Дорожно-строительный материал - техногенный укреплённый грунт «БРИТ» и способы строительства конструктивных слоёв дорожной одеждыс его использованием

Группа изобретений относится к дорожно-строительным материалам и способам укрепления грунтов при строительстве автомобильных дорог, и может быть использована при устройстве конструктивных слоев дорожной одежды объектов транспортной инфраструктуры месторождений углеводородного сырья.

На месторождениях углеводородного сырья в северных регионах России при возведении насыпей в качестве основного строительного материала в большинстве случаев используют местные минеральные грунты такие, как например, песчаные или песчано-гравийные, которые не всегда обладают требуемыми физико-механическими характеристиками и не пригодны для устройства конструктивных слоев дорожной одежды. Автомобильные дороги, устроенные из таких местных грунтов зачастую не способны обеспечить требуемую несущую способность, и, как следствие, круглогодичный беспрепятственный проезд техники. Таким образом, для обеспечения круглогодичного движения возникает необходимость их дополнительного укрепления.

Повысить несущую способность местных минеральных грунтов можно путем улучшения их гранулометрического состава, добавляя в грунт отсевы дробления или щебень. Однако, такие строительные материалы в районах добычи углеводородного сырья, как правило, отсутствуют. В этой связи возникает необходимость в их транспортировки из других регионов, что приводит к значительному удорожанию строительства дорог.

Иногда для укрепления грунтов и строительства дорог используют отходы бурения - буровой шлам, образующийся на месторождениях углеводородного сырья, и который применяют в составе комплексного органоминерального вяжущего.

Например, известен «Дорожно-строительный композиционный материал» (патент РФ на изобретение №2551560, опубл. 10.04.2015, МПК C04B 28/02, C04B 18/04, E02D 3/12, C04B 111/20, C04B 111/27), который может быть использован для сооружения земляного полотна и устройства укрепленных дорожных оснований на дорогах I-V категорий во II-V дорожно-климатических зонах, а также покрытий на дорогах IV-V категорий в качестве материала для сооружения насыпей земляного полотна и укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок.

Техническим результатом этого изобретения является снижение расхода цемента, улучшение экологической обстановки за счет утилизации отходов бурения и золошлаковой смеси. Данный дорожно-строительный композиционный материал включает в себя - буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм³ и влажностью 30%, цемент в качестве основного вяжущего материала в количестве 5-15% от массы смеси, отходы термической утилизации нефтешламов (золошлак) плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм³ в количестве 30-40% от массы смеси, минеральный наполнитель и сорбент-комплексообразователь, где в качестве сорбента-комплексообразователя используется органический волокнистый (торфяной) сорбент в количестве 2-4% от массы смеси, в качестве цемента используется портландцемент, дополнительно содержит жидкое стекло или органогидридсилоксаны, а в качестве наполнителя используют песок, причем содержание песка в составе материала 5, или 10, или 30 мас. %.

Недостатками указанного изобретения является то, что для производства строительных работ с использованием заявленного материала требуется большое количество привозных компонентов и реагентов.

Также известен «Дорожно-строительный композиционный материал на основе бурового шлама» (патент РФ на изобретение №2629634, опубл. 30.08.2017, МПК E01C 3/04, E01C 7/10, C04B 18/04, C04B 28/04, C04B 111/20), относящийся к строительным материалам, используемым для укладки в качестве дорожного покрытия дороги IV категории, сооружения насыпей земляного полотна, укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок.

Технический результат известного технического решения - увеличение прочности покрытий и оснований дорог при снижении затрат. Данный дорожно-строительный композиционный материал на основе бурового шлама характеризуется тем, что он приготовлен путем перемешивания бурового шлама влажностью 50-60%, полученного при бурении скважины на технической воде плотностью 1300-1800 кг/м³, портландцемента, мелкого заполнителя (кварцевого песка) крупностью 1,5-3 мм в зависимости от содержания его в буровом шламе, добавления хлорида кальция, воды, исходя из условия необходимой пластичности смеси в зависимости от влажности бурового шлама при следующем соотношении компонентов, мас. %:

буровой шлам 60-80,

портландцемент 10-20,

мелкий заполнитель 0-20,

хлорид кальция 3-5 (от массы портландцемента),

вода - остальное.

