Композиционный строительный материал
Изобретение относится к строительству и утилизации отходов бурения, а именно - к материалам строительным грунтошламовым укрепленным, которые могут быть использованы для строительства сооружений на промышленных территориях, как правило, на территориях нефтяных месторождений. Композиционный строительный материал содержит буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм3, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-12% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель. В качестве осушителя используется строительный гипс в количестве 2-4% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 40-70% от массы смеси. Технический результат - повышение прочности строительного материала, утилизация отходов бурения. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к строительству и утилизации отходов бурения, а именно - к материалам строительным грунтошламовым укрепленным (МСГУ), которые могут быть использованы для строительства сооружений на промышленных территориях, как правило, на территориях нефтяных месторождений, в том числе:
1) в конструкциях оснований дорожных одежд промысловых автодорог и площадок взамен привозных каменных материалов;
2) в земляном полотне автодорог, кустовых оснований, технологических площадок, отсыпаемых из местных, в основном песчаных, грунтов;
3) для устройства обваловок на производственных и кустовых площадках;
4) для рекультивации выработанных грунтовых карьеров, рекультивации и ликвидации шламовых амбаров с устройством производственных и технологических площадок с твердым покрытием либо последующим устройством плодородного рекультивационного слоя с посевом трав и посадкой деревьев и кустраников.
МСГУ получают в результате переработки буровых шламов (БШ) на нефтяных месторождениях в искусственный отвержденный материал путем обработки вяжущими и смешения с заполнителями и активными добавками. При этом обезвреживание производится за счет снижения концентрации загрязняющих веществ, сорбции и нейтрализации токсикантов в структуре монолитного консолидированного материала, устранения их миграционной активности и вымывания в окружающую среду. Таким образом, БШ, состоящий из частиц выбуренной породы и отработанного бурового раствора, из отходов производства переводят во вторичное сырье, используемое при приготовлении укрепленных композиций для строительства сооружений.
За прототип по совокупности существенных признаков принят известный (RU, патент №2303011) строительный материал «Буролит», включающий буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм3, осушитель (карбамидоформальдегидный пенопласт плотностью 10-30 кг/м3) в количестве 10-25% от объема бурового шлама, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 10-20% от объема бурового шлама и дополнительно минеральный наполнитель (песок или дробленый гранит) с размером частиц от 2,7 до 3,1 мм в количестве 10-20% от объема бурового шлама.
Применение в составе известного строительного материала в качестве осушителя карбамидоформальдегидного пенопласта (пеноизол) в количестве 10-25% от объема бурового шлама обуславливает следующие недостатки известного материала: а) пеноизол является проблемным материалом с точки зрения стоимости (достаточно дорогой в производстве) и экологической чистоты: со временем распадается и выделяет формальдегид и другие токсичные вещества, его применение ограничено санитарными правилами; 2) наличие гранул размельченного пенопласта неопределенного размера в составе материала (пеноизол имеет очень низкую плотность и прочность) вызывает образование «макропор», т.е. слабых и лишенных прочности включений, что приводит к резкому и неконтролируемому снижению прочности и однородности материала и, соответственно, ограничивает применение «Буролита» в строительстве. Кроме того, согласно известному уровню техники (например, ТУ2254-001-45581572-98) пеноизол изготавливают беспрессовым методом из пенообразующего состава, включающего карбамидоформальдегидную смолу, ПАВ, катализатор отверждения (ортофосфорную кислоту) и воду. Как правило, указанную заливочную композицию отверждают после размещения ее непосредственно в слое изготавливаемого строительного изделия. Отсутствие в описании к патенту сведений, указывающих, каким образом пеноизол используется, как компонент строительного материала - буролита, препятствует признанию того факта, что использование указанного компонента технически возможно с обеспечением качества.
