Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о перспективах применения отходов промышленных предприятий в качестве дорожно – строительных материалов 13
1.1 Перспективы применения отходов промышленных предприятий в приготовлении твердеющих дорожностроительных смесей 13
1.2 Анализ применения промышленных отходов в качестве компонентов асфальтобетонных смесей 26
1.3 Классификация отходов глиноземного производства и теоретические предпосылки их использования в производстве дорожно - строительных материалов 32
1.4 Выводы по главе 1 38
2. Характеристика используемых материалов и методики исследований 40
2.1 Характеристика материалов, используемых для исследований... 40
2.1.1. Нефелиновый шлам глиноземного производства 41
2.1.2. Гипсосодержащие отходы 51
2.1.3. Пыль газоочистных сооружений технологических аппаратов глиноземного производства 55
2.1.4. Вскрышные известняковые породы 61
2.1.5. Отходы производства растительного масла и
синтетического каучука для активации минерального порошка 65
2.2 Методы и методики проведения физико – механических и физико – химических исследований 68
2.3 Выводы по главе 2 73
3. Дорожные твердеющие смеси с активными добавками из отходов глиноземного производства для основания дорожных одежд 74
3.1 Исследование физико–механических свойств дорожных твердеющих смесей с добавками нефелинового вяжущего и гипсосодержащих отходов 74
3.2 Исследование влияния добавок из пыли газоочистных сооружений глиноземного производства на свойства щебеночно – песчаной нефелиновой смеси 88
3.3 Исследование механизма структурообразования в твердеющих дорожных смесях, полученных с применением отходов глиноземного производства 102
3.4 Выводы по главе 3 113
4. Активированные минеральные порошки из отходов глиноземного производства для асфальтобетонных смесей 115
4.1 Методика определения гидрофобности и экспериментальные исследования флотируемости минеральных порошков 115
4.2 Исследование гидрофобности поверхности минерального порошка с применением активирующей смеси, приготовленной на основе промышленных отходов 120 4.3 Физико-механические свойства асфальтобетона с
активированным минеральным порошком из отходов глиноземного производства 125
4.4 Выводы по главе 4 134
5. Технология приготовления дорожных смесей на основе отходов глиноземного производства и технико – экономическая оценка их применения .. 136
5.1 Разработка и промышленные испытания технологии по приготовлению дорожных щебеночно-нефелиновых смесей с использованием отходов глиноземного производства 136
5.2 Промышленная апробация технологии приготовления асфальтобетонных смесей с активированным минеральным порошком из отходов промышленного производства 143
5.3 Оценка технико–экономической эффективности технологий с использованием дорожных смесей, приготовленных на основе отходов глин оземного производства 149
5.4 Выводы по главе 5 151
Общие выводы 153
Заключение 156
Список литературы
- Анализ применения промышленных отходов в качестве компонентов асфальтобетонных смесей
- Гипсосодержащие отходы
- Исследование влияния добавок из пыли газоочистных сооружений глиноземного производства на свойства щебеночно – песчаной нефелиновой смеси
- Промышленная апробация технологии приготовления асфальтобетонных смесей с активированным минеральным порошком из отходов промышленного производства
Введение к работе
Актуальность работы. В национальной программе модернизации и развития автомобильных дорог России до 2025 года большое внимание уделяется повышению качества и долговечности покрытий с максимальным использованием дорожно-строительных материалов из местных природных и техногенных сырьевых материалов. В качестве сырьевых материалов для дорожного строительства могут применяться отходы глиноземного производства. В Красноярском крае на предприятии АО «РУСАЛ Ачинск» в процессе получения глинозема и содопродуктов образуется более 6 млн. тонн/год отходов глиноземного производства, что приводит к загрязнению прилегающих территорий и необходимости отчуждения земель под новые шламохранилища. Разработка для устройства оснований дорог оптимальных составов твердеющих дорожно-строительных материалов на основе вяжущих из нефелинового шлама и активных дисперсных добавок, отходов глиноземного производства, а также гидрофобных активированных карбонатных порошков для асфальтобетонных покрытий может существенно повысить качество автомобильных дорог и уменьшить объемы традиционно используемого природного нерудного сырья (песка, щебня). В связи с этим установление закономерностей процессов структурообразования и технологических приемов приготовления твердеющих дорожностроительных материалов и асфальтобетонных смесей с повышенными прочностными, деформационными и эксплуатационными характеристиками с использованием отходов глиноземного производства является актуальным.
