CC BY
15
ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ И СООРУЖЕНИЯ
622.23:625.8
Р.Г. Газизуллин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой начертательной геометрии и графики Казанский государственный архитектурно-строительный университет
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
В связи с бурным развитием строительства автомобильных дорог весьма важной проблемой является обеспечение дорожных организаций прочными, дешевыми и долговечными
строительными материалами. Одним из направлений удовлетворения потребности в строительстве автодорог является использование местных природных органно-минеральных материалов -битуминозных пород.
Татарстан обладает огромными ресурсами битуминозных пород. Только запасы природных битумов, содержащихся в породах, составляют более 1,5 млрд. т, если перевести на породу, то ресурсы будут более 15 млрд. т.
Есть месторождения битуминозных пород, пригодные для открытой разработки: Сугушлинское (105,2 млн. м3), Сарабикуловское (24,6 млн. м3), Ново-Шугуровское (27,3 млн. м3), Сюкеевское (700 млн.м3), Фиков-Колокское (0,8 млн. м3) и др. Все эти месторождения изучены автором и обоснована целесообразность их разработки открытым способом, разработаны технологические схемы и технические задания на проектирование.
Для улучшения качества дорожного покрытия разные авторы предлагают нефтешламы, грунтосиликатные материалы, анионактивные битумные эмульсии, различного типа стабилизаторы и т.д. Природа заботилась, создав великолепные, почти готовые асфальтобетоны - битуминозные породы (песчаники, доломиты, известняки).
Содержание природного битума в породах составляет от нескольких процентов до 15 и более.
Природные битумы обладают ценными физикохимическими свойствами. Они долговечны, устойчивы и прочно сохраняют свой химический состав и свойства, с трудом поддаются воздействию агрессивных сред и отрицательному влиянию естественных факторов. Битумы обладают огромной силой адгезии, т.е. липкостью, присущей свободным молекулам, позволяющим прочно соединяться частицами пород. Благодаря молекулярным силам, битум устойчиво связан с частицами пород. Природные битумы имеют высокие гидроизоляционные свойства, что является очень ценным для дорожного строительства.
Эти физико-химические свойства автором изучались в лабораторных и производственных условиях. Природный битум, находящийся в порах пород, при воздействии окружающей среды изменяет свои физико-химические свойства. Они окисляются, легкие фракции улетучиваются, масляные фракции превращаются в гудрон. Потери легких фракций интенсивно происходят первые 15 дней, после одного месяца потери органики происходят как за счет улетучивания, так и окисления, а в дальнейшем только за счет окисления, т.е. происходит превращение всей органики в гудрон, вследствие чего увеличивается адгезионная прочность битуминозных пород.
Установлено, что при содержании битума 10 мас.% адгезионная прочность породы характеризуется небольшой величиной (0,1-0,3 кПа), максимальное значение адгезионного сцепления (1,5-2,0 кПа)
Таблица 1
Гранулометрический состав битуминозных доломитов
Показатели Месторождение Сюкеевское Марка щебня
Сито, мм 40 20 10 5 2,5 1,25 < 1,25 600
Масса, г 90 620 760 620 420 80 410
Содержание, % 3 20,6 25,3 20,6 14 2,7 13,8
Месторождение Аканское
Сито, мм 20 15 10 5 3 Менее 3 400
Масса, г 556 602 658 459 165 400
Содержание, % 19,6 21,2 23,2 16,1 5,8 14,1
Гранулометрический состав Сугушлинского битуминозного песчаника
Таблица 2
Сито, мм 1,25 0,63 0,28 0,14 0,071 Общая сумма
Масса, г 10,6 34,4 151,5 3,3 0,2 200
Содержание, % 5,3 17,3 75,7 1,6 0,1 100
Полные остатки, % 5,3 22,6 98,3 99,9 100
Модуль крупности битуминозного песчаника М кр. = 2,16
достигается при содержании битума более 30мас.% и температуре 400С, затем уменьшается.
Для определения возможности применения битуминозных пород при изготовлении асфальтобетона нами изучались физикомеханические свойства битуминозных доломитов и песчаников (таблицы 1 и 2).
Как видно из данных таблиц 1 и 2, битуминозные доломиты имеют марки 600 и 400, битуминозные песчаники по
гранулометрическому составу и модули крупности удовлетворяют требованиям ГОСТ 8269-64.
Однако, как показывают наши исследования, использование битуминозных пород непосредственно для приготовления асфальтобетона не представляется возможным. Как было указано выше, в них содержатся летучие углеводороды, испарение которых разрушает асфальтобетонное покрытие. Поэтому природные битумы, содержащиеся в породах, необходимо довести до состояния дорожного битума непосредственно в породе путем:
- нагревания битуминозных пород до температуры, при которой улетучиваются легкие фракции;
- окисления масляных фракций в нейтральные смолы.
Используя эти битуминозные породы, нами в лабораторных условиях были изготовлены образцы асфальтобетона. Раздробленные битуминозные доломиты и песчаники предварительно окислялись при температуре 160 0С в течение часа с подачей воздуха. Окисленные битуминозные породы и минеральный порошок отвешивались в заданных количествах и помещались в емкость, затем при
систематическом перемешивании нагревались до температуры 140-160 0С, после чего добавлялось недостающее количество дорожного битума, нагретого в отдельной емкости до 170 0С. Вся смесь перемешивалась (3-5 мин.) до полного покрытия битумом всех зерен минерального материала. Для определения физико-механических показателей из приготовленной смеси изготовлялись образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 50,5 мм (табл. 3).
Как видно из таблицы 3, высокие физикомеханические показатели образцов, изготовленных из битуминозных доломитов и песчаников, объясняются тем, что находящийся в порах природный битум в природных условиях распределен равномерно в зернах минеральных частиц и имеет хорошие связывающие с ними свойства. При этом экономия дорожного битума составляет до 30%.