К недостаткам известного строительного материала относится также использование в его составе в качестве инертного заполнителя (минеральный наполнитель) узкой фракции (2,7-3,1 мм) дробленого гранита и песка строительного, являющихся дорогостоящей и к тому же дефицитной добавкой, например, в районах нефтедобычи Западной Сибири. Введение указанного наполнителя в количестве 10-20% в текучий буровой шлам (БШ) приводит к увеличению стоимости, однако не обеспечивает каркасности смеси и ее оптимального гранулометрического состава, что необходимо для получения плотной смеси и прочного стройматериала.
Задача, на решения которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании пригодного для устройства ответственных несущих конструкций укрепленного техногенного грунта путем утилизации отходов бурения.
Основной технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении прочности и однородности строительного материала, производство которого предусматривает увеличение номенклатуры используемого сырья: минерального наполнителя более широкой размерной фракции и бурового шлама широкого диапазона влажности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что композиционный строительный материал содержит буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм3, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-12% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель, при этом в качестве осушителя используется строительный гипс в количестве 2-4% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 40-70% от массы смеси.
В составе заявленного изобретения в качестве осушителя (наиболее эффективная макродобавка) применяют экологически чистый (дополнительный технический результат) строительный гипс. Гипс является также коагулянтом БШ, способствует агрегированию глинисто-коллоидной фазы БШ, что является важнейшим фактором получения оптимальной структуры композиции при уменьшении удельной поверхности и поглощающего комплекса твердой фазы БШ и ведет к повышению прочности МСГУ.
Интервал дозировок осушителя обусловлен технико-экономическими факторами: при малой влажности БШ принимается дающая эффект минимальная дозировка гипса - 2%, при высокой влажности БШ принимается повышенная дозировка - до 4%. Дальнейшее увеличение расхода гипса нецелесообразно, т.к. значительно увеличивает стоимость и может снизить водостойкость. Дополнительно к указанному в смеси осушителю можно рассматривать использование в качестве такового зол уноса ТЭЦ в количестве 2-5% от массы смеси, которые являются многотоннажными требующими утилизации отходами теплоэнергетики, перспективными для применения, т.к. имеют развитую удельную поверхность и гидравлические вяжущие свойства (активность). Данные осушители в сочетании с основным вяжущим (цементом) связывают значительное количество воды и примесей, превращая БШ в инертный и прочный композиционный материал.
Использование в составе заявленной смеси в качестве минерального наполнителя (заполнителя) более (по сравнению с указанным в прототипе наполнителем) распространенного и имеющего более широкий диапазон фракций природного дисперсного несвязного грунта - песка по ГОСТ 25100-95 снижает себестоимость МСГУ. В соответствии с таблицей Б10 ГОСТ 25100-95 гранулометрический состав природного песка (размер и содержание зерен) может быть любым, т.е. могут применяться пески от гравелистых до пылеватых. Основным вариантом минерального наполнителя является выбор наиболее распространенного в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири песка мелкого и/или пылеватого с характеристиками: размер частиц крупнее 0,10 мм - не менее 75% для мелкого или, соответственно, менее 75% для пылеватого. Причем дозировка песка (40-70% от массы смеси) подбирается с учетом гранулометрического состава его и БШ по условию получения числа пластичности смеси порядка 3-7, т.е. оптимальной гранулометрии смеси, соответствующей супеси, что наиболее благоприятно для укрепления грунта, в т.ч. техногенного, цементом. Объем вводимого наполнителя зависит от влажности и плотности БШ, например, при минимальной плотности 1.3 кг/дм3 и максимальной влажности БШ (70%) вводится максимальный объем песка - 70% от массы смеси; при максимальной плотности 1,8 кг/дм3 и, соответственно, минимальной влажности (40%) расход песка составляет 40% от массы смеси. Также расход песка зависит от требуемой прочности и области применения конечного продукта в конструкциях сооружений.
