Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Анализ минерального сырья, используемого при производстве асфальтобетона для дорожного строительства 10
1.2. Влияние дисперсности и природы минеральных материалов на свойства получаемых асфальтобетонов 21
1.3. Существующие методы повышения качества минеральных составляющих асфальтобетона 29
1.4. Опыт применения термообработанных материалов в качестве минеральных порошков в асфальтобетонах 35
1.5. Выводы 41
2. Методы исследований и применяемые материалы 43
2.1. Методы исследований 43
2.1.1. Оценка физико-механических и физико-химических свойств сырьевых компонентов, асфальтовяжущих и асфальтобетонов на их основе 43
2.1.2. Анализ состава и структурных особенностей сырьевых и дорожно-строительных материалов 47
2.2. Характеристика применяемых материалов 51
2.3. Выводы 56
3. Обоснование возможности использования термообработанных алюмосиликатных пород осадочной толщи для получения минеральных порошков 58
3.1. Предпосылки использования пород осадочной толщи при производстве строительных материалов 58
3.2. Анализ минерального сырья, применяемого для производства органоминеральных композитов, с позиции генезиса и размерных уровней 68
3.3. Влияние механической и термической обработки на характеристики получаемых минеральных порошков 75
3.3.1. Фазовый состав сырьевых материалов 76
3.3.2. Размолоспособность исходного сырья с точки зрения получения минеральных порошков для асфальтовяжущих.. 84
3.3.3. Характеристики минеральных порошков из алюмосиликатного сырья 91
3.3.4. Влияние термической обработки на фазовый состав алюмосиликатного сырья 98
3.3.5. Зависимость размолоспособности от интенсивности термического воздействия 116
3.3.6. Изменение свойств минеральных порошков под влиянием термической обработки 128
3.4. Микроструктурные особенности минеральных порошков на основе алюмосиликатного сырья 135
3.5. Выводы 143
4. Составы и свойства асфальтовяжущих и асфальтобетонов с использованием минеральных порошков из алюмосиликатного сырья 146
4.1. Свойства асфальтовых вяжущих в зависимости от вида применяемых минеральных порошков 146
4.2. Структурообразование асфальтовяжущих с применением минеральных порошков из алюмосиликатного сырья 165
4.3. Составы и свойства асфальтобетонов на основе механо- и термически модифицированных минеральных порошков из алюмосиликатных пород осадочной толщи 175
4.4. Выводы 184
5. Апробация теоретических и экспериментальных исследований 186
5.1. Технология производства модифицированных минеральных порошков из алюмосиликатного сырья 186
5.2. Технико-экономическое обоснование эффективности применения алюмосиликатных пород осадочной толщи для получения асфальтобетона 191
5.3. Внедрение результатов исследований 197
5.4. Выводы 198
Заключение 200
Список использованной литературы 203
Приложения 228
- Существующие методы повышения качества минеральных составляющих асфальтобетона
- Анализ минерального сырья, применяемого для производства органоминеральных композитов, с позиции генезиса и размерных уровней
- Свойства асфальтовых вяжущих в зависимости от вида применяемых минеральных порошков
- Технология производства модифицированных минеральных порошков из алюмосиликатного сырья
Введение к работе
Актуальность. В соответствии с «Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года» необходима существенная модернизация дорожного строительства и значительное увеличение объемов работ. Для этого дорожная отрасль должна обладать достаточной сырьевой базой дорожно-строительных материалов.
В настоящее время наиболее распространенным материалом для автомобильных дорог остается асфальтобетон, качество которого во многом определяется структурно-механическими характеристиками асфальтовя- жущего. Важнейшим структурообразующим компонентом его являются минеральные порошки, для получения которых применяют преимущественно породы карбонатного состава. Однако это сырье востребовано в других отраслях промышленности и имеет локальное распространение на территории нашей страны.
Актуальным является расширение номенклатуры сырьевых материалов для производства наполнителей асфальтовяжущего за счет применения широко распространенных видов сырья, к которым относятся алюмосили- катные породы осадочной толщи. Повышение эффективности органоми- неральных композиций с использованием данных материалов возможно за счет модифицирования породообразующих минералов этих нетрадиционных горных пород.
Диссертационная работа выполнена в рамках: мероприятия 1.3.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по проблеме «Утилизация отходов горнодобывающих предприятий в дорожном строительстве»; гранта РФФИ «Разработка новых подходов к созданию нано- и микроструктурированных строительных композитов на основе природных и техногенных полифункциональных прото- и сингенетических наносистем».
Цель и задачи работы. Разработка асфальтовяжущих с применением минеральных порошков из алюмосиликатных пород осадочной толщи для строительства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение состава, свойств и микроструктурных особенностей алю- мосиликатного сырья осадочной толщи для использования его в качестве минеральных порошков в асфальтовых вяжущих;
разработка способа модифицирования алюмосиликатного сырья и анализ свойств полученных продуктов с точки зрения их применения в качестве минеральных порошков в асфальтовых вяжущих;
подбор составов асфальтовяжущих и асфальтобетонных смесей с использованием минеральных порошков из осадочных пород с последующим изучением характеристик получаемых композитов;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследования.
