Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Представление о структуре асфальтобетона 11
1.2. Анализ сырьевой базы производства минеральных порошков и пыли уноса 18
1.3. Анализ применения минеральных порошков для асфальтобетона 19
1.4. Постановка задачи 24
2. Исследование физико-химических и физико-механических свойств пыли уноса 25
2.1. Способ получения пыли уноса 25
2.2. Исследование физико-механических свойств пыли уноса и минерального порошка 30
2.3. Исследование физико-химических свойств пыли уноса 32
Выводы по разделу 36
3. Исследование физико-механических свойств асфальтовяжущего на основе пыли уноса 37
3.1. Методика исследований 37
3.2. Результаты определения растяжимости бинарных систем 45
3.3. Исследование плотности, водонасыщения и набухания асфальтовяжущего 48
3.4. Исследование прочностных характеристик асфальтовяжущего 54
3.5. Результаты исследования деформативности асфальтовяжущего 61
3.6. Результаты исследования пластичности асфальтовяжущего 65
Выводы по разделу 68
4. Исследование физико-механических свойств асфальтобетона на основе пыли уноса и активированного минерального порошка 70
4.1. Методика исследований 70
4.2. Исследование влияния пыли уноса и активированного минерального порошка на плотность и водонасыщение асфальтобетона при 20С 73
4.3. Исследование влияния пыли уноса и активированного минерального порошка на прочность и водостойкость асфальтобетона при 20С 75
4.4. Исследование влияния пыли уноса и активированного минерального порошка на температуроустойчивость асфальтобетона при 50С и 0С 78
4.5. Определение деформативных свойств асфальтобетона 81
4.6. Определение коэффициента пластичности асфальтобетона 84
Выводы по разделу 87
5. Определение оптимальной дозировки пыли уноса в минеральной добавке 89
5.1. Методика исследования 89
5.2. Исследование влияния процентного содержания пыли уноса на плотность и водонасыщение асфальтобетона при 20С 92
5.3. Исследование влияния процентного содержания пыли уноса на прочность асфальтобетона при 20С 94
Выводы по разделу 97
6. Экономическое обоснование применение пыли уноса асфальтосмесительных установок в качестве минерального порошка для производства асфальтобетона 98
Выводы по разделу 102
Основные выводы и рекомендации по диссертации 103
Список литературы 106
- Анализ применения минеральных порошков для асфальтобетона
- Исследование физико-механических свойств пыли уноса и минерального порошка
- Исследование плотности, водонасыщения и набухания асфальтовяжущего
- Исследование влияния пыли уноса и активированного минерального порошка на прочность и водостойкость асфальтобетона при 20С
Введение к работе
В стратегии развития лесопромышленного комплекса России на период до 2015 года, рассмотренной и одобренной на VI Международном лесном форуме, обозначены основные направления - реализация проектов по комплексной переработке древесины, развитию инфраструктуры, лесного дорожного строительства. Как отметили участники форума - «факторами, ограничивающими развитие лесной отрасли, являются отсутствие централизованных капиталовложений в лесной сектор, незначительные иностранные инвестиции, низкая плотность существующей дорожной сети, нерентабельность перевозки круглого леса на расстояние свыше 1000 км и пиломатериалов свыше 2500 км из-за высоких железнодорожных тарифов». Для сохранения конкурентоспособности предприятий необходимо сокращать время от заготовки леса до его обработки. В этих условиях важно переходить к интенсивному ведению лесного хозяйства. Для этого необходимо создание густой сети лесных дорог и развитие транспортной логистики [7].
На долю перевозки древесины автомобильным транспортом приходится до 80-90% от общего объема транспорта леса. Строительство лесовозных автомобильных дорог связано со значительными затратами и отдельные предприятия не могут себе этого позволить. Однако в последнее время наметилось укрупнение предприятий, создаются лесопромышленные холдинги и группы, аккумулирующие значительные материальные и финансовые ресурсы. Как правило, магистральные лесовозные автомобильные дороги имеют выходы к сети региональных автодорог общего пользования. Это позволит в дальнейшем войти им в эту сеть и дополнительно связать не только предприятия отрасли, но многочисленные лесные поселки, что является значительным социальным фактором. Подключение крупных магистральных лесовозных автодорог в сеть дорог общего пользования приведет к строительству усовершенствованых покрытий из горячих и холодных асфальтобетонов, поверхностных
обработок, холодных эмульсионно-минеральных смесей и других видов битумоминеральных смесей [35].
