Электроимпульсная технология получения щебня и его использование в асфальтобетонных смесях
На правах рукописи
Зомбек Петр Владиславович
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУЧЕНИЯ ЩЕБНЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЯХ
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск –2005
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Сафронов Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Курец Валерий Исакович
кандидат технических наук, доцент
Афиногенов Олег Петрович
Ведущая организация Томский государственный университет, г. Томск.
Защита диссертации состоится 27.12.2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корпус, 5, ауд. 307.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан «___» ноября 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрипникова Н.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На данный момент присутствует широкий круг нерешенных проблем в области как качества и эффективности применения асфальтобетонов в строительстве, так и качества их компонентов, в первую очередь, заполнителей и битума и, как следствие, их межфазного взаимодействия. Наблюдается устойчивый повышенный спрос на высокопрочный щебень кубовидной формы с содержанием зёрен пластинчатой и игловатой формы не более 15 %. Естественным является поиск путей решений по получению высококачественных заполнителей для асфальтобетонных смесей, поскольку существующие механические устройства дробления не позволяют получать заполнитель, удовлетворяющий отмеченным выше требованиям. В связи с этим представляет интерес использование новых принципов при создании технологии получения щебня, в частности электроимпульсной технологии, когда реализуется эффект внедрения разряда в твердое тело при действии импульсного высокого напряжения, обоснованный и экспериментально подтвержденный А.А. Воробьевым и А.Т. Чепиковым, зарегистрированный как научное открытие с приоритетом от 14.12.1961 г. На этой основе разработаны технические средства для электроимпульсного бурения скважин, электроимпульсного дробления и измельчения руд, электроимпульсного разрушения некондиционных железобетонных изделий.
В тоже время, возможности использования электроимпульсного способа разрушения твердых тел в строительной отрасли для получения заполнителей для приготовления асфальтобетонных смесей не проработаны в достаточной мере, что обуславливает актуальность и своевременность настоящих диссертационных исследований.
Работа выполнена в рамках отраслевой научно-технической программы «Архитектура и строительство», гранта № 21-2-4-69 «Межфазные взаимодействия и управление процессами в технологиях высоковольтной активации строительных материалов при различных условиях и режимах энергонагружения» и гранта № Т02-12.2-1018 «Высоковольтные технологии активации электрическими разрядами строительных материалов» Министерства образования Российской Федерации за периоды 1999-2000 г.г. и 2003-2004 г.г. соответственно.
Объектом исследования в работе являются асфальтобетонные смеси на заполнителях электроимпульсного дробления горных пород.
Предмет исследования - взаимосвязь режимов электроимпульсного дробления горных пород в различных рабочих жидких средах с качеством получаемого заполнителя, активностью его поверхности по отношению к битуму и его компонентам и свойствами асфальтобетонных смесей на его основе.
Целью диссертационной работы является разработка технологического оборудования и режимов электроимпульсного дробления горных пород для получения щебня, использование которого в асфальтобетонных смесях обеспечивает повышение уровня показателей их качества.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Разработка технологии и технологического оборудования для экспериментальных исследований
2. Исследование размерных и физико-механических свойств получаемого заполнителя и закономерностей их изменения при различных энергетических и режимных параметрах электроимпульсного дробления горных пород, в зависимости от характеристик оборудования и вида исходного сырья.
3. Исследование межфазных взаимодействий в системе «органическое вяжущее - минеральная поверхность» заполнителя, полученного при электроимпульсном дроблении минеральных материалов различной химической природы, в различных по своим свойствам рабочих жидкостях при вариации режимов электроимпульсного дробления.
4. Проведение лабораторных и производственных испытаний асфальтобетонных смесей на заполнителях электроимпульсного дробления. Выполнение опытно-промышленных испытаний разработанной технологии и технологического оборудования.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что заполнитель, полученный при электроимпульсном дроблении как кислых, так и основных минеральных материалов, обладает существенно меньшим коэффициентом гидрофильности (по П.А. Ребиндеру). Этот коэффициент снижается для кварца на 28 %, для порфирита – на 24 %, за счет увеличения межмолекулярных взаимодействий полярных фракций битума на минеральной поверхности.
2. Установлено, что расход битума в асфальтобетонных смесях уменьшается за счет снижения доступной для адсорбции поверхности полученного электроимпульсным способом заполнителя, в том числе вследствие уменьшения количества микротрещин и микропористости.
3. Установлено, что максимальный выход (до 90 %) прочного щебня фракции 5…20 мм при доминирующем содержании зёрен кубовидной формы, обеспечивается при амплитуде высоковольтного импульса 300…400 кВ и межэлектродном расстоянии 50…60 мм, причем образующийся отсев (менее 5 мм) соответствует стандарту на пески из отсевов дробления для строительных работ.