Использование данного композиционного материала имеет недостатки, состоящие в том, что, во-первых, существуют ограничения по крупности мелкого заполнителя (кварцевого песка), а во-вторых, сохраняется необходимость введения большого количества привозных компонентов, что существенно удорожает строительство.

Известен «Состав для стабилизации грунта и способ его использования в дорожном строительстве» (патент РФ на изобретение №2281356, опубл. 10.08.2006, МПК E01C 7/36, E02D 3/12), содержащий гипс, цемент, известь и минеральную добавку, причем в него дополнительно введены доменный шлак и базальтовые волокна, а в качестве минеральной добавки вводится сажа при следующих соотношениях компонентов, массовые доли %:

гипс - 35-42;

известь - 17-23;

цемент - 9-14;

доменный шлак - 9-14;

базальтовые волокна - 0,1-1,0;

сажа - 17-22.

Способ использования указанного состава для стабилизации грунта при ремонте или строительстве оснований дорог включает предварительную подготовку грунта, внесение в разрыхленный грунт заданного количества состава для стабилизации грунта при естественной влажности грунта меньше оптимальной, нанесение смеси на дорожное основание с одновременным перемешиванием и увлажнением смеси до оптимальной влажности, последующее уплотнение смеси, при этом для стабилизации грунта применяют состав в количестве 4-6 долей % от массы обрабатываемого грунта, а увлажнение смеси осуществляют до достижения влажности 20%.

Основным недостатком данного технического решения является сложный компонентный состав смеси и низкий процент использования местных материалов, и, как следствие, высокая стоимость применяемых материалов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Способ утилизации буровых отходов» (патент РФ на изобретение №2508170, опубл. 27.02.2014, МПК B09B 3/00, B28C 5/00), который включает смешивание бурового шлама, негашеной извести, торфа, цемента и песка, дополнительно осуществляют смешивание бурового шлама с углеродом техническим с последующим смешиванием с негашеной известью, после чего осуществляют последовательное смешивание с торфом, цементом и песком, а затем полученную смесь выдерживают в течение 2 или 3 суток при следующем соотношении компонентов, мас. %:

буровой шлам - 40-60;

углерод технический - 2-5;

цемент - 10-15;

песок - 10-15;

торф - 15-20;

негашеная известь - остальное.

Этот способ позволяет повысить степень обезвреживания нефтесодержащих буровых шламов за счет нейтрализации токсичных компонентов буровых шламов и за счет использования нетоксичных компонентов, обеспечивается возможность переработки нефтесодержащих буровых шламов в строительный материал с повышенной прочностью, в экологически безопасный грунт, пригодный для компактного складирования или для использования в качестве мелиоранта для мульчирования рекультивируемого участка с улучшенными экологическими свойствами.

Однако, использование указанного материала имеет недостаток, состоящий в том, что в силу многокомпонентности его состава возникает сложность в обеспечении достаточной точности дозировок компонентов на месте производства работ, необходимость вовлечения большого количества привозных компонентов, обладающих высокой стоимостью и часто невозможностью их доставки в короткий строительный сезон, что приводит к увеличению стоимости участка строительства дорожной одежды.

Решаемой технической проблемой является низкая несущая способность конструктивных слоев дорожной одежды, возводимых при строительстве дорог на месторождениях углеводородного сырья из местных песчаных или песчано-гравийных материалов, так как конструктивные слои дорожной одежды, изготовленные известными способами с применением местных минеральных грунтов не способны длительно выдерживать нагрузки при движении по ним тяжелых автотранспортных средства, а применение для этой цели привозных минеральных материалов, которые необходимо завозить в короткий строительный сезон в большом количестве, приводит к существенному удорожанию строительства дорог.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочности и несущей способности слоев дорожной одежды, полученных с использованием местных минеральных грунтов, находящихся на месторождениях углеводородного сырья.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что для строительства дорог применяют дорожно-строительный материал - техногенный укрепленный грунт «БРИТ», который имеет достаточно простой состав, при этом в качестве укрепляющего компонента используют комплексное органоминеральное вяжущее, состоящее из двух компонентов - портландцемента и медленнораспадающейся эмульсии с органическим вяжущим (битумом или асфальтом деасфальтизации), которое стабильно по своему составу и совместимо при производстве строительных работ с местными минеральными грунтами, а вода, содержащаяся в эмульсии, вступает в реакцию гидратации с минералами, содержащимися в цементном клинкере, обеспечивая подвижность и удобоукладываемость полученного материала до начала укладки в конструктивный слой дорожной одежды.