Это связано прежде всего с увеличением расходов дорожностроительных материалов, обеспечение которыми ограничено высокой стоимостью их производства и значительными транспортными расходами.
Одним из наиболее дорогостоящих и дефицитных компонентов асфальтобетонной смеси является минеральный порошок.
Порошок образует с битумом асфальтовое вяжущее вещество, которое связывает более крупные зерна в монолит и в значительной степени обуславливает реологические и физико-механические свойства асфальтобетона.
Традиционными и наиболее высококачественными минеральными порошками в мировой практике дорожного строительства признаны карбонатные горные породы (известняки, доломиты и др.), содержащие не более 5 % глины. Распространение карбонатных горных пород в природе ограничено. В ряде месторождений полезная толща выражена несколькими горизонтами. Верхние слои породы, как правило, обладают пониженной прочностью. В них наблюдаются слои, прослойки и линзы глин и песков, которые трудно удалить при добыче горной массы и количество которых доходит до 10-12 %. Перспектива использования таких материалов в технологии асфальтобетона открывается при условии их модифицирования в целях улучшения взаимодействия с битумом.
Одним из путей модифицирования минеральных порошков является технология физико-химической активации их поверхности, осуществляемая поверхностно-активными веществами в процессе помола. Значительным этапом исследований в этой области явились работы Л.Б. Гезенцвея, Сотниковой В.Н. в направлении использования активированных минеральных порошков для совершенствования структурообразования асфальтобетона.
В Советском Союзе существовали производства по получению активированных минеральных порошков. В основном это был «Обидимский» завод п. Обидимо Тульская область, «Кикеринский» завод п. Волосово Ленинградская область, производства в Казахстане «Курдайский» завод, а также на производствах в Азербаджане и Эстонии.
Для активации минеральных порошков использовали в основном продукты и отходы нефтяной и обрабатывающей промышленности: второй жировой гудрон, производные высших карбоновых кислот: синтетические жирные кислоты (СЖК), кубовые остатки СЖК, окисленный петролатум, железные соли СЖК: ферроокисленные рисайклы и петролатумы и др., а также низкотемпературный каменноугольный деготь, буроугольную смолу, древесную газогенераторную смолу лиственных пород, сланцевое масло, кремнеорганическую жидкость ГКЖ-94, госсиполовую смолу (хлопковый гудрон), и др. [36,45,49,59].
В результате распада СССР, связи с предприятиями оказались нарушены - поставки продукции прекратились. Новые, жесткие экологические требования заставили предприятия, выпускавшие данные реагенты, или закрыться или перейти на безотходное производство. Круг материалов пригодных для активирования значительно сократился.
Из производителей активированного минерального порошка в РФ остался, в основном «Кикеринский завод» - Ленинградская обл., который с активатора - второго жирового гудрона перешел на кубовые остатки СЖК, поставляемые, с центральных регионов страны за 1500-2000 км.
Северные и Северо-Западные регионы страны удалены от основных центров глубокой переработки нефти. Доставка в эти регионы химических реагентов, пригодных для активирования минерального сырья, приводит к значительному удорожанию конечной продукции.
В связи с этим мы приходим к тому, что необходимо увеличить количество материалов, применяемых в качестве минеральных порошков. С этой целью еще в СССР, а затем и в России, и за рубежом проводят
. 8
исследования порошковых отходов промышленности различного происхождения.
Такого рода исследования проводились в СССР еще в довоенные годы. Однако широкого практического применения такие материалы не получили (кроме опытных работ).
В настоящее время наибольшее внимание было уделено таким материалам, как золы уноса ТЭЦ, золы от сжигания различных материалов, самораспадающиеся шлаки, а также пыли уноса цементных заводов и камнедробильных установок.
В связи с этим актуальным так же является использование пыли уноса асфальтосмесительных установок, широкому применению которой мешает ее недостаточная изученность как минерального порошка.
Целью работы является снижение стоимости строительства асфальтосмесительных покрытий лесовозных автомобильных дорог при сохранении качества и долговечности за счет использования пыли уноса. Расширить сырьевую базу производства минеральных порошков.