Практическая значимость работы:
1. Результаты исследований позволили решить задачу повышения качества асфальтобетонных смесей.
2. Определены рекомендации по технологическим режимам электроимпульсного дробления горных пород.
3. Разработана технологическая последовательность производства асфальтобетонных смесей и опытно-промышленный образец непрерывно действующей технологической линии получения заполнителей электроимпульсного дробления с использованием технических решений, выполненных на уровне изобретений.
Методология работы и достоверность результатов
Исследования основаны на выполнении экспериментов, при анализе которых использованы современные положения строительного материаловедения, что обеспечивает необходимую достоверность полученных результатов и обоснованность выводов и рекомендаций, содержащихся в работе.
Реализация результатов работы
1. Материалы диссертационной работы используются при чтении курсов лекций студентам по дисциплинам «Электрофизические технологии в производстве строительных материалов» для специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Электрофизические технологии в производстве дорожно-строительных материалов» для специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
2. Из заполнителя электроимпульсного дробления приготовлено 14 тонн асфальтобетонной смеси, которая уложена в покрытие участка автомобильной дороги.
3. Материалы исследований составили основу технического задания на непрерывно действующую технологическую линию электроимпульсного получения заполнителей производительностью 25 т/ч.
На защиту выносятся:
Совокупность установленных закономерностей влияния энергетических и технологических параметров электроимпульсного дробления, вида исходного сырья и типа рабочей среды на качество получаемого заполнителя, на характер взаимодействия битума и его компонентов с поверхностью получаемого заполнителя и свойства асфальтобетонных смесей на его основе.
Разработанное оборудование и технология для лабораторных исследований и промышленного применения.
Личный вклад диссертанта состоит в разработке конструкционных решений установок для лабораторных исследований и промышленного использования, в отработке методик исследований, в выполнении экспериментов, в обработке и анализе результатов, в научном обосновании изобретений на устройство для электроимпульсного дробления материалов (А.с. № 1543626), на электроимпульсную установку для дробления материалов (А.с. № 1585972), на способ получения активированного заполнителя для бетона (А.с. № 1557755)..
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всесоюзной конференции «Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии».- Белгород, 1991 г.; всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительного материаловедения».- Томск, 1998 г.; всероссийской научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок».- Томск, 1999 г.; II международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве».- Томск, 2001 г.; IX международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах».- Кемерово, 2004 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы раскрыто в 6 публикациях и трех описаниях к авторским свидетельствам (А.с. СССР №.№ 1543626, 1557755, 1585972).
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников, и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков, 50 таблиц, список использованных литературных источников из 151 наименования и 4 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и основные задачи исследований, сформулирована научная новизна, отмечена практическая значимость работы и реализация её результатов.
В первой главе на основе изучения научно-технической литературы, и, прежде всего научных школ структурообразования бетонов и асфальтобетонов Ю.М. Баженова, И.А. Рыбьева, В.И. Соломатова, И.В. Королева, Л.Б. Гезенцвея, С.С. Гордона, Н.В. Горелышева, физико-химической механики П.А. Ребиндера, теории состава и строения органических вяжущих Ф.Г. Унгера, А.С. Колбановской, А.И. Лысихиной, И.М. Руденской и на физических представлениях теории и практики электроимпульсного разрушения А.А. Воробьева, Г.А. Воробьева, И.И. Каляцкого, А.Т. Чепикова, В.И. Курца, Б.В. Сёмкина, проведен анализ влияния свойств заполнителей на свойства асфальтобетонных смесей, способов повышения качества заполнителей, теории и практики применения электрических разрядов для дробления и измельчения материалов, выполнено обоснование цели и задач исследований, сформулированных во введении.
Во второй главе приведены результаты исследования характеристик исходных материалов, использованных в данной работе.
Исследования характеристик исходных материалов, получаемого заполнителя и асфальтобетонных смесей производились по методикам соответствующих нормативных документов. Разделение битума на фракции производилось методом дробного осаждения и адсорбционно-жидкостной хроматографии в НИИ химии нефти Сибирского отделения РАН. Теплоты смачивания материалов водой и толуолом определялись на дифференциальном микрокалориметре МКДП-2.
Исследования межфазных взаимодействий осуществлялось методом адсорбции из толуольных растворов битума, его широких (масла, смолы, асфальтены) и узких фракций (различающихся составом и структурой) на минеральных продуктах дробления размером 0,315…0,63 мм. Величину адсорбции рассчитывали по изменению концентрации битумно-толуольного раствора после контакта с адсорбентом в течение 4 часов, достаточного для достижения полного адсорбционного равновесия и определенного по кинетической изотерме адсорбции. Концентрации битумно-толуольных растворов определялись нефелометрически с помощью фотоколориметра ФЭК-56М. Статические изотермы адсорбции битума на минеральных материалах получены в интервале исходных концентраций растворов 0,01…0,20 г/л. Установлено, что изотермы адсорбции битума на минеральных материалах имеют S-образную форму и подчиняются уравнению адсорбции Ленгмюра.
