Бетон из смеси на основе известнякового материала

БЕТОН ИЗ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ИЗВЕСТНЯКОВОГО МАТЕРИАЛА(71)(73) Заявитель и патентовладелец: АЛИЕВ АЛИ МУСА ОГЛЫ (AZ)(56) DE-U1-20214788 Под редакцией В.Д. Глуховского. Щелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе. Ташкент. Издательство "Узбекистан". 1980, гл. 5. с. 403-409 Заявленное изобретение относится к области технологии получения нового дорожностроительного материала - известнякобетона, с использованием его при возведении слоев дорожных и аэродромных конструкций. Задачей изобретения является получение модифицированных минеральных смесей с оптимальной влажностью и определнным гранулометрическим составом содержащихся в этих смесях известняковых материалов,при уплотнении которых происходит измельчение и обнажение поверхностей их зрен,что предопределяет условия для обеспечения естественной самоцементации известняковых материалов и приготовляемых на их основе минеральных смесей. Указанные природные свойства известняковых материалов и отходов их производства позволяют достичь требуемых нормативнопрочностных показателей и значительного экономического эффекта при строительстве дорог и аэродромов с применением этих материалов. Алиев Али Муса оглы, Алиев Муса Ильяс оглы, Алиев Кянан Кямиль оглы, Гурбанов Сеймур Намик оглы Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к новому строительному материалу - бетону на основе известнякового материала "известнякобетону", который может быть использован при обустройстве земляного полотна и слоев основания дорожных и аэродромных одежд. При строительстве дорог и аэродромов в основном применяются гравийно-песчаные минеральные смеси для обустройства рабочего слоя земляного полотна и щебночно-песчаные - для нижних и верхних слоев основания дорожных и аэродромных одежд. Прочностные показатели таких смесей в настоящее время не удовлетворяют требованиям всевозрастающих эксплуатационных нагрузок от автотранспортных средств и воздушных судов. Известная дорожная смесь [RU 2285678, С 04 В 26/26, 20.10.2006] для устройства конструкций основания дорожных одежд и морозозащитных слоев земляного полотна, автомобильных дорог и аэродромов включает минеральный материал - отсевы дробления малопрочного известняка крупностью зрен менее 5 мм, тврдый нефтешлам следующего состава, мас.%: асфальтены - 1,5-4,0; смолы - 4,0-7,0; непредельные углеводы - 6,0-10,0; парафины - 20,0-50,0; механические примеси - 40,0-60,0; воду - 2,0-10,0 и битуминозный песчаник, содержащий 7% природного битума следующего состава, мас.%: смолы - 29,8; асфальтены - 11,6; масла - 57,4; парафины - 1,2. Соотношение компонентов смеси составляет в мас.ч. минеральный материал 25-75, тврдый нефтешлам 8-12, битуминозный песчаник 25-75. Известен шламобетон [RU 2150546, Е 01 С 3/04, 7/36, E02D 3/12, 10.06.2000] для устройства автомобильных дорог и аэродромов, содержащий нефтешлам - продукт очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов и минеральное вяжущее - известь или цемент. Минеральная часть нефтешлама представляет собой полидисперсные частицы (мас.%) СаСО 3 и MgCO3, гидроксиды Са(ОН)2, Mg(OH)2,Al(OH)3, Fe(OH)3 - 70-75. Органическая часть содержит сырую нефть и продукты е переработки, включающие фракции масел, смол, асфальтенов и их модификации - асфальтогеновые кислоты, а также воду 30-25, при этом соотношение органической части смеси и воды составляет 1:2. Соотношение компонентов шламобетона, в мас.% следующее: органоминеральная смесь 86,2-87,6; известь или цемент 12,4-14,8. Техническим результатом изобретения является повышение водо- и морозостойкости, деформативные способности, а также упрощение технологического процесса и снижение себестоимости покрытия, выполненного из шламобетона. Однако прочностные показатели у шламобетона недостаточно высокие. Известен способ устройства оснований для автомобильных дорог и аэродромов [RU 2317364, Е 01 С 3/00, 7/18, 10.07.2007] как наиболее близкий аналог, включающий приготовление шлакощебеночной смеси смешения на дороге, раскладку е в один или два слоя на грунте или дренирующем слое, увлажнение,пропитку битумной эмульсией и уплотнение основания. Причм используют шлакощебночную смесь с содержанием 30 мас.% доменного шлака и 70 мас.% сталеплавильных шлаков, или 70 мас.% доменного шлака и 30 мас.