Используемый в составе заявленной композиции буровой шлам представляет собой текучепластичную (от полужидкой до вязкой консистенции) пастообразную массу и состоит из частиц выбуренной породы и отработанного бурового раствора (ОБР). В состав твердой фазы БШ входят разной степени дисперсности (от коллоидных до 5-10 мм) частицы выбуренной породы и вводимые в промывочную жидкость глинопорошки (бентонит, монтмориллонит), а также нерастворимые и малорастворимые добавки (карбонат кальция, барит и др.). Жидкая фаза БШ образуется за счет сброса определенного количества бурового раствора, а также сточных вод при промывке оборудования.
В состав БШ входят частицы выбуренной породы и буровой раствор, их соотношение может быть различным, так, например, буровой шлам месторождений Салымской группы Компании «СПД» содержит, мас.%:
- выбуренная порода - 55-85;
- буровой раствор отработанный (ОБР) - 15-45.
При этом ОБР включает следующие компоненты: песок в количестве 2-3%, воду в количестве 90-94% и коллоидную фазу низкой плотности - 5-6%, в состав которой входят следующие химреагенты: бентонитовый глинопорошок (например, марки ПМБА), препараты КМЦ (соединения полианионной целлюлозы), кальцинированная и каустическая сода, мел, барит, водорастворимые и высокомолекулярные полимерные соединения (полиакриламид, полиакрилонитрил), соли (хлорид калия, хлорид натрия) и другие вещества.
Для переработки используется БШ, имеющий плотность в пределах 1,3-1,8 кг/дм3 и влажность в пределах 40-90%.
Используемый в качестве основного вяжущего в составе МСГУ цемент обеспечивает набор прочности, водостойкость, в сочетании с воздушным связующим (гипс) устраняет текучесть БШ, придает материалу прочностные свойства, связывает токсиканты и компоненты ОБ, препятствуя миграции загрязняющих веществ в окружающую среду.
В зависимости от количественного содержания основного связующего производимые согласно данному изобретению строительные смеси можно разделить на два типа:
- МГСУ прочный (марки 20-40) для несущих слоев дорожных одежд и т.п. - с содержанием цемента 7-12% от массы смеси;
- МГСУ малопрочный (марки 3-10) для засыпки карьеров, рекультивации амбаров и т.п. - с содержанием цемента 4-7% от массы смеси.
В заявленной композиции возможно применение цемента различных марок. Основным вариантом вяжущего является портландцемент, шлакопортландцемент и портландцемент с минеральными добавками по ГОСТ 10178. Допускается применение глиноземистых цементов по ГОСТ 969, а также:
- цементов гипсоглиноземистых расширяющихся по ГОСТ 11052;
- тампонажных цементов по ГОСТ 1581;
- сульфатостойких и пуццолановых цементов по ГОСТ 22266;
- цементов для строительных растворов по ГОСТ 25328.
Основное требование - применять цемент с нормальными (начало схватывания должно происходить не ранее чем через 2 часа после затворения) сроками схватывания и твердения.
Для повышения свойств и показателей МСГУ применяют улучшающие добавки, в том числе в качестве микродобавок используются:
- СНВ (в количестве до 1% от массы смеси) - смола нейтрализованная воздухововлекающая (поверхностно-активное вещество, регулирует структурообразование и устойчивость дисперсной системы, обладает воздухововлекающим, гидрофобизирующим эффектом, снижает водоотделение и седиментационное расслоение смеси, повышает морозостойкость);
- хлорид кальция технический (в количестве до 2% от массы смеси), который ускоряет набор прочности материала, способствует наполнению обменного комплекса глинисто-коллоидной фазы БШ кальцием без поглощения кальция, выделяемого цементом и необходимого для кристаллизации системы.
Вышеперечисленные микродобавки являются порошковыми сыпучими веществами, что в северных условиях предпочтительно с точки зрения их транспортировки и введения при перемешивании композиций.
Для улучшения МСГУ могут применяться и другие микродобавки, в том числе поставляемые в жидком виде (растворы, эмульсии):
- гидрофобизирующие кремнийорганические соединения, жидкости (силиконы) - в количестве до 0,5% от массы строительной смеси;
- жидкое стекло (силикат натрия) - в количестве до 1% от массы строительной смеси. Данные добавки повышают водонепроницаемость и водостойкость, снижают водопоглощение и коэффициент фильтрации, что исключает суффозию и вымывание токсичных компонентов ОБ из композиции. В качестве добавок, связывающих загрязняющие вещества БШ, используют сорбенты-комплексообразователи, например сорбент алюмосиликатный в количестве до 2% от массы строительной смеси.