В третьей главе на основе предварительно выполненных экспериментов на лабораторной установке, приведено описание принципов работы разработанного оборудования – трех непрерывно действующих многоэлектродных устройств для электроимпульсного дробления целевого назначения, вписываемых в технологическую линию: трехкамерное устройство для электроимпульсного дробления горных пород, с возможностью использования в качестве рабочей среды растворов поверхностно-активных веществ, битумных эмульсий, жидких битумов; устройство для электроимпульсного дробления окатанных материалов (гравия) с возможностью получения заполнителя непрерывной гранулометрии; устройство для электроимпульсного дробления высокопрочных горных пород с возможностью получения фракционированного заполнителя. На основании данных по удельным показателям процесса электроимпульсного дробления (рис. 1), полученных на лабораторной установке, определен диапазон параметров процесса для условий эффективного дробления на многоэлектродных устройствах: амплитуда высоковольтного импульса U= 300…400 кВ; разрядная ёмкость 22000 пФ; межэлектродное расстояние R= 50…60 мм.
Приведены данные по энергоемкости и производительности процесса электроимпульсного дробления высокопрочного порфирита на непрерывно действующей установке.
Энергоемкость оценивалась по величине зарядного напряжения и зарядной ёмкости источника с учетом потерь энергии при зарядке конденсаторных батарей в диапазоне изменения амплитуды высоковольтного импульса U= 270…360 кВ, межэлектродного расстояния 40…60 мм и разрядной ёмкости 22 нФ, при использовании различных по форме и размеру сквозных отверстий в заземленном электроде.
Рис. 1. Удельные показатели электроимпульсного дробления
------ - удельная энергоемкость по Umax, W, кВт-ч/т;
- - - - - удельная производительность, Р, г/импульс.
1, 2, 3 - для амплитуды импульса 300, 350 и 400 кВ.
Энергоемкость получения щебня стандартных фракций для исследованных режимов работы и полученных процентных выходов фракций составила 6,84…9,8 кВ-ч/т, а с учетом насыпной плотности заполнителя и КПД высоковольтных зарядных устройств (0,85), составила 11,27…16,4 кВт-ч/м3.
В четвертой главе приведены результаты исследований физико-механических свойств получаемого заполнителя при электроимпульсном дроблении горных пород при вариации энергетических и технологических параметрах процесса (для амплитуды высоковольтного импульса U= 250…415 кВ, величины разрядной ёмкости С= 6,3…30 нФ, межэлектродного расстояния в дробилке R= 30…70 мм).
Выход щебня фракции 5…20 мм при электроимпульсном дроблении регулируется параметрами дробления (рис. 2) в диапазоне от 60 до 90 %.
Повышение амплитуды высоковольтного импульса ведет к большему образованию частиц щебня (рис. 3). При достижении критического значения амплитуды высоковольтного импульса при соответствующем ей значении величины межэлектродного промежутка, происходит переизмельчение исходной горной породы со снижением выхода щебня и перераспределением его фракций в сторону более мелких, в частности, песчаных частиц.
Рис. 2. Зависимость выхода щебня от величины межэлектродного промежутка
при электроимпульсном дроблении в одноэлектродной системе:
1 – порфирит при С= 30 нФ, U= 300 кВ;
2 – порфирит при С= 30 нФ, U= 350 кВ;
3 – порфирит при С= 30 нФ, U= 400 кВ;
4 – гранит при С= 30 нФ, U= 350 кВ;
5 – гравий при С= 18,8 нФ, U= 416 кВ.
Наибольшему количественному изменению подвержены более крупные фракции 10…20 и 20…25 мм. При увеличении энергии, выделяемой в канале разряда, крупные фракции раздрабливаются в более мелкие. Повышение энергии приводит к разрушению как крупных, так и мелких фракций. При дальнейшем росте энергии возможен переход в отсев и фракции 5…10 мм.
Возможность регулирования соотношения фракционного состава заполнителя электроимпульсного дробления в широком диапазоне, позволяет получать готовые смеси непрерывной гранулометрии, в том числе соответствующие по зерновому составу для приготовления мелкозернистых асфальтобетонных смесей типа А, допускающих содержание щебня фракции 5…20 мм до 60 %.
