Способ повышения прочности щебня из известняка – ракушечника методом пропитки расплавом серы

(51) 04 28/36 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к получению щебня с высокими эксплуатационными характеристиками путем их пропитки расплавом серы и может быть использовано в дорожном строительстве. Пропитку осуществляют путем погружения щебня в расплав серы, после чего проводят его охлаждение в холодной воде. Преимуществом предлагаемого способа получения материалов с высокими эксплуатационными характеристиками является использование в качестве сырья техногенных отходов серы.(72) Карабалин Узакбай Сулейменович Бачилова Надежда Васильевна Сериков Фуад Тулеушевич Лызлов Олег Александрович Якупова Эльмира Нударовна Елеукулова Анэль Дархановна Темирбаева Айгерим Тохтарханкызы(73) Акционерное общество Казахский институт нефти и газа(54) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЩЕБНЯ ИЗ ИЗВЕСТНЯКА - РАКУШЕЧНИКА МЕТОДОМ ПРОПИТКИ РАСПЛАВОМ СЕРЫ Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к получению щебня с высокими физико-механическими и химическими характеристиками путем их пропитки расплавом серы и может быть использовано в дорожном строительстве. Известны способы,предусматривающие использование расплава серы в качестве пропиточного агента, также известны исследования по разработке способов пропитки расплавом серы цементных, асбоцементных, гипсовых, цементностружечных, древесно-стружечных, керамических и других минеральных и органоминеральных материалов. Известны способы упрочнения щебня путем пропитки его различными органическими и минеральными пропиточными составами с целью повышения эксплуатационных характеристик. Известен способ приготовления черного щебня,заключающийся в пропитке щебня при комнатных температурах шпалопропиточным составом(каменноугольным маслом, сланцевым маслом или их смесями) под избыточными давлениями 0-6,0 МПа в течение 120-300 с и последующее перемешивание его с 3 от массы щебня расплавленного битума до равномерного обволакивания материала (Патент РФ 2200717,Салихов М. Г., Баширов Д. М., Гатиятуллин М. .,Баронова Л. Г., Пушкин Е. А., 2001.06.04). Недостатком способа является его дороговизна. Известен способ приготовления черного щебня,заключающийся в пропитке щебня под давлением 515 МПа расплавленным вязким битумом в течение 5-20 мин или разжиженным битумом в течение 3-5 мин (А.с.1520043 СССР, С 04 В 26/26, от 01.07.1986). Недостатком такого способа является недостаточное снижение дробимости черного щебня при испытаниях на стандартное уплотнение и водопоглощение. Кроме того, это приводит к увеличению потребности в относительно дорогом битумном вяжущем и из-за необходимости проведения пропитки при повышенных температурах к повышению стоимости и энергоемкости процесса. Наиболее близким является способ приготовления черного щебня в котором щебень из известняка пропитывается сначала раствором силиката натрия, а затем расплавом битума. Объемная силикатизация с последующим очернением позволяет снизить пористость и повысить плотность известнякового щебня соответственно в 2,4 раза,уменьшить водопоглощение в 1,9 раза, истираемость в 2,4 раза,дробимость в 1,8 раза, стойкость к действию агрессивных сред - в 1,5 раза (патент РФ 2204538). Недостатками являются использование для пропитки силиката натрия,который без термообработки при температуре не ниже 600 С является водорастворимым,а применение двухступенчатой пропитки, что делает технологию дорогостоящей. 2 Задачей настоящего изобретения является разработка способа упрочнения малопрочного природнопористого щебня из известнякаракушечника методом пропитки расплавом серы. Пропитка расплавом серы предназначена для упрочнения щебня из пористых известняковракушечников путем заполнения их пор водоустойчивым материалом. Пропитанные серой образцы обладают высокой водонепроницаемостью,водоустойчивостью,морозостойкостью,повышенной прочностью и могут применяться в качестве материалов для строительно-дорожных работ. Технический результат снижение материальных затрат, упрощение технологического процесса,утилизация отходов некоторых производств. Улучшение физико-механических и химических характеристик материалов после их пропитки расплавом серы объясняется тем, что сера в обычных условиях инертна практически ко всем элементам, а кольматация капиллярно-пористого пространства материала защищает поверхностные слои, и значительно снижает проницаемость,ограничивая проникновение агрессивных жидких сред внутрь материала, препятствует разрушению. Природное образование известняка-ракушечника в форме скелетных остатков организмов и их обломков в геохимической среде способствует переходу растворимого бикарбоната кальция в нерастворимый карбонат в ультрадисперсном состоянии. Явление капиллярного всасывания расплава серы в структуру ракушечника обусловлено именно этими закономерностями карбонатного осадкообразования, обеспечивая, при пропитке, заполнение порового пространства серой. Сера в устойчивой модификации и ультрадисперсном состоянии при охлаждении кристаллизуется,поскольку формирование происходит в условиях геометрических пространственных ограничений узких капиллярных пор ракушечника,обладающего природной микропористостью, и немаловажно, что сера в расплавленном состоянии имеет низкое значение коэффициента поверхностного натяжения - 61 мН/м 1. Основной особенностью технологии пропитки