Диссертационная работа выполнялась при поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (соглашение № 68 от 04.07.2012 г., протокол № 22 от 26.06.2012 г.).
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями по управлению структурообразованием дорожно-строительных и строительных материалов с использованием отходов, в том числе и глиноземного производства, с целью повышения их качества, занимались российские и зарубежные ученые: П.И. Боженов, А.В. Беляуш, В.М. Бескровный, В.В. Ушаков, Ю.Г. Мещеряков, А.И. Кудяков, Д. Рой, С. Ли, А. Николсон, И.В. Недосеко, Л.В. Ильина, И.Л. Чулкова, Е.А. Вдовин, В.В. Ядыкина, В.Д. Галдина, Э.В. Котлярский, А.И. Траутваин.
Однако недостаточно изученными остаются вопросы по разработке научно - обоснованных составов и технологических приемов производства твердеющих дорожно-строительных смесей оснований и асфальтобетонных смесей покрытий автомобильных дорог с использованием отходов глиноземного производства, в частности, нефелинового вяжущего с гипсоангидритовыми добавками, дисперсных отходов газоочистных сооружений технологических аппаратов, а также гидрофобных карбонатных порошков.
Целью настоящей работы является разработка и научное обоснование составов и технологических приемов приготовления дорожностроительных материалов на основе отходов глиноземного производства для устройства основания и покрытия дорожных одежд с улучшенными эксплуатационными свойствами.
В соответствии с намеченной целью решаются следующие задачи:
классификация, исследование и обоснование возможности использования отходов глиноземного производства в технологиях получения дорожностроительных материалов для устройства автомобильных дорог;
определение оптимальных составов твердеющих дорожно-строительных смесей с нефелиновыми вяжущими, активированными гипсоангидритовыми отходами и отходами газоочистных сооружений глиноземного производства, установление закономерностей их структурообразования и достижения требуемых свойств;
разработка способа активации и оценка качества минеральных порошков из карбонатных отходов глиноземного производства, а также исследование свойств асфальтобетона, полученного с их использованием;
- разработка технологии приготовления твердеющих дорожно-строительных смесей и асфальтобетона с использованием отходов глиноземного производства, промышленная апробация и технико-экономическая оценка их применения при устройстве дорожных одежд.
Научная новизна. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены принципы управления технологическим процессом приготовления твердеющих дорожно-строительных материалов на основе нефелинового вяжущего с активными дисперсными добавками глиноземного производства и асфальтобетона с гидрофобным минеральным порошком. При этом:
-
Установлено, что при введении в нефелиновое вяжущее активирующих добавок в виде измельченных гипсоангидритовых отходов (5 %) и пыли газоочистных сооружений печей обжига известняка (1 %) приводит к образованию эттрингита и гидросиликатов кальция, что обеспечивает ускорение твердения смеси и повышение прочности на сжатие на 34 % и прочности на растяжение при изгибе на 29 %;
-
Установлено, что при введении в щебеночно-гипсо-нефелиновую смесь пыли электрофильтров печи спекания глиноземной шихты в количестве 2 % происходит кольматация и создание дополнительного объема условно-замкнутых пор в структуре твердеющих дорожных смесей, что повышает ее морозостойкость на 25,7 % и снижает величину водопоглощения смеси на 16%.
-
Установлено, что при обработке карбонатного минерального порошка, приготовленного из вскрышных пород Мазульского месторождения известняков, активирующей смесью соапстока и абсорбента А-2 в количестве
1 % обеспечивается повышение степени его гидрофобности на 25 %, что приводит к улучшению показателей по водостойкости и пределу прочности на растяжение асфальтобетона.