Рис. 3. Распределение фракций щебня при электроимпульсном дроблении
порфирита на одноэлектродной установке от энергии в канале разряда
Амплитуда высоковольтного импульса и межэлектродный промежуток взаимосвязаны и максимальный выход щебня для амплитуды высоковольтного импульса будет обеспечен при соответствующей ей величине межэлектродного промежутка. Более выгодные значения градиента напряжения (U/R) 7,5…8,2 кВ/мм при межэлектродном расстоянии 40…50 мм.
Подобные зависимости имеют место и при электроимпульсном дроблении горных пород на непрерывно-действующих многоэлектродных установках.
Содержание игловатых и пластинчатых зерен в заполнителе, полученном при электроимпульсном дроблении во всем диапазоне принятых энергетических и режимных параметров, на порядок меньше.
Данные табл. 1 свидетельствуют о достаточно широком диапазоне регулирования свойств заполнителей при электроимпульсной технологии дробления нерудного сырья.
Таблица 1
Свойства щебня при электроимпульсном дроблении горных пород
| Свойства щебня | Гравий | Порфирит | ||
| Камера дробления | ||||
| лабораторная | многоэлектродная | лабораторная | многоэлектродная | |
| Выход щебня | 59…87 | 55…78 | 81…90 | 63…90 |
| Потери при дробимости в цилиндре, % | 11…14 | 7…10 | 7…11 | 5…9 |
| Потери при истирании в полочном барабане, % | - | 20…25 | 15…30 | 12…16 |
| Содержание пластинчатых и игловатых зёрен, % | 2…13 | 2…6 | 2…6 | 2…7 |
| Содержание слабых зёрен, % | - | 1…6 | - | 1…3 |
| Содержание дробленых зёрен, % | 90…96 | 82…96 | - | - |
| Содержание глинистых и пылевидных частиц, % | 0 | 0 | 0 | 0 |
В большей степени имеет место регулирование выхода слабых и кубовидных зерен. Регулирование избирательного характера разрушения кусков исходного продукта при электроимпульсном дроблении по местам трещин, пор и других дефектов приводит к полученным выше результатам упрочнения заполнителей.
При электроимпульсном дроблении порфирита полученный щебень по истираемости соответствует марке И-1. Пылеватые и глинистые частицы в щебне отсутствуют в силу совмещения в одном технологическом аппарате операций дробления и промывки. По форме зерен щебень электроимпульсного дробления относится к 1 группе.
Отсевы от электроимпульсного дробления горных пород соответствуют всем требованиям ГОСТ 8736-93* для песков из отсевов дробления повышенной крупности I класса или очень крупных песков из отсевов дробления II класса, и в силу этого уже не являются отходами, а могут использоваться для строительных работ без какой либо предварительной обработки.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований межфазных взаимодействий поверхности заполнителя электроимпульсного дробления с битумом и его отдельными компонентами. Определены особенности этих процессов.
Методом электронного парамагнитного резонанса выявлен характер взаимодействия битума с вновь образованной минеральной поверхностью в процессе дробления кварцевого порфирита электрическими разрядами в пластифицированном битуме. Спектры ЭПР почти идентичны, хорошо согласуются с ранее полученными данными и показывают, что при традиционном объединении заполнителя с битумом имеет место только его физическая фиксация на минеральных частицах. При обработке битума электрическими разрядами концентрация парамагнитных центров снижается вследствие взаимодействия свободных радикалов с продуктами рабочей среды. После осуществления электроимпульсного дробления порфирита в битуме происходит существенное снижение концентрации парамагнитных центров в нем. Столь резкое уменьшение концентрации парамагнитных центров в битуме связано с рекомбинацией свободных радикалов битума и свободных радикалов вновь образованных поверхностей продуктов дробления. Это говорит в пользу протекания хемосорбционных процессов с участием свободных радикалов битума на энергетически ненасыщенной поверхности минерального материала в момент его разрушения в процессе электроимпульсного дробления. Носителями парамагнитных центров являются свободные радикалы битума. Спектры ЭПР свидетельствуют, что технология получения заполнителей при электроимпульсном дроблении горных пород в органическом вяжущем позволяет осуществлять физико-химическую активацию на уровне радикальных взаимодействий между минеральным материалом битумом с получением устойчивых химических связей, и что с применением электроимпульсного способа дробления горных пород, в частности кислых, возможно получение прочного их сцепления с битумом без применения поверхностно-активных веществ. Хорошее сцепление с битумом (по методике ГОСТ 12801-98*) у горных пород при механическом дроблении достигается при введении в битум 3,0 % смолы древесной омыленной или 1,1 % адгезионной битумной присадки. Поверхность заполнителей при электроимпульсном дроблении обеспечивает хорошее сцепление с битумом без использования поверхностно-активных веществ.