Для повышения прочности, водостойкости и деформативности материалов в дополнение к минеральным вяжущим используют добавки органических вяжущих и полимеров: жидкие битумы и битумные эмульсии, гудроны и др. (для повышения прочности, водостойкости и деформативности материалов - в дополнение к минеральным вяжущим). Органика повышает водостойкость и деформативность материала за счет образования гибких коогуляционных и конденсационных структурных связей в композиции, снижает хрупкость и трещинообразование, что бывает при использовании минеральных вяжущих, обуславливающих жесткие кристаллизационные связи.
Ниже приводится таблица 1 с основными показателями МСГУ в соответствии с заявленным изобретением:
| Таблица 1 | ||||
| Наименование показателя | Показатели по классам прочности и маркам МСГУ | |||
| М 40 | М 20 | М 10 | М 3 | |
| Прочность на сжатие водонасыщенных образцов в возрасте 28 суток, не менее МПа | 4 | 2 | 1 | 0,3 |
| Средние дозировки вяжущего - портландцемента М 400, % | 10-12 | 8-10 | 6-8 | 4-6 |
| Средняя дозировка БШ, % | 35-45 | 40-60 | 35-45 | 30-40 |
| Предел прочности на растяжение при изгибе, не менее МПа | 0,8 | 0,4 | 0,2 | Не определяется |
| Коэффициент морозостойкости/ марка | 0,75-0,80 /F50 | 0,70-0,75 /F25 | 0,65-0,70 /F25 | 0,55-0,60 /F15 |
МСГУ являются взрыво- и пожаробезопасными материалами, не пылят, не выделяют летучих токсических веществ.
Радиационная безопасность стройматериала обеспечивается при допустимой удельной эффективной активности естественных радионуклеидов в буровых шламах (Аэфф). Для материалов, используемых в дорожном строительстве, а также при возведении земляных сооружений вне населенных пунктов (III класс), Аэфф<1350 Бк/кг.
По уровню активности природных радионуклеидов, не превышающему 370 Бк/кг (характерно для БШ Западной Сибири), используемые БШ относятся к I классу и могут использоваться при обустройстве месторождений без ограничений.
Применение МСГУ для строительства дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог, площадок и других объектов способствует повышению экологической безопасности, надежности сооружений, исключает возможность попадания компонентов БШ и отходов в окружающую среду.
Ниже на конкретных примерах состава МСГУ приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата.
В опытах и примерах конкретного применения использовались БШ Салымской группы месторождений, типичные для Западной Сибири. Качественный и количественный состав БШ приведен выше.
Основные свойства и состав проб БШ, отобранных на месторождениях Компании «СПД», приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Наименование показателей | Среднее значение по интегральной пробе №1 | Среднее значение по интегральной пробе №2 | Среднее значение по интегральной пробе №3 |
| Плотность, г/см3 | 1,80 | 1,30 | 1,55 |
| Влажность, % | 40 | 90 | 65 |
| Плотность частиц грунта, г/см3 | 2,75 | 2,75 | 2,75 |
| Водородный показатель, ед. рН | 9,20 | 7,40 | 8,30 |
| Прочность на сдвиг по сопротивлению срезу, кг/см2 | 0,03 | 0,01 | 0,02 |
| Содержание твердой фазы/ жидкой фазы, % | 72/28 | 54/46 | 63/37 |
| Гранулометрический состав твердой фазы шлама: содержание частиц диаметром менее 0,071 мм | 60 | 65 | 62 |
| - содержание песка | 40 | 35 | 38 |
| - содержание глинистой фазы | 22 | 35 | 24 |
| Содержание нефти и нефтепродуктов, % | 0,06 | 0,05 | 0,05 |
| Уровень засоления, % | 1,0 | 0,5 | 0,7 |
Пример 1
Строительный материал МСГУ прочный марки М40 включает, мас.%:
| БШ, проба №1 | 25 |
| портландцемент М-400 | 12 |
| осушитель (гипс строительный марки Г5 | |
| по ГОСТ125) | 2,9 |
| минеральный наполнитель - песок мелкий | 60 |
| улучшающая добавка СНВ (смола | |
| нейтрализованная воздухововлекающая) | 0,1 |
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,4МПа, пригодный для строительства несущих оснований дорожных одежд, например, на промысловых автодорогах.
