Минеральный порошок на основе пиритных огарков в составах асфальтобетонных композиций
На правах рукописи
ХАННАНОВА ГУЛЬНУР ТАЛГАТОВНА
МИНЕРАЛЬНЫЙ ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ПИРИТНЫХ ОГАРКОВ В СОСТАВАХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
УФА-2009
Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете
Научный руководитель: доктор технических наук
Недосеко Игорь Вадимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Хафизов Фаниль Шамильевич
кандидат технических наук
Синицин Дмитрий Александрович
Ведущая организация: ГУП «Уралдортранс», г.Уфа
Защита состоится 28 декабря 2009 г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета Д.212.289.02 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте университета; http://www.rusoil.net/.
Автореферат разослан «26» ноября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Недосеко И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Проблема повышения качества и долговечности дорожных покрытий является актуальной задачей, остро стоящей перед строительными и эксплуатирующими организациями дорожного комплекса. Как показывает практика, при нормативном сроке службы дорожных покрытий составляющим 10 и более лет первые ремонтные работы приходится производить через 2-3 года. Одной из основных причин существующего положения дел является несбалансированность применяемых асфальтобетонных смесей, как по составу минеральных компонентов, так и по качеству битума.
Применительно к Республике Башкортостан многие его районы вообще лишены собственного производства минерального порошка. Минеральный карбонатный порошок производится лишь на ООО «Сода» и на базе Туймазинского ДРСУ, но эти мощности не обеспечивают и трети потребности, и, соответственно, для покрытия потребности в данном продукте дорожные организации используют отсевы мелких фракций (шебура), получаемые при дроблении щебня. Следовательно, получаемый без минерального порошка асфальтобетон не может соответствовать нормативным показателям. Получение же, подобным образом, современных эффективных типов асфальтобетона, таких как щебеночно-мастичный асфальтобетон и литой асфальт в принципе невозможно.
Поэтому важной и актуальной задачей дорожного комплекса является использование в качестве минеральных порошков дисперсных крупнотоннажных отходов химической промышленности, значительные накопления которых имеются в нашей республике. К ним относятся, в первую очередь, твердый остаток содового производства, состоящий на 70-80% из CaCO3, с примесью хлоридов щелочных металлов. Несмотря на огромные запасы (более 20 млн.т), применение данного отхода проблематично, так как до настоящего времени не решена проблема его обезвоживания и сушки. Возможно также использование цементной пыли - отхода систем пылеудаления цементного производства. Хотя данный продукт, как минеральный порошок далеко не лучшего качества (высокая битумоемкость и наличие в нем клинкерных минералов, которые медленно гидратируют в асфальтобетоне и частично разрушают его структуру), но даже его ОАО «Сода» практически не отпускает даже за приемлемую цену (он используется как добавка при помоле цемента). В отличие от них, пиритные или колчеданные огарки – отход производства серной кислоты Мелеузовского ОАО «Минудобрения» – имеет ряд преимуществ: он абсолютно инертен и при высокой дисперсности не слипается даже во влажном состоянии. Несмотря на то, что в прошлом были попытки (в том числе успешные) его использования в качестве минерального порошка, до настоящего времени остается ряд нерешенных проблем – вопросы сцепления с битумом и изменения свойств во времени. Также, не изучался вопрос о применении пиритных огарков в качестве минеральных порошков в современных асфальтобетонных композициях - щебеночно-мастичных асфальтобетонах и литом асфальте. Решение данных проблем потребовало проведения настоящей работы.
Цель работы.
Разработка составов и технологии получения асфальтобетонных композиций на основе минерального порошка из пиритных (колчеданных) огарков.
Задачи исследования.
- изучение влияния вещественного состава и строения пиритных огарков на свойства асфальтовяжущего вещества;
- разработка способов активации минеральных порошков при пониженных температурах композициями на основе полисульфидов щелочных металлов;
- установление характера сравнительного влияния минеральных порошков различных типов на основные механические и технологические свойства асфальтобетонов: битумоемкость, прочность, водонасыщение, набухание и водостойкость;
- разработка составов асфальтобетонных смесей и щебеночно-мастичного асфальта с использованием пиритных огарков;
- подготовка нормативно-технической документации, регламентирующей технологические, экономические и экологические аспекты производства и применения асфальтобетонов с использованием пиритных огарков;
- производственная апробация и внедрение результатов проведенных исследований.
Научная новизна работы.
- Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования и улучшения свойств асфальтобетонных композиций за счет применения в их составах пиритных огарков.
- Изучено влияние вещественного и количественного содержания пиритных огарков, их дисперсности, на изменение структурного и химического состава, а также свойств битумов в асфальтобетонных композициях.
- Разработан способ активации минеральных порошков полисульфидами щелочных металлов в условиях пониженных температур.
- Получены основные принципы рациональной технологии получения асфальтобетонных композиций различных типов с использованием действующего оборудования и дисперсных отходов химической промышленности.