% сталеплавильных шлаков, или при содержании 100 мас.% доменного шлака. Перед уплотнением слоя основания из шлакощебночной смеси вводят битумноминеральную эмульсию, содержащую жидкую фазу - карбонаты калия или натрия в количестве 1-10 л/м 2, например, методом разлива перемешивают с последующей механоактивацией полученной смеси последовательно средним и тяжлым катками, а уплотнение основания производят трамбующим катком. Технический результат - получение прочного, структурообразующегося во времени основания, с повышенной и равномерной устойчивостью дорожного полотна в процессе эксплуатации. Недостатком вышеотмеченных технических решений является многокомпонентность используемых смесей для устройства слоев основания дорожных и аэродромных одежд и несоответствие их прочностных и эксплуатационных показателей современным требованиям противостояния повышенным нагрузкам на автодорогах и в авиации. Задача настоящего изобретения - повысить прочностные и эксплуатационные характеристики дорожно-строительных материалов в соответствии с современными нормативными требованиями к высоким автодорожным и аэродромным нагрузкам, а также улучшение экологии окружающей среды путм использования отходов производства каменных материалов в известняковых карьерах. Техническое решение задачи осуществляется заявленным бетоном из смеси, включающей (мас.%) известняковый материал (40-80) и щебень (20-60), которая увлажнена до влажности 2-14%. По изобретению используют измельчнный на воздухе или в воде карьерный известняк или отходы переработки известняка гранулометрического состава 0,09/5 мм с содержанием СаО 49,2-55,7% и щебень из галечно-гравийного материала гранулометрического состава фракций 2/45, 2/31, 2/22 мм. А также способом формирования слоев основания дорожных и аэродромных одежд, включающим укладку смеси и е увлажнение, механоактивацию смеси уплотнением последовательно средним и тяжелым катками, где используют смесь на основе известнякового материала, состоящую в мас.% из известнякового материала - 40-80, щебня - 20-60, при этом для верхнего слоя основания используют щебень фракции от 2 до 45 мм, для нижнего слоя - от 2 до 31 или от 2 до 22 мм, увлажнение осуществляют вначале компонентов смеси, а затем при необходимости увлажняют уложенную смесь до общей влажности в диапазоне 2-14%, уплотнение уложенной смеси осуществляют до толщины 14-15 см с последующей выдержкой срока естественной цементации известнякового материала. Приготовление бетонной смеси на основе известнякового материала включает измельчение щебня и известняка до запланированного гранулометрического состава, при этом измельчение известняка осуще-1 020934 ствляют с обнажением поверхности зрен на воздухе или в воде, фракционирование щебня на фракции 2/45, 2/31, 2/22 мм, известняка на 0,09/5 мм, увлажнение компонентов смеси, приготовление смеси смешением фракционированных материалов, доувлажнение смеси в процессе е перемешивания до заданной влажности, предварительное и окончательное уплотнение уложенной бетонной смеси до толщины 14-15 см и выдержка срока естественной цементации этой смеси. Настоящее изобретение предусматривает получение дорожно-строительного материала на основе принципа естественной самоцементации известняковых пород или отходов их производства (в дальнейшем - известняковые материалы) при соответствующем технологическом процессе их переработки. Особенностью заявленного изобретения в отличие от известных решений является процесс измельчения и обнажения поверхностей зрен известняковых материалов при их уплотнении в оптимальной влажной или водной среде (в дальнейшем - влажной среде), что предопределяет условия и возможности их естественной самоцементации, позволяющей преобразовывать структуру бетонных смесей на основе известняковых материалов в тврдые монолитные пласты конструктивных слоев основания дорожных и аэродромных одежд. Качество же известняковых материалов и приготовляемых на их основе бетонов оценивается оптимальностью измельчения известняка и кристаллохимическими особенностями поверхностей его зрен,измельчнных на воздухе или во влажной среде. При этом чем больше увеличивается удельная обнажнность поверхностей зрен, тем больше повышается их активность, играющая особую роль в физикохимических преобразованиях смеси, где галечно-гравийный щебень является каркасом, а известняковая порода выполняет