Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ МЕСТНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАТЕРИАЛОВ
ДОРОЖНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 17
1.1. Проблемы применения в строительстве некондиционных местных мате
риалов и отходов промышленности 17
1.2.Существующие способы модифицирования свойств
местного и техногенного сырья 21
Модификация материалов механической активацией 31
Анализ существующих способов активации материалов
измельчением 34
1.5.Выводы по главе. Цель и задачи решения проблемы 47
2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ 51
2.1.Теоретические предпосылки выбора способа модификации
материалов 51
2.2.Эффективная энергия механической активации при однократном воздей
ствии динамической нагрузки 58
Расчётная схема и основные допущения работы измельчительной установки ударного действия 58
Математическая модель эффективной энергии механической
активации материалов при однократном воздействии нагрузки 61
2.3. Математическая модель эффективной энергии механической активации
материалов при многократном воздействии нагрузки 67
2.3.1.Экспериментальные результаты эффективности многократного воздей
ствия на материал динамической нагрузки 67
2.3.2. Комплексная оценка достоверности графического и аналити
ческого представления результатов эксперимента 73
2.3.3. Эффективная энергия механической активации при многократном воз
действии нагрузки 76
2.4.Вывод обобщённого уравнения механической активации
материалов при измельчении в дезинтеграторе 80
2.4.1.Математическая модель активации с учётом возникающего в материале
напряжения 80
2.4.2. Эффективная энергия активации процесса измельчения с учётом долей
энергии, передаваемых билами дезинтегратора материалу 84
2.5.Выводы по главе '. 86
3. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. ХАРАКТЕРИСТИКА
ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 88
3.1 .Основная методология данных исследований 88
Общие методы исследований 91
Устройство и принцип работы лабораторного измельчителя -
активатора 91
3 АПеречень стандартных методов испытаний 93
3.4.1.Методы испытаний вяжущих веществ, минеральных порошков,
укреплённых грунтов и асфальтобетонов 93
3.5.Нестандартные методы исследований 94
З.б.Методика оценки структурных параметров исследуемых
материалов 100
3.7. Методика подтверждения адекватности математической модели
процесса механоактивации 102
3.8.Характеристика местных материалов и техногенного сырья... 104
3.9.Методика обработки результатов эксперимента 111
З.Ю.Методика получения резинового порошка и оценка качества
вяжущего 116
4.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДО
ВАНИЙ 118
4.1.Изучение кинетики измельчения материалов в дезинтеграторе
математическим моделированием 118
Обработка и анализ математической модели процесса механоактивации на примере золоцементных материалов 123
Подтверждение адекватности математической модели процесса
механоактивации на примере золоцементных материалов 130
4.4.Подтверждение адекватности математической модели процесса механо
активации на примере других материалов 134
4.5. Выводы по главе 139
5.МОДИФИКАЦИЯ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОГЕННЫХ
ПРОДУКТОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ 141
5.1 Получение золоцементных смесей механоактивационным
способом 141
Изменение дисперсности золы в процессе механической активации 141
Аутогезионные свойства механоактивированных зольных композиций 144
Оценка формы частицы и микроструктуры поверхности.. 155
Исследование адсорбционной способности механоактивированной
золы 156
5.1.5.Рецептурно-технологические факторы повышения активности
золоцементных композиций 161
5.1.6. Технические свойства золоцементной смеси дезинтеграторной техно
логии приготовления 169
5.1.7.Выводы по главе 172
5.2. Получение композиционных материалов на основе механоактивирован
ных белитовых шламов 175
Влияние режима измельчения и других факторов на активность шлама ПАЗ 175
Влияние добавок химических веществ на прочность композиций
из белитосодержащих шламов 178
5.2.3. Свойства композиций на основе бокситового и нефелинового шлама
оптимального состава 182
5.3.Получение композиционных материалов из модифицированных механи
ческой активацией грунтов 186
5.3.1.Влияние механической активации и рецептурно-технологических
факторов на механические свойства цементогрунта 186
5.3.2. Сводные результаты исследований 199
5.4..Получение механоактивационным способом минеральных порошков из
