Состав для устройства основания автомобильных дорог

 

Использование: изобретение относится к дорожным строительным материалам, а именно к составам для устройства дорожного основания. Задача - получение состава для устройства основания автомобильных дорог с высокими эксплуатационными свойствами, а именно, с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации при расширении сырьевой базы для получения заявляемого состава. В результате решения задачи обеспечивается повышение скорости набора прочности состава в течение первого месяца твердения и продолжительный рост прочности состава во времени, сокращение расходов на транспортировку феррохромового шлака. Состав для устройства основания автомобильных дорог включает самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката, гранулированный доменный шлак, неорганическую добавку, воду и грунт в качестве заполнителя. В качестве самораспадающегося шлака на основе двухкальциевого силиката используется шлаковая смесь, полученная в результате обогащения шлакового расплава кальцийсодержащими веществами, или мартеновский шлак, а в качестве неорганической добавки содержит хлорид магния, или алюминия, или железа, или калия, или натрия, или кальция, или аммония или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката 15-25; гранулированный доменный шлак 0,5-15; хлорид 0,3-2; вода 4-8; грунт остальное. Применение заявленного состава для устройства основания автомобильных дорог позволяет увеличить равномерную устойчивость дорожного полотна, а значит и увеличить срок службы автомобильных дорог; расширить сырьевую базу для получения заявляемого состава, используя для этого любой металлургический шлак, сократив при этом расходы на транспортировку феррохромового шлака. 2 табл.

Изобретение относится к дорожному строительству дорожно-строительным материалам, а именно к составам для устройства дорожного основания.

Известен состав для устройства основания автомобильных дорог, включающий самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката, неорганическую добавку, воду и заполнитель, в качестве самораспадающегося шлака использующийся феррохромовый шлак, в качестве неорганической добавки - ванадиевый ангидрид, а в качестве заполнителя грунт, при следующем соотношении компонентов, мас. феррохромовый шлак 15-25; ванадиевый ангидрид 1,0-1,5; вода 6-16; грунт остальное [1] Входящий в состав феррохромовый шлак длительнотвердеющий гидравлический материал проявляет свою активность в более поздние сроки твердения, что обуславливает продолжительный рост прочности во времени. Описываемый состав отвечает требованиям, предъявляемым к укрепленным грунтам 2-3 класса прочности по СН-25-74 и рекомендуется для устройства оснований на дорогах 3-5 технических категорий, а также для повышения прочности и устойчивости верхних слоев земляного полотна на дорогах 1 и 2 категорий.

Недостатком описанного состава является недостаточный рост прочности во времени для дорог 1 2 категорий и ограниченная сырьевая база применяемого феррохромового шлака.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по химическому составу и достигаемому результату является состав для устройства основания автомобильных дорог, содержащий самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката, гранулированный доменный шлак, неорганическую добавку, воду и заполнитель, в качестве самораспадающегося шлака использующий феррохромовый шлак, в качестве неорганической добавки безводный сульфат кальция, а в качестве заполнителя грунт, при следующем соотношении компонентов, мас. феррохромовый шлак 15-25; гранулированный доменный шлак 10-15; безводный сульфат кальция 1,0-1,5; вода 6-16; грунт остальное [2] Входящий в состав феррохромовый шлак медленно, но длительнотвердеющий гидравлический материал проявляет свою активность в более поздние сроки твердения, что обуславливает продолжительный рост прочности во времени.

Предлагаемый состав для устройства дорожных оснований отвечает требованиям, предъявляемым к укрепленным грунтам 1-2 класса прочности по СН-25-74, и рекомендуется для устройства оснований на дорогах 3-5 технических категорий, а также для повышения прочности и устойчивости верхних слоев земляного полотна на дорогах 1 и 2 категорий.

Недостатком указанного состава для устройства основания автомобильных дорог является недостаточный рост прочности во времени для оснований 1 категории и ограниченная сырьевая база применяемого феррохромового шлака.

В основу изобретения поставлена задача получения состава для устройства основания автомобильных дорог с высокими эксплуатационными свойствами, а именно с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации, при расширении сырьевой базы для получения заявляемого состава, в результате решения которой обеспечивается повышение скорости набора прочности состава в течение первого месяца твердения и продолжительный рост прочности состава во времени, сокращение расходов на транспортировку феррохромового шлака.