Для установления основных закономерностей течения межфазных процессов проведены исследования активности поверхности заполнителя электроимпульсного дробления по отношению к битуму методом адсорбции из его толуольных растворов, а также измерены теплоты смачивания жидкостями различной полярности.
При электроимпульсном дроблении адсорбционная активность поверхности материала увеличивается с повышением его основности (рис. 4), что не противоречит известным по этому вопросу работам. Однако, сопоставление изотерм адсорбции битума на материалах, полученных различными способами измельчения, показывают различие хода изотерм адсорбции.
Рис. 4. Изотермы адсорбции битума:
1, 1* – на кварце механического дробления на воздухе
и электроимпульсного дробления в воде;
2, 2* – на порфирите механического дробления на воздухе
и электроимпульсного дробления в воде.
Изотерма адсорбции Ленгмюра имеет два прямолинейных участка, соответствующих малым и большим концентрациям. Участок больших концентраций соответствует полностью насыщенной адсорбтивом поверхности адсорбента, и для адсорбента одной химической природы определяется величиной его удельной поверхности. Прямолинейный участок при малых концентрациях раствора адсорбтива отвечает ещё свободной поверхности адсорбтива. Крутой подъем этого участка изотермы, который характеризует адсорбционную активность, является следствием того, что десорбция последних количеств адсорбтива с поверхности адсорбента происходит с большим трудом. Для всех исследуемых материалов рассчитаны теоретические изотермы адсорбции, определены коэффициенты уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра и коэффициенты корреляции (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициенты уравнения адсорбции Ленгмюра
для минеральных материалов различного способа измельчения
| Минеральный материал | Способ измельчения | Коэффициенты уравнения адсорбции Ленгмюра | Коэффициенты корреляции уравнения | ||
| предельная адсорбция, Аmax, мг/г | адсорбционная активность | табличный | расчетный | ||
| Кварц | механический | 0,189 | 67 | 0,754 | 0,977 |
| электроимпульсный | 0,080 | 402 | 0,576 | 0,982 | |
| Гранит | механический | 0,440 | 94 | 0,532 | 0,943 |
| электроимпульсный | 0,430 | 99 | 0,632 | 0,932 | |
| Порфирит | механический | 1,180 | 40 | 0,423 | 0,941 |
| электроимпульсный | 0,554 | 143 | 0,514 | 0,983 | |
Для всех исследуемых материалов снижается предельная адсорбции битума на поверхности заполнителя электроимпульсного дробления, а адсорбционная активность их поверхности возрастает, особенно у кварца. Следовательно, при электроимпульсном измельчении материалов происходит активация поверхности получаемого продукта, ведущая к повышению его адсорбционной активности по отношению к битуму, а также снижение величины удельной поверхности получаемого продукта за счет большего количества частиц кубовидной формы.
Оценка гидрофильных свойств поверхности заполнителей по коэффициенту гидрофильности, предложенному П.А. Ребиндером (табл. 3) и равному отношению теплоты смачивания материала полярной (вода) и неполярной (толуол) жидкостью, показывает снижение коэффициента гидрофильности для всех материалов электроимпульсного дробления, что всегда ведет к более сильному взаимодействию его поверхности с битумом.
Таблица 3
Изменение гидрофильности минеральных материалов
| Минеральный материал | Способ измельчения | Теплоты смачивания, Q 105, Дж/г | Коэффициент гидрофильности | |
| водой | толуолом | |||
| Кварц | механический | 104 | 66 | 1,55 |
| электроимпульсный | 78 | 69 | 1,13 | |
| Гранит | механический | 170 | 57 | 2,98 |
| электроимпульсный | 160 | 80 | 2,00 | |
| Порфирит | механический | 219 | 165 | 1,33 |
| электроимпульсный | 127 | 126 | 1,01 | |
При электроимпульсном дроблении горных пород в водных растворах поверхностно-активных веществ достигается более интенсивное взаимодействие битума с вновь образованной поверхностью заполнителя, включая химическое взаимодействие, по сравнению с обычной обработкой минеральных материалов аналогичными поверхностно-активными веществами.
