золоминеральный состав для оснований дорожных одежд

Формула изобретения

Золоминеральная смесь для оснований дорожных одежд, включающая наполнитель, золу и связующие, отличающаяся тем, что смесь в качестве наполнителя содержит песок фр. до 3 мм, отсев щебеночного производства фр. до 10 мм, в качестве золы - золу от сжигания осадка сточных вод с удельной поверхностью 200-300 м ²/кг, насыпной плотностью 0,7-0,8 г/м³ , содержанием SiO₂ - 50-60% и рН 12-13,5, а в качестве связующих - битум и цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

песок фр. до 3 мм	10-18
отсев щебеночного производства фр. до 10 мм	10-15
зола от сжигания осадка сточных вод	35-55
нефтяной дорожный битум	5-10
портландцемент не ниже 400	6-12
вода, % от массы смеси	15-20

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, конкретно к золоминеральным составам для оснований дорожных одежд, и может быть использовано в дорожном строительстве.

При строительстве дорог необходимо в больших объемах иметь сырье, являющееся основой составов, обеспечивающих заданные требования к дорожным одеждам.

В частности, в качестве минерального сырья может быть использована зола, которая в больших объемах производится в результате сжигания осадка сточных вод.

Актуальность использования золы в дорожном строительстве усиливается тем, что эту золу в настоящее время бесполезно утилизируют путем складирования на полигонах. Содержание таких полигонов требует высоких материально-технических затрат. Зола содержит соли тяжелых металлов, которые в несвязанном состоянии выщелачиваются в окружающую среду и нарушают требования по обеспечению экологической безопасности.

В связанном состоянии эти соли выносятся в окружающую среду в объемах, не превышающих допустимые нормы.

Известен состав для устройства оснований дорожных одежд (патент РФ №2246571), включающий в качестве вяжущего минеральные вещества. Этот состав включает щебень шлаковый и продукты распада шлака, при этом в качестве минерального вяжущего он дополнительно содержит застабилизированный шлак от производства рафинированного феррохрома (РФХ) при следующих соотношениях компонентов, мас.%: щебень шлаковый 10-70 мм - 30-40; продукты распада шлака РФХ 0-70 мм - 20-30; застабилизированный шлак РФХ 0-10 мм - 25-35; вода - остальное.

Применение этого состава в дорожном строительстве обеспечивает повышение первоначальной прочности состава для устройства оснований дорожных одежд, ограничение вымывания и аэрации из состава мелкодиспесных продуктов распада шлака.

Недостатком этого состава является то, что в качестве минерального вяжущего используются различные модификации шлака, являющегося отходом малотоннажного производства, размещение которого не всегда адекватно местам строительства дорог. Такой шлак необходимо иметь и доставлять на строительство дороги в больших объемах, что связано с высокими материально-техническими затратами.

Известен состав для изготовления автоклавного золопенобетона (патент РФ №2256632), который может быть использован для изготовления изделий в промышленном и гражданском строительстве.

Этот состав включает цемент, известь, воду и пенобетонообразующую добавку, а в качестве наполнителя содержит песок и золу от сжигания осадка сточных вод при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 28,7-33,5, известь 4,6-7,6, песок 17,5-18,1, зола 17,5-18,1, пенообразующая добавка 0,32-0,33, вода 26,57-27,81.

Недостатком этого состава является то, что для изготовления строительных изделий необходимо формировать и обрабатывать изделия в автоклавах. Этот технологический процесс требует дорогостоящего оборудования и больших материально-технических затрат для использования при изготовлении дорожных одежд.

Кроме того, этот состав предусматривает использование относительно низкого процента золы, что снижает величину объемов золы, подлежащей утилизации, и экономическую эффективность утилизации золы.

Наиболее близким по техническому решению, принятым за прототип, является золоминеральная смесь для оснований дорожных одежд и способ ее приготовления (патент РФ №2135681). Эта смесь в качестве наполнителя содержит щебень строительный фракции 5-60 мм и отходы щебеночного производства фракции 0-5 мм, в качестве золы - золу-унос от сжигания каменных углей, а в качестве извести отходы известкового производства - известь-пушонку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- щебень строительный фр. 5-60 мм - 18-27;

- отходы щебеночного производства фр. 0-5 мм - 23-33;

- зола-унос от сжигания каменного угля - 33-45;

- отходы известкового производства - известь-пушонка - 4-12;

- подмыльный щелок - 8-13.