Теоретическая значимость работы:
получены дополнительные знания о механизме структурообразования в щебеночно-нефелиновой смеси с активирующими добавками, обеспечивающими повышение эксплуатационных свойств дорожных смесей;
разработана методика количественного определения гидрофобности активированных минеральных порошков и экспериментально доказано влияние расхода реагента-активатора (отходов производства рафинации растительного масла) на гидрофобность минеральной поверхности и выход пенного продукта при флотации;
Практическая значимость работы
разработаны технология приготовления дорожных смесей и технологический регламент на их применение при укладке основания дорожных одежд на основе нефелинового шлама, гипсоангидритовых отходов и местных инертных материалов, которые были опробованы в опытно-промышленном масштабе при реконструкции автодороги;
получена асфальтобетонная смесь с улучшенными физико-механическими показателями на основе применения минеральных порошков из отходов глиноземного производства, активированных отходами производства растительного масла;
представлены результаты технико-экономической эффективности разработанных составов дорожных смесей и показана целесообразность применения отходов глиноземного производства при строительстве основания и покрытия дорожных одежд;
новизна разработок, выполненных на основе диссертационных исследований, подтверждается полученными тремя патентами на изобретения.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили положения строительного материаловедения в области структурообразования дорожно-строительных материалов с учетом современных тенденций в части использования вторичного техногенного сырья и разработки новых методик исследования гидрофобных свойств минеральных продуктов, с применением современных методов исследования: рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального и дифференциально-термического анализа.
Достоверность полученных результатов, выводов и научных
положений обеспечена методически обоснованным комплексом
исследований с использованием стандартных методик, лабораторного
аттестованного оборудования и поверенных средств измерений,
современных физико–химических методов исследования, обработкой результатов экспериментов статистическими методами, достаточным количеством проведенных опытов и подтверждается сходимостью результатов лабораторных исследований и промышленных испытаний на опытных участках автодороги.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы были доложены на XXIII Международной научно – практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Таганрог, 2014 г.), Х Международной научно–практической конференции «Интеграционные процессы развития мировой научной мысли в ХХI веке» (Казань, 2014 г.), XIX и XXI Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург, 2014 г., 2016 г.), на VI и VII Международном Конгрессе «Цветные металлы и минералы (Красноярск, 2014 г., 2015 г.), VI Международной научно -практической конференции «Актуальные вопросы науки, технологии и производства» (Санкт-Петербург, 2015 г.), II Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве» (Томск, 2015 г.) Международной научно-практической конференции «Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы, как катализатор роста экономики государства» (Красноярск, 2016 г.).
Внедрение результатов исследований. На основе разработанных составов и технологического регламента, а также практических рекомендаций по получению новых дорожно-строительных материалов были выпущены опытные партии щебеночно - нефелиновых смесей с добавкой гипсоангидритовых отходов и асфальтобетонных смесей с активированным минеральным порошком, приготовленным на основе производственных отходов, которые были использованы на предприятии ООО «Дорожно-передвижная механизированная колонна «Ачинская» в технологии строительства и реконструкции автодороги Красноярск – Железногорск в Красноярском крае.
Публикации. По результатам диссертационных исследований были опубликованы 26 работ, 9 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК, получены 3 патента на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, заключения, списка литературы, включающего 189 источни ков, и 8 приложений. Работа содержит 209 страниц сквозной нумерации, содержит 65 рисунков, 34 таблицы.
Анализ применения промышленных отходов в качестве компонентов асфальтобетонных смесей
Известно, что минеральный порошок оказывает большое влияние на свойства асфальтобетона. Он является не только гранулометрической добавкой, но также структурирует битум и образует с ним асфальтовяжущее вещество, которое во многом обуславливает прочность асфальтобетона, его плотность, теплостойкость и долговечность [87]. Существенное усилие структурообразующей роли минерального порошка в асфальтобетоне, а следовательно, и улучшение структурно-механических свойств этого материала могут быть достигнуты в результате физико-химической активации порошка [88]. При этом наибольший эффект может быть получен путем совмещения физико-химической обработки с механическими воздействиями. Исследованиями Н.С. Ковалева [90], установлено, что применение активированных порошков позволяет в широких пределах регулировать важнейшие свойства асфальтобетона. Асфальтобетоны, содержащие активированный минеральный порошок, отличаются повышенной прочностью (особенно при высоких эксплуатационных температурах) плотностью, теплоустойчивостью, пониженной битумоемкостью и водопроницаемостью. На долговечность асфальтобетона в агрессивной среде большое влияние оказывает природа минерального материала, химическая стойкость битума, количество его в смеси, уплотняющая нагрузка и другие факторы [91]. В работе Э.