функции катализатора, способствующая тем самым структурным изменениям смеси во влажной среде. В аспекте химических преобразований эти процессы могут быть представлены в нижеследующем описании. При уплотнении измельченного известнякового материала во влажной среде на границе раздела фаз"вода-известняк" создаваемое силовое (энергетическое) поле способствует выделению большого количества тепла и переходу влажной фазы в известняковых материалах в парообразное состояние, при котором образуются положительные радикалы водорода Н+ и отрицательные гидроксильные радикалы ОН-. В этот момент одновременно происходящие в известняковых материалах химические реакции по распаду карбоната кальция СаСО 3 на оксид кальция СаО и углекислый газ СО 2 (СаСО 3 СаО+СО 2), а также взаимодействия оксида кальция с водой Н 2 О, с образованием гидроксида кальция Са(ОН)2 (СаО+Н 2 О Са(ОН)2), вступает воздушная фаза, то есть углекислый газ атмосферы СО 2, который, растворяясь в водяном паре, активно взаимодействует с Са(ОН)2. Являясь как бы катализатором в интенсификации радикальных взаимосвязей известняковых материалов с водной фазой, углекислый газ СО 2 способствует кристаллизации Са(ОН)2 и переходу е вновь в СаСО 3, но уже новой, модифицированной структуры, предопределяя, тем самым, начало процесса естественной цементации известняковых материалов и превращения их под действием адгезионных связей с щебнем в конечный монолитный материал бетон. Структура такого монолитного материала - это компактное расположение и взаимная связь составляющих его компонентов - измельчнного известняка, щебня и воды, взаимодействующих между собой следующим образом: крупные и мелкие частицы различных фракций гранулированного щебня создают каракас минеральной системы, промежутки которой заполнены частицами увлажннного в оптимальных влажных условиях измельчнного известнякового материала, за счт естественной цементации которого получается монолитный пласт (фиг. 1). Сущность изобретения заключается в целенаправленном структурообразовании бетона из смеси на основе известнякового материала, обеспечиваемой последовательностью нижеследующих технологических операций: подбор компонентов бетонной смеси, заключающийся в выборе гранулометрического состава и рационального соотношения между известняковым материалом и количеством воды с целью получения монолитного пласта с заданными физико-химическими и прочностными свойствами. На первом этапе в процессе укладки в результате соприкосновения воды с измельчнным известняковым материалом в бетонной смеси формируются первичные микроструктурные связи. На втором этапе в процессе уплотнения смеси происходит сближение компонентов, дальнейшее обнажение поверхности зрен известнякового материала, что обеспечивает продолжение формирования микроструктурных связей. На третьем этапе идт процесс естественной цементации бетонной смеси в течение 25 суток. В этот период происходит стабилизация структуры монолитного пласта за счт образования прочных химических связей между активной поверхностью известнякового материала, щебня и молекул воды, что определяет его прочностные показатели. Известняковые материалы представлены в изобретении в виде высокоактивных и среднеактивных известняковых месторождений Азербайджанской Республики: Казахского с содержанием СаО - 55,7%,Нардаранского с содержанием СаО - 49,2% и отходов их переработки. Щебень из галечно-гравийного материала Баграмтапинского месторождения Азербайджанской Республики. В настоящее время нет единого критерия в методике определения интенсивности физикохимических процессов, происходящих на границе раздела фаз "вода-известняк" в минеральных известня-2 020934 ковых смесях. Физико-механические и прочностные характеристики известняковых материалов и бетонных смесей на их основе определяют диэлектрическим методом - значением коэффициента поглощения поверхностной энергии энергетического поля K = tg этих смесей, выраженной произведением диэлектрической проницаемостии тангенса угла поглощения энергии (tg). Диэлектрические свойства образцов измеряют при помощи прибора ВМ-560 (измеритель добротности "TESLA") с рабочим диапазоном частот от 15106 Гц и выше. Прибор измеряет диэлектрическую проницаемостьи тангенс угла диэлектрического поглощения (tg). Диэлектрическая проницаемость воздуха принята за единицу. Измерение диэлектрических свойств