CC BY
18
Валеева Е.Ф.1, Алиулова В.А.1, Сергеева А.Д.1 ©
1Студент, кафедра Строительство уникальных зданий и сооружений (Базовая кафедра Дороги, мосты и транспортные тоннели), Инженерно-строительный институт, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ
ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Аннотация
В статье проанализированы физические свойства природного материала и свойства отходов железных руд, подходящих для применения в основании дорожной одежды.
Ключевые слова: шлаковый щебень, физические свойства, минимальная насыпная плотность, морозостойкость, щебень из отходов обогащения.
Keywords: slag rubble, physical properties, minimum bulk density, frost resistance, rubble of the processing waste.
Введение
Прогрессивной тенденцией в материалоёмких отраслях является превращение промышленных отходов в сырьё, пригодное для индустриального использования [1,2,3]. Например, по данным ряда исследований [4,5,6] применение подобных материалов возможно при реконструкции основания Санкт-Петербургской Кольцевой автомобильной дороги. Но без достаточного учета физических свойств продуктов отходов обогащения железных руд замена природного щебня и песка как альтернативное техническое решение может привести как к решению проблемы, так и к её усугублению в зависимости от свойств применяемого материала.
Основная часть
Анализ опирается на оценку материалов, применяемых в дорожном строительстве, теоретическую механику, технологические процессы в строительстве. Важно отметить, что части (слои) дорожной одежды непременно связаны друг с другом и износостойкость дороги зависит от совокупности всех слоёв, при этом повреждение основания, как неотъемлемой части дорожной одежды, является серьёзной проблемой на сегодняшний день [1,7].
Основание обеспечивает совместно с покрытием перераспределение напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя земляного полотна. Основание должно обеспечивать прочность дорожной одежды, быть морозоустойчивой, обеспечивать дренирование конструкции и создавать условия для снижения толщины вышележащих слоев из дорогостоящих материалов [3]. Оно может состоять из огромного количества разнообразных материалов в зависимости от внешних условий среды. Для проведения сравнения и оценки подходят два самых распространённых материала в дорожной отрасли -это песок и щебень.
При этом к числу важнейших проблем черной металлургии относятся накопление и использование техногенных отходов и вторичных ресурсов [5,6]. Значимая часть этих отходов может быть использована в дорожной отрасли, но лишь небольшая часть от общего количества используется для строительства и ремонта дорог. Щебень и песок из отходов обогащения обладают рядом свойств, сходных со свойствами природного сырья [6].
Использование щебня кубовидной формы даёт наиболее плотную утрамбовку. Наличие в щебне зёрен пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению межзерновой пустотности в смеси. Это приводит к увеличению расхода связующего компонента, что приводит к дополнительным материальным затратам. Кроме того,
© Валеева Е.Ф., Алиулова В.А., Сергеева А. Д., 2016 г.
кубовидные зёрна обладают большей прочностью, чем зёрна пластинчатой и игловатой форм. Шлаковый щебень по большей части относится ко II улучшенной группе щебня, варьируя содержание зерен пластичной и игловатой форм от 12,5% до 16,0%. Улучшенная группа щебня - группа, наиболее подходящая для использования в дорожном строительстве. Щебень из гранита и щебень из отходов обогащения имеют близкие физические свойства.
Результаты сравнения физических свойств щебня из естественного камня и щебня из отходов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование материалов 3 Плотность, кг/м Насыпная плотность щебня, кгм3 Пористость, % Пустотность, % Водопоглощение, % Содержание в щебне пласт. и иглов. зёрен, % Морозостойкость
Гранитный щебень 25002900 1410 3,1 43,0 0,3-0,5 24 100
Щебень из отходов 3150 1665 0,3 47 1,5 12,5 - 16,0 100 - 150
По форме зёрен щебень подразделяют на три группы, которые представлены в таблице 2:
Таблица 2
Группа Форма зерна Содержание зёрен пластичной и игловатой форм
I Кубовидная До 10 %
II Улучшенная 10 - 15 %
III Обычная 15 - 25 %
Этому причиной является среднее, то есть близкое к кубовидной группе содержание пластичных и игловатых зерен. Следовательно, использование шлакового щебня экономически целесообразнее ив то же время при строительстве автомобильных дорог обладает лучшими дренирующими свойствами.
Стоимость изделий из шлаков ниже, чем традиционных. Зерновой состав шлакового щебня, как и других видов заполнителя, подбирается для обеспечения минимальной пустотности. Минимальная насыпная плотность щебня каждой из фракций составляет 1000 кг/м3. Насыпная плотность шлакового щебня выше насыпной плотности традиционного щебня на 255 кг/м3 и в то же время превосходит минимальную в 1,6 раза.
Согласно различным данным [3,4], асфальтобетон на заполнителях из отходов обогащения имеет преимущества по ряду свойств по сравнению с асфальтобетоном на гранитном щебне. Эти преимущества проявляются в лучшей морозостойкости шлакового щебня, так как после 150 циклов замораживания и оттаивания асфальтобетон на заполнителях из отходов обогащения не будет деформирован, сохранит начальную массу и прочность. Плотность асфальтобетона на шлаковом щебне на 1,2 -2,5 % выше, чем плотность бетона на граните.
