Методические рекомендации по устройству оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция (46163)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕЖЕГО ФОСФОПОЛУГИДРАТА СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ

Утверждены зам. директора Союздорнии канд. техн. наук Б.С. Марышевым

Одобрены Главдорстроем (письмо № 5603/89 от 19.02.87)

Москва 1987

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕЖЕГО ФОСФОПОЛУГИДРАТА СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ. Союздорнии М., 1987.

Приведены требования к свежему фосфополугидрату сульфата кальция с технологических линий завода, а также пескам и золошлакам и другим материалам, обработанным свежим фосфополугидратом сульфата кальция.

Приведены требования к основаниям из свежего фосфополугидрата сульфата кальция и щебеночным (гравийным) основаниям, пропитанным им.

Разработана технология устройства оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция.

Дана санитарно-химическая и токсикологическая оценка применения фосфополугидрата сульфата кальция в основаниях дорожных одежд и влияния его на человека и окружающую среду.

Приведен экономический эффект от применения отходов производства экстракционной фосфорной кислоты - фосфополугидрата сульфата кальция в основаниях дорожных одежд.

Табл. 10

Предисловие

Использование фосфогипса, в том числе одной из двух его разновидностей - фосфополугидрата сульфата кальция - отхода производства экстракционной фосфорной кислоты, является важной народнохозяйственной проблемой, так как его ежегодный выход по данным Гипрохим Минудобрений достигает 20 млн. т (в виде влажного порошка белого цвета). В настоящее время практически весь он вывозится в отвалы, загрязняя окружающую среду.

В XII пятилетке задача применения фосфогипса решается в рамках общесоюзной научно-технической программы по дорожному строительству 0.55.11.

Методические рекомендации разработаны на основе научно-исследовательских работ, проведенных в Союздорнии, МАДИ, Госдорнии, НИУИФ, КНИИОКГ с участием Мособлстройцнила, с использованием достижений физико-химической механики, а также современных методов исследований.

В результате установлено, что в процессе производства фосфорной кислоты образуются две разновидности фосфогипса: полугидрат и двугидрат сульфата кальция, различающиеся по свойствам и, следовательно, возможностям применения. Так, свежий фосфополугидрат сульфата кальция обладает вяжущими свойствами и может быть использован в качестве материала монолитных оснований в районах расположения химических заводов.

По теме разработана авторская заявка на изобретение на способ устройства оснований дорожной одежды.

Результаты лабораторных работ проверены при строительстве экспериментальных участков в Сумской и других областях. Общий объем экспериментального строительства оснований дорожных одежд с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция составляет более 60 км. Построенные участки, за которыми ведутся регулярные наблюдения, имеют хорошие характеристики; видимых разрушений нет.

При разработке настоящих Методических рекомендаций использованы ранее разработанные временные и региональные рекомендации, составленные Союздорнии, МАДИ, Мособлстройцнил, Госдорнии и КНИИОКГ.

В настоящих Методических рекомендациях приведены требования к свежему фосфополугидрату сульфата кальция, а также смесям песка, гравия, щебня с этим материалом, конструкциям оснований, технологии строительства, а также технике безопасности и дана санитарно-химическая и токсикологическая оценка использования фосфополугидрата сульфата кальция в основаниях дорожных одежд.

Расход свежего фосфополугидрата как основного материала основания дорожной одежды составляет около 3 тыс. м3 на 1 км, а в качестве добавки - 300 - 600 м3 на 1 км. Потребность в фосфополугидрате определяется объемом дорожного строительства в районах и наличием других конкурентно-способных материалов.

Результаты расчетов технико-экономической эффективности внедрения свежего фосфополугидрата сульфата кальция показывают, что экономический эффект на 1 км дорожной одежды может составить 8 - 13 тыс. руб. при дальности транспортирования 10 - 50 км, сокращение трудозатрат - до 14 чел.-дн. при дальности транспортирования 10 км, экономия щебня - до 2000 м3, топлива - до 1500 л при дальности транспортирования 10 км, цемента - до 280 т, электроэнергии - до 4000 кВт.ч.

Методические рекомендации составили канд. техн. наук В.С. Исаев, инженеры Н.П. Гребеневич, И.А. Еркина (Союздорнии), кандидаты технических наук М.И. Кучма, Т.А. Мельник, инженеры И.А. Груздев, В.Д. Мариуца, Н.Б. Гладская (Госдорнии), д-р хим. наук В.Б. Ратинов, инж. А.Г. Кожухов (МАДИ), канд. техн. наук В.А. Терсин, инженеры М.А. Коротков, Б.В. Ануфриев (НИУИФ), канд. минер. наук М.Г. Пригода (КНИИОКГ) и инж. В.И. Кравченко (Мособлстройцнил).