Задачи исследований:
- исследовать влияние пыли уноса, исследуемой в качестве
минерального порошка, на свойства асфальтобетона;
изучить особенности структурообразования асфальтовяжущего на пыли уноса;
определить дозировку пыли уноса в минеральной добавке для производства асфальтобетона;
Объектом исследования является прочность и долговечность покрытий лесовозных дорог из асфальтобетонных смесей;
Предметом исследования являются пыли уноса
асфальтосмесительных установок, используемых в качестве минерального порошка для получения асфальтовяжущего.
Методы исследования. Лабораторные и производственные исследования в соответствии с действующими ГОСТ с планированием экспериментов.
Научная новизна:
- теоретически обоснована возможность использования ПУ (отдельно или совместно с МП) в качестве МП для производства асфальтобетона;
исследовано влияние ПУ на структурообразование асфальтовяжущего и асфальтобетона;
установлено влияние пыли уноса на свойства асфальтобетона;
- подобрано оптимальное соотношение ПУ и МП в минеральной
добавке для производства асфальтобетона.
Практическая значимость работы:
расширение сырьевой базы производства МП для строительства лесовозных автодорог;
снижение стоимости строительства лесовозных дорог с покрытиями из асфальтобетона.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование возможности использования ПУ для производства асфальтобетона
методика и результаты исследования физико-механических свойств порошков различного генезиса;
методика и результаты исследования физико-механических и деформативных свойств асфальтовяжущего и асфальтобетона;
методика и результаты исследования влияния процентного содержания пыли уноса на свойства асфальтобетона.
Реализация работы. Применение асфальтобетона, с оптимальным соотношением ПУ и МП в минеральной добавке, для благоустройства территории комплекса складских и вспомогательных зданий низкотемпературного холодильного терминала по адресу Санкт-Петербург, ул. Якорная 17.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на: научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (Санкт-Петербург, ЛТА) 2006, 2007, 2008, г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы, две из которых в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 71 наименований, 4 приложений. Основное содержание работы изложено на 118 страницах машинописного текста без приложений и содержит 16 таблиц, 33 рисунков.
Анализ применения минеральных порошков для асфальтобетона
В трудах отечественных ученых A.M. Богуславского [5], М.И. Волкова [9], Л.Б. Гезенцвея [10, 11, 12, 13, 14], Н.В. Горелышева [15], Н.Н. Иванова [23], И.В. Королева [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34], Е.Н. Козлова [26], А.И. Лысихиной. [39, 40, 41], В.В. Михайлова, И.А. Рыбьева [50], А.В. Сахарова [52], Г.К. Сюньи и других, были сформулированы научные принципы строительства асфальтобетонных покрытий и разработаны основные требования к качеству асфальтобетона и его составляющих.
Из всех конструктивных элементов автомобильной дороги верхний слой асфальтобетонного покрытия работает в наиболее сложных условиях.
С одной стороны, это влияние статических воздействий и динамических транспортных нагрузок и, связанные с ними сдвигающие, растягивающие и изгибающие усилия, приводящие к возникновению в покрытии напряжений. Выдерживать такие напряжения может материал, обладающий достаточным запасом прочности. Увеличивающаяся с каждым годом интенсивность движения, рост скоростей, ставят актуальную задачу создания долговечного асфальтобетонного покрытия, устойчивого к действию переменных по величине, скорости и повторяемости приложения, нагрузок от движущихся автомобилей в любые критические периоды.
С другой стороны, важным фактором, воздействующим на покрытие, являются климатические условия. Под влиянием кислорода воздуха, солнечной радиации, перепадов температур, атмосферных осадков в асфальтобетоне происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к старению, в результате чего снижается его деформативная способность, коррозионная устойчивость.