Пример 2
Строительный материал МСГУ марки М10 включает, мас.%:
| БШ, проба №2 | 45 |
| портландцемент М-400 | 8 |
| осушитель (гипс строительный марки Г5 | |
| по ГОСТ125) | 2 |
| зола уноса ТЭЦ | 3 |
| минеральный наполнитель | 42 |
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,1 МПа, пригодный для строительства дополнительных слоев (морозозащитных и т.п.) оснований дорожных одежд, например, на промысловых автодорогах; а также для устройства прочных обваловок.
Пример 3
Строительный материал МСГУ малопрочный марки М3 включает, мас.%
| БШ, проба №3 | 53 |
| портландцемент М-400 | 4 |
| гипс строительный марки Г5 по ГОСТ125 | 2 |
| песок пылеватый | 40 |
| сорбент алюмосиликатный (добавка для | |
| связывания компонентов БШ и | |
| предотвращения их вымывания) | 1 |
При реализации данного состава получаем материал с прочностью на сжатие 0,03 МПа, т.е. несколько прочнее обычного грунта, пригодный для строительства земляных сооружений, засыпки и рекультивации шламовых амбаров.
Заявленный состав композиции позволяет, утилизируя многотоннажные отходы бурения, получить монолитный, плотный, однородный и прочный композиционный материал, соответствующий строительным нормам и техническим требованиям, исключающий миграцию загрязняющих веществ в ОПС окружающую природную среду.
Разбуривание месторождений проводится по усовершенствованной технологии с использованием малотоксичных рецептур буровых растворов, что обеспечивает стабильный состав отходов бурения (ОБ).
Производство МСГУ включает складирование и хранения сырьевых материалов, дозирование, приготовление смеси, отгрузку потребителю, укладку «в дело», уплотнение и уход.
С целью получения качественных физико-механических показателей приготовление композиции (полуфабриката) производится с помощью смесительного оборудования (грунтосмесительные установки, бетономешалки, экскаваторы в картах) в следующей последовательности - перемешивание БШ с песком, затем введение добавок, на окончательном этапе введение цемента.
Свежеприготовленная смесь незамедлительно вывозится на место применения и укладывается в конструктивные элементы, затем тщательно и быстро уплотняется для получения коэффициента уплотнения 0,90-0,98, в зависимости от назначения. Продолжительность технологического цикла от введения цемента до окончательного уплотнения должна быть не более 4-6 часов. После этого осуществляется уход (защита от высыхания, перекрытие движения от 3 до 7 суток) за слоем, твердение и набор прочности МСГУ. Марочные значения прочности достигаются при выдержке 28 суток.
1. Композиционный строительный материал, характеризующийся тем, что он содержит буровой шлам плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм3, цемент в качестве основного вяжущего в количестве 4-12% от массы смеси, осушитель и минеральный наполнитель, при этом в качестве осушителя используется строительный гипс в количестве 2-4% от массы смеси, а в качестве минерального наполнителя - песок природный в количестве 40-70% от массы смеси.
2. Строительный материал по п.1, отличающийся тем, что количество цемента составляет от 7 до 12%.
3. Строительный материал по п.1, отличающийся тем, что количество цемента составляет от 4 до 7%.
4. Строительный материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит золу уноса ТЭЦ в количестве 2-5% от массы смеси.