Научная новизна работы.
Предложены принципы модифицирования некондиционных алюмо- силикатных пород осадочной толщи при получении минеральных порошков для асфальтовяжущих, заключающиеся в термической обработке массивных материалов и их последующем диспергировании для получения тонкодисперсных наполнителей непосредственно перед использованием с целью сохранения их реакционной способности в асфальтовяжущем. В результате модификации образуются гомогенизированные по составу и строению сырьевые материалы, обладающие структурной стабильностью.
Предложен механизм модифицирования осадочных пород, заключающийся в трансформации слоистых алюмосиликатов, преимущественно каолинита, в каркасные структуры минералов группы цеолитов, в частности фоязита, формирующихся в условиях термической обработки при 500600 С. Установлено, что на поверхности тонкодисперсного порошка, подвергнутого термической обработке, имеется большое количество гидро- ксильных групп. При обработке массивного материала и его последующем диспергировании количество связанных с поверхностью групп ОН снижается. Формируемые таким образом бренстедовские активные центры способны к образованию водородных связей. Уменьшение «гидроксильного покрова» поверхности связано с частичной дезактивацией гидроксилами более сильных льюисовских центров, образующихся в массивной породе после термической обработки. Эти центры адсорбции обладают наибольшей реакционной способностью и позволяют образовывать ковалентные связи.
Выявлен характер зависимости размолоспособности алюмосиликат- ного сырья и дисперсности получаемых минеральных порошков от температуры обработки и вещественного состава исходного сырья, заключающиеся в приросте удельной поверхности при диспергировании по мере повышения температуры обработки за счет постепенной дегидратации глинистых минералов и перестройки их структуры, приводящей к повышению пористости и появлению высокодисперсных новообразований. При термической обработке происходит ококсовывание и выгорание угля, что способствует разрушению агрегатов в исходном сырье и повышению удельной поверхности без диспергирования. Стабильность кристобалит- тридимитовых опалов при температурном воздействии определяет наименьшие изменения в структуре и высокую дисперсность наполнителей.
Установлены особенности структурообразования асфальтовяжущего при использовании механо- и термически модифицированных минеральных порошков на основе алюмосиликатного сырья различного состава, заключающиеся в протекании хемосорбционных процессов на границе раздела «битум - минеральный порошок алюмосиликатного состава», приводящих к повышению адгезии органических комплексов. Наличие высокореакционного тонкодисперсного вещества в виде панцирей диато- мей, глобулярных образований силикатного и алюмосиликатного составов, рентгеноаморфной составляющей и минералов группы цеолитов делает механо- и термически модифицированные наполнители активными составляющими битумоминеральных композиций. Это приводит к увеличению сцепления битума с минеральной подложкой и, как следствие, улучшению показателей физико-механических свойств асфальтовяжущих.
Практическое значение работы. Расширена номенклатура сырья для производства минеральных порошков за счет использования алюмосили- катных пород осадочной толщи.
Разработаны рациональные составы асфальтовяжущего с применением модифицированных и немодифицированных минеральных порошков на основе алюмосиликатного сырья.
Предложена технология производства модифицированных минеральных порошков из алюмосиликатных пород осадочной толщи для получения асфальтовяжущих.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена при строительстве опытного участка автомобильной дороги с использованием асфальтобетонной смеси на основе модифицированного минерального порошка из алюмосиликатного сырья.
Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:
стандарт организации СТО 02066339-005-2011 «Модифицированные минеральные порошки для асфальтобетона на основе алюмосиликат- ных пород осадочной толщи»;
рекомендации по использованию модифицированных алюмосили- катных пород осадочной толщи для производства минеральных порошков;
технологический регламент на производство модифицированных минеральных порошков на основе алюмосиликатных пород осадочной толщи.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профилям: «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Автомобильные дороги и аэродромы»; магистров по направлению 270800.68 «Строительство» магистерским программам: «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», «Архитектурно-строительное материаловедение»; инженеров по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на IV Международном форуме «ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОИЗВОДСТВО» (Белгород, 2008); XIII Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2008); Международной научной конференции «Ломоносов» (Москва, 2009, 2012); Международной научно-практической конференции «Строительство - 2009» (Ростов-на-Дону, 2009); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (Якутск, 2009); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (Белгород, 2009); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010); 2-й Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (Брянск, 2010).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 15 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На способ получения минерального порошка подана заявка на патент (№ 2012134723, приоритет от 15.08.2012).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 241 странице машинописного текста, включающего 36 таблиц, 84 рисунка и фотографии, списка литературы из 249 наименований, 7 приложений.