Все замечания и предложения по данной работе просьба направлять по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха-6, Союздорнии.

1. Общие положения

1.1. Настоящие Методические рекомендации предназначены для руководства при проектировании и строительстве оснований дорожных одежд из свежего фосфополугидрата сульфата кальция.

Методические рекомендации разработаны в развитие СНиП 2.05.02-85, «Инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» ВСН 46-83 (Минтрансстрой, 1983), СНиП 3.06.03-85, ГОСТ 23558-79.

1.2. Фосфогипс образуется при производстве фосфорных удобрений в процессе сернокислотной переработки природного фосфатного сырья (апатитов и фосфоритов) и представляет собой в основном двуводный гипс с небольшим количеством примесей.

1.3. В связи с тем, что в последние годы промышленность по производству минеральных удобрений перестраивается на производство концентрированных удобрений (двойной суперфосфат, аммофос, нитроаммофоск, аммофосфат и др.), количество фосфогипса ежегодно увеличивается.

В настоящее время в отвалах химических заводов накоплены десятки миллионов тонн фосфогипса, что приводит к загрязнению окружающей среды, занимает сотни гектаров пахотных земель; для его хранения и транспортирования в отвалы требуются большие материальные и трудовые затраты.

В СССР работают более девяти заводов, отходами которых является фосфополугидрат сульфата кальция (табл. 1).

1.4. Фосфогипс образуется при разложении природных фосфатов серной кислотой и отделении образующейся фазы - сульфата кальция от растворов фосфорной кислоты. Реакция идет по следующей схеме:

Ca5(PO4)3F + 5H2O4 = 5CaSO4 + 3H3PO4 + HF.

Одновременно с фосфатами разлагаются и другие минералы, входящие в состав сырья: сульфат и фосфат магния, фтористо-кремниевая и кремнефтористоводородная кислоты, кремнефториды натрия и калия, фосфаты алюминия и железа и др.

Таблица 1

1.5. Основным продуктом этой реакции является гипс (Ca2SO4), называемый фосфогипсом. Химический состав фосфогипса следующий (в пересчете на окислы): CaO - 30 - 42 %; SO3 - 44 - 52 %; P2O5 - 1 - 2 %; F - 0,1 - 1 %; Al2O3 - 0,3 - 5 %; Fe2O3 - 0,2 - 2 %; SiO2 - 0,3 - 10 %; H2O - 25 - 40 %.

В системе CaO - P2O5 - SO3 - H2О фосфогипс может существовать в трех видах: ангидрита (CaSO4), полугидрата (CaSO4 · 0,5H2O) и дигидрата (CaSO4 · 2H2O) в зависимости от концентрации P2O5 и температуры. Так, например при концентрации P2O5 не более 40 % и температуре до 66 ??С устойчивой формой в реакционном растворе является дигидрат, при концентрации P2O5 от 40 до 52 % и температуре 66 - 107 °С - полугидрат, а выше этих параметров - ангидрит.

1.6. В настоящее время большинство предприятий по производству удобрений работают по дигидратному способу, т.е. при низких температурах выпускают фосфорную кислоту с концентрацией не более 40 %. В качестве побочного продукта образуется фосфогипс-дигидрат.

1.7. Некоторые химические комбинаты частично освоили производство фосфорной кислоты полугидратным способом, что позволяет в 1,5 - 2 раза увеличить производительность, поскольку полугидрат почти в 2 раза быстрее, чем дигидрат, отфильтровывается от фосфорной кислоты, а концентрация получаемой фосфорной кислоты достигает 48 %.

1.8. Дигидрат и полугидрат выпускаются в виде влажного порошка, имеющего pH = 1 ÷ 2 и содержащего 25 - 40 % воды. Обе разновидности фосфогипса обычно вывозятся в отвалы и нередко смешиваются друг с другом.

1.9. Фосфогипс дигидрат не обладает какими-либо вяжущими свойствами, в отвалах постепенно теряет воду, превращаясь в сухой белый порошок.