Новизна технических решений, представленных в работе, подтверждена патентом №2006611035 на программный комплекс для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая ценность работы заключается в расширении сырьевой базы производства асфальтобетонов различных типов за счет использования многотоннажного дисперсного отхода химической промышленности – пиритных (колчеданных) огарков и разработке упрощенной технологии его введения в асфальтобетонную смесь с использованием стандартного оборудования асфальтобетонных заводов.
Реализация данного способа получения асфальтобетонных композиций различных типов (стандартные асфальтобетоны марок II, III «Б», «В», «Г», щебеночно-мастичный и литой асфальтобетон) в рамках действующего производства позволят повысить качество и долговечность дорожных покрытий, а также сократить объем отходов, находящихся в отвалах, что в свою очередь поможет решить проблемы охраны окружающей среды.
Разработанный способ активации минеральных порошков композициями на основе полисульфидов щелочных металлов (водорастворимой серы) при пониженных температурах позволит существенно упростить технологию активации минеральных порошков за счет исключения из состава технологической линии узла по подогреву минеральных компонентов и, соответственно, значительно снизить стоимость получаемого порошка.
Разработанная технология производства асфальтобетонов с использованием пиритных огарков позволит существенно снизить расход дорогостоящих компонентов и, в целом, повысить ее технико-экономическую эффективность.
Уфимским государственным нефтяным техническим университетом и ГУП «Башкиравтодор» РБ с участием автора разработана нормативно-техническая и проектно-сметная документация на применение пиритных огарков в составах асфальтобетонов, в которых отражены технологические, экономические и санитарно-гигиенические аспекты их производства и применения. В производственных условиях (Мелеузовское ДРСУ) проведено испытание разработанных составов асфальтобетонов при укладке верхнего слоя дорожного покрытия на участке автомобильной дороги Западный обход города Мелеуза протяжённостью 3,5 км.
Апробация работы.
Основные положения докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Уфимского Государственного нефтяного технического университета (г.Уфа, 2004-2009 гг.) и Самарского государственного архитектурно-строительного университета (г.Самара, 2006-2008 гг.) на восьмых академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (г.Самара, 2004г.), на десятых академических чтениях РААСН «Достижение, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (г.Казань-Пенза, 2006г.)
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 статей и тезисов докладов (№№9, 10, 12 в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, по списку ВАК Минобрнауки РФ (отрасль – Строительство), разработана нормативно-техническая (технические условия и технологический регламент) и проектно-сметная документация, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, выпущены технические условия.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка из 107 наименований. Работа изложена на 143 страницах, содержит 32 рисунка, 38 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований ГУП «Башкиравтодор», в лице к.т.н. Аминова Ш.Х. и к.т.н. Струговца И.Б., а также сотрудникам производственной лаборатории и дорожно-строительных управлений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена обзору источников информации. Проанализирована литература и техническая документация по рассматриваемой проблеме.
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время создался острый дефицит минерального порошка для асфальтобетона, обусловленные тем, что многие дорожные организации не имеют собственного дробильно-сортировочного оборудования для его получения. К тому же использовать дальнепривозное минеральное сырье во многих случаях не представляется возможным по экономическим соображениям. Как показывает практика в ближайшее десятилетие действующие производственные мощности по помолу карбонатных пород не смогут обеспечить даже текущей потребности производства, не говоря о его значительном увеличении в связи с намеченными планами дорожного строительства. Поэтому остро стояла и стоит перед эксплуатирующими организациями задача использования дисперсных минеральных промышленных отходов как заменителей минерального порошка. Был проанализирован накопленный опыт и существующие проблемы применения дисперсных промышленных отходов в дорожном строительстве, которыми занимались: Сахаров П.В., Ребиндер П.А., Рыбьев И.А., Волков М.И., Печеный Б.Г., Ярмолинская Н.И., Высоцкая М.А., Duriez M., Arrambide J., Gunter W. и другие исследователи.
Из промышленных отходов в качестве минерального порошка достаточно долго использовалась цементная (запеченная) пыль электрофильтров цементного производства, хотя она не являлась оптимальной ни по гранулометрическому (удельная поверхность порядка 5000-8000 см2/г при оптимуме 1500-2000 см2/г), ни по химическому составу, так как в ней имеется большое количество водорастворимых щелочных соединений. В настоящее время практически стопроцентный выход цементной пыли используется для производства смешанных цементов средних и низких марок (несмотря на то, что данная добавка существенно ухудшает качество получаемых цементов). Достаточно близкими по гранулометрическому и химическому составам к цементной пыли являются золы теплоэлектростанций. Данные отходы, несмотря на их большие объемы, к сожаленью, не так широко используются в промышленности, так как зачастую их применение не всегда рационально как по техническим, так и по экономическим соображениям. В частности, возникают транспортные расходы из-за рассредоточенности мест расположения зол, к тому же в настоящее время на многих ТЭС пневмотранспорт заменен системой гидроудаления, что требует вводить дополнительные дорогостоящие и сложные системы по сушке зол.