Существующие методы повышения качества минеральных составляющих асфальтобетона
В настоящее время установленным фактом является то, что все материалы, независимо от их агрегатного состояния, находящиеся в обычных условиях в химически пассивном состоянии, могут при соответствующей обработке стать более энергетически активными, способными развивать значительные межмолекулярные взаимодействия на границе раздела фаз [72]. Мировой технологический опыт на протяжении более 200 лет использовал следующие традиционные приемы: варьировании температурой и давлением, применение механического и химического (механохимического) диспергирования (тонкий помол и растворение материалов), а также химическое воздействие [72, 106]. Общим для этих приемов является то, что они изменяют поверхностную структуру материала и повышают его химическую активность.
Остановимся на каждом из методов.
В природных условиях на поверхности кремнеземистых материалов образуется слой гидроксильных групп и адсорбированной воды, который резко снижает активность такой поверхности [107, 108]. В результате интенсивной тепловой обработки песка (от 115 до 600 С) идет процесс дегидратации, а поверхность его зерен приобретает отрицательный заряд и становится более активной [72]. В этой связи термоактивация минеральных составляющих асфальтобетона является одним из перспективных методов.
Адекватность активации показана А.А. Кимом на примере термической обработки частиц гранита (400-1000 С) [109]. Объяснение этому факту он нашел в следующем: частичное выгорание поверхностной пленки способствует обнажению более активной аморфизованной поверхности частиц и освобождению валентных связей в силаксановой группе, что и приводит к образованию химической связи с вяжущим. Активация песков различными режимами (Б.А. Розенгауз сначала нагревал их до 400 С, а потом охлаждал до 200 С [ПО], А.А. Ким - путем воздействия высоких температур (800-1000 С) в течение 2-20 минут [111]) приводила к тому, что с частиц удаляется поверхностный слой и образуются оксиды щелочноземельных металлов. При этом отмечается, что по мере усиления режима обжига заряд поверхности менялся с отрицательного на положительный. Кроме того установлено усиление структурирующего влияния обработанных минеральных материалов на битум. Это доказывают результаты лабораторных испытаний, согласно которым нагревание песка от 200 до 1300 С способствовало увеличению прочности образцов асфальтобетона на 76 %.
Однако, к недостаткам методов термической активации следует отнести большие энергозатраты на обработку, а также уменьшение прочности зерен вследствие развития микротрещин от воздействия высоких температур. Последнее обстоятельство способствует увеличению размолоспособности материалов, что делает перспективным применение высокотемпературной модификации при получении минеральных порошков вследствие снижения затрат на измельчение.
Вопросам использования механоактивационного способа модифицирования минеральных порошков из сырья различной природы посвящены работы B.C. Прокопца [112, 113] и В.В. Ядыкиной [114, 115].
Одним из эффективных приемов повышения адгезионной активности минеральных порошков по отношению к органическим вяжущим является предварительная физико-химическая активация их поверхности [14]. Наиболее полно вопросы обработки, в частности песка, рассмотрены в работах Л.Б. Гезенцвея [7]. В них отмечается, что наиболее благоприятными для химического модифицирования является момент образования новых поверхностей, поскольку в этом случае возможно использование реакционной способности свежеобразованных поверхностей для взаимодействия с различными реагентами. Это объясняется возникновением парамагнитных центров (свободных радикалов) вследствие разрыва химических связей, которые, обладая исключительно большой активностью, позволяют им легко вступать в химическое взаимодействие с молекулами других веществ.
Высокая активность свежеобразованных поверхностей связана и с изменением структуры поверхностных слоев частиц, образующихся в процессе измельчения. Поверхность измельченного песка состоит из измененного слоя, который содержит аморфизованный кремнезем [7, 116, 117]. Возникающая разрыхленная структура поверхностного слоя частиц способствует его реакционной и адсорбционной способности.
Одним из направлений активации минеральных материалов является нейтрализация кислотных свойств поверхностного слоя их частиц за счет введения положительных ионов при обработке данных материалов оксидами тяжелых и щелочно-земельных металлов, а также различными активаторами [73, 118-120], в число которых входит и известь.
Для достижения наибольшего эффекта для модификации поверхности зерен используют вещества, позволяющие сблизить молекулярные свойства адсорбционного слоя и среды, которую должен наполнять порошок [7]. Функции такого вещества наилучшим образом выполняет битум. Для этого на поверхности минеральных зерен создается тонкий слой высокоструктурированного битума, представляющий собой структурно-механический барьер, хемоадсорбционно связанный с поверхностью. Такой барьер выполняет несколько функций. Прежде всего благодаря однородности молекулярных свойств адсорбционных слоев и дисперсионной среды предельно облегчается смачивание дисперсных частиц битумом. Лиофилизуя поверхность, структурно-механический барьер усиливает способность минерального порошка к коагуляционному структурообразованию. В результате повышения смачиваемости зерен минеральный порошок способствует переводу большей части битума в состояние сольватных оболочек. В таком состоянии битум прочнее, чем в объемном. В связи с этим основная функция минерального порошка, как микронаполнителя битума, состоящая в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние, выполняется активированным порошком наиболее эффективно.