коррелирует с изменениями динамического модуля его деформации [ЕА 201100262 А 1]. Процесс твердения бетонных смесей на основе известняковых материалов характеризуется, в первую очередь, прочностью сцепления между обнажнными поверхностями зрен измельчнного известняка и зрнами фракционированного щебня. Влияние количества измельчнных зрен известнякового материала с обнажнной их поверхностью в массе смеси(с установленной гранулометрией и фракцией 0,09/5 мм) и содержания влаги на величину динамического модуля деформации, в частности для рабочего слоя земляного полотна, показана в табл. 1. Из табл. 1 видно, что наилучшие показатели прочности известнякового материала с содержанием СаО 49,2 - максимальное значение динамического модуля деформации 128,1 МПа при 30%-ной доле измельчнных зрен с обнажнной поверхностью и 8% содержании влаги. Для известнякового материала с содержанием СаО 55,7 - максимальное значение динамического модуля деформации 144,7 МПа при 20%-ной доле измельчнных зрен с обнажнной поверхностью и 6% содержании влаги. При дальнейшем уплотнении известняковых материалов в укладываемых слоях земляного полотна дорог и аэродромов количество измельчнных зрен увеличивается, следовательно, растт и прочность в течение 25 суток. При оптимальном 30%-ном содержании зрен менее 0,09 мм прочность уложенного слоя за такое время естественной цементации повышается с 69,6 до 128,1 МПа (Нардаранский известняк СаО 49,2), с 78,6 до 144,7 (Казахский известняк СаО 55,7). Таблица 1 Влияние процента измельчения различных по активности известняков во влажной среде на их динамический модуль деформации Экспериментально установлено, что указанные массовые доли обнажнных зрен и количество влаги являются оптимальными для известняковых материалов названных месторождений. В связи с этим,при строительстве слоев оснований дорожных и аэродромных одежд с высокими показателями прочности предпочтительнее использовать известняковые материалы с содержанием оксида кальция СаО 55,7%, то есть высокоактивные известняки. Рассматриваются бетонные смеси на основе известняковых материалов с различным компонентным составом, постоянной гранулометрии этих компонентов и оптимальным содержанием влаги (для Нардаранского - 8%, Казахского - 6%). Зависимость прочностных показателей смесей от компонентного состава и времени естественной цементации представлена в табл. 2 и на фиг. 2, где для сравнения также приводятся смеси, не содержащие известняковый материал. Таблица 2 Прочностные показатели минеральных смесей с постоянной гранулометрией их компонентов в зависимости от времени естественной цементации Примечание: гранулометрия смесей - щебночная, фракции 2-45 мм; песчаная и известняковая фракции 0,09-5 мм. Как видно из данной таблицы, смесь без известняка (позиция 1), ранее являющаяся одной из основных при обустройстве слоев дорожных и аэродромных одежд, на 25 сутки естественной е цементации имеет показатель прочности в 77,9 МПа. По мере добавления с шагом в 10% в эту смесь известнякового материала (позиции 2-5) с одновременным уменьшением содержания в ней песка прочностные показатели смеси на 25 сутки после укладки резко увеличиваются до того момента, когда песок, как компонент вовсе исключается, то есть смесь состоит только из щебня и известнякового материала. При оптимальном их соотношении соответственно 60 и 40% такая смесь достигает своего наибольшего прочностного показателя в 158,8 МПа, что по отношению к чисто щебночно-песчаной смеси (позиция 1) имеет увеличение почти на 102%, или же более чем в 2 раза. Одновременно с этим необходимо отметить, что при дальнейшем увеличении процентного содержания известняка в бетонных смесях на его основе (позиции 6-11) прочность этих смесей начинает вновь уменьшаться, но вс равно остатся достаточно высокой по отношению к смеси без известняковых материалов (позиция 1), что с наглядной убедительностью подтверждает целесообразность применения известняковых материалов в приготовлении бетонных смесей на их основе с галечно-гравийным щебнем для дорожного и аэродромного строительства (см. табл. 2 и фиг. 2). Изобретение раскрывается в примерах его исполнения, которые не ограничивают его. Пример. Устройство слоев основания дорожно-аэродромной одежды. Гравийные материалы и известняковые отходы, образующиеся в разрабатываемых карьерах, доставляются в хранилища