Многие работы посвящены вопросам использования отсевов горнорудной промышленности. Это направление представляется достаточно эффективным, особенно в регионах дислокации горнорудных производств, несмотря на то, что имеется ряд сопутствующих проблем технического и экономического характера.
Имеется ряд других крупнотоннажных дисперсных отходов химической промышленности, наиболее массовыми из которых являются твердые отходы содового производства, состоящие более чем на 80% из CaCO3 с незначительной примесью свободной извести, а также щелочных соединений (CaCl2, NaCl и др.) К тому же данные отходы наиболее оптимальны по гранулометрическому составу (Sуд=1000см2/г) и наиболее близко соответствует гранулометрии стандартного минерального порошка из карбонатных пород. Однако, внедрение в производство данного перспективного направления в значительной степени тормозится из-за нерешенной проблемы обезвоживания и сушки данных отходов. Другим массовым отходом химической промышленности являются пиритные (колчеданные) огарки предприятий по производству серной кислоты. Их накопления только по Республике Башкортостан составляют более 2 миллионов тонн, что позволяет обеспечить потребности дорожных организаций на значительную перспективу. Важным положительным моментом данного отхода является то обстоятельство, что, даже находясь в отвале при воздействии атмосферных осадков, он не слеживается, не агрегируется при сушке, поэтому возможны упрощенные способы его введения в асфальтовую смесь.
В результате анализа применения различных типов минеральных порошков установлено, что в значительной степени проблемы потребности в минеральных компонентах и снижения стоимости асфальтобетонных композиций могут быть решены за счет широкого использования отходов промышленности. Побочные продукты промышленности являются важным источником материального обеспечения выполнения намеченных планов, которые позволят не только ускорить и удешевить дорожное строительство, но и повысить эффективность мероприятий по охране окружающей среды.
Известно, что даже при использовании минерального порошка не оптимального как по гранулометрическому, так и по химико-минералогическому составу имеется возможность получения качественных асфальтобетонов на основе данных материалов. Для этого используется активация минеральных порошков различными органическими и полимерными композициями, что позволяет значительно снизить битумоемкость исходного минерального порошка (что особенно важно при использовании минеральных порошков с повышенной удельной поверхностью >2000см2/г), повысить их сцепление с битумными составляющими в составе композитов и соответственно повысить прочность и долговечность асфальтобетонов на их основе. Однако, несмотря на очевидные преимущества использования активированных минеральных порошков, дорожная промышленность довольно ограниченно использует эти возможности. Это связано не только с высокой стоимостью применяемых полимерных активаторов, а также с тем обстоятельством, что активация порошка полимерами должна проходить при повышенных температурах, при этом требуется дополнительное оборудование повышенной материало- и энергоемкости. Поэтому усилия исследователей и технологов в этом направлении направлены на разработку новых способов активации минеральных материалов. В частности, в ГУП НИИРЕАКТИВ разработана технология перевода серы в водорастворимую форму (полисульфиды щелочных металлов). Данная композиция на наш взгляд позволит осуществить активацию минеральных составляющих без использования термических и иных энергоемких процессов. В этом случае технология активации осуществляется при пониженных (обычных) температурах (5-20оС), что позволяет существенно снизить энергоемкость технологического процесса, и, соответственно, всю себестоимость получаемого активированного наполнителя.
Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, использованных в работе, методы и методики экспериментальных исследований, а также приведены данные исследований физико-химических свойств пиритных огарков Мелеузовского ОАО «Минудобрения».
Количественный химический и минералогический состав исследуемых продуктов определяли при помощи ICP-спектрометрии на спектрометре OPTIMA 2000DV и рентгенофазового анализа на дифрактометре D8 ADVANCE (фирма Bruker). Гранулометрический состав пиритных огарков определяли при помощи лазерного гранулометра FA.FRITSCH.
В качестве связующего в составе битумоминеральных смесей (БМС) в работе были использованы битумы различных марок, в частности битумы марок БНД, получаемые по технологии окисления нефтяных остатков на Салаватском и Новоуфимском нефтеперерабатывающих заводах, а также битумы неокисленные нефтяные БНН 50/80, полученные на Новоуфимском НПЗ. Физико-механические свойства нефтяных битумов: глубина проникновения иглы, условная вязкость, растяжимость, температура размягчения по кольцу и шару, температура хрупкости, сцепление битума с мрамором и песком определялись по ГОСТ 11501, ГОСТ 11503, ГОСТ 11505, ГОСТ 11506, ГОСТ 11507, ГОСТ 11508 соответственно.
Физико-механические свойства заполнителей для асфальтобетонов - природного и дробленого песка (зерновой состав, модуль крупности, содержание пылевидных и глинистых частиц, наличие органических примесей, истинная плотность, насыпная плотность) определяли по ГОСТ 8735. Свойства минеральных порошков из карбонатных пород и пылевидных отходов промышленности (зерновой состав, пористость при уплотнении под нагрузкой 40 МПа, набухание образцов из смеси минерального порошка с битумом, показатели битумоемкости, коэффициент водостойкости) определяли по ГОСТ 12784. Содержание свободной окиси кальция СаО в пылевидных отходах промышленности - по ГОСТ 22688.