При воздействии колебаний низких температур возможен хрупкий разрыв материала, за счет несвободного сжатия, приводящий к трещинообразованию [5]. Способность материала противостоять таким воздействиям определяется структурой, обеспечивающей трещиностойкость асфальтобетона. Сочетание неблагоприятных климатических факторов может привести к разуплотнению асфальтобетона вследствие циклического воздействия знакопеременных напряжений. Релаксационные характеристики асфальтобетона являются объективными показателями склонности его к упругим и вязкопластическим деформациям. Поскольку эти характеристики связаны главным образом с присутствием битума, то, учитывая изменение свойств битума в процессе структурообразования асфальтобетона, возможно путем направленного влияния на этот процесс совершенствовать эксплуатационные свойства асфальтобетона. В связи с этим возникает задача дальнейшего изучения механизма взаимодействия всего комплекса факторов, влияющих на структурообразование асфальтобетона, в целях обеспечения его долговечности. Жесткие условия работы асфальтобетона в покрытии требуют детального подхода при изучении взаимосвязи всех компонентов асфальтобетона, так как именно его структурой во многом определяется работоспособность дорожного покрытия в реальных условиях эксплуатации. Оптимальная для данных условий структура асфальтобетона может обеспечить требуемую деформативность и сдвигоустойчивость в широком диапазоне температур, высокую водостойкость и, следовательно, долговечность асфальтобетонного покрытия [72]. П.В. Сахаров [52] одним из первых связал многообразие свойств асфальтобетона с его структурой. Под структурой асфальтобетона он понимал соотношение масс его составляющих частей в единице объема готового материала, характер и равномерность их распределения. В работе [50], И.А.Рыбьев определял структуру асфальтобетона как понятие, "выражающее определенный характер связей и порядок сцепления частиц и обуславливаемое химическими и физико-химическими связями между контактируемыми кристаллическими частицами и обломками кристаллов, агрегатами и другими структурными элементами, их величиной и формой, взаимным расположением и количественными соотношениями". В работе Л.Б. Гезенцвея [14] показано, что структура асфальтобетона определяется также структурой битума и особенностями взаимодействия всех минеральных составляющих с битумом. Эти исследования свидетельствуют о большой сложности понятия структуры асфальтобетона, которая обусловлена не только различием свойств и соотношения минеральных компонентов асфальтобетона, особенностями их взаимодействия с битумом, но и сложными физико-химическими процессами взаимодействия компонентов, приводящими к формированию материала с определенным комплексом свойств. При этом характерным является придание исследователями все большего значения роли физико-химических процессов взаимодействия составляющих асфальтобетона в формировании его структуры. Влияя на эти процессы, возможно, осуществлять направленное структурообразование асфальтобетона. В связи со сложностью понятия структуры асфальтобетона в исследованиях выделялись его отдельные элементарные структурные части. Изначально, [50] асфальтобетон представляли как материал, состоящий из двух частей: минерального остова и асфальтового вяжущего вещества, состоящего из битума и минерального порошка. В последствии [9, 21] сложилось представление об асфальтобетоне как о конгломератном типе материала, в котором выделены две структурные части, различающиеся по степени дисперсности компонентов: микроструктура, образуемая асфальтовым вяжущим веществом, и макроструктура, обусловленная формой и взаимным расположением зерен песка и щебня. В настоящее время утвердилось [21] представление о структуре асфальтобетона как о трехкомпонентной системе, состоящей из микро-, мезо- и макроструктуры. Предложено [25] также учитывать частицы глины, минеральных добавок, пыль. Влияние этих структур значительно в процессах формирования адгезионных контактов с органическими вяжущими. Они формируются частицами очень тонкой фракции минерального порошка, различными поверхностно-активными веществами (ПАВ) и молекулами высокомолекулярных соединений, из которых состоят полимерные добавки и органические вяжущие вещества. Элементы этого структурного уровня применительно к органическим вяжущим слабо изучены, между тем силы, действующие между этими частицами, играют существенную роль в структурообразовании асфальтобетона.
Минеральный порошок является важным составляющим компонентом асфальтобетона. От качества минерального порошка во многом зависит качество асфальтобетона и дорожного покрытия.
Исследование физико-механических свойств пыли уноса и минерального порошка
Свойства асфальтобетона в значительной степени определяются свойствами структурированной дисперсной системы "битум-минеральный порошок" [23, 50]. Отечественными учеными, и главным образом, проф. П. В. Сахаровым впервые было сформулировано назначение минерального порошка в асфальтобетоне, как структурной составляющей, образующей совместно с битумом «асфальтовяжущее вещество», сцепляющее зерна минерального состава.
