Введение в новые материалы NIHPGCM

Нано-неорганические полимерные геологические полимерные материалы (NIHPGCM) — это результат долгосрочных исследований, изучения и моделирования процессов образования горных пород на Земле между компанией Feiye, вузами и научно-исследовательскими институтами в области материаловедения и горного дела, такими как Уханьский технологический университет и Центральный южный университет. Эти материалы позволяют реализовать принцип «использование местных ресурсов, уплотнение для формирования породы, превращение отходов в ценность». Они могут преобразовывать различные виды хвостов и шлаков, образующихся при добыче и переработке руд (угольной, металлической, химической), а также различные силикатные вещества в природе (грунт, песок, ил и т.д.), а также другие твердые отходы, образующиеся в промышленном производстве, в основные материалы для строительства дорог (автомагистралей, межгородских и городских и промышленных дорог, взлетных полос аэропортов, сельских дорог и т.д.), асфальтирования фабричных территорий, складов портов и причалов. Кроме того, они могут применяться в строительстве дамб, производстве кирпича без обжига и других областях строительства, способствуя «безопасному, сокращенному и ресурсному» использованию крупных объемов твердых отходов.

1. Объяснение принципов материала

1. Основные принципы

Использовать цемент в качестве щелочного катализатора, формируя прочную пространственную сеть ковалентных связей на основе элементов Ca, Si, Al и других компонентов цемента.

Основные особенности:

•  Технология формирования пород, изучаемая на Земле — имитация механизмов образования горных пород в природе путём прессования твёрдых отходов в геологические полимеры;

•  Полимеризационная реакция — разрушение исходной молекулярной структуры смеси (материала) с последующим повторным формированием стабильной сеточной молекулярной структуры «кристаллического пространственного тетраэдра», что обеспечивает превосходные механические и экологические свойства;

•  Широкий спектр основных материалов, с которыми может реагировать — более 90% твердых отходов способны вступать в реакцию с NIHPGCM и образовывать полимеры, включая почву, большинство хвостов, золу из коксования, фосфатный гипс, красную шлам и другие опасные отходы, а также шлаки.

2. Технические характеристики

•  Широкий диапазон адаптации основных материалов — можно настроить оптимальную формулу в зависимости от различных основных компонентов, таких как хвосты различных видов и промышленные твердые отходы;

•  Высокая адгезия интерфейса — плотное соединение молекул/материалов, без швов и трещин внутри, не требует заполнителя;

•  Низкий коэффициент сжатия/расширения — мало подвержен влиянию климатических условий и внешней среды, стабильный объем, не подвержен растрескиванию и повреждению из-за теплового расширения и сжатия;

•  Высокая коррозионная стойкость — устойчивость к кислотам и щелочам, способна работать в различных суровых условиях окружающей среды и на дорогах;

•  Отличные экологические свойства — отсутствие свободных молекул воды, способность удерживать ионы металлов, что способствует экологически безопасному и безвредному утилизированию;

•  Высокие механические свойства — быстрое формирование прочности на ранних стадиях, высокая прочность, подходит для быстрой строительной работы дорог и упрочнения площадок;

•  Очень низкая проницаемость — высокая герметичность, отличная водонепроницаемость, проницаемость близка к 0%;

•  Огнестойкость и огнезащита — низкая теплопроводность, огнеупорность, безопасный и надежный материал для дорожного покрытия.

3. Экологические преимущества

•  Основная среда — процесс полимеризации под действием щелочи эффективно нейтрализует кислотные и токсичные компоненты, что способствует экологической защите;

•  Захват влаги и вредных веществ — фиксация твердых отходов, таких как хвосты и шлаки, вместе с водой в виде гидратов по ковалентным связям внутри материала, предотвращая разлив воды.

•  Индивидуальная обработка — проведение физико-химических испытаний для каждого минерала, точное составление рецептуры нейтрализации с целью обеспечения экологической эффективности;

•  Высокая упаковка — степень упаковки ионами металлов превышает 95%, крайне низкая проницаемость, что обеспечивает надежное безопасное утилизацию твёрдых отходов.

Технология производства NIHPGCM и связанных геолагунатов полностью соответствует «Техническим нормам по использованию фосфатного шлака и контролю загрязнения при его безопасном хранении», утвержденным Министерством экологии и окружающей среды Китая, а также «Техническим нормам по контролю загрязнения при использовании красного шлака (проект для общественного обсуждения)».

Проведение экспериментов по принудительной выщелачиванию гипсовой шлама и красного шлама с использованием полимеров NIHPGCM позволяет сделать следующие выводы:

После обработки с помощью NIHPGCM фосфатная глина и красная шлам полностью стали безвредными — все образцы для тестирования и компоненты, извлечённые из проб, прошли обязательную кислотную обработку в соответствии с национальными и отраслевыми стандартами Китая HJ557-1010, GB/T14848-2017, GB8978-1996, JGJ63-2006. Результаты анализа по таким параметрам, как ванадий, молибден, общее селен, шестивалентный хром, общее мышьяк, фториды, общее ртуть, уровень pH, соответствовали и превзошли требования национальных стандартов Китая. В частности, содержание фторидов в сточных водах из полимерных суспензий фосфатной глины значительно превышает норму промышленной воды 10 мг/л, достигая уровня питьевой воды второго и даже первого класса — 1 мг/л.