В результате использования однородного (одноразмерного) по зерновому составу местного минерального грунта в сочетании с буровым шламом и комплексным органоминеральным вяжущим происходит изменение гранулометрического состава за счет цементации и образования частиц грунта других размеров. Таким образом, получается оптимальный по составу и физико-механическим показателям техногенный укрепленный грунт, обладающий принципиально новыми, в том числе упруго-пластичными свойствами, носящими постоянный характер. Кроме того, за счет применения техногенного укрепленного грунта образуется водостойкий барьер, который препятствует проникновению воды в конструктивные слои дорожной одежды сверху и капиллярной влаги снизу.

Заявляемый дорожно-строительный материал - техногенный укрепленный грунт «БРИТ» состоит из двух компонентов - грунто-шламовой смеси и комплексного органоминерального вяжущего.

Грунто-шламовая смесь состоит из (% по массе):

Минеральный грунт - (56±20);

Шламовая смесь - (26,6±20), содержащая в своем составе (по массе): портландцемент - от 2 до 4 % и буровой шлам - от 96 до 98 %.

Комплексное органоминеральное вяжущее состоит из (% по массе):

Портландцемент - (9,3±2,8);

Эмульсия медленнораспадающаяся с органическим вяжущим - (8,3±2,0).

Процентные соотношения компонентов были подобраны опытным путем в лабораторных условиях, при этом конкретные значения их дозировки на практике определяются в зависимости от состава используемого бурового шлама и водно-физических свойств укрепляемого грунта.

При этом, выход за границы процентного содержания местного минерального грунта и шламовой смеси, влечет за собой изменение оптимального зернового состава техногенного укрепленного грунта, а также риски неполучения требуемой консистенции, и, как следствие, невозможности его транспортирования к месту укладки и проблемам с его распределением по дороге и формированием слоя покрытия.

Уменьшение процентного содержания портландцемента в комплексном органоминеральном вяжущем материале ниже 6,5% влечет за собой снижение прочности материала на сжатие и соответственно несущей способности слоя конструктивной одежды, а увеличение содержания цемента выше 12,1% приводит к образованию температурно-усадочных трещин в устраиваемом слое при твердении и, как следствию, разрушениями уложенного слоя.

Процентным содержанием эмульсии регулируют такие показатели как водостойкость, и морозостойкость полученного материала, при этом, увеличение содержания эмульсии снижает удобоукладываемость и уплотняемость смеси, а уменьшение содержания эмульсии негативно сказывается на водостойкости и морозостойкости получаемого техногенного укрепленного грунта, как следствие его долговечности.

Таким образом, заявляемый дорожно-строительный материал - техногенный укрепленный грунт «БРИТ» позволяет максимально эффективно использовать при строительстве объектов транспортной инфраструктуры месторождений углеводородного сырья местные минеральные грунты, а также повысить несущую способностью конструктивных слоев дорожной одежды, построенных с их применением.

Заявляемые способы строительства конструктивных слоев дорожной одежды с использованием заявляемого материала включают следующие этапы: предварительно готовят стабилизированную шламовую смесь для получения агрегатного состояния, при котором возможна транспортировка данного материала на объект строительства и далее полученную смесь оставляют в покое не менее чем на 18 часов для обеспечения начала реакции гидратации и получения тестообразной смеси, пригодной для транспортировки и последующего распределения строительной техникой.

В результате получают материал, представляющий собой химически нейтральный тестообразный продукт однородного агрегатного состояния, в основе которого содержится буровой шлам.

Далее производят перемешивание местного минерального грунта и шламовой смеси с добавлением комплексного органоминерального вяжущего, осуществляемое по двум вариантам.