До Отечественной войны 1941-1945 г. в практике строительства асфальтобетонных покрытий в качестве минерального порошка (заполнителя) широко применялись молотые известняки, цемент, мраморная мука и асфальтовые породы, а также местные материалы, такие как, например, трепел, известняковые породы с большим содержанием посторонних примесей, отходы местной промышленности: золы, шлаки и местные грунты. Но, учитывая низкое качество покрытий, в 1948 г. были пересмотрены требования на минеральный порошок [71]. С этого времени началось систематическое изучение физико-химических свойств минеральных порошков. Один из первых исследователей Н.Н. Короткевич делает первую попытку установить связь между механическими свойствами смесей битума с минеральными порошками и их физико-химическими характеристиками. После войны резко активизировались исследования по выявлению воздействия минеральных порошков на свойства асфальтобетона. Начиная с 1949 г. исследовались различные минеральные порошки: известняки, доломиты, золы, шлаки, пылеватые супеси и суглинки. На основе этих исследований по предложению Л.Н. Ястребовой и А.И. Лысихиной стали нормировать характеристику смачиваемости материала - степень гидрофильности, характеризующая минеральный порошок со стороны его способности адсорбировать воду или неполярную жидкость, которая по своей природе близка к битуму (керосин). Уже в 1952 г. [71, 41] пришли к выводу, что высокая водоустойчивость асфальтобетона может быть достигнута при использовании в качестве минеральных порошков чистых карбонатных материалов. Позже, с конца 50-тых годов изучались свойства асфальтобетона на топливных шлаках и на различных минеральных наполнителях: кварцит, кальцит, известняк, мрамор, мел, трепел, опока. Примененный метод люминесцентного анализа, по выявлению избирательной адсорбции компонентов битума в поры минеральных порошков, показал на большое влияние пористости порошков на свойства асфальтобетона [8, 63]. В 1959г. А.И. Лысихиной введен термин - адсорбционная емкость минерального материала — количество адсорбированного битума или дегтя, отнесенного к весу минерального материала. Адсорбционная емкость тем выше, чем больше удельная поверхность его частиц и выше их адсорбционная способность [40]. Во Франции Аррамбит и Дюрье указали на возможность использовании в качестве минеральных порошков: молотого известняка, извести, порошкообразного угля, дробленного обожженого сланца, золы. Также использовали порошки из шлака, базальта, порфира, кремния, сланца, свойства, которых улучшали добавками извести или цемента (не более 2%) [2]. Т.Г. Рыбьева [50] по энергетической способности классифицировала все минеральные порошки для асфальтобетона на четыре группы. Минеральные порошки первой группы с высоким положительным потенциалом и большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са , Mg на поверхности — кальцит, доломит, известняк. Порошки способны интенсивно переводить битум в структурированное состояние с образованием хемосорбционных связей, прочно удерживающих битумные пленки на поверхности. Но при этом возможно поглощение жидких компонентов битума. Системы с минеральными порошками первой группы отличаются небольшой пластичностью и высоким упрочнением структуры. Ко второй группе отнесены порошки с высоким отрицательным потенциалом и значительным количеством адсорбционных центров в виде ионов О"2 - кварц, кремень, гранит, трахит. При контакте с битумом они вызывают явление отрицательной адсорбции. Пленки битума очень слабо удерживаются на поверхности частиц. При водонасыщении, слабая связь между компонентами битума и порошка быстро нарушается, что приводит к сравнительно легкому и массовому оттеснению битумных пленок. Третью группу составляют порошки с пониженным отрицательным потенциалом в связи с наличием на поверхности компенсирующих катионов различной валентности - полевой шпат, габбро-диабаз. Интенсивность сорбционных процессов, при объединении с битумом, связана с наличием на поверхности частиц катионов различной валентности - Са+2, Mg+2, Fe+2, Fe+3. Четвертая группа, нейтральные материалы - тальк, графит. С конца 60-тых годов началось более подробное исследование механизма взаимодействия битума и минеральных материалов. Г.С. Бахрах исследовал применение в качестве минерального порошка пыли уноса цементных заводов. Были исследованы составы и свойства пыли уноса различных цементных заводов для асфальтобетона. В ходе исследований были установлены требования к пылям уноса. Отмечается более интенсивное старение битума с такими МП, по сравнению с эталонным известняковым МП Обидимского карьера [3]. В Средней Азии, в частности в Казахстане, в качестве МП применяли измельченные металлургические шлаки, каменноугольную и сланцевую золу, ферропыль, пылеватые грунты и лессовидные суглинки [60]. Асфальтобетонные смеси, с данными МП обладали плохой удобоукладываемостью, а асфальтобетон не удовлетворял требованиям по набуханию, водо- и морозостойкости, обладал низкой деформативностью и сдвигоустойчивостью. Для повышения сдвигоустойчивости использовали в качестве добавки вместо части МП цементную пыль и маломагнезиальную известь-пушонку, а также ПАВ к битуму - госсиполовую смолу (хлопковый гудрон). Применение извести-пушонки и госсиполовой смолы, в качестве ПАВ, привело к снижению битумоемкости асфальтобетона не менее чем на 10%, за счет чего, кроме экономии битума, повышается пластичность и сдвигоустойчивость асфальтобетона [43]. Б.М. Слепая исследовала применение молотой резиновой крошки из изношинных автомобильных покрышек, в песчанном асфальтобетон, взамен части известнякового минерального порошка. Песчаный асфальтобетон с резиновой крошкой отличался высокими показателями деформативности при отрицательных температурах (-20С), сдвигоустойчивостью при высоких температурах (+50С), а также как указывает автор, на снижение интенсивности старения асфальтобетон, в связи с поглащением резиной низкомолекулярных компонентов битума. Асфальтобетоны отличались повышенными значениями морозостойкости, связанные с эластичностью резинового порошка, а также большим удельным весом замкнутых пор. Песчанный асфальтобетон обладал хорошими фрикционными свойствами [54].