В. Котлярского [92] освещены вопросы воздействия противогололедных материалов на изменение поверхностной прочности асфальтобетонов. Проанализированы причины возникновения трещин в дорожных покрытиях и критерии их трещиностойкости [93] и предложены методы предотвращения водного повреждения в асфальтобетонных смесях [94-95]. Для улучшения эксплуатационных свойств асфальтобетона предлагается добавлять в него различные органические добавки [96-97], в том числе из отходов каучука и эластомеров [98-99]. В работах А.С. Баранковского и А.М. Богуславского определен механизм взаимодействия агрессивных сред в составе противогололедных реагентов и их влияние на процессы разрушения асфальтобетонов [100-101]. В работах В.Д. Галдиной исследовано влияние полимерных добавок на свойства асфальтобетонных смесей [102]. Для повышения качества минерального порошка предлагается его активировать [103-107]. Так, при УФ – облучении кварцитопесчанника Лебединского ГОК Курской магнитной аномалии, отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и шлака Оскольского электрометаллургического комбината физико–механические характеристики и долговечность асфальтобетона, приготовленного на таком модифицированном минеральном порошке существенно повышаются [103]. Повышение физико–механических свойств асфальтобетона обеспечивается также за счет внедрения в технологию приготовления композита наномодифицированного агента пролонгированного действия, при этом в качестве минеральной подложки используется цеолитсодержащий туф и полимерный наномодифицированный компонент [104, 105]. Показана возможность модификации минерального наполнителя щебеночно– мастичного асфальтобетона высокодисперсными отсевами дробления керамзита [106] и добавками полимеров [102]. В ряде случаев для модификации щебеночно–мастичного асфальтобетона предлагается использовать производственные отходы [107, 108, 111]. Так, в работах В.В. Ядыкиной качества асфальтобетона повышается с применением наполнителей и заполнителей из техногенного сырья было [107-108]. А.П. Коротаевым показана возможность повышения качества асфальтобетона путем введения пористого техногенного минерального порошка из перлитовой пыли [109]. В работах А.И.Траутваин [110] показано Положительное влияние на на физико-механические характеристики асфальтобетона оказывает механоактивация дисперсного сырья. В работе М.С. Лебедева [112] предложена технология модифицирования некондиционных алюмосиликатных осадочных пород при получении минеральных порошков для асфальтобетона, заключающаяся в термической обработке материалов и их последующем диспергировании для получения тонкодисперсных наполнителей непосредственно перед использованием с целью сохранения их реакционной способности в асфальтовяжущем.
В настоящее время в практике дорожного строительства нашли применение различные естественные минеральные порошки и порошкообразные отходы промышлен ности (дол омитовая и колошниковая пыли, золы ТЭЦ, золы от сжигания различных материалов, самораспадающиеся шлаки, а также пыль уноса цементных заводов и камнедробильных установок, что позволило во многих случаях снизить стоимость асфальтобетона. Пыль уноса цементных заводов является дешевым минеральным порошком, получаемым практически в неограниченном количестве (свыше 7 млн. тонн в год). Однако недостаточная изученность свойств цементной пыли и противоречивые результаты ее применения в асфальтобетоне не позволяет широко использовать ее в производстве. В работе Г.С. Бахрах [113] предложен эффективный метод химической модификации пыли уноса в кипящем слое и установле ны оптимальные параметры процесса псевдоожижения для пыли уноса Алексеевского цементного завода. К.А.Хитровым [114] определен гранулометрический состав и физические свойства пыли уноса и было показано, что она не уступает по этим показателям минеральному порошку и соответствует требованиям национальных стандартов.
К.А.Босхоловым [115] определена возможност ь применения кислых кремнезёмсодержащих пород для производства минерального порошка и показано, что совместный помол кремнезёмсодержащего сырья (перлит, кварцит) с известью, в вибрационном измельчителе позволяет получать активированные минеральные порошки высокого качества, применение которых в составе асфальтобетона обеспечивает достаточно высокие показатели его физико – механических свойств. В качестве минерального порошка испытаны никелевые шлаки [117], пиритные огарки [111, 118], шламы доменного и конверторного производства [119]. Известно применение в производстве асфальтобетона фосфорных шлаков [120] и золошлаковых отходов ТЭЦ [121]. Но все эти технологии пока не нашли широкого применения на практике.
Поиски новых эффективных реагентов–гидрофобизаторов для активации минерального порошка ведутся достаточно активно в России и за рубежом. Так, в работе А.М. Сергута [122] разработана технология получения минерального порошка активированного лесохимическими реагентами, используемого для асфальтобетона при строительстве лесовозных автодорог. Данный метод физико–химической активации минеральных порошков древесной смолой хвойных пород и талловым маслом обеспечивает повышение качества и долговечность асфальтобетона.