Свойства получаемых асфальтобетонных смесей (пористость минеральной части, остаточная пористость, водонасыщение, набухание, пределы прочности при сжатии при температуре 0°С, 20°С и 50°С, коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении) определяли по ГОСТ 12801.
В процессе работы рассматривались вопросы изучения свойств асфальтовых вяжущих и асфальтобетонов под действием термоокислительных процессов, а также воздействия знакопеременных температур.
Исследования физико-химического и гранулометрического состава пиритных огарков Мелеузовского ОАО «Минудобрения» (рис. 1-2, табл.1-3) показали, что данный продукт соответствует требованиям, предъявляемым действующим ГОСТ на минеральные порошки из отходов промышленности, в частности, составляющие его минералы термически устойчивы (вплоть до температур 7000С и выше), не содержат глинистых (способных к набуханию) и водорастворимых соединений. В ряде проб незначительная примесь двуводного гипса (в пределах нормативов) объясняется близким расположением отвалов пиритных огарков и фосфогипса.
Таблица 1. Химический состав пиритных огарков
| Содержание в % на абс. сухую навеску | ||||||||||||||
| SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | MnO | CaO | MgO | Na2O | K2O | P2O5 | Ba | SO3 | ппп | Сумма |
| 9,72 | 0,11 | 2,83 | 67,70 | 3,10 | 0,10 | 1,70 | 0,99 | 0,22 | 0,30 | 0,10 | 2,44 | 5,71 | 8,01 | 99,93 |
Рис. 1. Дифрактограмма пиритного огарка
Таблица 2. Минералогический состав пиритных огарков Мелеузовского АО «Минудобрения»
| Наименование минерала | Содержание, % |
| Оксид трехвалентного железа – – Fe2O3 (гематит) | 66±7 |
| Оксид двух- и трехвалентного железа – Fe3O4 (магнетит) | 12±2 |
| Диоксид кремния -SiO2 (кварц) | 12±2 |
| Сульфат бария BaSO4 (барит) | 5±1 |
Таблица 3. Фракционный состав пиритных огарков по данным лазерной гранулометрии
| Процентное содержание фракций | Средний диаметр фракций | ||
| Диаметр, мкм | Содержание, % | Содержание, % | Средний диаметр, мкм |
| 0.10 | - | 5.00 | 1.04 |
| 0.50 | 1.87 | 10.00 | 1.96 |
| 1.00 | 4.77 | 15.00 | 3.33 |
| 2.00 | 10.18 | 20.00 | 5.94 |
| 3.00 | 14.03 | 25.00 | 10.22 |
| 4.00 | 16.69 | 30.00 | 14.19 |
| 5.00 | 18.58 | 35.00 | 17.71 |
| 10.00 | 24.74 | 40.00 | 21.12 |
| 15.00 | 31.13 | 45.00 | 24.63 |
| 20.00 | 38.36 | 50.00 | 28.41 |
| 25.00 | 45.51 | 55.00 | 32.62 |
| 30.00 | 52.03 | 60.00 | 37.51 |
| 35.00 | 57.55 | 65.00 | 43.31 |
| 40.00 | 62.24 | 70.00 | 50.35 |
| 45.00 | 66.27 | 75.00 | 59.04 |
| 50.00 | 69.79 | 80.00 | 69.92 |
| 60.00 | 75.49 | 85.00 | 85.01 |
| 100.00 | 88.31 | 90.00 | 110.66 |
| 150.00 | 93.49 | 95.00 | 185.31 |
| 200.00 | 95.48 | 99.00 | 367.86 |
| 250.00 | 96.80 | ||
| 300.00 | 97.87 | ||
| 350.00 | 98.73 | ||
| 400.00 | - | ||
Рис. 2. Интегральные и дифференциальные зависимости фракционного состава пиритных огарков
Гранулометрический состав пиритных огарков (рис. 2) показывает, что в отличие от данных других исследователей, оперирующих показателями их удельной поверхности Sуд – 3500 – 6000 см2/г, их реальная удельная поверхность существенно выше (порядка Sуд – 8000 - 10000 см2/г). Данным фактором в основном объясняется их достаточно высокая битумоемкость, что требует применения активаторов для получения качественного минерального порошка на их основе.
В качестве активаторов минеральных порошков в настоящей работе применялись стандартные активаторы, выпускаемые отечественной промышленностью (гидрокарбонатная жидкость, смолы и т.д.), а также новый вид модификатора на основе композиций водорастворимой серы (полисульфиды щелочных металлов), полученный по технологии, разработанной ГУП НИИРЕАКТИВ, г.Уфа. Принципиальная схема установки производства полисульфида кальция приведена на рис. 3.