Присутствие структурно-механического барьера оказывает пептизи-рующее влияние на дисперсную систему «битум - минеральный порошок». Обычный, неактивированный порошок образует более или менее крупные агрегаты и присутствует в асфальтобетоне в виде таких агрегатов. Это способствует повышению пористости и битумоемкости асфальтобетона. В отличие от него активированный порошок в условиях хорошей смачиваемости битумом не образует агрегатов.
Наличие структурно-механического барьера, оказывающего экранирующее действие, снижает или препятствует избирательной фильтрации компонентов битума в поры минеральных зерен. Это позволяет замедлить старение асфальтобетона. Структурно-механический барьер придает поверхности зерен гидрофобные свойства, что существенно улучшает условия хранения и применения активированного минерального порошка. Это уменьшает агрегацию порошка в процессе хранения.
Благодаря отмеченным выше особенностям структурно-механический барьер предотвращает проникание влаги в минеральные зерна. Это позволяет использовать в качестве минеральных порошков более широкий круг материалов, включая и недостаточно водоустойчивые.
Наиболее эффективными и доступными активаторами считаются известь (пушонка, кипелка) и цемент. При взаимодействии вновь образованных поверхностей кварцевых зерен с активатором - гидратной известью происходит их модификация. Отмечается, что новые поверхности интенсивно адсорбируют известь, а возникающие при этом связи оказываются достаточно прочными. По данным И.А. Рыбьева [10] и М.И. Кучмы [73], при введении в битум активатора - извести-пушонки образуется активная солевая форма ПАВ, химически сорбирующаяся на минеральной поверхности.
Широкое применение получили поверхностно-активные вещества как активаторы поверхности минеральных материалов. Выбор ПАВ должен осуществляться в зависимости от особенностей используемых компонентов. Вопросам применения ПАВ при механической обработке рассмотрены Н.Б. Урьевым [121], A.M. Красновым [122], И.В. Королевым [123]
Одним из основных условий применения адгезионных ПАВ является улучшение смачиваемости минерального материала битумным вяжущим и увеличением сцепления битума с минеральными материалами. В последние годы чаще всего в дорожном строительстве используются добавки класса имидазаминов, такие как «Амдор-9» и «Дорос-АП». В работах [124-126] показано, что введение азотсодержащих адгезионных ПАВ в асфальтобетон приводит к изменениям в структуре битума, микро-, мезо- и макроструктуре асфальтобетона, улучшающие свойства бинарных систем и асфальтобетона в целом.
Анализ минерального сырья, применяемого для производства органоминеральных композитов, с позиции генезиса и размерных уровней
Актуальность поиска альтернативных материалов для строительства автомобильных дорог определяется как отсутствием в ряде регионов РФ собственной сырьевой базы традиционных материалов, применяемых в том числе для производства органоминеральных смесей, так и наличием техногенного сырья, считающегося некондиционным и не находящим практического применения. Промышленный потенциал России в различных отраслях производства приводит к образованию и накоплению большого количества отходов. Использование этих пород в свою очередь является одним из перспективных направлений расширения сырьевой базы дорожного строительства.
Анализ сырьевых материалов по степени дисперсности и происхождению, используемых при получении органоминеральных смесей и композитов, позволил проранжировать минеральные компоненты с позиции генезиса и размерных уровней (рис. 3.2) [204].
Минеральные компоненты, используемые в составе органоминеральных композитов, предлагается разделить на природное и техногенное сырье по такому критерию, как изменчивость минерального состава. К природным относятся вещества, которые даже при механической обработке не меняют своего минерального состава, а к техногенному сырью - в процессе воздействия на которые меняется их минеральный состав относительно исходного.
Как известно, существует классификация техногенного сырья, которое делится на механогенное, пирогенное, хемогенное и биогенное. В данном случае механогенное предлагается отнести к природному сырью, так как при механической обработке в зависимости от крупности получаемых продуктов изменяется текстура (например, мелкий заполнитель) или структура, но минеральный состав при этом остается неизменным. Однако стоит отметить, что при дроблении и рассеве на фракции, как известно, минеральный состав может меняться по сравнению с исходным массивом. В крупной фракции преобладают более прочные минералы, в мелкой - менее прочные. При этом в общей массе дробленого вещества без рассева на фракции минеральный состав остается неизменным.
