,87-20,58, Fe₂О₃ – 0,02-1,15%.

После неполного обжига полученный продукт в своем составе содержит 35% СаО, 22% МgО, 8% SiO₂, 4% Fe₂О₃.

Отходы производства цеолита имеют следующий химический состав: SiO₂ – 69,7-70,58, (Al₂О₃ + ТiО₂) – 16,67-16,74%, FeO – 3,02-3,03%, СаО – 0,79-0,83%, МgO – 0,27-0,29% и активность по поглощению извести 100-200 мг/г СаО.

Строительную композицию получают следующим образом. Берут вскрышную породу бруситового производства, подвергают кратковременному обжигу в течение 2 ч при температуре 950-1000^oС. Неполно обожженную породу подвергают дроблению. При этом образовавшаяся кальциевая и магнезиальная известь имеет фракцию 0,2 мм, а необожженные частицы – 3-20 мм и являются наполнителем.

Полученную полуобожженную породу смешивают с молотым цеолитом в соотношении, выбранном из интервала, вес.%: неполно обожженные отходы бруситового производства – 60-80; цеолит – 20-40.

В дальнейшем для укрепления грунта строительную композицию вводят в разрыхленный укрепляемый грунт в количестве 10-20% от его массы, перемешивают, доводя влажность грунта до оптимальной, и уплотняют известными уплотняющими устройствами (катками, трамбовками и т.д.).

При обжиге основные минералы претерпевают определенные химические изменения.

При диссоциации брусита образуется окись магния, которая участвует в ионно-обменном процессе с глинистыми частицами грунта, создавая основной прочностной кристаллический каркас укрепляемого грунта из гидросиликатов Мg.

В результате диссоциации доломита получается магнезиальная известь, которая является основным вяжущим в укрепляемом грунте. Оставшиеся необожженные частицы доломита играют роль активных добавок, снижающих кислотность грунта. Нейтрализация кислотности позволяет укреплять кислые грунты, которые трудно поддаются упрочнению вяжущим.

В результате разложения серпентинита образуются тальк Мg[(ОН)₂]SiO₄О₁₀, форотерит Мg(SiO₄), энстатит Мg₂(Sl₂О₆), которые являются осушающими добавками, повышающими водостойкость грунта.

Кальцит при обжиге образует кальциевую известь, которая является дополнительным вяжущим и усиливает осушающий грунт эффект.

При обжиге кремнезем кварца приобретает аморфную фазу, активно поглощающую свободную известь.

Магнезит и гидромагнезит при обжиге дополнительно образуют окись магния, которая вместе с бруситом расходуется на образование основного кристаллического каркаса укрепляемого грунта.

Цеолит сорбирует известь и грунтовую воду, при этом кремнезем цеолита реагирует с известью, образуя силикаты и гидросиликаты Са и Мg, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации и способствует оптимальному соотношению в структуре твердения гелеобразной и кристаллических фаз.

Высокое содержание труднорастворимых кристаллов силикатов и гидросиликатов Са и Мg приводит к уплотнению и упрочнению укрепляемого грунта, а наличие гидросиликатов Мg в структуре – к повышению водостойкости и морозостойкости.

Для определения физико-механических показателей из укрепленного грунта изготавливались образцы-керны в виде цилиндров диаметром 5 см и высотой 10 см. Испытаниям подвергалась серия образцов 28-дневного возраста в количестве 3 штук для каждого примера. Результат взят как средний из трех образцов. Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 “Методы определения прочности по контрольным образцам”, на водостойкость – в соответствии с ГОСТ 26447-87 “Породы горные. Методы определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии”, на морозостойкость – в соответствии с ГОСТ 10060-87 “Методы определения морозостойкости”.

Пример 1. Берут 300 г (60%) неполно обожженных отходов бруситового производства и 200 г (40%) цеолита, смешивают с 5 кг суглинистого грунта влажностью 20%. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:10. В результате взаимодействия строительной композиции и грунта влажность испытуемого образца составляет 17%, что соответствует оптимальной влажности.

Пример 2. Образец изготавливают, как в примере 1. Образец изготавливают из 400 г (80%) неполно обожженных отходов бруситового производства, 100 г (20%) цеолита и 5 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:10.

Пример 3. Образец изготавливают, как в примере 1. Образец содержит 290 г (58%) неполно обожженных отходов бруситового производства, 210 г (42%) цеолита и 5 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:10.

Пример 4. Образец изготавливают, как в примере 1. Образец содержит 410 г (82%) неполно обожженных отходов бруситового производства, 90 г (18%) цеолита и 5 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:10.

Пример 5. Образец изготавливают, как в примере 1. Образец содержит 200 г (80%) неполно обожженных отходов бруситового производства, 50 г (20%) цеолита и 4 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:20.

Пример 6. Образец изготавливают, как в примере 1. Образец содержит 205 г (82%) неполно обожженных отходов бруситового производства, 45 г (18%) цеолита и 5 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:20.

Пример 7. Образец изготавливают, как описано в прототипе. Образец содержит 400 г(40%) вяжущего, 600 г (60%) золы-унос и 5 кг грунта. Соотношение строительной композиции и грунта равно 1:10.

Состав укрепленного грунта и результаты испытаний приведены в таблице.

Соотношение СаО и МgО в отходах бруситового производства составляет по меньшей мере 1:5.

При выборе соотношения СаО к МgО в отходах бруситового производства больше 1:5, например 1:6, количество кальциевой извести в композиции является недостаточной для образования силикатов и гидросиликатов Са. В результате в грунте преобладают силикаты и гидросиликаты Мg, что приводит к снижению прочности грунта, повышению его водостойкости и, как следствие, к раннему разрушению грунта под нагрузкой.

При выборе соотношения СаО к МgО в отходах бруситового производства меньше 1:5, например 1:4, пониженное содержание МgO приводит к снижению требуемой водостойкости.

Использование строительной композиции для укрепления грунта повышает по сравнению с прототипом прочность на сжатие в 1,5-2 раза, прочность на изгиб – в 1,2-2 раза, водостойкость на 10%, морозостойкость в 3 раза.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Ярмолинский А. И. Автомобильные дороги Дальнего Востока. – М.: Транспорт, 1994. – С.113.

2. Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства. Магнезиальные тампонажные вяжущие для глубоких скважин. Обзорная информация/ВНИИ экономики минерального сырья и геологоразведочных работ. – М., 1984. – С.8-9.

Формула изобретения

1. Строительная композиция, включающая вяжущее, представляющее собой неполно обожженные отходы горнодобывающих производств и содержащее, по крайней мере, оксиды кальция CaO, магния МgО, кремния SiO₂ и железа Fe₂О₃, и кремнеземсодержащую добавку, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего она содержит отходы бруситового производства, а в качестве кремнеземсодержащей добавки – отходы производства цеолита при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Неполно обожженные отходы бруситового производства – 60-80
Указанная кремнеземсодержащая добавка – 20-40
2. Строительная композиция по п.1, отличающаяся тем, что отношение CaO к MgO в отходах бруситового производства составляет, по меньшей мере, 1:5.

РИСУНКИ