Применение полисульфидов щелочных металлов в качестве активаторов минеральных продуктов повышенной дисперсности позволит существенно упростить технологический процесс и снизить количество токсичных выбросов, так как в отличие от стандартных способов процесс активации минеральных порошков происходит при обычных, а не повышенных (120-150оС) температурах, как в случае использования битума и других полимеров. В связи с этим из стандартной технологической схемы производства минерального порошка (рис. 4) исключаются технологические переделы подогрева минеральных продуктов и активирующих компонентов (позиции 1-6).
Рис. 3. Принципиальная схема установки производства композиций водорастворимой серы (полисульфида кальция): 1 - реактор; 2 - мешалка; 3 - нагревательный элемент; 4 - блок загрузки исходных реагентов; 5 - обратный холодильник; 6 - блок очистки паров воды от сероводорода; 7 - емкость для готовой продукции; 8 - дезинтегратор.
Рис. 4. Технологическая схема производства активированного минерального порошка:1 - накопительный бункер; 2 – транспортер; 3 – транспортер; 4 – барабан; 5 – дозатор битума; 6 – транспортер; 7 – бункер; 8 - тарельчатый шпатель; 9 - шаровая мельница; 10 – элеватор; 11 - раздаточный бункер; 12 – шнек; 13 – дозатор водорастворимой серы; I – стадия подогрева минеральных компонентов; II – стадия смешения.
Третья глава посвящена изучению влияния минерального наполнителя на свойства битума в асфальтобетоне. Были проведены серии опытов по определению степени сцепления (адсорбции) битума с минеральным наполнителем для трех различных битумов (БНД 90/130, БНД 40/60, битум БНН 50/80) в зависимости от длительности термостатирования. В связи с малыми размерами частиц (от 1 до 400 мкм) пиритных огарков опыты производились на моделях наполнителей, в их качестве (учитывая преимущественно кислую природу составляющих минералов – гематита, кварца и барита) использовалась гранитная крошка различных фракций. В связи с тем, что результаты испытаний во многом зависят от таких факторов как температура, время термостатирования, количественного соотношения битум : минеральный наполнитель, а также слоя битумоминерального связующего (БМС) на сетке для кипячения, были приняты следующие условия проведения экспериментов: температура термостатирования 160°С; количество компонентов: битума 0,6 г, гранитной крошки 15 г; фракция наполнителя 3-5 мм; толщина слоя БМС на сетке 2 зерна; время кипячения 30 минут. Время термостатирования варьировалось от 20 мин до 5 часов. Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 4 и на рис.5.
Данные проведенных экспериментов показывают, что количество битума, удержанного поверхностью наполнителя существенно зависит от времени выдержки. В среднем, через 2-3 часа термостатирования в системе битум-гранит наступает адсорбционное равновесие, вследствие чего количество битума, сорбированного поверхностью, стабилизируется. Степень адсорбции битума большей частью зависит от внешних параметров, таких как величина поверхности минерального наполнителя, толщина слоя БМС на сетке для кипячения и ряда других факторов. Проведенные эксперименты позволили определить (безусловно, с некоторой степенью приближенности) вещественный состав битума, способный образовывать адсорбционный слой, который является показателем его свойств.
Для определения влияния гранулометрического состава минерального наполнителя на степень сцепления были проведены эксперименты по отслоению битума кипящей водой с поверхности гранита различных фракций. Результаты испытаний приведены в табл.4, 5.
Таблица 4. Количество битума, удерживаемого поверхностью гранита при отслоении кипящей водой (% мас.)
| Время, час. | Битум БНН 50/80 | Битум БНД 40/60 | Битум БНД 90/130 | |||
| удержанн. | выделенн. | удержанн. | выделенн. | удержанн. | выделенн. | |
| 20 мин | 4,2 | 95,8 | --- | --- | --- | --- |
| 1 | 69,3 | 30,7 | 57,2 | 42,8 | 46,8 | 53,2 |
| 2 | 80,0 | 20,0 | 64,0 | 36,0 | 53,9 | 46,1 |
| 3 | 80,0 | 20,0 | 75,3 | 24,7 | 64,8 | 31,6 |
| 4 | 82,0 | 18,0 | 73,5 | 26,5 | 67,0 | 33,0 |
| 5 | --- | --- | 71,7 | 28,3 | 71,3 | 28,7 |
Температура термостатирования 160°С, время 3 часа, толщина слоя БМС на сетке - 2 диаметра зерна гранита, время кипячения 30 мин.
Рис. 5. Количество битума, удерживаемого поверхностью гранита при отслоении кипящей водой: 1 - битум БНН 50/80; 2 - БНД 40/60; 3 - БНД 90/130.