Поставленная задача решается тем, что состав для устройства основания автомобильных дорог, включающий самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката, гранулированный доменный шлак, неорганическую добавку, воду и грунт в качестве заполнителя.

В качестве самораспадающегося шлака на основе двухкальциевого силиката использована шлаковая смесь, полученная в процессе обогащения кальцийсодержащими веществами шлакового расплава и разложения структуры двухкальциевого силиката, образующегося при медленном естественном охлаждении последнего, при полиморфном переходе его из формы β в форму g, или мартеновский шлак.

В качестве неорганической добавки содержит хлориды магния, или алюминия, или железа, или калия, или натрия, или кальция, или аммония, или их смесей, природных или техногенных, при следующем соотношении, мас. самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката 25-25; гранулированный доменный шлак 0,5-15; вода 4-8; хлорид 0,3-2; грунт остальное.

Сопоставительный анализ заявляемого состава с прототипом (авт.свид. СССР N 739171) позволяет сделать вывод, что заявляемый состав для устройства основания автомобильных дорог отличается от известного использованием в качестве самораспадающегося шлака на основе двухкальциевого силиката искусственно полученной шлаковой смеси, образовавшейся в результате обогащения шлакового расплава кальцийсодержащими веществами, или мартеновского шлака, кроме того, в качестве неорганической добавки использованием хлоридов магния, или алюминия, или железа, или калия, или натрия, или кальция, или аммония, или их смесей6 природных или техногенных, в том числе и промышленных отходов, и новым соотношением компонентов, что является достаточным для достижения повышенной скорости набора прочности в течение первого месяца твердения и обеспечения продолжительности роста прочности во времени, а также для расширения сырьевой базы для получения заявляемого состава.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствию критерию "новизна".

Использование в составе для устройства основания автомобильных дорог в качестве самораспадающегося шлака на основе двухкальциевого силиката искусственно полученной шлаковой массы, образовавшейся в результате обогащения шлакового расплава кальцийсодержащими веществами, или мартеновского шлака, являющимися длительнотвердеющими гидравлическими материалами, проявляющими свою активность в более поздние сроки твердения, достичь продолжительный рост прочности во времени, а также расширить сырьевую базу для получения заявляемого состава. Твердение заявляемого состава обусловлено наличием в шлаковой смеси двухкальциевого силиката, образующегося при взаимодействии с водой коллоидные растворы гидросиликатов кальция, коагуляция которых с течением времени приводит к образованию прочного камнеподобного тела.

Использование хлоридов, магния или алюминия, или железа, или калия, или натрия, или кальция, или аммония, или их смесей, природных или техногенных, в том числе и промышленных отходов, в качестве неорганической добавки обеспечивает продолжительный рост прочности состава во времени. Наличие в составе электролита Cl^-, обладающего способностью к комплексообразованию, приводит при взаимодействии с металлами, входящими в структуру шлаков, к образованию сложных ионов типа MgCl^-₄² или AlCl^-₆³, или FeCl^-₆³, что вызывает ускорение образования гидросиликатов кальция.

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность использования заявляемого состава для устройства основания автомобильных дорог в отечественной промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применимость".

Способ получения шлаковой массы на основе двухкальциевого силиката заключается в следующем. Производят смешивание расплавленного шлака с кальцийсодержащим веществом, распадающимся при температуре плавления шлака до свободной окиси кальция (например, известняк, или гипс, или доломит, или другие вещества, содержащие карбонаты или сульфаты, или гидроокись кальция), количество шлака и корректирующей добавки подбирают исходя из их химического состава таким образом, чтобы массовое соотношение окиси кальция и окиси кремния в получаемой шлаковой массе находилось в пределах от 1,82:1 до 2,1: 1.

Свободная окись кальция при смешивании со шлаковым расплавом вступает в реакцию с основными компонентами шлака, в первую очередь с геленитом, а также с псевдоволластонитом и аккерманитом и образует двухкальциевый силикат, трехкальциевый силикат и алюминаты кальция.

При медленном охлаждении шлаковой массы при достижении температуры 760^oС происходит полиморфный переход образовавшегося двухкальциевого силиката из неустойчивой формы β в форму g, что вызывает расширение объема минерала и приводит к частичному разрушению структуры остывшей шлаковой массы. В результате разложения кальцийсодержащих веществ образуются газы, которые вспенивают остывшую шлаковую массу, обеспечивая ее высокую хрупкость.