С.В. [123] разработаны составы катионных эмульсий и эмульсионно– минеральных смесей на основе эмульгатора «ИК», полученного из отходов, содержащих жирные кислоты растительных масел или смоляных кислот. Установлено, что обработка водного раствора эмульгатора различными кислотами и последующее совмещение с битумом способствует получению дорожной катионной прямой битумной эмульсии.
А.В. Салтановым [124] предложены технологии утилизации техногенных органических отходов коксохимии и других производств (порошковых полимерных красок, алкидных лаков и грунтовок, фталонитрила, металлофталоцианинов) путем пиролиза в коксовых печах и модификацией ими минерального сырья.
Гипсосодержащие отходы
Повышение качества дорожно–строительных материалов, входящих в состав асфальтобетона, является важным условием повышения эффективности дорожного строительства. Одним из важных компонентом асфальтобетона является минеральный порошок, который в настоящее время получают преимущественно путем измельчения известняков или доломитов. Направленное изменение гидрофобности поверхности минеральных порошков возможно в результате их физико–химической активации поверхностно–активными веществами (ПАВ), способными взаимодействовать с минеральной частью материалов. В качестве реагентов – гидрофобизаторов минерального порошка исследовали различные отходы производства: отходы производства растительного масла – погоны дезодорации (ЖК-1); пенообразователь для пожаротушения (ПО-1); отход от жирового производства компании ООО «Янта–Красноярск» (фосфатид); отход рафинации растительного масла (соапсток); кубовый остаток перегонки бутадиена – отход производства ОАО «Красноярский завод синтетического каучука». Эффективность вышеперечисленных реагентов оценивали в сравнении с известными реагентами–гидрофобизаторами – олеатом натрия и олеиновой кислотой.
В процессе производства масложировой продукции на различных стадиях образуются многочисленные жировые отходы и побочные продукты, которые практически не используются в промышленных масштабах (соапсток светлых масел, жирные отбельные глины, погоны дезодорации, фосфатиды, кальциевые соли жирных кислот). Одним из активирующих реагентов в лабораторных опытах по активации минерального порошка нами были использованы отходы производства растительного масла – погоны дезодорации или смесь жирных кислот растительного происхождения марки ЖК-1. Погоны дезодорации являются жидким отходом щелочной нейтрализации процесса дезодорации растительных масел. Данные отходы содержат в себе: жиры (сложные эфиры трёхатомного спирта - глицерина и высших карбоновых кислот) с массовой долей – до 15–25 %; жирные кислоты в виде солей натрия (мыл) – до 12,5 %, фосфолипиды, воду. По химическому составу основная масса смеси жирких кислот растительного происхождения представлена липидной фракцией. Массовая доля сырого жира составляет 83,1–98,4 %, влаги – 0,09–0,5 %, золы – 0,06–0,9 %.
Кроме погонов дезодорации в производстве масла образуются и другие отходы (соапсток, фосфатид), которые также были опробованы нами в качестве активирующих реагентов для повышения степени гидрофобности минерального порошка. В данных отходах массовая доля общего жира составляла до 20%; массовая доля жирны х кислот в виде солей натрия (мыл) – до 12,5%. При переработке подсолнечника на одну тонну переработанного сырья приходится до 0,408 м3 соапстока. Соапсток содержит глицериды, соли жирных кислот, фосфатиды и биологически активные вещества (холин, токоферолы, каротиноиды). Погоны дезодорации и соапсток были получены для исследований от маслоэкстракционного завода ООО «АгроСиб-Раздолье».
В качестве реагента–гидрофобизатора использовался также отход жировой промышленности – фосфатид. Данный реагент образуется в ООО «Янта–Красноярск» и является отходом производства Иркутского масложиркомбината, входящего в состав этой группы компаний. Фосфатиды (фосфолипиды) – сложные эфиры фосфорной кислоты и глицерина или сфингозина, которые связаны эфирной и амидной связью с остатками высших жирных кислот. В процессе гидратации перерабатываемого масла происходит удаление негидратируемых форм фосфатидов.