При дроблении горных пород происходит разрушение кристаллических зёрен и вследствие разрыва межатомных связей в кремнекислородных тетраэдрах образуются нескомпенсированные валентности с разноименным зарядом. При электроимпульсном дроблении горных пород в углеводородных жидкостях (керосин, соляровое масло) под воздействием высокой температуры и давления в канале пробоя происходит их разложение на летучие компоненты, углерод и продукты уплотнения среды (карбены, карбоиды), которые вступают во взаимодействие с химически активными валентностями и кислородом атома кремния кварца. Наиболее вероятно присоединение молекул углерода. При последующем адсорбционном взаимодействии с битумом в толуольном растворе интенсивнее будет адсорбироваться толуол. С увеличением концентрации битумно-толуольного раствора увеличивается недостаток растворенного вещества в поверхностном слое и возрастает оптическая плотность раствора. Изотермы соответствуют отрицательной адсорбции для всех используемых углеводородных жидкостей. Эксперименты, при дроблении в этих жидкостях подтвердили, что при известных закономерностях повышается производительность процесса электроимпульсного дробления, но они были проведены не для технологического использования, а для научных целей. Однако нами предложено введение операции предварительной выдержки исходного материала в углеводородных жидкостях и их последующее электроимпульсное дробление в воде. Изотермы адсорбции битума на поверхности заполнителя, при электроимпульсным дроблении после предварительной выдержки исходного материала в керосине, имеют значительную крутизну подъема, что свидетельствует об интенсивном протекании процессов взаимодействия данной поверхности с битумом. Из-за присутствия углеводородной жидкости только в микротрещинах исходного материала и в верхнем слое рабочей среды дробления при электрическом пробое каменного материала вместо углерода возможна физическая адсорбция на получаемом продукте легко замещаемых углеводородов, которые при последующем контакте с битумом замещаются на более активные его составляющие, такие как смолы и асфальтены. Кроме того, увеличивается производительность процесса дробления на 15 %.
Из широких фракций битума для заполнителей, как механического способа дробления, так и электроимпульсного, наиболее адсорбируемыми являются асфальтены, затем смолы, но интенсивность адсорбции асфальтенов и смол на продукте электроимпульсного измельчения выше. Адсорбция масел (рис. 5) на кварце механического измельчения при малых равновесных концентрациях низкая, но затем резко возрастает, постепенно стабилизируясь.
Рис. 5. Изотермы адсорбции фракций битума на кварце механического дробления
Такой ход изотерм характерен для адсорбентов с микротрещиноватой структурой. Масла, с меньшей молекулярной массой (670) по сравнению с асфальтенами (1595), но более подвижные, при контакте с поверхностью материала, сперва устремляются в микротрещины, и после их заполнения адсорбируются на поверхности. Большая адсорбционная ёмкость поверхности заполнителей механического измельчения, обусловлена микротрещиноватостью, повышающей общую удельную поверхность материала.
Сравнение адсорбционной активности узких фракций внутри одной группы показало, что наиболее адсорбируемыми являются циклогексан-нерастворимые асфальтены Ан и спиртобензол-растворимые смолы С-4.
Адсорбция асфальтенов Ан и смол С-4 на поверхности порфирита носит ярко выраженный характер (рис. 6). При нулевой равновесной концентрации адсорбция смол С-4 на порфирите механического и электроимпульсного измельчения составляет 0,075 и 0,082 мг/г соответственно, что указывает на химическое взаимодействие смол С-4 с минеральной поверхностью, причем на поверхности заполнителя электроимпульсного измельчения процессы взаимодействия органического вяжущего с минеральной поверхностью протекают более интенсивно.
Рис. 6. Изотермы адсорбции смол С-4:
1 - на порфирите механического дробления;
2 – на порфирите электроимпульсного дробления;
3 – на кварце механического и электроимпульсного дробления.
Имеет место влияние энергетических и режимных параметров процесса электроимпульсного дробления на адсорбционную ёмкость и активность поверхности получаемого заполнителя. Максимальная адсорбция возрастает при увеличении амплитуды высоковольтного импульса, и имеет экстремум для каждого межэлектродного расстояния.
Интенсивность адсорбции также возрастает, с увеличением амплитуды высоковольтного импульса, до определенного значения с последующим снижением. Наибольшая интенсивность адсорбции и минимальная адсорбционная ёмкость достигаются при величине градиента напряжения 8…12 кВ/мм.
В главе 6 приведены результаты лабораторных исследований и производственных испытаний свойств асфальтобетонов различных типов, приготовленных из горячих, мелкозернистых асфальтобетонных смесей типа А, на заполнителях электроимпульсного и механического дробления, содержащих 58 % щебня, 35 % песка и 7 % гидрофобного минерального порошка.
Заполнитель получен электроимпульсным дроблением в воде при амплитуде высоковольтного импульса 360 кВ, ёмкости накопителя энергии 22000 пФ и межэлектродном расстоянии 50 мм. Оптимальное содержание битума в асфальтобетонных смесях, приготовленных на заполнителях электроимпульсного и механического дробления, составило 5,5 и 6,0 % для порфирита и 6,5 и 7,0 % для гранита соответственно. Оптимальные значения количества битума в смесях на продукте электроимпульсного дробления на 7...10 % ниже из-за снижения адсорбционной ёмкости его поверхности. Для сравнительных испытаний содержание битума в смесях принято одинаковым для обоих способов дробления и составило для гравия, порфирита и гранита 5; 5,5 и 6,5 % соответственно.