Недостатками описанного выше золоминерального состава являются:

- относительно малое количество золы с позиции ее утилизации, включенное в состав золоматериала;

- недостаточное количество связующих, препятствующих выщелачиванию солей тяжелых металлов из дорожной одежды в окружающую среду в начальный период строительства.

Задачей настоящего изобретения является создание золоминеральной смеси для строительного материала, применяемого в дорожном строительстве, при условии обеспечения утилизации золы, полученной от сжигания осадка сточных вод, и расширения сырьевой базы для строительства дорог.

Поставленная задача решается тем, что смесь в качестве наполнителя содержит песок фр. до 3 мм, отходы щебеночного производства фр. до 10 мм, в качестве золы - золу от сжигания осадка сточных вод с удельной поверхностью 200-300 м²/кг, насыпной плотностью 0,7-0,8 г/м³, содержанием SiO ₂ - 50-60% и рН 12-13,5, а в качестве связующих - битум и цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- песок фр. до 3 мм - 10-18;

- отсев щебеночного производства фр. до 10 мм - 10-15;

- зола от сжигания осадка сточных вод - 35-55;

- нефтяной дорожный битум - 5-10;

- портландцемент не ниже 400 - 6-12;

- вода 15-20% от массы смеси.

При транспортировке влажность золы должна составлять не более 20%.

Новыми отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- Увеличение содержания золы от сжигания осадка сточных вод до 35-55%, что позволяет увеличить объемы утилизации золы, производящейся в избыточных количествах.

- Использование в качестве наполнителей песка фр. до 3 мм 10-18% и отходов щебеночного производства фр. до 10 мм - 12-15%, обеспечивающих необходимую прочность основания дорожной одежды.

- Включение в состав золоминерального материала битума по массе от 5 до 10% позволяет заполнить микропоры материала, повысить его водостойкость и, как следствие, его устойчивость при изменении температуры окружающей среды: стойкость при замораживании и размораживании.

- Использование в качестве связующего в предлагаемой смеси от 6 до 12% цемента. Цемент обеспечивает повышение прочности материала, а также способствует адсорбции и связыванию ионов тяжелых металлов, предотвращая их выщелачивание в окружающую среду и нарушение экологической безопасности.

Кроме того, предложенное количество цемента в составе золоминеральной смеси способствует активизации возникновения связующих свойств смеси зола-цемент, формированию структуры золоминерального материала и получению монолитной массы, что обуславливает повышение долговечности основания дорожной одежды.

- В составе предложенного материала отсутствуют известь и щелочь. Вяжущие свойства обеспечивает цемент, а водостойкость - битум.

Техническим результатом изобретения является утилизация золы, полученной в результате сжигания осадка сточных вод, при изготовлении дорожных строительных материалов, и расширение сырьевой базы для дорожного строительства.

Вследствие этого уменьшается расход ресурсов, связанных со складированием золы на полигонах: выделение площадей и обслуживание полигонов (доставка золы, проведение экологических измерений, поддержания полигонов в рабочем состояния и др.).

Технический результат обеспечивается путем введения в состав золоминеральной смеси 35-55% золы от сжигания осадка сточных вод, наполнителей в виде песка, щебня и битума для повышения прочности материала и его устойчивости при изменении температуры и влажности окружающей среды, а также цемента для придания золоматериалу долговечности, связывания ионов тяжелых металлов и предотвращения их выщелачивания в окружающую среду.

По сведениям, имеющимся у авторов, приведенные отличительные признаки являются новыми и в технической литературе не представлены. Совместное их применение в заявленной полезной модели позволяет получить требуемый положительный технический результат.

Изготовление смеси осуществляется следующим образом.

Смешение всех 5 компонентов производится в три стадии.

Первая стадия смешения включает дозированную подачу из отдельных четырех бункеров на горизонтальный транспортер соответственно песка, отходов щебеночного производства, золы от сжигания осадка сточных вод и цемента.