Таблица 3
Физико-механические показатели образцов
Состав компонентов смеси асфальтобетона Образцы Объемный вес, кгс/см3 Водона- сыщение,% Набухание, % Предел прочно- сти, кгс/см2 К-20 ^50 Коэффи-цент во-достой-кости
Наименова- ние Содер- жание, %
Битуминозный доломит 47,3-50 1 2,253 2,11 0,12 50/23,6 0,97
Битуминозный песчаник 28,4-30 2 2,229 2,41 1,17
Порошок минеральный 18,9-20 3 2,222 2,4 0,92
Битум дорожный 5,4-5,7 4 2,232 2,97 0,19
Примечание: Экономия дорожного битума 27,5 %
Таблица 4
Физико-механические свойства асфальтобетона
Испытуемый образец Эталон- образец Опыт (лабораторный) Проба со смесителя Д-597 Переформованная вырубка
Объемный вес, г/см3 2,23 2,22 2,23 2,24
Водонасыщение, % 2,52 1,92 1,51 1,84
Набухание, % 0,45 0,43 0,43 0,25
Предел прочности при сжатии, кгс/см2 (Исж) К-20 41,9 74,3 47,3 54,5
К-50 6,8 42,4 17,2 11,8
То же водонасыщенных образцов, кгс/см2 34,1 68,1 48,0 52,8
То же через 15 дней, кгс/см 29,7 37,2 28,7 26,6
Коэффициент водостойкости 0,82 0,91 1,01 0,97
Нашими исследованиями установлено, что оптимальным режимом окисления природных битумов непосредственно в битуминозных породах является режим при температуре 160 0С, продолжительности окисления 1 час и скорости подачи воздуха 1000 м3/мин. на одну тонну битума.
Нами совместно с трестом «Каздорстрой» с использованием Шугуровских битуминозных песчаников (10 тонн) в производственных условиях на смесительной установке Д-597 был изготовлен и уложен асфальтобетон на проезжей части дороги на улице Ярмарочной (около цирка) в качестве верхнего слоя на площади 250х5 м2. Результаты приведены в таблице 4.
Технологический процесс приготовления асфальтобетона на основе битуминозных песчаников осуществлялся следующим образом: дробленый песок карьера «Бимери» через сушильный барабан при температуре 350 0С в количестве 280 кг направлялся в смеситель, сюда же холодным ковшовым элеватором подавался битуминозный песчаник в количестве 320 кг с температурой 25 0С, при смешивании данных компонентов происходило высушивание, окисление и удаление легких фракций из битуминозных песчаников, при достижении температуры сухой смеси 140-160 0С добавлялось 42 кг дорожного битума и осуществлялось перемешивание в течение 90 сек.
Технологическая схема приготовления асфальтобетона не изменилась, единственным отличием является увеличение продолжительности перемешивания и подачи дополнительного воздуха для окисления масляных фракций.
Установлено, что на основе Шугуровских битуминозных песчаников целесообразно
изготовлять песчаный асфальтобетон типа Д марки Ш (ГОСТ 9128-76) следующего состава: дробленый песок «Бимери» - 47,0 %,
битуминозный песчаник - 53,0 %, дорожный битум - 7%. При этом экономия дорожного битума достигает 26,3%.
По истечении трех лет нами производились замеры уровня истираемости асфальтобетона, уложенного по предлагаемой и существующей технологиям. Оказалось, что уровень асфальтобетона по существующей технологии на 10-15 мм ниже, чем по предложенной. При этом растрескивание асфальтобетона не обнаруживалось, т.к. природные битумы морозоустойчивы и температура их застывания составляет до -10...-16°С, а температура размягчения 37.58°С. Асфальтобетон отличается высокой теплоустойчивостью, водостойкостью, хорошо укатывается и уплотняется.
Кроме того, битуминозные песчаники с содержанием природного битума менее 1,0 % являются хорошим материалом для нижнего слоя дорожной одежды. Коэффициент фильтрации для таких битуминозных песчаников составляет до 8 м/сут.
Несмотря на несметное богатство природных органно-минеральных ресурсов и их высокие качества для дорожного строительства, эти месторождения не разрабатываются, а дорог как не было, так и нет. Правительство ищет частных инвесторов. Ни один инвестор не будет заниматься разработкой месторождений битуминозных пород, так как освоение требует огромных капитальных затрат, а прибыль появится не раньше, чем через 3-5 лет. Освоение месторождений полезных ископаемых - дело государственное, и только государство может контролировать эффективную разработку и
мониторинг окружающей среды, заниматься строительством высококачественных и долговечных автомобильных дорог.
Литература
1. Газизуллин Р.Г. Технологические основы рудничной разработки и комплексной переработки битумоносных пород. - Казань: Изд-во «Плутон», 2002. - 392 с.
2. Газизуллин Р.Г. Комплексное использование битумоносных пород. // Горный журнал, 1994, №7. - С. 73-74.
3. Газизуллин Р.Г. Исследование прилипаемости битуминозных песчаников. // Горный журнал, 1984, №6. - С. 3-5.
4. Газизуллин Р.Г., Напалков В.Н., Успенский Б.В. Изучение физико-механических характеристик битуминозных песчаников Татарии. / В кн.: Нефтебитуминозные породы. Перспективы использования. - Алма-Ата: Наука, 1982. - С. 62-67.
5. Газизуллин Р.Г., Садреев А.М., Муслимов Р.Х.
Ново-Шугуровские битуминозные песчаники
- объект для открытой разработки. / В кн.: Проблемы вовлечения в топливно-
энергетический баланс страны новых видов энергоресурсов. - М.: Недра, 1980. - С. 342-349.