для последующей их переработки. Исходные материалы переносят в дробильные установки, где измельчением гравия получают щебень соответствующих фракций: для верхнего слоя основания одежд от 2 до 45 мм и для нижнего слоя от 2 до 31,5 мм и от 2 до 22 мм. Путм просеивания известняковых материалов получают фракции, соответствующие размерам от 0,09 до 5 мм. Далее все указанные материалы перемещают в бункеры смесительной установки по отдельности для известнякового материала и для щебня, который должен быть без загрязняющих примесей и состоять из однородных по прочности изверженных или метаморфических пород (щебень заранее в барабанах промывают от пыли и просушивают). Подготовку бетонной смеси на основе известняковых материалов осуществляют смешиванием минеральных компонентов с количеством воды, установленным в лаборатории для заданной оптимальной влажности смеси. Дозировку компонентов бетонной смеси проводят с помощью дозаторов, расположенных под каждым бункером. Увлажннные компоненты бетонной смеси из известнякового материала,перемешанные до однородной массы в смесительной установке, собирают в запасной бункер, откуда отправляют на объекты для укладки нижнего и верхнего слоев основания дорожных и аэродромных одежд. Гранулометрический состав смеси определяют в отобранных пробах. Из примного распределителя укладчика смесь равномерно распределяют, укладывают и предварительно уплотняют каждый слой с расчтной толщиной. После укладки нижнего и верхнего слоев основания проверяют степень их уплотнения и влажность, если влажность ниже оптимальной, дополнительно увлажняют. В процессе предварительного уплотнения слоя повышается эффективность измельчения и обнажения зрен известнякового материала. Окончательное уплотнение слоев выполняют катками за 8-12 проходов их по слою. Согласно описанной технологии на фиг. 3-4 приводятся схемы земляного полотна и слоев основания дорожных и аэродромных одежд с указанием гранулометрии используемых материалов и толщины слоев этих конструкций. Получение высоких показателей прочности и долговечности земляного полотна и конструктивных слоев основания дорожных и аэродромных одежд, формированных из бетонных смесей на основе известняковых материалов, а также значительная экономическая эффективность при их строительстве и эксплуатации, является определяющим фактором данного изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Бетон из смеси на основе известнякового материала, содержащей измельченный карьерный известняк или отходы переработки известняка гранулометрического состава 0,09-5 мм, щебень гранулометрического состава 2-45 мм из галечно-гравийного материала при соотношении компонентов, мас.%: известняковый материал - 40-80, щебень - 20-60, которая увлажнена до влажности 2-14%. 2. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве известнякового материала содержит измельченный на воздухе известняк или отходы его переработки с содержанием СаО 49,2%. 3. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве известнякового материала содержит измельченный в воде известняк или отходы его переработки с содержанием СаО 49,2%. 4. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве известнякового материала содержит измельченный на воздухе известняк или отходы его переработки с содержанием СаО 55,7%. 5. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве известнякового материала содержит измельченный в воде известняк или отходы его переработки с содержанием СаО 55,7%. 6. Бетон по п.1, отличающийся тем, что в качестве щебня содержит щебень из галечно-гравийного материала фракций 2/45, 2/31, 2/22 мм. 7. Способ формирования слоев основания дорожных и аэродромных одежд, включающий укладку смеси и е увлажнение, механоактивацию смеси уплотнением последовательно средним и тяжелым катками, отличающийся тем, что используют смесь на основе известнякового материала, состоящую из,мас.%: известнякового материала - 40-80, щебня - 20-60, при этом для верхнего слоя основания используют щебень фракции от 2 до 45 мм, для нижнего слоя от 2 до 31 или от 2 до 22 мм, увлажнение осуществляют вначале компонентов смеси, а затем при необходимости увлажняют уложенную смесь до общей влажности в диапазоне 2-14%, уплотнение уложенной смеси осуществляют до толщины 14-15 см с последующей выдержкой срока естественной цементации известнякового материала.