Композиция для консервации промышленных отвалов
Владельцы патента RU 2444627:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" (RU)
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для консервации отвалов промышленных и бытовых отходов. Композиция для консервации отвалов промышленных и бытовых отходов включает заполнитель, портландцемент, минеральный материал и воду. В качестве заполнителя используется отход литейного производства - отработанная формовочная земля, минеральная добавка - цеолит, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: отработанная формовочная земля - 80,6-85,0; портландцемент - 5,0-8,2; минеральная добавка - 2,4-6,5; вода - остальное. Обеспечивает повышение физико-механических свойств и снижение водонасыщенности материалов при изменении температуры окружающей среды, используемых для консервации отвалов промышленных и бытовых отходов. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к горному делу, а более конкретно к композиту для консервации промышленных отвалов отходов производства и отвалов бытовых отходов. В простейшем случае консервация отвалов промышленных и бытовых отходов состоит в возведении ограждения по периметру отвала путем проведения глубоких траншей и заполнения траншей строительными смесями или бетонами. После затвердевания бетона в траншеях производят установку подпорной стенки. Подпорная стенка препятствует движению по поверхности отвала грунтовых и дождевых вод. Создание таких сооружений в области многолетнемерзлых пород с применением обычных составов с цементами осложняется из-за поглощения тепла, выделяемого при гидратации цемента. При этом значительно увеличивается срок набора нормативной прочности во времени цементного камня.
Известен «Способ консервации и изоляции техногенных месторождений» (патент RU №2301300 от 13.02.2006 г.). Способ состоит в создании искусственного покрытия техногенных месторождений защитной пленкой с последующей насыпкой слоями грунта. Недостаток способа - слабая защита поверхности месторождения от подпорных вод, трудность локализации и тушения пожаров от самовозгорания под слоями пород.
Известна «Композиция для устройства конструктивных слоев дорожных одежд» (А.с. №655775 RU, опубл. 30.12.1977 г.), включающая, мас.%:
| Портландцемент | 8-10 |
| Глицериновый гудрон | 0,05-0,15 |
| Связной грунт | Остальное |
Недостатками известных композиций является их низкая прочность при сжатии и растяжении, низкая морозоустойчивость, а также высокая величина водонасыщения.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является композиция (Петрашевский Р.Ц. Цементогрунт в дорожном строительстве Белоруссии. «Автомобильные дороги», М., 1965, №7, с.13) по устройству дорожных оснований, выбранная в качестве прототипа, включающая, мас.%:
| Мелкий песок | 82-86 |
| Портландцемент | 7-10 |
| Вода | Остальное |
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение физико-механических свойств и снижение водонасыщенности материалов при изменении температуры окружающей среды, используемых для консервации отвалов промышленных и бытовых отходов.
Технический результат достигается тем, что «Композиция для консервации промышленных отвалов», включающая заполнитель, портландцемент и воду, отличающаяся тем, что она согласно изобретению в качестве заполнителя содержит отход литейного производства - отработанную формовочную землю, минеральную добавку - цеолит, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Отработанная формовочная земля | 80,6-85 |
| Портландцемент | 5,0-8,2 |
| Минеральная добавка - цеолит | 2,4-6,5 |
| Вода | Остальное |
Отработанная формовочная земля (ОФЗ) является отходом литейного производства и после использования вывозится в больших количествах в отвалы. Она представляет собой порошкообразный материал темно-серого или черного цвета плотностью 2,41-2,48 и объемной насыпной массой 1,38-1,42 т/м3, пустотностью в неуплотненном состоянии 41-45%. Модуль крупности ее находится в пределах 1,1-1,2, что соответствует мелкому песку. Основным составляющим компонентом являются зерна кварца SiO2 с примесью других окислов.
Химический состав ОФЗ включает, мас.%:
| SiO2 | 91-97 |
| Fe2O3 | 0,3-1,2 |
| Al2O3 | 0,8-5,5 |
| CaO+MgO | 0,5-3,1 |
| Na2O+K2O | 0,2-0,4 |
| S | 0,02-0,13 |
| Потери при прокаливании | 0,9-3,5 |
В состав исходных формовочных смесей непременно входит связующее. В качестве связующего могут применять как неорганические реагенты (например, жидкое стекло), так и органические вещества (карбамидные, фенолформальдегидные смолы, продукты лесо-нефтехимии).