4. Описание сфер применения

4.1 Основание общественных дорог (водостойкое слоёв), подстилка

Как правило, конструкция общественных дорог можно просто разделить на дорожную основу и покрытие. Дорожная основа обычно представляет собой уплотнённую почву, а покрытие может быть дополнительно поделено на стабилизационный слой, нижний слой (водостойкий слой) и верхний слой.

Геополимеры NIHPGCM могут использоваться в качестве основного материала, образуя стабильный и надежный нижний слой (водостойкий слой) путем прессования на дорожных участках с использованием почвы, хвостов шахт, промышленных отходов или других природных материалов. При добавлении небольшого количества NIHPGCM и цемента, после прессования дорожными катками достигается прочность на сжатие не менее 3,5 МПа на 7 дней при более низкой стоимости, сохраняя при этом отличную эластичность и способность поглощать вибрации. Это позволяет идеально заменить традиционные материалы, такие как цемент и щебень, для создания водостойкого слоя. Если стабильность дорожного полотна недостаточна, можно также рассмотреть возможность дополнительного укладки подложки из геополимера NIHPGCM под водостойкий слой, что повысит устойчивость дорожного покрытия и обеспечит лучшую прочность и качество поверхности.

4.2 Просторы, такие как дороги в горнодобывающих районах и механизированные дороги

Для таких проездов, не требующих строительства в соответствии со стандартами общественных дорог, технология геополимеров NIHPGCM позволяет полностью реализовать преимущества: более низкие затраты на строительство и обслуживание, более быстрое строительство, превосходные экологические характеристики. В зависимости от нагрузки и частоты использования дороги создаётся дорожное покрытие из геополимерного слоя соответствующей толщины и состава. При умеренных требованиях к прочности и хорошем состоянии основания можно одновременно формировать подложку, нижний слой и верхний слой (толщиной от 40 до 50 см), что значительно повышает эффективность строительства и позволяет существенно сэкономить трудовые и материальные ресурсы.

В качестве примера использования метода in situ-усадки грунта NIHPGCM для строительства дорог, основное оборудование включает только четыре виды: поливочный автомобиль, распределитель, холодный рециклинг/миксинг-аппарат и каток. Процесс выглядит следующим образом: сначала с помощью холодного рециклинга или миксинг-аппарата грунт подвергают дроблению до оптимальной крупности частиц; затем поливочный автомобиль распыляет воду, содержащую NIHPGCM (в массовом соотношении от 0,1% до 0,3%), обеспечивая влажность грунта в пределах 20–30%; после этого распределитель равномерно распределяет цемент в нужном пропорции (от 5% до 8%) по грунту; далее с помощью холодного рециклинга или миксинг-аппарата проводится повторная смешка, чтобы получить однородную и хорошо перемешанную смесь, которая затем укладывается на поверхность. В завершение смесь многократно укатывается катком весом от 15 до 30 тонн до достижения требуемой степени уплотнения. После примерно трех дней базовой затвердевания бетонное покрытие из полиакрилата NIHPGCM достигает прочности на сжатие более 5 МПа без ограничений по поперечным нагрузкам, что позволяет соответствовать требованиям проезда транспортных средств массой до 50 тонн. При этом прочность может продолжать повышаться по мере движения транспорта (например, за 6 лет она увеличилась с 5 МПа до 24 МПа).

4.3 Простые складские площадки и простые полы на территории парка

В таких сценариях, как хранение руды, крупные портовые причалы, логистические зоны и промышленные парки на суше, традиционная утрамбовка бетонных или асфальтовых покрытий сталкивается с рядом проблем: высокие затраты на строительство, сложность технологического процесса, длительное время выполнения работ и высокие требования к обслуживанию. Применение гипергидроупругих полимерных композитов (NIHPGCM) для утрамбовки поверхностей простых складов и промышленных территорий позволяет эффективно снизить затраты на закупку материалов и строительство, значительно сократить сроки строительства, а также благодаря саморазравнивающимся и самовосстанавливающимся свойствам полимерных композитов существенно снизить требования к обслуживанию. В этих условиях достигается высокая экономическая эффективность. Технология и оборудование для строительства в основном могут быть аналогичны методам возведения простых дорог, используемым в горнодобывающих районах и механизированных дорожках.

4.4 Преимущества по сравнению с традиционными методами строительства дорог

•  Более выгодные затраты — значительное снижение расходов на закупку основных материалов и логистику в процессе строительства, что позволяет быстро выполнять работы и существенно сокращать затраты на рабочую силу и оборудование; в течение последующих 1–3 лет благодаря саморемонтным и самосплочающимся свойствам обслуживание становится простым и дешевым.

•  Быстрое прохождение — быстрое затвердевание, прочность одного слоя достигает требований для движения в течение 1–3 дней;

•  Отсутствие стружек — полимерные материалы NIHPGCM не подвержены тепловому расширению и сжатию, не зависят от циклов замерзания и таяния, поэтому не требуют резервных стружек;

•  Повышение прочности — физико-химические реакции грунтовых полимеров сохраняются в течение длительного времени, и твердость всей дорожной поверхности постепенно увеличивается с возрастом и многократным прохождением транспортных средств.