Другим активирующим реагентом – гидрофобизатором поверхности минерального порошка был исследован пенообразователь марки ПО-1, водный раствор углеводородных синтетических анионных поверхностно– активных веществ (солей сульфокислот) со стабилизирующими добавками. Данные отходы были получены от ОАО «Красноярский завод синтетического каучука»,. Эти синтетические биоразлагаемые пенообразователи, предназначенные для тушения пожаров классов А и В с использованием пены, в настоящее время не применяются. Объем их накопления составил более 300 тонн. Состав пенообразователя ПО-1: керосиновая фракция с содержанием сульфокислот не менее 55 %, нейтрализованная едким натром технический – 89,5 %; клей костный – 4,5 %; спирт этиловый технический – 6 %.
В процессе исследований по активации минерального порошка для сравнения эффективности применяемых отходов производства растительного масла в качестве реагента – гидрофобизатора поверхности минерального порошка был применен олеат натрия C17H33COONa. Реагент относится к анионным (оксигидрильным) собирателям. Состав выражен смесью жирных кислот растительных масел и жиров: в основном олеиновой C17H33COO H, пальмитиновой C15H35COOH и стеариновой C17H35COOH кислот. Выпускается трех марок А, Б и В. Олеины марок А и Б содержат не менее 95 % и В – 92 % жирных кислот. Олеин марки А может содержать до 15% нафтеновых кислот. Содержание неомыленных и неомыляемых веществ составляет в зависимости от марки от 2,5 до 6,5 %, кислотное число и число омыления – 175–210, йодное число 80–105.
В последнее время в качестве активирующего реагента для повышения гидрофобности минерального порошка применяют олеиновую кислоту. Олеиновая кислота Б–115 выпускается по ТУ 9145–172–4731297–94, представляет собой смесь недистиллированных жирных кислот, получаемых из растительных масел, соапстоков растительных масел и других жировых отходов, подвергнутых облагораживанию, и имеет вязко текущее состояние от коричневого до темного коричневого цвета. Олеиновую кислоту марки Б-115 применили также в качестве сравнения реагентов–активаторов поверхности минерального порошка.
Исследование влияния добавок из пыли газоочистных сооружений глиноземного производства на свойства щебеночно – песчаной нефелиновой смеси
По данным РФА в образце щебеночно - нефелиновой смеси с добавкой гипсоангидритовых отходов после 7-суток твердения отмечено наличие в основном двукальциевого силиката {j3-Cci2Si04, i=2,78; 2,74; 2,19 , JCPDS, 29-371), эттрингита (ЗСаО А Оз 3CaS04 З2Н2О, d=5,59; 4,68; 3,87; 2,70; , JCPDS,41-1451), гипса (CaS042H20, d=7,59; 4,28; 3,79 А, JCPDS, 36-432) и кальцита (СаСОз, i=3,86; 3,03; 1,88 , JCPDS,19-629) (рисунок 3.29). 107 223 23 2heta - Scale Рисунок 3.29. Фрагмент рентгенограммы нефелиново-щебеночной смеси с добавками 5 % гипсоангидритовых отходов с указанием фазовой принадлежности основных пиков (в 7-суточном возрасте): X - эттрингит; О - гипс; - двухкальциевый силикат; Т - кальцит. Гидратация алюминатов кальция, содержащихся в нефелиновом шламе идет с образованием первичных гидроалюминатов: 2 (ЗСаО АЬОз) +21Н20= 2СаО АЬОз 13Н20+2СаО АЬОз 8Н20....(3.3) На гидратацию алюминатов кальция сильно влияют сульфаты кальция, содержащиеся в гипсоангидритовых отходах. Структурно-химические превращения действия гипсоангидритовых отходов в составе гипсо-нефелинового вяжущего на первой стадии можно представить взаимодействием сульфата кальция с содержащимися в шламе алюминатом и гидроалюминатом кальция: 3СаО Ab03+3(CaS04 2Н20)+26Н20 = ЗСаО АЬОз 3CaSC 4 32НгО (3.4) ЗСаО АЬОз 6НгО+3(Са804 2Н20)+19НгО = ЗСаО АЬОз 3CaS04 ЗІН2О .. (3.5)
Образующийся в результате реакции 3.5 эттрингит ускоряет процесс твердения дорожной смеси. Для подтверждения этого были проведены термографические исследования щебеночно - нефелиновой смеси с добавкой 5 % гипсоангидритовых отходов в 7 суточном возрасте (рисунок 3.30). На термограмме гидратированной композиции этой дорожной смеси отмечено присутствие эттрингита (3CaOXAl203x3CaS04x31H20). ДТГ/(%/мин) ТГ/% ДСК/(мкВ/мг) экзо 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура /С
В области температуры до 200С идет дегидратация эттрингита (ЗСаОАЬОз ЗСаБО ЗШгО), при этом на термограмме наблюдается двойной эндоэффект, который проходит с потерей массы образца до 18 %. В этом температурном интервале происходит также дегидратация гипса до полугидрата и затем его полное обезвоживание до ангидрита (CaSO r O CaSO4 0,5H2OCaSO4). В последующем, твердение нефелинового шлама в гипсо-нефелиново-известняковой смеси обеспечивается за счет гидратации двухкальциевого силиката, содержащего в шламе, с образованием гидросиликата кальция, присутствие которого подтверждает эндоэффект при 743С.