С позиции размерных уровней в данной классификации минеральные компоненты, используемые для получения органоминеральных композиций, были разделены на 4 области: крупный заполнитель (от 40 до 5 мм), мелкий заполнитель (от 5 до 0,071 мм), минеральный наполнитель (от 0,071 мм до 1 мкм) и нанодисперсный модификатор (менее 1 мкм). Нормативными документами не установлен нижний предел минеральных наполнителей. Однако исходя из предела размолоспособности, т.е. степени механического измельчения неорганического вещества, в качестве нижнего предела условно можно принять 1 мкм.
К крупному заполнителю относятся сыпучие материалы с крупностью свыше 5 мм, формирующие каркас щебенистых и гравийных асфальтобетонов соответственно [7].
Мелкий заполнитель с размерами частиц от 5 до 0,071 мм в асфальтобетоне заполняет пространство между более крупными частицами щебня в щебенистых и гравийных асфальтобетонах, а также может играть скелетную роль в песчаных асфальтобетонах.
Минеральный наполнитель, представленный в органоминеральных смесях минеральным порошком, имеет размерную область от 0,071 мм до 1000 нм. Он является важнейшим структурообразующим компонентом, на долю которого приходится до 90-99 % суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав существующих композитов. Основное назначение его как наполнителя битума состоит в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние. Помимо этого, присутствие необходимого количества минерального порошка способствует повышению плотности как минеральной части, так и всего композита в целом. Пониженное содержание или отсутствие минерального порошка в пористых и высокопористых асфальтобетонах повышает пористость минерального остова и остаточную пористость смесей в целом.
К нанодисперсным модификаторам, применяемым для получения дорожно-строительных материалов, предлагается относить наносистемы, под которыми подразумеваются полидисперсные минеральные композиции с размером частиц не более 1 мкм, которые в своем составе содержат нанодис-персное вещество.
Анализ данной схемы свидетельствует о том, что в настоящее время эффективно применяются первые три области минеральных компонентов: крупный и мелкий заполнители, а также минеральные наполнители. Однако еще невостребованной остается область нанодисперсного модификатора, являющаяся перспективным направлением развития дорожно-строительных материалов.
По присутствующему самому крупному минеральному компоненту ор-ганоминеральные композиты можно классифицировать в следующей последовательности: щебенистый (гравийный) асфальтобетон, песчаный асфальтобетон, асфальтовяжущее вещество, а также перспективные органоминеральные неокомпозиты.
С использованием крупного заполнителя получают такие асфальтовые композиции, как щебенистые и гравийные асфальтобетоны, которые по крупности зерен подразделяются на крупнозернистые с наибольшим размером частиц до 40 мм и мелкозернистые - до 20 мм [15, 205]. Песчаная составляющая в смеси с минеральным порошком и битумом образует асфальтовый раствор, выполняющий роль мезоструктуры щебенистого асфальтового бетона [7]. Велика роль мелкого заполнителя для получения плотной минеральной части таких асфальтобетонов, так как позволяет формировать непрерывный гранулометрический состав минеральной смеси. Присутствие песка позволяет существенно повысить однородность, удобообрабатываемость асфальтобетонной смести и способствует формированию наиболее благоприятной структуры асфальтобетона в процессе его уплотнения. Кроме того, мелкий заполнитель может выполнять функцию скелета в песчаном асфальтобетоне.
Смесь минерального порошка и битума образует асфальтовяжущее вещество, слагающее микроструктуру асфальтового бетона и связывающее более крупные минеральные составляющие.
В качестве крупных природных необработанных заполнителей -применяют как окатанные горные породы (гальку, гравий), так и неокатанные (щебень, дресву). Но в большинстве случаев применяемый щебень получают дроблением скальных горных пород, крупного гравия и т.д. Крупным заполнителем часто служат крупнозернистые отходы промышленного производства, например топливные, металлургические шлаки, и искусственные заполнители, такие как керамзит и др. [31, 40, 206] Применение техногенного сырья является одним из направлений, развиваемых в настоящее время.
Для приготовления органоминеральных композитов применяют как природные (кварцевые, полевошпатовые и другие) пески, так и пески из отсевов дробления горных пород. К техногенному сырью данной размерной области относятся мелкодисперсные отходы промышленности - золы и отсевы дробления шлаков, керамзита и др.
Традиционно в качестве минерального порошка применяют продукты тонкого измельчения карбонатных пород - известняков и доломитов, обладающие наилучшим сцеплением с битумом [7]. Однако в последнее время широко применяются молотые некарбонатные горные породы, а также порошкообразные отходы промышленности: пыль-уноса цементных заводов, золы ТЭС, керамзитовая пыль, молотые шлаки и др.