местного сырья и отходов промышленности 202
5.4.1.Методическая особенность выполнения экспериментов 202
5.4.2. Влияние крупности и прочности исходных каменных материалов на
дисперсность получаемых порошков 204
5.4.3.Влияние добавки битума на дисперсность получаемых порошков.. 206 5.4.4.Влияние механической активации исходных материалов на свойства
асфальтовяжущего 209
5.4.5.Влияние механически активированных порошков на интенсивность ста
рения битума 213
5.4.6.Получение в производственных условиях минеральных порошков из
местного и техногенного сырья 218
5.4.7.Выводы по главе 228
5.5.Разработка вяжущего на основе битумного сырья и механоакти-
вированной резиновой крошки 229
5.5.1. Влияние интенсивного измельчения на свойства
резиновой крошки 229
5.5.2.Влияние резино-гудронового вяжущего вещества на физико-
механические свойства укреплённых грунтов 240
5.6.Разработка способа сохранности материалами механоактива-
ционного эффекта 245
5.6.1.Сравнительные испытания материалов на сохранность механоакти-
вационного эффекта 245
5.6.2.Сохранность достигнутого механоактивационного эффекта гидро-
фобизацией свежеизмельчённого материала 246
5.7. Выводы по главе 248
6.ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬ
ТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 250
6.1.Методика выбора технологических параметров модифицирования мате
риалов механической активацией 250
6.2. Разработка конструкции дорожных одежд с использованием результатов,
полученных в ходе исследований 253
6.3. Влияние противопроскальзывающей прослойки на прочность оснований
из укрепленных грунтов 255
6.4.Производственная проверка конструктивно-технологического способа
возведения дорожных одежд из укреплённых грунтов 257
6.5. Обоснование технико-экономической эффективности использования ме-
ханоактивированных местных материалов взамен привозных 265
б.б.Рекомендации по применению механической активации для модифици
рования исходного сырья 268
6.7. Выводы по главе 269
7.0БЩИЕ ВЫВОДЫ 270
ЛИТЕРАТУРА 274
ПРИЛОЖЕНИЯ 302
Введение к работе
Актуальность работы. Любое строительство, а тем более дорожное, наиболее успешно может развиваться при условии повышения качества, расширения номенклатуры и снижения стоимости строительных материалов. Поскольку на большей части Сибирского региона отсутствуют месторождения скальных горных порода то наиболее перспективным направлением является производство дорожно-строительных материалов из другого сырья, и из отходов промышленности, что обеспечивает ресурсо- и энергосбережение, как в период строительства, так и в процессе эксплуатации построенных автомобильных дорог и сооружений на них. К наиболее распространённым осадочным горным породам на данной территории относятся лёссовые грунты, отличающиеся высокой пористостью, просадочностью и размокаемо-стью. Практика строительства автомобильных дорог с основаниями из таких грунтов, укреплённых цементом, показывает, что для получения прочных и долговечных оснований требуется повышенный расход цемента. Поэтому, как считают авторы [124], укрепление грунтов цементом на территории Сибири экономически нецелесообразно. В то же время интенсивно разрабатывались альтернативные цементу способы укрепления грунтов такими веществами, как отходы производства алюминия или активными золами-уноса ТЭС. Однако и эти разработки не получили надлежащего развития по причине больших транспортых издержек, связанных с необходимостью введения в укрепляемые лёссовые грунты до 30% подобных вяжущих веществ. Другой причиной сдержанного отношения производственников к подобным способам устройства конструктивных слоев дорожных одежд является слишком медленное (от 90 и более суток) формирование у таких материалах отпускной прочности, что влечёт за собой значительную во времени задержку ввода в эксплуатацию готовых участков автодорог.
С другой стороны, обязательное лицензирование строительной деятельности, а также необходимость подтверждения сертификата качества на получаемое изделие, укреплённый грунт стал терять свои былые позиции и ак-
8 тивно вытесняться повсеместным применением в основаниях дорожных одежд скальных пород, как материалами с более стабильными физико-механическими свойствами и менее технологически трудоёмкими.
Поэтому, сложившиеся в 90-х годах экономические условия не позволили на значительной части Сибирского региона развиваться транспортному строительству теми же темпами, что и до перестройки.