В результате высокотемпературного (до 1400°С) воздействия на исходную формовочную смесь при заливке металла происходят выгорание большей части связующего и частичное его коксование с образованием мелких частиц углерода, выражающегося величиной потерь при прокаливании, а также темной окраской ОФЗ. Зерна песка, содержащегося в формовочной смеси, при воздействии высоких температур претерпевают модификационные превращения (при 573°С α-кварц переходит в β-кварц; последний при температуре 870°С переходит в тридимит). При этом происходит быстрое расширение зерен кварца, сопровождающееся появлением в них значительного количества внутренних напряжений и растрескиванием. При разрушении песчинок открываются поверхности активного кремнезема. Последний при перемешивании отработанной формовочной земли с цементом и водой способен реагировать с известью, выделяющейся в процессе гидролиза цемента с образованием устойчивых кристаллических соединений типа гидросиликатов кальция mSiO2+nCa(OH)2+kH2O→nCaOmSiO2(k+n)H2O.
Таким образом, помимо основных цементирующих компонентов, выделяющихся в результате гидролиза и гидратации цемента, появляется дополнительное цементирующее вещество, участвующее в структурообразовании материала. По гранулометрическому составу ОФЗ является одноразмерным материалом с содержанием частиц размером 0,1-0,4 мм в количестве 85-90%, т.е. ОФЗ соответствует одномерному мелкому песку.
Цеолиты - большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов. Кристаллическая структура цеолитов Сокирницкого месторождения образована тетраэдрическими группами SiO2/4 и AlO2/4, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас. Решетки тетраэдров имеют весьма большие полости и каналы, молекулы воды с ней связаны слабо, поэтому цеолиты легко отдают свою кристаллизационную воду и обладают способностью к обратному катионному обмену без разрушения кристаллической решетки. Частицы цеолита, равномерно распределяясь в вяжущем, раздвигают зерна цемента, способствуют более полной гидратации, как следствие, большему тепловыделению. Добавка 15% цеолитов по отношению к вяжущему во все рассматриваемые сроки твердения цементного камня незначительно повышает тепловыделение. Наибольший эффект достигается при содержании цеолитов от 30 до 85%. По кинетике тепловыделения вяжущие с добавкой ведут себя так же, как без добавки: максимум температуры достигается в течение первых суток после затворения. Составы с применением цеолита набирают более высокую прочность за пределами 28 суточного контрольного срока (см. таблицу 2).
Пример состава композиции. Готовят композицию для консервации, в качестве компонент которой используют портландцемент марки «400» и ОФ3 - продукт высокотемпературного воздействия на формовочную смесь на органическом (нефтехимическом) связующем. При этом содержание частиц размером 0,1-0,4 мм составляет 85%, а химический состав отработанной формовочной земли следующий, мас.%.
| SiO2 | 92 |
| Fe2O3 | 1,2 |
| Al2O3 | 2,5 |
| CaO+MgO | 2,5 |
| Na2O+K2O | 0,3 |
| S | 0,1 |
| Потери при прокаливании | 1,4 |
Соотношение компонентов композиций и результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 1, причем необходимо учитывать, что увеличение водоцементного отношения при неизменной дозировке цемента в смеси ведет к снижению прочности укрепленного материала. Результаты испытаний образцов из предлагаемой композиции приводятся в таблице 1.
| Таблица 2 | |||||
| Прочностные свойства материала с течением времени | |||||
| Вариант состава | Прочность при твердении в течение суток, МПа | ||||
| 3 | 7 | 28 | 60 | 90 | |
| Состав без цеолита | 1,5 | 2,3 | 2,85 | 3,6 | 4,1 |
| Состав с цеолитом | 1,4 | 2,4 | 5,35 | 6,2 | 6,6 |
Композиция для консервации отвалов промышленных и бытовых отходов, включающая заполнитель, портландцемент, минеральный материал и воду, отличающаяся тем, что она в качестве заполнителя содержит отход литейного производства - отработанную формовочную землю и минеральную добавку - цеолит при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Отработанная формовочная земля | 80,6-85 |
| Портландцемент | 5,0-8,2 |
| Минеральная добавка - цеолит | 2,4-6,5 |
| Вода | Остальное |