Таким образом, проведенные исследования подтверждают, что ускорение твердения щебеночно - нефелиновой смеси с добавкой гипсоангидритовых отходов наблюдается на первой стадии в основном за счет образования эттрингита, в последующей стадии 14-28 суточном возрасте образцов идет постепенная гидратация двухкальциевого силиката с образованием его гидратированных форм (Ca2Si04 Н20, Cai.5Si03.5 Н20, Ca2SiC 4 0.35Н2О).
Добавки в щебе ночно - нефелин овую смесь пыли электрофильтров печей обжига известняка приводят к аналогичным химическим превращениям с образованием эттрингита и двухкальциевого силиката в 7-суточном возрасте. С помощью электронно-микроскопических исследований образцов нефелинового вяжущего с добавкой 5 % гипсоангидритовых отходов и 1% пыли электрофильтров печей обжига известняка было отмечено, что в структуре затвердевших образцов в первые сутки образуются отдельные центры кристаллизации гидратирующихся частиц нефелинового шлама, с агрегированными в них частицами ангидрита, гипса, эттрингита и кальцита (рисунок 3.31а). Затем, в последующие 7 суток, наблюдалось структурирование компонентов нефелинового вяжущего с образованием эттрингита (рисунок 3.31б). Наличие в пыли электрофильтров печей обжига известняка в больших количествах кальцита (CaCO3) и оксида кальция (CaO), а также ангидрита (CaSO4) и его гидратов – бассанита (CaSO40,5H2O) и гипса (CaSO42H2O) приводит к образованию новых соединений, обеспечивающих ускорение твердения образцов.
При добавках в щебеночно-гипсо-нефелиновую смесь 1,5 % пыли газоочистной установки барабанных сушилок соды наряду с образованием эттрингита и гидратированного двухкальциевого силиката установлено новое соединение – канкринит Na6Ca2Al6Si6O24(CO3)22H2O, который образуется по реакции: 110 3 NaiO АІ2О3+8 (2СаО SiCh) + 2 СаСОз +І8Н2О = =КабСа2А1б8іб024(СОз)2 2НгО + 14 СаО(ОН)2 + 2 СаО 2Si02 Н2О (3.6)
Это подтверждают микрофотографии (рисунок 3.32) и дифрактограммы (рисунок 3.33) щебеночно-нефелиновой смеси с добавками гипсоангидритовых отходов (5% масс.) и пыли газоочистных сооружений барабанных сушилок соды (1,5% масс), на которых после 14-суток отмечено присутствие эттрингита (ЗСаО AI2O3 3CaS04 З2Н2О), канкринита (Na6Ca2Al6Si6024(C03)2x2H20 и гидратированного силиката кальция — гиллебрандита (Ca2Si04H20). ТМ3000 8822 2014-10-30 14:01 AL D6.7 х2.0к 30 urn 2014-10-30 13:58 AL D6.8 х500 200 urn ТМ3000 8824
На термограмме щебеночно - нефелиновой смеси с добавками 5 % гипсоангидритовых отходов и 1,5 % пыли газоочистной установки барабанных сушилок соды (через 28 суток) кроме эттрингита и канкринита идентифицируется гидратированный двухкальциевый силикат (739,5оС).
Добавки в щебеночно-нефелиново смесь кальцит-содержащих соединений, находящихся в пыли газоочистных сооружений барабанных сушилок соды, частично замещают сульфат-ион на карбонат-ион, что активирует процесс твердения смеси и ведет к образованию новых вяжущих соединений.