Таблица 5. Влияние гранулометрического состава минерального наполнителя на количество битума марки БНД 40/60, удерживаемого поверхностью при кипячении
| Фракция гранита, мм | Удельная поверхность, см2/г | Количество удержанного битума, %мас. |
| 3-5 | 5,6 | 84,6 |
| 2-3 | 8,9 | 83,5 |
| 1-2 | 15,4 | 72,7 |
| 0,5-1 | 30,9 | 61,4 |
| 0,25-0,5 | 61,7 | 35,0 |
Исследования показали, что кроме формирования адсорбционного слоя также происходит значительное изменение состава и свойств битума, находящегося в пространстве между зернами наполнителя. Например, к 5 часам термостатирования при 160°С его пенетрация убывает с 50-70 до 18-20 мм*10-1, а температура размягчения увеличивается с 45-48 до 70-71°С. Причем, степень изменения свойств битума и перестройка его дисперсной структуры в более жесткий тип существенно зависит от его компонентного состава и технологии получения, в частности, применение битумов, окисленных при более высоких температурах сильнее изменяет их свойства.
В четвертой главе исследовалось влияние минеральных порошков различного состава на свойства асфальтобетонных композиций. Критерием применимости полученных активированных минеральных порошков на основе пиритных огарков является поведение их в составе асфальтобетона, причем качественный анализ минерального порошка можно осуществлять только в асфальтобетонных смесях оптимального состава. В связи с этим был выполнен подбор оптимального состава мелкозернистого асфальтобетона, наиболее широко применяемого в верхних слоях дорожных покрытий.
Для подбора асфальтобетонных смесей оптимального состава в работе применялся метод математического планирования эксперимента. Были выбраны следующие уровни факторов и интервалы варьирования: предел прочности при сжатии при +200С (У1), содержание щебня (Х1), содержание песка (Х2), содержание минерального наполнителя (Х3), содержание битума (Х4). Полученная аналитическая зависимость соответствует следующему уравнению (1)
У=b0X0+b1X1+b2X2+b3X3+b4X4+b12X1X2+b13X1X3+b14X1X4+b34X3X4+b24X2X4+b23X2X3 (1)
Для получения экспериментальных результатов с необходимой надежностью и точностью также выполнялся статистический анализ измерений прочности образцов асфальтобетона при различных температурах, водонасыщения, набухания и коэффициента водостойкости. Пиритные огарки вводились в составы стандартных и щебеночно-мастичных асфальтобетонов с использованием инертных материалов и различных видов битумов, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями Республики Башкортостан. Результаты испытаний представлены в табл. 6.
Таблица 6. Сравнительные показатели свойств стандартных асфальтобетонов с использованием минеральных порошков различных типов
| Показатель | Асфальтобетон с минеральным порошком | ||
| пиритный огарок | пиритный огарок, активированный водорастворимой серой | стандартный известняковый (Туймазинское ДРСУ) | |
| Водонасыщение, % | 4,88 | 3,95 | 4,7 |
| Предел прочности при длительном водонасыщении, МПа | 1,93 | 3,75 | 2,4 |
| Предел прочности, МПа | |||
| при 00С | 10,3 | 11,2 | 9,5 |
| при 200С | 3,8 | 6,0 | 5,7 |
| при 500С | 1,6 | 2,1 | 2 |
Таблица 7. Сравнительные показатели свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов с использованием минеральных порошков различных типов
| Показатель | Щебеночно-мастичный асфальтобетон | ||
| пиритный огарок | пиритный огарок, активированный водорастворимой серой | стандартный известняковый (Туймазинское ДРСУ) | |
| Водонасыщение, % | 3,22 | 1,7 | 1,93 |
| Предел прочности, МПа | |||
| при 200С | 2,65 | 3,88 | 2,95 |
| при 500С | 0,75 | 0,88 | 0,95 |
Были проведены натурные испытания пригодности разработанных составов асфальтобетонов к воздействию погодно-климатических факторов и транспортной нагрузки. На основе минеральных порошков из пиритного огарка была выпущена опытная партия асфальтобетонной смеси, специально подобранная для АБЗ Мелеузовского ДРСУ, и уложен верхний слой дорожного покрытия на участке автомобильной дороги «Западный объезд г. Мелеуза км 1-5» протяжённостью 3,5 км., при этом исследовалась его устойчивость под воздействием существующей транспортной нагрузки в существующих климатических условиях. Данное покрытие находилось под наблюдением в течение трех лет. В этот период в различных местах брались вырубки и устанавливались изменения физико-механических параметров асфальтобетона за время его эксплуатации. Приведенные результаты испытаний (табл.8) указывают на достаточно высокую устойчивость данного дорожного покрытия к воздействию транспортных нагрузок и погодно-климатических факторов.