Однако развитие активационной механики строительных материалов, как у нас в стране, так и за рубежом, позволило несколько по-другому подойти к сложившейся ситуации. Разработка и внедрение в дорожном строительстве композиционных материалов на основе местных грунтов и зол-уноса ТЭЦ выполнены с использованием сырьевой базы Омской области, не имеющей на своей территории природных запасов щебня или гравия, но зато имеющую теплоэнергетическую отрасль промышленности, создавшую колоссальные запасы техногенного сырья (ТС), в виде ультракислых зол-уноса местных ТЭЦ. Предложено также использовать многотоннажные отходы производства алюминия — белитовые (нефелиновые, бокситовые) шламы, ближайшими поставщиками которых являются Павлодарский алюминиевый завод или Ачинский глинозёмный комбинат. Расчеты показывают, что имеющиеся в отвалах запасы ТС могут служить надежной сырьевой базой строительства в регионе в течение длительного периода. Кроме того, годовой объем производимых отходов многократно превышает годовую потребность строительного комплекса в минеральном сырье.
Дорожно-строительная отрасль является также крупнейшим потребителем органического сырья. При этом его качество - определяющий фактор долговечности дорожных композиционных материалов.
Повышения качества дорожных битумов, в части улучшения адгезии и реологических свойств, добиваются путём введения в их состав различных добавок - синтетических каучуков, резины, серы, поверхностно-активных веществ (ПАВ) [61]. В то же время высокая стоимость модификаторов является сдерживающим фактором широкого применения улучшенных
9 битумов, а для дорожно-строительных организаций выбор модификатора довольно актуален [62].
Сложившееся положение с модификаторами вызвано тем, что атактиче-ский полипропилен (АПП) Томского НХЗ, являющийся оптимальным модификатором наряду с дивинилстирольным термоэластопластом (ДСТ), который рекомендован для применения в России, не соответствует требованиям для данных целей, в связи с переходом производителя на новую технологию получения полипропилена. ДСТ выпускается только Воронежским заводом СК и требуются большие расходы на его транспортировку.
Наиболее приемлемым вариантом можно считать применение в качестве модификатора резиновую крошку - отход утилизации отработанных шин большегрузных автомобилей, а в качестве углеводородного сырья — нефтяной гудрон [62] . При этом могут быть получены вяжущие вещества высокого качества. В то же время основной трудностью подобной технологии является создание условий для эффективной девулканизации изношенной резины и последующего образования каучукового вещества, которое, в конечном итоге, и структурирует нефтяной гудрон. Известные технологии довольно трудоёмки и, к сожалению, не всегда эффективны.
Однако, исследования и практический опыт по использованию отходов региона носят разрозненный характер, техногенная сырьевая база изучена недостаточно и используется лишь частично, без должного обогащения отходов и, преимущественно, путем приспособления их к существующим технологиям. Они, в свою очередь, рассчитаны на переработку стандартного природного сырья и не соответствуют условиям переработки некондиционного техногенного сырья, например "зол-уноса". Это ведет к перерасходу вяжущих и не позволяет получать материалы, соответствующие потребностям строительства, как по качеству, так и по набору видов материалов и изделий.
В этих условиях необходим способ, обладающий универсальной возможностью модифицирования материалов различной природы и химического строения.
Таким универсальным способом улучшения качества ДСМ может быть способ, сочетающий в себе элементы минимальных удельных энергозатрат и максимальных модифицирующих эффектов основных смесеобразующих компонентов того или иного композиционного материала. Данные технологические особенности присутствуют в механохимических способах получения веществ и материалов, например, с помощью измельчителей активаторов ударного действия (ИАУД).
Особую актуальность эта проблема приобретает при использовании в дорожном строительстве местных материалов и отходов промышленности, которые значительно отличаются от применяемого природного сырья своими физико-химическими свойствами, что требует применения новых способов их модифицирования.
Влияние местных материалов и техногенного сырья, активированных многократно повторяющимися ударными нагрузками, на эффективность получаемых дорожных композитов исследовано слабо.
В работе реализован методологический подход, заключающийся в учёте прочностных характеристик измельчаемого материала и условий измельчения, например, частоты и скоростей и многократности соударений на формирование композитов с привлечением современных представлений кинетической теории прочности твёрдых тел при воздействии повторных нагрузок и механохимии дисперсных систем.
Работа, положенная в основу диссертации, выполнялась: по координационному плану Росагропромдорстрой Министерства сельского хозяйства СССР в течение 1984-1999 гг., Межвузовской научно-технической программы «Архитектура и строительство», Проект # RUC1 - 5052 - ОМ - 05 Фонда Гражданских исследований и Развития США., Научно-технической программы РФ по номинации «Современные технологии получения строительных
материалов», Губернаторской Программы развития сети автомобильных дорог Омской области.
