Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды рассматриваются в большинстве стран мира как одни из приоритетных факторов стабильного экономического развития. В то же время проблеме утилизации промышленных отходов не всегда уделяется достаточного внимания. Это объясняется многокомпонентностью и непостоянством химического состава отходов, сложностью физико-химических процессов, протекающих при их переработке, а также привлечением дополнительных материальных ресурсов и финансовых инвестиций при реализации технологий их переработки или утилизации.
Производство строительных материалов и изделий является одной из перспективных материалоемких отраслей переработки и утилизации отходов промышленности. Вовлечение в производство в указанной отрасли многотоннажных отходов горнодобывающей, сталелитейной и химической промышленности актуально как с точки зрения защиты окружающей среды, так и с точки зрения расширения сырьевой базы. Одним из таких распространенных многотоннажных отходов химической индустрии является фосфогипс.
Вопрос использования фосфогипса в строительстве обсуждается и широко рассматривается со второй половины прошлого века. Отечественными и зарубежными учеными проведены достаточно обширные теоретические и экспериментальные исследования по применению фосфогипса в качестве:
вяжущего для укрепления грунтов и каменных материалов;
вяжущего для устройства оснований дорожных одежд и ремонта дорожных цементобетонных покрытий;
- наполнителя технологических смесей для устройства дорожных
одежд.
В настоящее время проблеме использования и утилизации фосфогипса уделяется также повышенное внимание - предлагаются различные технологии переработки фосфогипса для производства строительных материалов и изделий. Тем не менее, запасы данного отхода производства фосфоросодержащих удобрений на многих химических комбинатах России остаются достаточно большими, продолжают накапливаться и используются, согласно статистическим данным, только на 0,2 %.
Одним из необходимых и перспективных направлений утилизации фосфогипса, по нашему мнению, является возможность применение его в составах органо-минеральных композиций, например, в качестве наполнителя (минерального порошка).
Целью диссертационной работы является экспериментальное обоснование, разработка составов и технологии производства эффективных и качественных битумоминеральных композиций с оптимальными структу-
рой и свойствами на основе минеральных порошков, модифицированных фосфогипсом.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
на основании критического анализа отечественной и зарубежной патентной, научной и технической литературы обосновать целесообразность использования фосфогипса в составах битумоминеральных композиций;
выявить механизм взаимодействия битумного вяжущего и фосфо-гипсосодержащего наполнителя;
выявить особенности процессов структурообразования битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;
установить зависимости влияния содержания фосфогипса в наполнителе на физико-механические и эксплуатационные показатели битумоминеральных композиций различного зернового состава;
разработать оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;
разработать промышленную технологию производства качественных и эффективных битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом;
провести опытное внедрение результатов исследования и определить технико-экономическую эффективность применения разработанных битумоминеральных композиций.
Научная новизна:
- установлены на микроуровне высокая адсорбционная активность и
механизм взаимодействия фосфогипса с битумным вяжущим, и доказана
возможность применения фосфогипса в качестве минерального наполни
теля для битумоминеральных композиций;
- выявлены закономерности структурообразования битумомине
ральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;
установлено оптимальное содержание фосфогипса в наполнителе битумоминеральных композиций, обеспечивающее получение качественных материалов для дорожных покрытий;
установлена оптимальная температура объединения битумного вяжущего и минеральной части битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, что позволяет получать материалы требуемого качества;
разработана технология приготовления горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением стандартных и нестандартных методов исследований, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающей доверительную вероятность 0,95, экспериментальной и опытно-промышленной проверкой результатов исследований, а также согласованием основных положений работы с результатами исследований других авторов.
Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и основной гипотезы, самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении результатов и производственном внедрении разработанных составов.
Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные составы горячих битумоминеральных композиций на плотном заполнителе и минеральном порошке, модифицированном фосфогипсом, по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам.
На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» (г. Михайловск, Ставропольский край) 20 июля 2009 года была выпущена опытно-промышленная партия дорожной горячей битумо-минеральной смеси с наполнителем модифицированным фосфогипсом. Партия смеси была уложена МУП ДРСУ г. Михайловска на автомобильной дороге в г. Михайловске Ставропольского края.
Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости укладки 100 м покрытия из битумо-минеральной смеси с наполнителем, модифицированным фосфогипсом в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями на плотном заполнителе в ценах 2009 года составил 167,00 руб.; ожидаемый годовой экономический эффект от изменения се-бестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 63,0 тыс. м ) составил 105,21 тыс. руб.
Расчетный ожидаемый экономический эффект величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель при утилизации фосфогипса на 1 га составил 1 334 397 руб.
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО СКФУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий» для специальностей 270102.65, 270105.65, 270115.65.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXVIII и XL научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 и 2011 гг. (Ставрополь, 2009, 2011); на XI, XII и XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007, 2008, 2009); первом всероссийском дорожном конгрессе МАДИ (ГТУ) в 2009 г.» (Москва, 2009); 1-й международной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010); международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011); II между-
народной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2011); всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь, 2012); всероссийской научно-технической конференции «Качество строительных материалов, изделий и конструкций» (Махачкала, 2012); I Международной итоговой научно-практической конференции «По страницам диссертации 2012 года (ДИ-1)» (Новосибирск, 2012); International Scientific and Practical Conference (ISPC) London. 3rd International Scientific and Practical Conference «Science and Society» (London, 2013); Вестник Северо-Кавказского федерального университета - 2013 №2 (35) (Ставрополь, 2013).
На защиту выносятся:
экспериментальное обоснование возможности получения высококачественных горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированных фосфогипсом, обеспечивающим за счет управления процессами структурообразования связующих повышение сдвиго-устойчивости и износостойкости;
механизм и особенности физико-химических взаимодействий фосфогипса с битумным вяжущим;
оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем модифицированным фосфогипсом по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам;
результаты экспериментальных исследований влияния минерального наполнителя модифицированного фосфогипсом на морозостойкость, термостабильность, трещиностойкость, сдвигоустойчивость и износостойкость битумоминеральных композиций;
технология приготовления битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом.
Публикации. По материалам исследований опубликованы 24 научных работы. Имеется один патент на изобретение. Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 124 источника и 3-х приложений. Работа изложена на 140 страницах, содержит 102 страниц машинописного текста, 29 таблиц и 32 рисунка.