Исследование плотности, водонасыщения и набухания асфальтовяжущего
Как уже отмечалось выше, пыль уноса состоит и мелких частиц песка (отсева от дробления) и щебня, которые образовались в результате измельчения крупно фракционного щебня. Поэтому, для лучшего представления о физико-химических свойствах пыли уноса, необходимо рассмотреть физику процессов происходящих во время измельчения твердых материалов. Измельчение материала происходит в результате создания в нем напряжений, превышающих предельные, упругие деформации. Известно [68], что твердые тела имеют слабые области и дефекты в кристаллической решетке, образующиеся в результате предварительной обработки материала. Материал разрушается в первую очередь в слабых областях. Состояние твердого тела в процессе измельчения зависит от его реальной структуры, под которой подразумевается комплекс всех свойств, характерных для тонкой структуры твердого тела. Практически у каждой кристаллической решетки есть структурные дефекты. Это - пустоты, находящиеся без атомов или ионов, искажения геометрического строения решетки, неправильное размещение ионов, чужие ионы или атомы. Такие дефекты снижают прочность и устойчивость связей между атомами и ионами. Кристаллические поверхности всех твердых тел, составлены из так называемых кристаллических "мозаичных блоков", расположенных неравномерно. Измельчение твердых тел сопровождается рядом физических явлений, которые приводят к повышению реакционной способности измельчаемых материалов. К числу явлений, происходящих в твердых телах при их механическом разрушении, относятся: возникновение импульсов высоких локальных температур и давлений, образование активных центров на свежеобразованной поверхности, ускорение процессов диффузии при пластической деформации, изменение структуры твердых тел. Отмечается, что при этом может быть получено повышение реакционной способности твердых тел, изменение их структуры, ускорение твердофазных реакций. Возникновение свежих поверхностей при измельчении твердых тел сопровождается разрывом химических связей и образованием вследствие этого не скомпенсированных валентностей [22, 27, 47]. Образуются активные центры различного характера - свободные радикалы, ионрадикалы и др. В результате резко возрастает адсорбционная способность материала, а значит и его реакционная активность. Свободные радикалы обладают исключительно большой активностью, позволяющей им легко вступать в химическое взаимодействие с обычными молекулами других веществ. Далее рассмотрим процессы взаимодействия битума и минерального порошка. При взаимодействии битумов и минеральных порошков происходит интенсивный перевод битума из объемного состояния в состояние диффузно-сольватных оболочек. При таком структурировании образуются сравнительно прочные физические и хемосорбционные связи (анкерные контакты), крепко удерживающие битумные пленки на поверхности частиц порошка. Исходя из традиционных представлений, активность битумов по отношению к минеральным порошкам определяют в основном анионактивные вещества - асфальтеновые и нафтеновые кислоты взаимодействуют с основными центрами на поверхности частиц минерального порошка [20]. При объединении минерального порошка с битумом, за счет их высокого положительного потенциала и большого количества адсорбционных центров в виде катионов Са , Mg на поверхности частиц, будет происходить интенсивный перевод битума в диффузно-структурированное состояние с образованием хемосорбционных связей, достаточно прочно удерживающих битумные пленки на поверхности частиц. При этом происходит впитывание синерезируемых жидких фракций битума в кристаллическую решетку (точнее - в дефекты кристаллической решетки, появляющиеся в процессе измельчения минерального материала). Такие системы отличаются сравнительно небольшой пластичностью и высоким упрочнением структуры [51]. При объединении пыли уноса с битумом интенсивность сорбционных процессов будет связана с наличием на поверхности частиц катионов различной валентности. При этом битумные пленки будут удерживаться на поверхности частиц большим или меньшим количеством положительных центров адсорбции, соответственно чему будут изменяться величина и характер адгезии. При порошках с высоким содержанием двухвалентных катионов Са"+, Mg2+, Fe+ (габбро-диабазовая ПУ) будут образовываться сравнительно прочные и плотные битумоминеральные системы. Жидкие нейтральные фракции битума будут практически полностью поглощаться дефектами поверхности частиц. Уравнение реакции происходит по следующей схеме. Так же стоит отметить, что по своему химическому составу, пыли уноса изверженных горных пород содержат меньше оксида кальция и магния, нежели известняк, что говорит об их меньшей химической активности при взаимодействии с битумом. Физические свойства пыли уноса.