Природное сырье в своем естественном состоянии (например, без измельчения) в настоящее время не используется в качестве минеральных наполнителей для получения органоминеральных композитов. Анализ вещества, представляющего собой породы в тонкодисперсном состоянии, свидетельствуют о том, что перспективным с точки зрения использования в качестве минерального компонента, удовлетворяющего по размерным параметрам данному виду минерального сырья, являются такие осадочные хемо-генные горные породы, как нелитифицированные илы. Например, только работы в Печорском речном бассейне выявили образование около 400 тысяч тонн в год этого вещества. К таким же рыхлым веществам природного происхождения относятся эффузивные пирокластические образования, например, вулканический пепел. Данные тонкодисперсные породы не находят практического применения в строительстве по целому ряду причин, таких как сложности добычи (илы), короткий период нахождения в рыхлом естественном состоянии (вулканический пепел). Кроме того, вулканический пепел не имеет широкого распространения, его залежи сконцентрированы в тех регионах, где развита современная вулканическая деятельность.
Свойства асфальтовых вяжущих в зависимости от вида применяемых минеральных порошков
Основное назначение минерального порошка в асфальтобетоне - переводить битум из объемного состояния в пленочное (структурированное) [9, 14]. При этом на зернах наполнителя формируются тончайшие битумные слои, что приводит к высокой степени структурирования битума и к упрочнению контактов между зернами. Такое состояние системы «битум - минеральный порошок» будет формироваться при определенном соотношении компонентов, принятом за оптимальное, когда формируется остаточная пористость смеси при сближении зерен порошка до контакта через пленочный битум и при объеме свободного битума, недостаточном для заполнения межзернового пространства [69, 81]. Это заключение соответствует закону створа, согласно которому абсолютный максимум (или минимум) значений показателей структуры и свойств асфальтовяжущего оптимального строения находятся в одном вертикальном створе [238]. При меньшем содержании битума в асфальтовяжущем будет наблюдаться недостаток вяжущего в системе, и в структуре будут иметься частицы, не покрытые битумом. При содержании органического вяжущего сверх оптимального часть его останется в объемном состоянии, что приведет к низкой сопротивляемости образцов пластическим деформациям.
Для подбора оптимального состава в качестве выходящего параметра, в соответствие с ГОСТ Р 52129-2003 [34], было взято водонасыщение образцов асфальтовяжущего, которое должно находится в интервале 4-5 %. Формование и испытание образцов проводили по стандартной методике.
Наличие глинистой составляющей в наполнителях из алюмосиликатного сырья оказывает значительное влияние на структуру образцов асфальтовя-жущего. В образцах на основе минеральных порошков преимущественно глинистого состава без термической обработки требуемое значение водона-сыщения обеспечивается при меньшей пористости образцов, а, следовательно, и большем расходе битума, по сравнению с другими неглинистыми минеральными порошками. Причем расход битума зависит как от дисперсности, так и содержания глинистой составляющей в наполнителе. Так при удельной поверхности 570 м /кг для пробы № 4 содержание битума составляет 48 % (рис. 4.1), при меньшей дисперсности проб № 6 и 7 (Sya=430 м /кг и 8уд=350 м /кг соответственно) расход вяжущего значительно ниже - 23,5 и 18 % (рис. 4.2, 4.3). Полученные данные коррелируют с результатами определения показателя битумоемкости: Для минеральных порошков преимущественно глинистого состава (отношение AbCVSiC O, 14-0,34) между этими характеристиками существует прямая зависимость (рис. 3.13). Стоит отметить, что при нормативном водонасыщении происходит некоторое увеличение образцов асфальтовяжущего в объеме при испытаниях, что связано с поглощением глинистыми пакетами воды и их набуханием. Это также приводит к значительному снижению прочности при насыщении водой на 39-55 % (табл. 4.1, 4.2). Такое расхождение в прочностях объясняется, по всей видимости, различным содержанием глинистых минералов, а также непостоянным количеством адсорбированной воды в минеральных порошках из исходного алюмосиликатного сырья, которая препятствует взаимодействию битума с минеральной подложкой. Наличие гидрофильной глинистой составляющей также объясняет высокие значения набухания образцов (от 9,3 до 19,4%).
При изменении состава сырья, а именно присутствия примесей углистого вещества и опала, меняются как особенности структуры асфальтовяжу-щих, так и их свойства. Ввиду уменьшения содержания глинистой составляющей за счет примесей значительно повышаются показатели набухания (до 1,69-11,2 %) и водостойкости (до 0,79-0,90).
Наличие углистого вещества способствует также снижению дисперсно-сти и, как следствие, показателя битумоемкости (67-74 г/100 см ) и оптимального содержания битума (до 19-25,5 %) (рис. 4.4-4.6). Такое расхождение в составах объясняется различной удельной поверхностью наполнителей (от 350 до 450 м2/кг) и снижением удельного веса частиц порошка, что ведет к увеличению его объемной доли в смеси. Стоит отметить, что примеси угля препятствуют проявлению пластических свойств, присущих глинам. Это можно объяснить блокированием гидрофильных поверхностей слоистых алюмосиликатов органическими комплексами. Обращает на себя внимание прямая зависимость между коэффициентом водостойкости и содержанием углистого вещества в исходном сырье как следствие изложенного (рис. 3.14). Однако набухание образцов также растет от содержания органических примесей в исходном материале. По всей видимости, при температурах испытания (60 С) в органической массе угля происходит изменение внутренней структуры, сопровождающееся увеличением ее в объеме [221].