Асфальтобетонные образцы на продукте электроимпульсного дробления (табл. 4) по своим свойствам соответствуют всем требованиям ГОСТ 9128-97* для горячих, мелкозернистых асфальтобетонных смесей типа А I-й марки, а также их существенное превосходство по подавляющему большинству показателей над асфальтобетонами, приготовленными на заполнителях механического дробления. Наиболее заметно это проявляется в показателях водостойкости образцов. Особо заметно различие у асфальтобетонов из щебня и его отсева, полученных механическим дроблением непосредственно в карьере.
Таблица 4
Физико-механические свойства асфальтобетонных образцов
| Показатели свойств | Вид заполнителя | |||||||||||||||
| гравий | гранит | порфирит | ||||||||||||||
| МД | ЭИД | МД | ЭИД | МД | МД1 | ЭИД | ||||||||||
| Объёмный вес, г/см3 | 2,34 | 2,38 | 2,31 | 2,31 | 2,40 | 2,39 | 2,44 | |||||||||
| Остаточная пористость, % по объему | 3,70 | 2,06 | 1,70 | 1,70 | 4,94 | 5,53 | 3,55 | |||||||||
| Водонасыщение, % по объему | 1,25 | 1,20 | 0,95 | 0,86 | 4,25 | 3,57 | 1,90 | |||||||||
| Набухание, % по объему | 1,30 | 0,16 | 0,23 | 0,16 | 1,10 | 1,13 | 0,09 | |||||||||
| Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре: | 0 оС +20 оС +50 оС | 8,12 4,40 1,30 | 12,0 5,70 1,84 | 10,1 4,60 1,80 | 9,61 4,37 1,93 | 9,60 4,22 1,55 | 8,81 5,64 1,91 | 10,2 4,89 2,05 | ||||||||
| Коэффициент водостойкости | 0,99 | 1,17 | 1,03 | 1,02 | 0,97 | 0,95 | 0,95 | |||||||||
| Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении | 0,89 | 1,01 | 0,88 | 0,96 | 0,67 | 0,37 | 0,85 | |||||||||
Примечания: МД1 – механическое дробление в карьере.
Асфальтобетоны на заполнителях электроимпульсного дробления обладают повышенной водостойкостью. Наиболее сильно это выражено у пористых асфальтобетонов.
При перемешивании асфальтобетонных смесей на заполнителях электроимпульсного дробления наблюдается более легкое и быстрое объединение битума с поверхностью щебня, что привело к сокращению времени перемешивания смеси в 1,5...2,0 раза.
Сравнительные испытания показали, что при использовании в асфальтобетонной смеси минеральных материалов, полученных по электроимпульсной технологии, существенно увеличиваются прочность на растяжение при изгибе (на 15…20 %) и статический модуль упругости (на 20…22 %), что прогнозирует повышение работоспособности асфальтобетона.
Результаты испытаний образцов из асфальтобетонных смесей на заполнителях электроимпульсного дробления при вариации энергетических и режимных параметров при всех режимах по своим свойствам соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97* для горячих, мелкозернистых асфальтобетонов типа А, I марки, при улучшении большинства показателей свойств, главным образом атмосферостойкости, при повышении градиента напряжения на рабочем промежутке.
Добавка природного песка к песку из отсевов электроимпульсного дробления увеличивает прочность асфальтобетона. Наибольшая прочность, а значит и плотность образцов асфальтобетона, достигается при добавлении 35…50 % песка из отсевов дробления к природному среднему или мелкому песку при использовании в качестве крупного заполнителя щебня электроимпульсного дробления.
В заключении определены направления дальнейших исследований по эффективности использования электроимпульсной технологии в строительной индустрии.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:
1. При электроимпульсном дроблении исходных минеральных материалов при получении щебня обеспечивается: чистота поверхности, с явно выраженной её шероховатостью, меньшей трещиноватостью и возможностью её направленной модификации; доминирование зёрен кубической и столбчатой формы (выход пластинчатых и игольчатых форм зёрен не более 7 % для широкой гаммы исходного сырья); повышение прочности заполнителя.
2. Технология электроимпульсного дробления горных пород по режимам обеспечивает возможность получение заполнителя фракций 5…10, 10…20 мм и смеси фракций 5…20 мм, отвечающих по качеству показателям существенно лучшим, чем нормативные требования для щебня 1 группы, и получение на их основе асфальтобетонных смесей соответствующих всем требованиям ГОСТ 9128-97*, имеющие существенное преимущество по основным показателям, по сравнению с асфальтобетонными смесями на продукте механического дробления.