Как мы уже ранее определили, пыль уноса более мелкодисперсный материал, следовательно, имеет большую суммарную поверхность частиц, то есть имеет более высокую удельную поверхность, по сравнению с традиционным минеральным порошком. Чем больше удельная поверхность минерального порошка, тем больше его адсорбционная способность [6], но при этом чрезмерное увеличение удельной поверхности приводит к тому, что большая часть битума расходуется на обволакивание частиц порошка и в смеси не хватает вяжущего. Учитывая, это и меньшую химическую активность пыли уноса по сравнению с активированным минеральным порошком, можно предположить, что чтобы получить одинаковые физико-механические показатели асфальтовяжущего, для пыли уноса потребуется большее количество битума.
Не смотря на меньшую химическую активность и высокую дисперсность пыли уноса, применение пыли уноса в качестве минерального порошка, на наш взгляд, целесообразно, так как по своим физическим свойствам она удовлетворяет ГОСТ и является отходом асфальтобетонного производства, то есть имеет меньшую стоимость и большую доступность нежели минеральный порошок. Учитывая дефицит минерального порошка, целесообразно провести дополнительные лабораторные исследования пыли уноса, в том числе с использованием смеси пыли уноса и минерального порошка.
Исследование влияния пыли уноса и активированного минерального порошка на прочность и водостойкость асфальтобетона при 20С
Экономическая эффективность использования пыли уноса асфальтосмесительных установок, в качестве минерального порошка, характеризуется экономией средств, получаемой за счет снижения стоимости минеральной добавки.
Экономическая эффективность рассматривается с позиции замены, традиционно используемых для производства асфальтобетонной смеси, минеральных порошков на смесь пыли уноса и минерального порошка. При выборе процентных содержаний пыли уноса и активированного минерального порошка в минеральной добавке основным критерием была выбрана прочность асфальтобетона на сжатие. Таким образом, были выбраны: смесь, состоящая из 20% пыли уноса и 80% активированного минерального порошка и смесь, состоящая из 80% пыли уноса и 20% активированного минерального порошка (см. главу 5).
Расчет выполнен для условий действующего предприятия по выпуску асфальтобетонной смеси - ООО «Дорстройпроект» АБЗ №1 , расположенного в Санкт-Петербурге. Предприятие в течение сезона (май-ноябрь) производит 70 - 75 тыс. тонн асфальтобетонной смеси. При этом за сезон образуется в среднем 4 тыс. тонн пыли уноса.
Производство асфальтобетонной смеси на активированном минеральном порошке. Для производства активированного минерального порошка требуется известняковый щебень и активирующий состав, состоящий из битума и коСЖК. Таким образом, цена 1 тонны активированного минерального порошка напрямую зависит от цен на исходные материалы, которые сильно различаются у разных производителей. Поэтому была выбрана усредненная цена на активированный минеральный порошок.