Промышленная апробация технологии приготовления асфальтобетонных смесей с активированным минеральным порошком из отходов промышленного производства
В сентябре – октябре 2013 г. были проведены опытно–промышленные испытания по применению асфальтобетонного покрытия, приготовленного с использованием активированного минерального порошка, полученного из вскрышных пород Мазульского известнякового рудника и обработанного 0,5-1,0 % отходами производства растительного масла - погонами дезодорации марки ЖК-1. Для испытаний был выбран опытный участок длиной по 4000 м и шириной – 8 м, расположенны й в районе п. Рыбное Уярского района Красноярского края на автомобильной дороге М–53 «Байкал» от Челябинска через Курган, Омск, Новосибирск, Кемерово, Красноярск, Иркутск, Улан–Удэ до Читы км 955+000 – км 967+000. На опытном участке проводилось строительство дорожного покрытия из щебеночно–мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА–20 по технологии, применяемой ООО «ДПМК Ачинская», с использованием для приготовления щебеночно–мастичной асфальтобетонной смеси активированного минерального порошка, приготовленного с добавками погонов дезодорации, основу которых составляли модифицированные жирные кислоты марки ЖК–1. Опытно–промышленные испытания на опытном участке автодороги проводили в соответствии с разработанным технологическим регламентом и согласованной технологией строительства дорожного полотна в период с 15 сентября по 15 октября 2013 г. Для устройства верхнего слоя покрытия применяли щебеночно– мастичную асфальтобетонную смесь ЩМА–20, выпускаемую по ГОСТ 9128–2009. Приготовление асфальтобетонных смесей производили на асфальтобетонном заводе ООО «ДПМК Ачинская», оснащенном комплексом автоматизированного технологического оборудования. Технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей включал следующие операции для их получения. Полученную асфальтобетонную смесь транспортировали на опытный участок и производили ее укладку Завершение работ по укладке щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси на опытном участке с применением активированного минерального порошка асфальтоукладчиком ROADТEC RP–230 (рисунок 5.4).
В результате проведенных исследований для опытно–промышленной апробации был выбран ПАВ – отходы процесса рафинации растительного масла - погоны дезодорации, представляющую собой смесь жирных кислот марки ЖК–1, поставляемый НИО ООО «ЭКО–Инжиниринг». Оптимальная дозировка погонов дезодорации марки ЖК–1 в минеральный порошок находилась на уровне 0,6–0,7% масс. Технология физико–химической активации минеральных порошков включала модификацию их поверхности, осуществляемую поверхностно–активными веществами в процессе помола известняка. После поставки партии поверхностно–активных веществ марки ЖК–1 на промплощадку кирпичного завода ООО «ДПМК Ачинская» была изготовлена промышленная партия минерального порошка в количестве 450 тонн (Приложение 5). С использованием этой партии активированного минерального порошка была проведена укладка асфальтобетонного покрытия на опытном участке автодороги. Акт промышленных испытаний дорожного покрытия с использованием активированного минерального порошка приведен в Приложении 6. Физико–механические показатели активированного минерального порошка по данным строительной лаборатории ООО «ДПМК Ачинская» приведены в таблице 5.2.
Согласно заключению строительной лаборатории ООО «ДПМК Ачинская» минеральный порошок, активированный с применением погонов дезодорации марки ЖК–1, по испытательным показателям соответствует требованиям ГОСТ 32761-2014, предъявляемым к минеральному порошку марки МП–1 и может применяться для приготовления щебеночно–мастичной асфальтобетонной смеси.
Щебеночно–мастичную асфальтобетонную смесь готовили на асфальтовом заводе ООО «ДПМК Ачинская». Состав щебеночно–мастичной асфальтобетонной смеси приведен в таблице 5.3.
Результаты испытания образцов щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-20, взятых из асфальтобетонного покрытия, практически совпадают с результатами, полученными в лабораторных условиях, и удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2013.
Исследования физико–механических свойств асфальтовяжущего на минеральном порошке, активированном погонами дезодорации марки ЖК–1, показали изменение в структурообразовании асфальтовяжущего, выразившиеся в более высокой в 1,5–2 раза водостойкости асфальтобетона на минеральном порошке, активированном погонами дезодорации марки ЖК–1, по сравнению с асфальтобетоном на неактивированном минеральном порошке. Отмечено, что активированный минеральный порошок существенно улучшает важнейшие физико–механические свойства асфальтобетона и повышает транспортно–эксплуатационные показатели