Таблица 8. Результаты испытаний вырубок асфальтобетона из дорожного покрытия участка автомобильной дороги «Западный объезд г. Мелеуза км 1-5»
| Показатели свойств | Значения показателей свойств | |||
| Образцов укладываемого асфальтобетона | Вырубок асфальтобетона после эксплуатации в течение времени, год | |||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Предел прочности при сжатии, МПа при температурах | ||||
| а) +200С | 3,21 | 3,26 | 3,28 | 3,32 |
| б) +500С | 1,02 | 1,04 | 1,05 | 1,07 |
| в) 00С | 9,00 | 9,21 | 9,34 | 9,40 |
| Водонасыщение, % по объему | 2,00 | 2,03 | 2,02 | 2,00 |
| Набухание, % по объему | 0,20 | 0,17 | 0,14 | 0,14 |
| Коэффициент водостойкости | 0,93 | 0,96 | 0,96 | 0,96 |
| Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении | 0,90 | 0,92 | 0,95 | 0,94 |
За указанное время эксплуатации на дорожном покрытии не появилось заметных деформаций и разрушений, это наглядно подтверждают результаты исследований асфальтобетонов, полученных с использованием в их составах минерального порошка на основе пиритных огарков, и их устойчивость к атмосферным воздействиям и транспортным нагрузкам. Следовательно, использование пиритных огарков позволяет оптимизировать структуру асфальтобетонов на уровне стандартных минеральных порошков. Разработанный способ активации пиритных огарков композициями водорастворимой серы, осуществляемый при пониженных температурах, свидетельствует о практической возможности получения активированных минеральных порошков повышенного качества.
Оценка экономической эффективности разработанных составов проводилась в сравнении трех вариантов асфальтобетонных смесей. Первый вариант с использованием неокисленных битумов производства ОАО «Уфанефтехим» и минерального наполнителя на основе пиритного огарка - крупнотоннажного отхода производства минеральных удобрений Мелеузовского химического завода. Сравниваемые варианты основаны на применении цементной пыли, а также стандартного известнякового минерального порошка.
Таблица 9. Калькуляция стоимости 1 тонны асфальтобетонной смеси по Мелеузовскому ДРСУ (руб.)
Асфальтосмесительная установка – ДС-158, энергоноситель - газ
| №№ п/п | Статьи затрат | С цементной пылью | С пиритными огарками | Со стандартным известняковым (Туймазинское ДРСУ) |
| 1 | Сырье и материалы | 1488,06 | 1256,43 | 1733,59 |
| 2 | в том числе заработная плата: | 0,00 | 0 | 0 |
| 3 | Топливо | 38,99 | 33,57 | 45,42 |
| 4 | Электроэнергия | 73,08 | 64,38 | 85,14 |
| 5 | Вода техническая | 0,42 | 0,36 | 0,49 |
| 6 | Расходы на оплату труда | 25,45 | 22,5 | 29,64 |
| 7 | Отчисления на соцнужды | 9,35 | 8,28 | 10,89 |
| 8 | Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования АБЗ | 304,26 | 260,79 | 354,46 |
| 9 | в том числе заработная плата: | 69,41 | 59,49 | 80,86 |
| 10 | Цеховые расходы | 160,58 | 137,64 | 187,08 |
| 11 | в том числе заработная плата: | 31,05 | 26,61 | 36,17 |
| 12 | Итого: | 2100,14 | 1783,98 | 2446,66 |
| 13 | в том числе заработная плата рабочих: | 125,90 | 108,6 | 146,67 |
| 14 | Плановые накопления 95% от зарплаты | 119,60 | 103,17 | 139,33 |
| 15 | Всего: | 2219,74 | 1887,15 | 2585,99 |
Приведенные данные свидетельствуют об экономической целесообразности внедрения пиритных огарков взамен дорогостоящих стандартных известняковых наполнителей.
Общие выводы
- Пиритные (колчеданные) огарки являются широко распространенным техногенным сырьем, свойства которого (высокая дисперсность, плотность, неслеживаемость) способствуют получению на их основе качественных минеральных порошков, пригодных для получения различных видов асфальтобетонных композиций (асфальтобетонные смеси типа «Б», «В», «Г», щебеночно-мастичные асфальтобетоны, литой асфальт). Они могут заменить дорогостоящие минеральные порошки, получаемые помолом карбонатных горных пород, действующие месторождения которых во многих регионах ограничены, а новые находятся на значительном отдалении и не имеют транспортной инфраструктуры.
- Исследованиями установлено, что при контакте битума с большим количеством минерального наполнителя происходит коренная перестройка его дисперсной структуры, при этом надмолекулярные образования разрушаются с образованием новых, энергетически более устойчивых соединений, типа асфальтенов. В результате такой перестройки битум приобретает значительно более жесткую структуру не только в поверхностном адсорбированном слое, но и в остальной массе.
- Конечные результаты изменения структуры битума зависят от природы битума и температуры его получения, а также от температуры, при которой он контактирует с минеральным наполнителем, продолжительности контакта и величины поверхности раздела фаз. Для дисперсных минеральных заполнителей кислой природы, к которым относятся и пиритные огарки, наиболее эффективно применение неокисленных битумов, получаемых либо по технологии компаундирования, либо глубоковакуумной отгонки вязких нефтепродуктов.
- Выявлены закономерности процессов структурообразования асфальтовых вяжущих с использованием пиритных огарков, битумов различных марок и поверхностно-активных веществ. Показана возможность эффективного управления данными процессами при использовании полисульфидов щелочных металлов и неокисленных битумов с применением минеральных порошков из пород кислого состава.