Гранулированные доменные отходы считаются гораздо лучшим наполнителем, чем гранитный щебень. Застывший шлаковый асфальтобетон имеет больший процент прочности, чем гранитный, в связи с большим сцеплением по отношению к вяжущему. В регионах, где сосредоточены предприятия металлургии, щебневые материалы из отходов обходятся значительно дешевле, чем остальные виды наполнителей. Шлаковый щебень подходит для износоустойчивого асфальтобетона и для применения в качестве недорогой подсыпки: не дробится при укладке и уплотнении, сохраняет ровность при повышенных нагрузках.
Физические свойства песков из отходов фракции плюс 0,14 мм в сравнении с природными песками представлены в таблице 3.
Таблица 3
Материалы Модуль крупнос ти Удельная поверхность, см2/г Насыпная плотность , кг/см3 Содержание пылевидных, илистых и глинистых частиц, % Пустот-ность, % Плотность, г/см3
Песок из отходов обогащения крупностью более 0,14 мм 1,7 - 3,5 100 - 450 1460 -1550 2,7 - 2,85 43 - 49 1,8 - 2,8
Природный песок 1,3 - 1,6 100 - 490 1350 -1400 2,7 - 2,8 43 - 48 1,5 - 5,0
Для достижения минимальной пустотности в асфальтобетонную смесь вводится оптимальное соотношение мелких, крупных и средних песков. Пустотность высококачественного песка не превышает 38%.
По данным приведенным в таблице 3, показатели пустотности песков обоих видов практически близки по своим значениям, но на 5 - 11 % превосходят оптимальное значение.
При этом многочисленные исследования показывают, что водопоглощение, плотность, пористость асфальтобетона на продуктах из отходов обогащения руд не отличаются от асфальтобетона на природном песке, а по морозостойкости и водонепроницаемости даже их превосходят. Асфальтобетон с минеральным порошком из отходов обогащения обладает рядом технологических и физико-механических свойств, обеспечивающих высокие качественные показатели. Он превосходит по основным свойствам известняковый порошок по плотности, набухаемости и битумоёмкости. Использование минерального порошка из отходов обогащения как мелкого заполнителя в асфальтобетоне повышает его плотность за счёт уменьшения пустотности. Кроме того, 1 м3 готового изделия из техногенных заполнителей на 20 % дешевле изделий на природном сырье, так как в этом случае исключаются расходы на добычу сырьевых материалов. Таким образом, можно совместить экономическую целесообразность введения отходов обогащения руд в производство строительных материалов с решением проблемы утилизации отходов горнообогатительных комбинатов.
Выводы:
Таким образом использование шлакового щебня экономически выгодно и в то же время при строительстве автомобильных дорог такой щебень обладает лучшими дренирующими свойствами. Шлаковый щебень превосходит щебень природного происхождения по показателям минимальной насыпной плотности, морозостойкости, имеет более высокую плотность и при строительстве и ремонте дорог более выгоден в экономическом плане и превосходит по физическим свойствам щебень из отходов обогащения.
Более высокий модуль крупности песка из отходов обогащения показывает меньшую пластичность, но большую прочность асфальтобетона.
Кроме того, использование текущих отходов поможет решить проблему утилизации техногенных минеральных отходов, что благотворно скажется на экологической обстановке.
Литература
1. Рахимова Г. М., Тажибаева Д. М., Икишева А. О./Журнал Фундаментальные исследования/ Выпуск № 10-11 / 2013/ Песок и щебень из отходов обогащения железной руды для мелкозернистого бетона.
2. Лазарев Ю.Г., Новик А.Н., и др., Изыскания и проектирование транспортных сооружений: Учебное пособие /Ю.Г. Лазарев, А.Н. Новик, А.А. Шибко, В.Г. Терентьев, С.А. Сидоров, С.А. Уколов, В.А. Трепалин / СПб.: ВАТТ, 2008. 392 с.
3. Лазарев Ю.Г., Строительство автомобильных дорог и аэродромов: Учебное пособие. / Ю.Г. Лазарев, А.Н. Новик, А.А. Шибко, С.В. Алексеев, Н.В. Ворончихин, А.Т. Змеев, С.А. Уколов, В.А. Трепалин, С.В. Дахин, В.Т. Колесников, Д.Л. Симонов // СПб.: ВАТТ. 2013. 528 с
4. Лазарев Ю. Г., Собко Г. И. Реконструкция автомобильных дорог: Учебное пособие. СПб. 2013. 93 с.
5. Lazarev Yu.G., Research of processes of improving soil properties based on complex ash cement binder /. Yu.G. Lazarev, G. Sobko, M. Chakir // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vols. 584-586. Pp. 1681-1686.
6. Lazarev Yu.G., Effectiveness of Soil Reinforcement Based on Complex Ash-Cement Bonder Applied Mechanics and Materials / Yu.G. Lazarev, M. F. Chakir, E. N. Syhareva, Y. A. Ibraeva // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vols. 725-726. Pp. 208-213.
7. Лазарев Ю.Г., Обоснование деформационных характеристик укрепленных материалов дорожной одежды на участках построечных дорог. / Ю.Г. Лазарев, П. А. Петухов, Е.Н. Зарецкая/ Вестник гражданских инженеров. 2015. № 4 (51). С. 140-146.