На второй стадии производства выполняется пересыпание и перемешивание массы четырех минеральных компонентов в смесителе, добавление дозированного объема битума, непрерывное перемешивание всей массы до получения требуемой консистенции золоминеральной смеси.

На третьей стадии в работающий смеситель добавляется необходимый объем воды, после чего смесь готова к укладке.

Работы выполняется при положительной температуре окружающей среды.

Из смесителя готовая масса золоминеральной смеси загружается в самосвал и доставляется к подготовленному месту укладки. Затем производится укладка золоминеральной смеси, уплотнение, выдержка и, при необходимости, последующая укладка асфальтовой смеси в качестве покрытия дорожной одежды. В течение 20-30 суток золоминеральная масса набирает заданную рецептурой прочность и превращается в монолит. Толщина основания дорожной одежды составляет 18-25 см и укладывается в один прием.

В соответствии с полезной моделью были изготовлены три различных состава золоминеральной смеси - СЗМ-1, СЗМ-2, СЗМ-3.

Для приготовления предлагаемых золоминеральных смесей были использованы компоненты, соответствующие требованиям ГОСТов и СНиП:

- песок фр. до 3 мм по ГОСТ 8736-93;

- отходы щебеночного производства 2 класса повышенной крупности по ГОСТ 8736-93;

- нефтяной дорожный битум;

- портландцемент не ниже 400 по ГОСТ 10178-85;

- вода по ГОСТ 23732-79.

Для составления золоминеральной смеси в качестве золы была использована зола от сжигания осадка сточных вод с удельной поверхностью 250 м²/кг, насыпной плотностью 0,7-0,8 г/м ³ и рН 12-13,5, а в качестве связующих - битум и цемент.

Определение физико-механических показателей образцов золоминеральных смесей (СЗМ-1, СЗМ-2, СЗМ-3) проводилось после 30-суточного хранения во влажных условиях.

Характеристики золоминеральных смесей СЗМ-1, СЗМ-2 и СЗМ-3 представлены в табл.1 и 2.

Из анализа данных табл.1 и 2 следует, что предлагаемые составы СЗМ-1, СЗМ-2 и СЗМ-3 по своим физико-механическим показателям отвечают требованиям, предъявляемым к материалам для оснований дорожных одежд.

В связи с этим предложенные материалы могут быть использованы для изготовления оснований дорожных одежд, в частности лесовозных дорог, обеспечивая необходимые модуль упругости в пределах 100-120 МПа, прочность на сжатие в пределах 1-7 МПа, на растяжение в пределах 0,5-1,2 МПа и коэффициент морозостойкости в пределах 0,65-0,8.

По своему составу материал по сравнению с прототипом отличается увеличенным содержанием золы и вследствие этого имеет повышенную утилизационную емкость.

Таблица 1
№ составов	Марка материала	Модуль упругости, МПа	Состав смеси в % по массе					Вода (% от массы смеси)
			Песок	Отсев щебен. произв.	Зола	Нефтяной битум	Портланд цемент
СЗМ-1	К-45	Е 200-450	16-18	10-12	35-40	8-10	6-7	15-20
СЗМ-2	К-55	Е 450-550	12-16	12-13	40-50	6-8	7-10	15-20
СЗМ-3	К-65	Е 550-650	10-12	13-15	50-55	5-6	10-12	15-20

Таблица 2
Наименование показателей	СЗМ-1	СЗМ-2	СЗМ-3
Предел прочности при сжатии образцов в возрасте 30 суток МПа	2-1	4-2	7-4
Предел прочности на растяжение при изгибе водонасыщенных образцов в возрасте 30 суток МПа, не менее	0,5	0,7	1,2
Коэффициент морозостойкости, не менее	0,55	0,65	0,8

Применение предложенного материала позволяет обеспечить утилизацию золы, получаемой в результате сжигания осадка сточных вод, и расширение сырьевой базы для дорожного строительства.

Кроме того, использование предложенного материала на основе золы от сжигания сточных вод позволяет уменьшить расход ресурсов, связанных со складированием золы на полигоне, которое осуществляется в настоящее время.

Заявленное техническое решение может быть реализовано в строительстве оснований дорог при использовании доступных материалов, типового оборудования и агрегатов.