Для производства 70 тыс. тонн асфальтобетонной смеси в среднем необходимо в среднем 11 300 тонн минерального порошка. Значит, на закупку минерального порошка на сезон, завод тратит 14 690 тыс. рублей. Производство асфальтобетонной смеси на минеральной добавке (20% ПУ и 80% активированного МП). В затраты на получение пыли уноса не входят стоимость щебня, затраты на хранение, дробление и просушку минеральных материалов, так как они входят в число необходимых операций для производства асфальтобетона. В цену пыли уноса входят только затраты на ее удаление из сушильного барабана, а также на ее хранение и подачу в смесительный бункер. Таким образом, цена 1 тонны пыли уноса составляет 135 рублей. Для получения 1 тонны минеральной добавки необходимо 800 кг активированного МП и 200 кг ПУ. Тогда, цена 1 тонны минеральной добавки составит: 0,8 1 300 + 0,2 135 = 1 067 рублей. За Экономический эффект составит 14 690 — 12 057 = 2 633 тыс. рублей. Производство асфальтобетонной смеси на минеральной добавке (80% ПУ и 20% активированного МП). Для получения 1 тонны минеральной добавки необходимо 200 кг активированного МП и 800 кг ПУ. Тогда, цена 1 тонны минеральной добавки составит: 0,2 1 300 + 0,8 135 = 368 рублей. Образовавшейся за сезон пыли уноса, не достаточно для производства 11,3 тыс. тонн минеральной добавки (80% ПУ и 20% активированного МП), 4000 тонны пыли уноса - это 5000 тон минеральной добавки. Тогда за сезон затраты составят 6 300 1 300 + 5 000 368 = 10 030 тыс. рублей. Экономический эффект составит 14 690 — 10 030 = 4 660 тыс. рублей. Для более полного представления результаты расчетов сведены в таблицу и представлены на графике. Как видно из таблицы, асфальтобетон на минеральной добавке 20% ПУ + 80% АМП значительно превосходит по прочности асфальтобетоны на минеральной добавке 80% ПУ + 20% АМП и активированном минеральном порошке (на 21% и на 15% соответственно). При этом экономическая эффективности данной смесь составляет 2 633 000 руб. 1. Применение смеси пыли уноса и активированного минерального порошка позволит значительно снизить стоимость асфальтобетона. 2. Асфальтобетон на минеральной добавке 80% ПУ + 20% АМП имеет наибольшую экономическую эффективность. Применение пыли уноса асфальтосмесительных установок, являющейся местным материалом для асфальтобетонного производства, в качестве добавки к минеральному порошку позволит расширить сырьевую базу используемых материалов для производства асфальтобетона. А также снизить затраты на производство асфальтобетонной смеси за счет снижения стоимости минеральной добавки. 1. Определением гранулометрического состава и физических свойств пыли уноса и активированного минерального порошка показало, что пыль уноса не уступает по этим показателям минеральному порошку и соответствует требованиям ГОСТ Р 52129-2003. 2. По своим физико-химическим свойствам пыль уноса сопоставима с традиционными минеральными порошками. 3. Изучение физико-механических свойств асфальтовяжущего на пыли уноса и активированном минеральном порошке показали, что асфальтовяжущее на пыли уноса не значительно уступает значениям асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке, но при этом требуется большая дозировка битума. В частности, предел прочности на сжатие при 60С у асфальтовяжущего на пыли уноса равен 1,17 МПа, а у асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке - 1,16 МПа. Но при этом дозировка битума в первом случае 16%, а во втором 12%. Это говорит о меньшем взаимодействии с битумом. 4. Исследование деформативных свойств асфальтовяжущего, по методике определения коэффициента пластичности, показало, что асфальтовяжущее на пыли уноса имеет довольно высокие показатели, но уступающие показателям асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке, то есть обладает большей жесткостью и хрупкостью. Так, при 60С коэффициент пластичность асфальтовяжущего на пыли уноса меньше в среднем на 40%, аналогичного показателя асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке. 5. Пыль уноса обладает высокой структурирующей способностью, но не значительно уступает по этому показатель традиционному минеральному порошку, что было доказано исследованиями физико-механических и деформативных свойств асфальтобетона. Например, предел прочности на сжатие при 20С асфальтобетона на пыли уноса меньше аналогичного показателя асфальтобетона на минеральном порошке и составляет 5,19 МПа против 6,40 МПа. 6. В ходе испытаний было доказано, что асфальтобетон на пыли уноса полностью соответствует всем требованиям ГОСТ 9128-97 по водонасыщению, водостойкости и прочности. 7. По начальной и длительной водостойкости асфальтобетон на пыли уноса, как минимум, не уступает асфальтобетону на активированном минеральном порошке. Так, начальный коэффициент водостойкости асфальтобетона на пыли уноса равен 0,946, а асфальтобетона на активированном минеральном порошке - 0,912.