известняка-ракушечника серой является физический процесс лиофильно-лиофобного взаимодействия компонентов, то есть лиофильная поверхность известняка-ракушечника впитывает лиофобный расплав серы, имеющий низкий краевой угол смачивания и обеспечивающий высокую адгезию между ними. Это свойство сродства известнякаракушечника и расплава серы объясняет высокие прочностные показатели пропитанных образцов. Кроме того, при исследовании микроструктуры порового пространства известняка-ракушечника,пропитанного расплавом серы, обнаружен процесс развития линейных структур серы, которые оказывают армирующее действие и повышают модуль упругости образцов,формированию которых способствуют капиллярно-поровые каналы ракушечника. Пропитка расплавом серы существенно улучшает физико-механические свойства исходного ракушечника,придавая ему повышенную надежность и долговечность даже в сложных условиях эксплуатации. Установлено, что достаточно пропитать только поверхностную часть толщиной 10-15 мм, чтобы изделие приобрело высокую стойкость против физически или химически агрессивной среды. Для проведения испытаний берется отход добычи и обработки известняка-ракушечника,рассеивается на фракции в соответствии с требованиями ГОСТ. Пропитывались образцы щебня, высушенные до постоянной массы и образцы щебня с естественной влажностью. Пропитка известняка-ракушечника производилась в расплаве серы двумя методами 1. Сухие образцы, предварительно подогретые до 160 С, погружались в расплав серы при температуре 155 С и выдерживались при изотермическом режиме в течение 60-90 минут,затем погружались в холодную воду 2. Образцы исходного сырья с естественной влажностью погружались в расплав серы при температуре 175 С и выдерживались в изотермическом режиме в течение 1 часа. Затем проводилось снижение температуры системы до 130 С. Время выдержки при этой температуре составляло 1 час, после чего образцы охлаждались в холодной воде. Пропитанные образцы отстаивались в течение 24 часов, после чего проводилось определение показателей полученных образцов истираемости в полочном барабане, предела прочности при сжатии и при изгибе, водопоглощения и морозостойкости образцов, результаты приведены в таблице 1. Пример 1. 3. Сушка щебня из известняка-ракушечника в сушильной камере Истираемость в полочном барабане, по массе Предел прочности, МПа(кгс/см 2) при сжатии в водонасыщенном состоянии Водопоглощение по массе,Морозостойкость, циклы 4. Высушенный щебень погружают в пропиточную ванну с расплавом серы и выдерживают в течение 60-90 минут при температуре 160 С 5. Пропитанный щебень выгружают в емкость с холодной водой для охлаждения. Пример 2. 6. Щебень с естественной влажностью погружают в расплав серы с температурой 175 С,выдерживают 60 мин 7. Образцы щебня перемещают в ванну с температурой расплава 130 С, где выдерживают 90 минут 8. Пропитанный щебень выгружают и охлаждают в ванне с холодной водой. Из естественных пустот камня при температуре расплава 160 С в виде парогазовой смеси удаляется остаточная влага, создавая вакуум, который заполняется расплавом серы при снижении температуры до 125-130 С. Глубина пропитки варьируется длительностью пребывания щебня в расплаве. При непродолжительном пропитывании,наполняются крупные поры и пустоты, а в микропоры плотных структур известняка расплав проникает на незначительную глубину, при длительной пропитке достигается полное объемное заполнение пор серой. Сравнение показателей свойств образцов указывает на существенное повышение и на предпочтительность второго режима пропитки,поскольку наблюдается увеличение степени пропитки по массе от 36 по первому способу до 45 по второму, то есть количество поглощаемой по второму режиму серы на 9 больше по массе. Обработка по второму режиму более экономична, поскольку не требует предварительной сушки образцов. Остаточная влага удаляется из порового пространства,создавая вакуум,способствующий всасыванию расплава в поры. Дальнейшее снижение температуры повышает вязкость расплава серы и препятствует вытеканию серы из пор, а резкое охлаждение создает на поверхности образцов монолитный слой. Значения показателей образцов щебня после (до) пропитки расплавом серы Образец фр. до Образец фр. до Образец фр. 20 мм. 10 мм. до 5 мм. 24 (41) 23 (45) 25 (47) 22 (11) При пропитке расплавом серы необходимо принимать меры безопасности из-за токсичности и огнеопасности серы. Пропиточные ванны герметизируют, устанавливают на открытых площадках и под навесами,оборудуют интенсивной общей и местной вентиляцией,пенными огнетушителями, асбестовыми одеялами,предусматривают другие меры повышенной пожарной охраны,рабочих обеспечивают спецодеждой. 3 Преимущества предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, заключаются в том, что обеспечивается многотоннажная утилизация серы,снижается себестоимость готовых изделий за счет применения отходов производств, обеспечивается значительное увеличение прочности на сжатие и изгиб за счет объемного замоноличивания естественных пустот известняка- ракушечника,повышается морозостойкость,существенно снижается водопоглощение. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ объемного упрочнения щебня из известняка-ракушечника, включающий заполнение порового пространства методом пропитывания,отличающийся тем, что пропитку порового пространства осуществляют расплавом серы с последующим охлаждением в воде.