композиция для консервации промышленных отвалов

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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
Fe2 O3	0,3-1,2
Al2 O3	0,8-5,5
CaO+MgO	0,5-3,1
Na 2O+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 -кварц переходит в -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 SiO_2/4 и AlO _2/4, 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
Fe2 O3	1,2
Al2 O3	2,5
CaO+MgO	2,5
Na 2O+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