Значительное содержание другой примеси - опала - ведет к высокой дисперсности (Syfl=870 м /кг), битумоемкости (126 г/100 см ) и большому расходу битума (36 %) (рис. 4.7). Однако незначительное содержание глины положительным образом сказывается на физико-механических свойствах асфальтовяжущего. Удовлетворительная водостойкость (0,83) и несколько высокое набухание (5,86 %) все же говорят о негативном влиянии глинистой составляющей.
Таким образом, установлены численные значения физико-механических характеристик асфальтовяжущего на минеральных порошках из исходного алюмосиликатного сырья осадочного толщи, которое, как известно, оказывает негативное влияние на свойства. При уменьшении содержания слоистых алюмосиликатов за счет присутствия в материалах примесей в виде углистого вещества и органогенных остатков древних водорослей несколько повышают показатели основных свойств, однако особенности состава таких наполнителей оказывают свое воздействие. Поэтому влияние термической модификации изучали на всех пробах алюмосиликатного сырья.
Согласно полученным данным по изменению фазового состава алюмосиликатного сырья в процессе термической обработки в сырьевых материалах происходит трансформация кристаллической структуры слоистых алюмосиликатов глинистых минералов в каркасные структуры минералов группы цеолитов. За счет этого происходят положительные изменения в показателях физико-механических свойств асфальтовяжущих. Максимальный эффект от обработки наблюдается на показателях водостойкости и набухания образцов асфальтовяжущего (табл. 4.1, 4.2, рис. 4.8, г, 4.9, б, в, 4.10, 4.11). При этом наиболее значительный рост коэффициента водостойкости имеет место на образцах глинистых материалов - в 1,5-2 раза (пробы №4, 6, 7, средняя часть поверхности, отношение АЬОз/8іО2=0,14-0,34). Это становится возможным за счет, во-первых, трансформации глинистых минералов, во-вторых, более высокого сцепления битума с минеральной подложкой, достигаемого благодаря наличию на поверхности модифицированных наполнителей активных центров Льюиса. Стоит отметить, что прочность в водона-сыщенном состоянии повышается уже при 400 С обработки (на 33-69 %) (табл. 4.2, рис. 4.8, г, 4.9, б, в), что связано, по всей видимости, с полным удалением с поверхности глинистых минералов адсорбированной воды и активностью освободившихся периферийных и внутренних частей алюмосили-катных пакетов, обеспечивающих большое количество точек контактов с битумным вяжущим. Повышение водостойкости в этом случае может являться доказательством хорошей адгезии битума к глинистым пакетам алюмосили-катного сырья. Однако значения набухания при этом снижаются, но незначительно - на 15-43 %. Это можно объяснить попаданием воды в поры образов в процессе водонасыщения. В дальнейшем при повышении температуры она увеличивается в объеме, что приводит к росту размеров пор и большей пористости образцов. За счет того, что объем твердой фазы не меняется, происходит увеличение объемов образцов. Другим объяснением высокого набухания сверх нормативного может служить предположение о том, что значительные объемы органического вяжущего в системе при нагревании до 60 С способствуют некоторому расширению образцов. Имеющиеся в основной матрице слоистые алюмосиликаты являются «подвижными» с точки зрения формирования структуры и изменяют свое положение относительно каркасных составляющих, что и ведет при охлаждении к увеличению объема.
После обработки при более высоких температурах (500-600 С) в системе формируются мелкодисперсные каркасные алюмосиликаты, которые являются активными по отношению к органическому вяжущему и могут выполнять функции жесткого скелета в формируемой матрице асфальтовяжущего. За счет этого изменение линейных размеров образцов минимально, и набухание уменьшается в 3,9-8,8 раз (табл. 4.1, рис. 4.11). Водостойкость и набухание образцов при этом удовлетворяют требованиям ГОСТа.
Технология производства модифицированных минеральных порошков из алюмосиликатного сырья
Комплект оборудования для производства минерального порошка из традиционного карбонатного сырья включает сушильный барабан для просушки материала, дробилку для предварительного дробления каменных материалов, мельницу для помола получаемого отсева и комплекс вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и хранения материалов: ленточные транспортеры, накопительные бункера, силосы и систему подачи сжатого воздуха [7, 18].