- Доказана возможность получения качественных асфальтобетонов с использованием минеральных порошков на основе пиритных огарков. Анализ свойств дорожных асфальтобетонов оптимального состава, приготовленных с использованием минеральных порошков из пиритного огарка, показал, что они удовлетворяют требованиям ГОСТ на данный материал, а также достаточно устойчивы к воздействию погодно-климатических факторов и транспортных нагрузок.
- Разработана и утверждена региональная нормативно-техническая документация на использование пиритного огарка в качестве заменителя стандартных карбонатных заполнителей в составах асфальтобетонных композиций.
- Производственными испытаниями установлено, что введение пиритных огарков при приготовлении асфальтобетонных смесей возможно на стандартном технологическом оборудовании действующих асфальтобетонных заводов по упрощенной технологии - добавление огарка в процесс сушки заполнителей с последующими стандартными технологическими операциями.
- Апробация результатов теоретических и лабораторных исследований в производственных условиях подтвердила достаточно высокие транспортно-эксплуатационные показатели построенных и отремонтированных с использованием разработанных составов асфальтобетонов автомобильных дорог III и IV категорий.
- На основе сравнительных экономических расчетов, выполненных по различным методикам (базисным и ресурсным методами) показана технико-экономическая эффективность замены стандартных карбонатных наполнителей в составах асфальтобетонов на пиритные огарки – крупнотоннажный отход химической промышленности. Достоверность и техническая новизна данных расчетов подтверждена патентом на регистрацию разработанного с участием автора программного комплекса.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных трудах, из них №№9, 10, 12 – опубликованы в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ (отрасль – Строительство):
1. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т., Бабков В.В., Недосеко И.В. Минеральные наполнители из отходов промышленности в составах асфальтобетонов// Дороги Башкирии-2003. Доклады специализированной конференции. - г.Уфа, 2003. – С.61-63.
2. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т., Бабков В.В., Недосеко И.В. Дисперсные минеральные наполнители на основе пиритных огарков в составах асфальтобетонов // Современные представления об инвестиционных процессах и новые строительные технологии. Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. Выпуск 5, часть 2. – Москва, 2004. – С.125-128.
3. Аминов Ш.Х., Ханнанова Г.Т., Недосеко И.В., Бабков В.В. Пиритный огарок в составах дорожных асфальтобетонов // Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. Выпуск 6. – Москва, 2005. – С.127-128.
4. Аминов Ш.Х., Ханнанова Г.Т., Недосеко И.В., Бабков В.В. Дисперсные минеральные наполнители из отходов промышленности в составах асфальтобетонных композитов // Восьмые академические чтения РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения». Самара-2005, С.621-622.
5. Ханнанова Г.Т., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Бабков В.В., Недосеко И.В. Минеральные порошки на основе пиритных огарков // Строительный вестник Российской инженерной академии. – Москва, 2006. – С.47-50.
6. Аминов Ш.Х., Ханнанова Г.Т., Струговец И.Б. Свидетельство №2006611035 от 20.03.2006 г. об официальной регистрации программы для ЭВМ: заявка №2006610118, зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 20.03.2006 г., бюл.№8.
7. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т. Повышение долговечности асфальтобетонных покрытий на основе применения щебеночно-мастичного асфальтобетона // Десятые академические чтения РААСН «Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения». Пенза, Казань – 2006. С.495-500.
8. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т. Использование промыш-ленных отходов в составах щебеночно-мастичного асфальтобетона // Строи-тельный вестник Российской инженерной академии. – Москва, 2007. – С.36-38.
9. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т. Щебеночно-мастичный асфальтобетон на основе природного сырья и отходов промышленности // Строительные материалы. – Москва, 2007. - №3. С.40-41
10. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т., Бабков В.В., Недосеко И.В. Использование пиритного огарка в качестве минерального наполнителя в асфальтобетонах // Строительные материалы. – Москва, 2007. - № 9. С.42-43.
11. Ханнанова Г.Т., Струговец И.Б., Недосеко И.В. Технические условия
ТУ 1600-0011-03433484-2007 «Порошок минеральный из пиритных (колчеданных) огарков для асфальтобетонных смесей и щебеночно-мастичного асфальтобетона». // УГНТУ, ГУП «Башкиравтодор», Уфа, 2007. - 13 с.
12. Ханнанова Г.Т., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Недосеко И.В. Использование промышленных отходов в составах щебеночно-мастичного асфальтобетона // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, Казань – 2009, №2. С121-125.
13. Ханнанова Г.Т., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Пиритные огарки в составах щебеночно-мастичного асфальтобетона // Строительный вестник Российской инженерной академии. – Москва, 2009. – С.81-83.
Подписано в печать 23.11.2009. Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16.
Гарнитура «Таймс». Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1.
Тираж 90. Заказ 267.
Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета
Адрес типографии:
450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1