Цель работы. Повышение эффективности дорожно-строительных материалов механоактивационным модифицированием исходного сырья направленным воздействием системных комплексов измельчителей-активаторов интегрально-ударного действия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: — разработка методологических основ выбора модифицирующего комплекса технологических факторов, способствующих повышению эффективности производства дорожно-строительных материалов и расширению сырьевой базы стройиндустрии регионов;
разработка математической модели преобразования и аккумуляции энергии в твёрдых телах при многократно повторяющихся ударных воздействиях, активно влияющих на структурные изменения в получаемых композитах;
разработка способов управления степенью механической активации в процессе измельчения и реакционной способностью полученных веществ и свойствами композитов на их основе;
— решение практических задач получения эффективных дорожно
строительных материалов и конструкционных элементов на основе механо-
активированного местного и техногенного сырья.
Научная новизна. Разработаны теоретически основы и математическая модель преобразования исходного сырья и аккумуляции высокопотенциальной энергии в дезинтегрируемых материалах путём направленного воздействий системных комплексов измельчителей-активаторов интегрально-ударного действия, заключающиеся в установлении соотношения внутренней и внешней энергии системы вращающихся рабочих элементов для получения эффективного активированного дисперсного сырья и усиления структурообразующих эффектов при синтезе дорожно-строительных и других композиционных материалов. Это раскрывает широкие возможности
12 модифицирующего воздействия на некондиционное исходное сырьё и тем самым позволяет расширить сырьевую базу стройиндустрии и повысить эффективность дорожно-строительных материалов.
Установлено, что процессы структурообразования в строительных композитах определяются количеством запасённой в процессе измельчения сырья энергии, которая проявляется в виде определённых фазовых и структурных изменений, зависит от характеристик исходного материала и условий измельчения в аппаратах ударно-скоростного принципа действия. Это позволяет прогнозировать физико-механические свойства и степень долговечности получаемых дорожно-строительных материалов и изделий.
Показано, что кинетическая концепция механической активации измельчаемого исходного сырья обусловлена, прежде всего, усталостными явлениями проявляющимися, вследствие, воздействия многократно повторяющихся ударных нагрузок и достигающая максимального значения при эффективных скоростях движения мелющих элементов роторов измельчителя, которая у первого ротора должно быть выше, по крайней мере, в два раза скорости второго ротора.
Установлено, что определяющее, в процессе измельчения сырья, влияние на степень активации оказывает количество и интенсивность повторных воздействий на материал ударной механической нагрузки, что позволило предложить критерий оценки активирующей способности применяемого измель-чительного устройства и обосновать режимные параметры получения активированных порошков для производства грунто- и асфальтобетона и тем самым расширить сырьевую базу за счёт использования местного природного и техногенного сырья.
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные зависимости влияния конструкционных и режимных параметров измельчителя-активатора ударного действия на состояние, структуру и свойства меха-ноактивированного природного и техногенного сырья, заключающиеся в на-
13 личие экстремума физико-механических и технологических свойств получаемых порошков и композиционных материалов на их основе.
Установлены основные зависимости, связывающие величину эффективной энергии активации материала (разность между исходной энергией активации разрушения, суммарным временем и величиной интенсивного ударного воздействия при измельчении), а также природу и физико-химические свойства исходного сырья с процессами синтеза и эксплуатационными характеристиками композиционных материалов, необходимые для разработки технологий и прогнозирования качества грунто- и асфальтобетонов. Получена чёткая корреляция между повторностью и интенсивностью механической обработки и активностью получаемого материала обеспечивающие соответствующие условия формирования физико-механических свойств композитов, что позволяет прогнозировать экстремальную прочность, несущую способность и долговечность конструкционных дорожных слоев.
Показано, что порошки из механоактивированных кремнезёмсодержащих пород замедляют интенсивность процессов старения битума за счёт ингиби-рования образовавшимся аморфным кремнеземом окислительно-полймеризационных реакций, что позволило обосновать рациональные энергетические затраты на получение минеральных порошков механоактиваци-онным способом.
Практическое значение. Предложенный критерий эффективной энергии активации, приобретённой материалами, позволил разработать методику выбора рациональных параметров механической обработки и тем самым обеспечить более широкое использование местного природного и техногенного сырья в дорожно-строительном материаловедении.