По первому варианту грунто-шламовую смесь получают на месте производства работ для чего полученную шламовую смесь равномерно распределяют по конструктивному слою дорожной одежды и перемешивают ее с местным, подлежащим укреплению минеральным грунтом при помощи ресайклера или другой грунтосмесительной машины, далее перемешанный слой уплотняют дорожным катком до требуемой плотности, после чего, по поверхности полученного слоя распределяют портландцемент с последующим повторным проходом ресайклера или другой грунтосмесительной машины с одновременным введением органического вяжущего. При этом глубина рыхления и перемешивания зависит от толщины устраиваемого слоя в уплотненном состоянии, и задается с запасом на уплотнение в диапазоне от 1,2 до 1,8. Конкретная величина запаса уточняется при пробной укладке и зависит от рецептуры. После этого производят окончательное уплотнение устраиваемого слоя дорожной одежды, полученного из техногенного укрепленного грунта при помощи дорожного катка.

По второму варианту полученную шламовую смесь доставляют к месту нахождения грунтосмесительной установки в которой получают техногенный укрепленный грунт путем смешения в заданных пропорциях грунто-шламовой смеси и комплексного органоминерального вяжущего. Таким образом, в отличие от первого варианта смешение компонентов в грунтосмесительной установке позволяет достичь более точной их дозировки по массе и обеспечить точное соблюдение рецептуры. При данном способе также исключается использование ресайклера или другой грунтосмесительной машины, а распределение готового техногенного укрепленного грунта возможно осуществлять при помощи бульдозера, грейдера, асфальтоукладчика или иной техники, обеспечивающей равномерное распределение материала по ширине и толщине устраиваемого слоя.

Таким образом, за счет использования при строительстве дорог комплексного органоминерального вяжущего, которое совместимо с местными минеральными грунтами повышается несущая способность дорожной одежды, а также уменьшается риск преждевременной ветровой и дождевой эрозии, при этом обеспечивается круглогодичный проезд транспорта по таким дорогам.

С целью проверки эффективности строительства дорог с помощью дорожно-строительного материала - техногенного укрепленного грунта «БРИТ» и заявляемых способов строительства конструктивных слоев дорожной одежды с его использованием были проведены опытно-промышленные испытания на автомобильной дороге «Примыкание куста №76 - куст №76, инв. №87453017» для нужд филиала «Газпромнефть-Муравленко» АО «Газпромнефть - Ноябрьскнефтегаз».

Результаты сравнительных испытаний составов техногенных укрепленных грунтов с использованием предварительно приготовленной смеси бурового шлама и портландцемента (в соотношении 96% к 4% соответственно) и без ее использования приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Из таблицы 1 видно, что все качественные показатели при укреплении грунта с использованием предварительно приготовленной шламовой смеси (бурового шлама и портландцемента) превосходят соответствующие показатели укрепленного грунта без ее использования.

Использование в составе слоя дорожной одежды предварительно приготовленной шламовой смеси обеспечивает повышение его прочностных характеристик, а также улучшает такие показатели как длительная водостойкость и морозостойкость. При этом, полученный дорожно-строительный материал - техногенный укрепленный грунт «Брит» является безопасным для окружающей среды, что позволяет его использовать при обустройстве месторождений углеводородного сырья в полном соответствии с природоохранным законодательством.

Таким образом, в результате проведенных опытно-промышленных испытаний было подтверждено, что достигается заявленный технический результат, заключающийся в повышении прочности и несущей способности слоев дорожной одежды, полученных с использованием местных минеральных грунтов, находящихся на месторождениях углеводородного сырья.

Заявляемый компонентный состав дорожно-строительного материала - техногенного укрепленного грунта «Брит» и способы строительства конструктивных слоев дорожной одежды из него в настоящее время не имеют аналогов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой группы изобретений условию патентоспособности «новизна», а их «изобретательский уровень» обеспечивается тем, что использование в составе техногенного укрепленного грунта «Брит» бурового шлама в сочетании с комплексным органо-минеральным вяжущим в соотношениях, подобранных экспериментальным путем показало неожиданно высокую эффективность применения данного материала, заключающуюся в повышении долговечности устраиваемых конструктивных слоев дорожной одежды и их высокой ремонтопригодности, а также в том, что за счет изменения гранулометрического состава в процессе приготовления грунт приобрел принципиально новые и полезные упруго-пластические свойства.