3. Отсевы от электроимпульсного дробления каменных материалов соответствуют всем требованиям ГОСТ 8736-93* для песков из отсевов дробления повышенной крупности I класса или очень крупных песков из отсевов дробления II класса, и в силу этого уже не являются отходами, а могут использоваться для строительных работ без какой либо предварительной обработки. При обогащении по зерновому составу мелкими или средними песками их можно использовать для приготовления бетонов и асфальтобетонов.
4. Межфазные взаимодействия битума с минеральной поверхностью протекают более интенсивно, что приводит к повышению адгезионной прочности системы, при этом в совокупности технологических операций целесообразно использовать предварительную выдержку материалов в углеводородных жидкостях.
5. При приготовлении асфальтобетонных смесей установлено более интенсивное взаимодействие битума с поверхностью заполнителя, что приводит к сокращению времени цикла перемешивания асфальтобетонной смеси в 1,5…2 раза, при этом для обеспечения заданных показателей качества асфальтобетонных смесей с использованием заполнителей электроимпульсного способа дробления, расход битума меньше, чем при использовании заполнителя, полученного механическим дроблением;
6. Применение заполнителей, полученных электроимпульсным дроблением при предварительной выдержке исходного материала в углеводородных жидкостях, приводит к существенному росту водостойкости асфальтобетонов и их прочности при повышенных температурах;
7. Производственными испытаниями подтверждено существенное улучшение как качества заполнителей электроимпульсного способа дробления, так и основных физико-механических показателей асфальтобетонных смесей на их основе при существенной экономии битума.
Автор выражает свою признательность научному руководителю к.т.н. доценту В.Н. Сафронову, заведующему кафедрой «Строительные материалы» ТГАСУ, д.т.н. профессору А.И. Кудякову и всему коллективу кафедры за консультации при выполнении работы, за обсуждение работы и критические замечания, которые были учтены при её подготовке.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Зомбек П.В., Кащук И.В. Влияние природы минеральной поверхности и способа ее получения на характер взаимодействия с вяжущими // Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии: Тезисы докладов всесоюзной конференции. – Белгород: БТИСМ, 1991. – С. 69.
2. Сафронов В.Н., Зомбек П.В. Исследование физико-механических свойств асфальтобетонов при использовании активированных заполнителей электроимпульсного дробления // Актуальные проблемы строительного материаловедения: Материалы всероссийской науч.-тех. конф. Апрель 1998, г. Томск.- Томск: ТГАСУ, 1998.- С. 199-201.
3. Зомбек П.В., Сафронов В.Н. Сравнительные исследования физико-механических свойств асфальтобетонов на щебне электроимпульсного дробления // Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: Тезисы докладов науч.-тех. конф. 30 нояб. - 1 дек. 1999 г. г. Томск.- Томск: ТГАСУ, 1999. – С. 106-107.
4. Зомбек П.В., Сафронов В.Н. Межфазные процессы взаимодействия в технологии электроимпульсного дробления // Нетрадиционные технологии в строительстве: Мат-лы Второго междунар. науч.-тех. Семинара. 29 мая - 1 июня 2001 г. г. Томск.- Томск: ТГАСУ, 2001.- С. 229-232.
5. Сафронов В.Н., Зомбек П.В. Физико-химическая активация минеральных материалов в процессе электроимпульсного дробления горных пород // Физико-химические процессы в неорганических материалах: Доклады Девятой междунар. конф. 22-25 сент. 2004 г.- Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. – Т.1.- С. 656-659.
6. Сафронов В.Н., Зомбек П.В. Форма и поверхностная структура зёрен заполнителей электроимпульсного дробления каменных материалов.- Вестник Томск. гос. арх. строит. ун-та.- 2004.- № 1.- С. 89-94.
7. А.с. 1557755. СССР. МКИ3 В 02 С 19/18. Способ получения активированного заполнителя / В.Н. Сафронов, Д.В. Шабанов, П.В. Зомбек. Зарегистрировано в Госреестре 15.12.1989.
8. А.с. 1543626. СССР. МКИ4 В 02 С 19/18. Устройство для электроимпульсного дробления материалов / В.Н. Сафронов, Б.И. Прокофьев, П.В. Зомбек. Зарегистрировано в Госреестре 15.10.1989.
9. А.с. 1585972. СССР. МКИ5 В 02 С 19/18. Электроимпульсная установка для дробления материалов / В.Н. Сафронов, Б.И. Прокофьев, П.В. Зомбек, В.И. Кривовяз, А.А. Проскурин, А.Г. Егоров. Зарегистрировано в Госреестре 15.04.1990.
Подписано в печать ___________ г. Заказ № ________. Тираж 120 экз.
Издательство ООП ТГАСУ
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15