Перемешивание жидкого шлакового расплава и кальцийсодержащих веществ осуществляется либо подачей последних в струю вылавливаемого из ковша шлака, либо в специальных аппаратах типа вращающегося барабана.

Получившуюся шлаковую массу в виде порошка и легкоизмельчающихся зерен после измельчения, не требующего мощных дробилок, подают на сухую магнитную сепарацию для извлечения корольков запутавшегося в шлаке железа.

Например, произведем смешивание расплава металлургического шлака с кальцийсодержащим веществом, например, известняковым отсевом, содержащий 95% карбоната кальция (CaCO₃).

При температуре плавления шлака карбонат кальция разлагается до свободной окиси кальция Свободная окись кальция вступает в реакцию с силикатными составляющими шлака, например, геленитом Образовался двухкальциевый силикат 2СаО·SiO₂ (C₂S) При медленном естественном остывании шлаковой массы при температуре 760^oС происходит полиморфный переход двухкальциевого силиката из формы β в форму g.

Чтобы добиться массового соотношения окиси кальция и окиси кремния 1,82 1, нужно перемешать шлак с содержанием 40% окиси кальция и 28% окиси кремния и известковый отсев в массовом соотношении 7:1. Тогда в остывшей шлаковой массе содержание двухкальциевого силиката будет составлять 43,6% что позволит получить содержание в шлаковой массе частиц размером менее 1 мм около 23,2% При смешивании шлака и известнякового отсева в соотношении 1,8:1 при содержании в шлаке окиси кальция 33,5% а окиси кремния 33,0% массовое соотношение окиси кальция и окиси кремния в полученной шлаковой массе получится равным 2,1:1. При этом количество образовавшегося двухкальциевого силиката составит 60,0% а количество частиц в шлаковой массе, размер которых меньше 1 мм (то есть часть шлаковой массы, не требующая даже легкого измельчения), будет соответствовать 62,0% Полученные шлаковые массы использовались в испытуемых составах для устройства основания автомобильных дорог, результаты испытаний приведены в таблицах.

Предел прочности составов на сжатие определяли по существующей методике испытаний согласно ГОСТ 10180-90, для этого из указанных смесей прессованием под давлением 200 кгс/см² с выдерживанием в течение 3 мин готовили образцы цилиндры диаметром и высотой 70 ± 1 мм.

Заявляемый состав приведен в табл.1.

Описанные составы получают простым смешением всех компонентов в обычных условиях.

Испытание образцов проводили через 7, 28 и 90 сут нормального твердения (20 ± 2^oС и относительной влажности воздуха не менее 90%). Перед испытанием на прочность образцы на 24 ч погружали в воду для насыщения. Вначале образцы заливали на одну треть высоты, через 8 ч заливали полностью и выдерживали еще 16 ч. Результаты испытаний прочности составов для основания автомобильных дорог приведены в табл.2.

Из табл.2 видно, что образцы заявляемого состава обладают более высокой прочностью в ранние сроки твердения и с течением времени.

Применение заявляемого состава для устройства основания автомобильных дорог позволит увеличить равномерную устойчивость дорожного полотна, а значит и увеличить срок службы автомобильных дорог; расширить сырьевую базу для получения заявляемого состава, используя для этого любой металлургический шлак, сократив при этом расходы на транспортировку феррохромового шлака.

Формула изобретения

Состав для устройства основания автомобильных дорог, включающий самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката, гранулированный доменный шлак, неорганическую добавку, воду и грунт в качестве заполнителя, отличающийся тем, что в качестве самораспадающегося шлака на основе двухкальциевого силиката он содержит шлаковую смесь, полученную в результате обогащения шлакового расплава кальцийсодержащими веществами и разрушения структуры образовавшегося при обогащении шлакового расплава двухкальциевого силиката при полиморфном переходе его из форма β в форму g, при медленном естественном охлаждении, или мартеновский шлак, при этом в качестве неорганической добавки содержит хлорид магния, или алюминия, или железа, или калия, или натрия, или кальция, или аммония, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.

Самораспадающийся шлак на основе двухкальциевого силиката 15 25
Гранулированный доменный шлак 0,5 15,0
Хлорид 0,3 2,0
Вода 4 8
Грунт Остальноеп

РИСУНКИ

Рисунок 1