Разработана технология получения минеральных порошков из кремнезёмсодержащих материалов непосредственно в технологическом цикле любого асфальтобетонного смесителя.
Разработаны составы укреплённых механически активированными порошкообразными смесями грунтов, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Разработана технология производства органического вяжущего на основе нефтяного гудрона и резиновых порошков, полученных измельчением в измельчителе-активаторе ударного действия, что позволило разработать составы грунтов бетонов. Обработка резиногудроновым вяжущим (РГВ) материалов при измельчении их в измельчителе-активаторе ударного действия, увеличила в 2 — 5 раз период сохранности достигнутого активационного эффекта, что было реализовано при разработке технологий эффективных дорожных композиционных материалов.
Предложен конструкционно-технологический способ устройства дорожных одежд автомобильных дорог из модифицированных механической активацией местного природного и техногенного сырья, обеспечивающий высокое сцепление между собой слоев дорожных одежд.
Разработаны основы новых способов укрепления грунтов в процессе строительства автодорог с применением местного природного и техногенного материала, модифицированного механоактивационной технологией; определены рациональные технологические приёмы и параметры механической обработки вяжущих компонентов, обеспечивающих требуемое качество оснований из укреплённых материалов. Предложены технологические и технические решения по созданию новых строительных машин и механизмов для активации сырья и получения эффективных дорожно-строительных материалов.
Внедрение результатов исследования. Разработан пакет нормативных документов - Рекомендации, Технические условия и Технологические регламенты, послужившие основанием для широкомасштабного использования некондиционного сырья в производстве активированных порошков и смесей.
Разработана технология получения механоактивированных тонкодисперсных резиновых порошков, позволившая получать отвечающее требованиям укрепления грунтов органическое вяжущее из нефтяного гудрона, что способствует их широкомасштабному использованию в материалоёмком дорожном строительстве и широкой утилизации отработанных автомобильных шин.
Устройства и оборудование по улучшению качества минерального порошка из кремнезёмсодержащего сырья внедрены при проектировании и строительстве асфальтобетонных заводов в многочисленных региональных дорожно-строительных подразделениях, на которых получено около 30 тыс. т минерального порошка.
Технология производства плотного асфальтобетона марок II и III типа «Б», «В» и «Г» на основе механоактивированного минерального порошка внедрена в 30 ДСУ и ДРСУ 15-ти регионов Российской Федерации. При этом выпущено около 250 тыс. т асфальтобетона, что позволило построить и отремонтировать порядка 2,5 тыс. км. автомобильных дорог II и III технических категорий.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на симпозиумах, совещаниях и научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня в городах Москве (2002 г.), Люберек (Чехословакия, 1991 г.), Кошицы (Словакия, 1993 г.), Киев (1991 г.), г.ч С-Петербург(1994 г.), Владимир (1987, 1992, 1993,1995, 1996 г.), Архангельск (1992, 2001 г.), Томск (2001, 2002 г.), Барнаул (2000, 2001, 2003, 2004 г.), Белгород (сен.2003, дек.2003г., 2004г., 2005г.), Новосибирск (1989, 2004), Самара (2004), Омск (1987-2004г.г.)
Под руководством автора защищены три диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 128 работах, в том числе в 1-й монографии, 4-х учебных пособиях и 15-ти патен-
*
тах и авторских свидетельствах на изобретения, в том числе 15 работ в изданиях по списку ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 342 странице машинописного текста, включающих 89 рисунков, 87 таблиц, списка литературы из 360 наименований и 22 приложений.
На защиту выносятся. Методологические основы выбора модифицирующего технического и технологического комплекса факторов, способствующих повышению эффективности производства дорожно-строительных материалов с использованием местного и техногенного сырья, модифицированного механической активацией, образованием и аккумуляцией энергии в твёрдых телах при многократно повторяющихся ударных воздействиях. Теоретические положения способа модифицирования механической активацией исходного сырья.
Принципы получения композиционных материалов с малым содержанием клинкерной или битумной вяжущей составляющей, а также тонкодисперсных резиновых и минеральных порошков из кремнезёмсодержащих пород для асфальтобетонов и битумоминеральных смесей.
Технологические условия получения высококачественных материалов из грунтов, укрепленных полученными вяжущими смесями.
Эксплуатационные свойства дорожных одежд, возведённых из модифицированных механической активацией исходного сырья.