Для апробации предлагаемой в работе технологии модифицирования не требуется значительного переустройства технологической линии. Большая температура обработки сырьевых материалов (500-600 С) по сравнению с обычной сушкой обуславливает большие затраты топлива для достижения требуемых условий обработки при применении сушильных афегатов, или переоборудования производства с заменой барабанных сушилок газовыми барабанными печами (рис. 5.1). Выбор барабанного типа оборудования для термической обработки обусловлен непрерывным перемешиванием материала при вращении емкости, обеспечивающим равномерность реализации процесса по объему обрабатываемого материала, а также обеспечением его однородности. В этих сушильных агрегатах обработка происходит за счет конвективной передачи при непосредственном контакте горячего воздуха или дымовых газов и кондуктивной передачи от горячих стенок и лопастей [246]. Применение сушильных агентов с высокой температурой делает данный вид установок относительно экономичными аппаратами как по расходу электроэнергии, затрачиваемой на вращение барабана, так и по расходу тепла.
Наиболее целесообразно применять как можно более длинные барабаны, где обработка производится путем поточного нагрева [7, 18]. В данной работе для проведения термической обработки возможно использовать сушильный барабан СГМ-7, предназначенный для сушки и обжига материалов в диапазоне температур до 650 С (табл. 5.1).
Принимая во внимание размеры исходного кускового материала, существует необходимость первичного его измельчения. Для дробления щебня применяют различные виды дробилок. При этом наибольшее широкое применение находят щековые дробилки в связи с простотой конструкции, легкостью монтажа, а также возможностью дробления различных по прочности пород [18]. Дробление осуществляется за счет раздавливающего действия двух дробящих поверхностей - подвижной и неподвижной щек. Поступающий через загрузочное отверстие кусковой материал заклинивается между щеками и при движении подвижной щеки раздавливается. Образовавшиеся более мелкие куски ссыпаются в нижнюю часть и снова раздавливаются нажатием подвижной щеки. Так происходит до получения размеров материала меньше размера нижней разгрузочной щели дробилки. Первичное измельчение в данной работе возможно с помощью дробилки РЕ-250х750 (табл. 5.2).
Для производства минерального порошка необходимой тонкости помола применяют главным образом шаровые мельницы. Она представляет собой вращающийся горизонтальный барабан. Находящиеся внутри него мелющие тела при вращении мельницы поднимаются до определенной высоты и, падая, измельчают подаваемый в нее каменный материал [18].
При этом измельчение происходит за счет ударного и истирающего действия. Для получения минеральных порошков помол осуществляют по сухому способу в однокамерных и двухкамерных мельницах. Преимуществом использования двухкамерных емкостей является более тонкое измельчение. Барабан мельницы разделен внутренней перегородкой на две камеры: в первой происходит грубый, предварительный помол; во второй - окончательный помол до требуемой тонкости [7, 18]. В самой перегородке имеются отверстия, через которые материал, измельченный до определенной крупности, пересыпается во вторую камеру. В данной работе для помола сырьевых материалов была выбрана шаровая мельница d 1830x6400 (табл. 5.3).
Для равномерного снабжения материалом описанного выше оборудования завод дооборудуется ленточными транспортерами, которые просты в обслуживании и обеспечивают заданный объем материала (табл. 5.4).
Для удобства механизации процессов транспортировки и создания запасов минеральных материалов у соответствующих установок (мельницы, дробилки) завод по производству минерального порошка дооборудуется накопительными бункерами, представляющие собой емкости для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Объем накопительного бункера подбирается как правило исходя из свойств и периодичности выгрузки сыпучего материала. Для хранения готового минерального порошка применяют силосы. Длительное хранение тонкодисперсного материала возможно за счет защищённости от внешних воздействий. Благодаря своей конструкции силос позволяет оперативно производить как загрузку, так и выгрузку содержимого с помощью пневматических насосов путем перемещения наполнителя сжатым воздухом. Для этих целей был выбран пневмовинтовой насос ТФ-1 (табл. 5.5).
Для очистки дымовых газов сушильных барабанов, а также улавливания пыли на стадии измельчения материала применяют различные типы пылеулавливающих установок [246]. В состав систем пылеулавливания входят пылеуловители различных типов и конструкций с дымососами, пылеосадительные камеры для сбора пыли. В качестве первой ступени очистки применяют пылеосадительные камеры или циклоны для улавливания крупной пыли. Вторая ступень очистки - система мокрой очистки или тканевыми фильтрами.
Таким образом, для проведения термической модификации не требуется значительного переустройства технологической линии существующих заводов по производству минеральных порошков. Большая температура обработки сырьевых материалов (500-600 С) по сравнению с обычной сушкой обуславливает большие затраты топлива для достижения требуемых условий обработки при применении сушильных агрегатов, или небольшого переоборудования производства с заменой барабанных сушилок газовыми барабанными печами. Остальная технологическая линия не претерпевает изменений. Стоит отметить, что при применении некоторых видов алюмосиликатных пород возможно отказаться от использования измельчительного оборудования ввиду высокой дисперсности некоторых сырьевых материалов после термической обработки, а также небольшим размером частиц определенных исходных материалов.