1.10. Фосфогипс-полугидрат сульфата кальция, отфильтрованный от фосфорной кислоты, охлаждаясь с 90 - 105 °С до температуры окружающей среды, постепенно переходит в дигидрат, кристаллизуясь и превращаясь в гипсовый камень. Длительность этого перехода зависит от температуры окружающей среды и количества оставшейся в фосфогипсе фосфорной кислоты и может достигать нескольких часов или суток.

1.11. Свежий фосфогипс-полугидрат сульфата кальция обладает вяжущими свойствами и может быть использован для устройства конструктивных слоев дорожных оснований. Свежим назван фосфополугидрат, укладываемый в дорожную одежду в возрасте до 3 сут с момента выпуска.

2. Общие рекомендации по проектированию и строительству оснований с использованием свежего фосфополугидрата сульфата кальция

2.1. При строительстве оснований дорожных одежд свежий фосфополугидрат сульфата кальция может быть использован в качестве:

минерального материала, обладающего способностью самоцементироваться;

самостоятельного или смешанного вяжущего для обработки песка, гравия, щебня и золошлаковых смесей;

расклинивающего вяжущего при строительстве щебеночных оснований.

2.2. Конструкции дорожных одежд со слоями из свежего фосфополугидрата сульфата кальция взамен щебеночных, гравийных и пескоцементных слоев принимают согласно «Типовым проектным решениям дорожных одежд автомобильных дорог обшей сети Союза ССР», разработанным Союздорпроектом (серия 503-0-П) и утвержденным Минтрансстроем с 12.08.76. Толщину слоев из фосфополугидрата сульфата кальция рассчитывают в соответствии с ВСН 46-83. Расчетные параметры принимают по настоящим Методическим рекомендациям.

2.3. Дорожные основания из фосфогипса чувствительны к воде, поэтому под ними целесообразно устраивать гидроизолирующие прослойки. Наиболее эффективны гидроизолирующие прослойки из низковязких дегтей и сырых каменноугольных смол. На дорогах, строящихся в местности 1 типа (по СНиП 2.05.02-85), гидроизолирующие прослойки необязательны; во 2 и 3-м норма розлива дегтей и смол составляет 1 - 1,2 л/м2. При отсутствии дегтей и смол можно использовать нефтяные жидкие битумы и высоковязкие нефти. Эффект гидроизоляции жидкими и нефтяными битумами повышается, если в них предварительно ввести до 3 % массы кубовых остатков синтетических жирных кислот.

2.4. При устройстве оснований из свежего фосфополугидрата сульфата кальция в местности 3-го типа по условиям увлажнения целесообразно, кроме гидроизолирующих прослоек, устраивать дренирующие прослойки и проводить другие мероприятия по отводу воды.

2.5. На основание, выполненное с применением свежего фосфополугидрата сульфата кальция, необходимо укладывать защитные слои из мелко- и среднезернистого асфальтобетона, дегтебетона или устраивать двойную поверхностную обработку.

2.6. Для повышения сцепления на поверхность слоя из свежего фосфополугидрата сульфата кальция с черным защитным слоем в процессе уплотнения целесообразно рассыпать щебень фракции 10 - 20 или 20 - 40 мм и прикатать.

2.7. Проектирование составов смесей со свежим фосфополугидратом сульфата кальция производят на основе лабораторных испытаний образцов.

2.8. Устройство оснований из свежего фосфополугидрата следует осуществлять при температурах не ниже 5 °С.

При технико-экономическом обосновании допускается производить работы при температуре до минус 4 °С. Ниже этой температуры влажный свежий фосфополугидрат сульфата кальция и смеси с его использованием могут смерзаться.

2.9. Распределять и уплотнять свежий фосфополугидрат сульфата кальция следует по принятому по акту нижележащему слою или земляному полотну.

2.10. Земляное полотно и песчаный подстилающий слой, на которые укладывают основание, устраивают согласно требованиям СНиП 2.05.02-85 и СНиП 3.06.03-85.

При этом должны быть приняты меры по обеспечению отвода воды от основания дорожной одежды.

3. Требования к материалам как исходному сырью

3.1. Для устройства оснований дорожной одежды рекомендуется использовать свежий фосфополугидрат сульфата кальция, который отбирают непосредственно из выходного бункера экстрактора с технологической линии завода. Химический состав приведен в разд. 1.

3.2. Удельная поверхность свежего фосфополугидрата сульфата кальция должна составлять не менее 3000 см2/г. Свойства свежего фосфополугидрата сульфата кальция приведены ниже: