CC BY
47
УЕБТЫК
мвви
УДК 691.2
Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, А.Б. Сатюков, Е.В. Королев*
ФГБОУ ВПО «ПГУАС», *ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОМОЛА МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ ПУТЕМ ВВЕДЕНИЯ ДОБАВОК
Представлены данные по разработке наноразмерного модификатора на основе химически инертного компонента и гидравлически активного вещества. Установлен нелинейный характер влияния режима измельчения минеральных компонентов с добавками различной природы на интегральные характеристики дисперсного состава, что указывает на протекание процессов, приводящих к агрегации частиц минерального порошка. Установлено, что в режиме «мокрого» помола минеральных компонентов смеси добавление поверхностно-активных веществ способствует существенной интенсификации процесса измельчения.
Ключевые слова: асфальтобетонная смесь, наноразмерный модификатор, органоми-неральная модификация.
Асфальтобетонные покрытия интенсивно разрушаются в период продолжительного увлажнения и особенно в период знакопеременных колебаний температуры [1]. Обычно разрушение проявляется в виде усиленного выкрашивания минеральных частиц, приводящего к большому износу покрытия и к образованию значительного количества отдельных разрушенных участков. Подобные разрушения, наблюдаемые обычно в весеннее время, связаны с недостаточной водо- и морозоустойчивостью асфальтобетона [1].
Атмосферостойкость асфальтобетона повышают добавками поверхностно-активных веществ, улучшающих сцепление битумных пленок с минеральной поверхностью или применением активированного минерального порошка, позволяющего получить в массиве материала преобладание замкнутых пор, недоступных для воды [2—6].
Как известно, вид и качество применяемого минерального порошка оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики асфальтобетона. Минеральный порошок, являясь активным структурирующим компонентом асфальтобетона, предопределяет эксплуатационные свойства асфальтобетона. В [7, 8] указано, что усиление структурирующей роли минерального порошка в асфальтобетоне, а следовательно, улучшение структурно-механических свойств материала может быть достигнуто в результате интенсивного измельчения минерального материала. При этом наибольший эффект может быть получен в результате совмещения процесса интенсивного измельчения с физико-химической обработкой. Кроме дисперсности и физико-механических свойств наполнителя большое значение имеет его химическая природа. Так, кремнеземсодержащие горные породы кислого состава, несмотря на их высокие физико-химические свойства, в мелкодисперсном состоянии выполняют в основном функцию инертного наполнителя.
Современный этап развития нанотехнологии в строительном материаловедении предопределяет разработку первичной нанотехнологической продукции (категория «А» в соответствии с распоряжением Правительства РФ №1192-р от 07.07.2011 г.), введение которой приводит к повышению показателей свойств модифицируемых материалов. Как правило, все достижения основываются на применении некоторых веществ, которые имеют или проявляют уникальные свойства при физических воздействиях (например, углеродные наносистемы: фуллерены, трубки и их разновидности; оксид титана, наночастицы серебра, золи кремневой кислоты, гидроксида алюминия и др.).
Нахождение вещества в наноразмерном состоянии позволяет не только использовать накопленный физико-химический потенциал, но и преодолевать некоторые
ВЕСТНИК
10/2012
негативные явления, проявляющиеся в процессе структурообразования материала на границе раздела фаз, а также изменять барьерные свойства, что важно для повышения долговечности асфальтобетонов.
Таким образом, представляет интерес получение модификатора асфальтобетонных смесей, содержащего наноразмерные частицы требуемого химического состава.
Получение наноразмерных порошков можно осуществить двумя способами: синтезом (агрегирование) или измельчением (диспергирование). Учитывая, что часто экономически выгодно при производстве асфальтобетонов в качестве минеральных составляющих использовать попутнодобываемые породы и отходы промышленности, в данной работе для получения наноразмерного модификатора использован метод диспергирования.
На интенсивность измельчения и параметры продукта существенное влияние оказывают многие факторы, сведения о которых достаточно полно представлены в научно-технической литературе. Их можно разделить на группы: факторы, характеризующие влияние свойств измельчаемого материала; факторы, отражающие способ взаимодействия измельчаемого материала с рабочим органом; технологические факторы, иллюстрирующие организацию процесса измельчения и др. При прочих равных условиях (способ измельчения, тип помольного агрегата, вид измельчаемого материала, организация процесса измельчения) на эффективность измельчения влияют факторы, способствующие снижению величины поверхностного натяжения (эффект адсорбционного снижения прочности А.П. Ребиндера): количество жидкости, смачивающей поверхность измельчаемого материала; вид и концентрация ПАВ, улучшающего смачиваемость.
Предварительные теоретические исследования, проведенные с применением методов системного анализа и обширной информационной базы по структурообразова-нию и эксплуатационным свойствам асфальтобетонов, позволили сформулировать технические варианты наноразмерного модификатора. Рассмотрено четыре варианта такого модификатора: органический модификатор, химически инертный модификатор, гидравлически активный модификатор и органоминеральный модификатор. Указанные способы имеют достоинства и недостатки, а также определенный промышленный опыт. В данной работе представлены данные по разработке нанораз-мерного модификатора на основе химически инертного компонента и гидравлически активного вещества. Для его изготовления применяли шлам водоподготовки ТЭЦ (ОАО «ТГК-6», ТЭЦ-1, г. Пенза), представляющий собой высококонцентрированную суспензию, образующуюся при подготовке воды (шлам ВПУ). Химический состав шлама ВПУ приведен в табл. 1. В качестве гидравлически активного минерального порошка использовался портландцемент ПЦ500Д0.
Табл. 1. Химический состав шлама ВПУ
Наименование компонента Ед. изм. Значение
показателя
1. Органическая часть % 9,87
2. Нефтепродукты мг/кг 0,802
3. Минеральная часть (зольность) мг/кг 71,74
4. Цинк мг/кг 0,003
5. Медь мг/кг 0,001
6. Никель мг/кг 0,001
7. Марганец мг/кг 0,0288
8. Железо (общее) мг/кг 1,5923
9. Мышьяк мг/кг 0,0003
Измельчение минеральных компонентов (в вариантах технического решения) производилось в планетарной шаровой мельнице Pulvezisette 7. Результаты влияния режима измельчения на интегральные характеристики дисперсного состава, определение которого проводили на лазерном анализаторе размера частиц Microtrac S3500 [9], представлены экспериментально-статистическими моделями (Х — частота вращения чаши; Х2 — продолжительность измельчения): «сухое» измельчение: шлам ВПУ:
D = 3,77 + 0,26Х - 0,24Х2 - 0,12X X2;
£уд = 687,15 +143,57Х1 + 73,56Х2 +18,75XX2 - 54,48X2 -11,93X22; портландцемент:
D = 9,96 - 4,01 Х1 -1,23Х2 + 0,40X1X2 + 2,57X2 + 0,5X22;
^уд = 509,00 +106,35Х1 + 54,49Х2 + 15,00X1X2 - 47,38X2 - 10,38X22;
«мокрое» измельчение: шлам ВПУ:
D = 2,24 - 0,52Х - 0,54Х2 - 0,92X1X2 + 0,62X2 + 0,68X22;
£уд = 1050,40 + 362,75Х1 + 278,83Х2 + 75,31X1X2 - 67,42X2 - 58,51X22; портландцемент:
D = 4,25 + 4,09Х + 2,75Х2 -1,25X1X2 + 2,08X2 +1,35X22;
£уд = 808,00 + 268,70Х1 + 206,54Х2 + 60,25X1X2 - 58,63X2 - 50,88X22,
где D — средний диаметр частиц; £уд — удельная поверхность.
Анализ приведенных данных показывает: зависимость интегральных показателей дисперсности имеет нелинейный характер, что указывает на протекание процессов, приводящих к агрегации частиц минерального порошка. Сопоставление результатов указывает, что измельчение во влажных условиях более эффективно, что хорошо объясняется эффектом адсорбционного снижения прочности материалов Ребиндера. Кроме того, измельчение шлама ВПУ по сравнению с портландцементом естественно протекает более интенсивно.
Из полученных экспериментально-статистических моделей видно, что влияние фактора Х является доминирующим. Координаты условного экстремума в факторном пространстве (оптимальный режим измельчения на мельнице Pulvezisette 7) следующие: Х = 550 об./мин и Х2 = 10 мин.
Введение добавок позволяет интенсифицировать процесс измельчения во влажных условиях (рис. 1, табл. 2).
Концентрация добавки, % о— Ме1теп11; □— С-3; д— Сульфанол;*— Пирофосфат натрия; *— МеШих;
Рис. 1. Влияние добавок на удельную поверхность шлама ВПУ
ВЕСТНИК
10/2012
Табл. 2. Значения эмпирических коэффициентов уравнения V (5уд ) = Ь0 + Ь1СЯ + ЬпС Д
Эмпирические Обозна- Добавки
коэффициенты чение Ме1теи1 С-3 МеШих Сульфанол
Портландцемент
К 5,75 14,4 12,61 8,48 9,27
Ь В 14,87 -14,77 -8,53 -0,70 -3,23
Ьц -11,92 11,96 5,06 1,45 2,87
Ьо 544,36 338,12 375,97 443,94 499,51
Ь $ уд -318,60 346,4 234,98 107,96 -37,97
Ьц 256,08 -277,48 -144,15 -123,51 14,39
Шлам ВПУ
Ь0 2,21 2,09 2,44 2,48 2,55
Ь В 1,55 1,11 0,20 0,81 -0,18
Ьц -1,12 -0,6 0,29 -1,02 -0,21
Ь 1462,20 1560,10 1462,10 1432,40 1248,70
Ь1 $ уд -583,88 -528,30 -284,04 -550,17 559,72
Ьц 438,43 295,76 143,94 689,41 -416,52
Анализ приведенных данных по влиянию добавок на дисперсность минеральных порошков, полученных измельчением в режиме «мокрого» помола, позволяет заключить, что поверхностно-активные вещества способствуют существенной интенсификации процесса измельчения. Однако их применение изменяет активность поверхности частиц и ингибирует взаимодействие на границе раздела фаз битум — минеральный компонент. Достаточно высокую эффективность имеет пирофосфат натрия. Кроме того, необходимо отметить, что эффективность действия поверхностно-активных веществ по отношению к гидравлически активным веществам существенно ниже. Указанное можно объяснить влиянием встречного потока вещества, генерируемого в процессе гидратации, что приводит к затруднению адсорбции добавок.
Влияние концентрации пирофосфата натрия и различных соотношений портландцемент : шлам (Ц:Ш) представлено на рис. 2 и в табл. 3.
Табл. 3. Значения эмпирических коэффициентов уравнения V(s д) = Ь0 + Ь1СЯ + ЬпС2л
Эмпирические Обозначение Соотношение Ц : Ш
коэффициенты 1:1 1:2,5 1:5
Ь0 12,69 7,05 2,43
Ь В -0,45 -2,19 -0,037
Ьц -0,14 0,28 -0,0067
Ь0 308,06 593,56 1008,3
Ь уд 58,15 212,66 78,36
Ьц -3,54 -31,78 -12,69
1200т
1000--
800--
600
й 400--
200
3 4 5 6
Концентрация пирофосфата натрия, %
— Ц:Ш=1:1; □— Ц:Ш=1:2,5; д— Ц:Ш=1:5
Рис. 2. Влияние концентрации пирофосфата натрия на удельную поверхность смеси «Шлам ВПУ — портландцемент»
Выводы: 1) применение поверхностно-активных добавок эффективно при их добавлении к инертным минеральным компонентам;
2) добавление пирофосфата натрия позволяет повысить дисперсность минерального порошка как из инертного, так и гидравлически активного материала;
3) использование гидравлически активного компонента (портландцемента) должно быть снижено; его количество может быть обосновано другими причинами.
На малоугловом рентгеновском дифрактометре 8ЛХ8езз те2 [9] дополнительно исследована фракция минерального компонента, содержащая частицы наноразмерного диапазона (рис. 3).
2
0 .......
25 30 35
Диаметр частиц, нм
Рис. 3. Распределение по диаметрам частиц минерального компонента наноразмерной фракции
0
0
2
9
н
е5
а3
Си 3
Анализ рис. 3 показывает, что отклонение фактической кривой распределения от модельной зависимости, характерной для сферических частиц, свидетельствует об отклонении формы частиц от сферической: частицы имеют вытянутую в одном направлении форму, близкую к трехосному эллипсоиду.
Таким образом, установлены режимы измельчения минерального компонента на-норазмерной органоминеральной добавки для асфальтобетонов, вид и концентрация добавки-диспергатора, обеспечивающая повышение эффективности измельчения.
Замечание. Работа проводилась в рамках выполнения Госконтракта № 14.527.11.0001 на тему «Разработка и организация износостойких долговечных асфальтобетонов широкой номенклатуры для эксплуатации в неблагоприятных тем-пературно-влажностных условиях на основе эффективных процессов модификации дорожных нефтяных битумов нанодисперсными минеральными и органическими материалами».
Библиографический список
1. Руденский А.В. Опыт строительства дорожных асфальтобетонных покрытий в разных климатических условиях. М. : Транспорт, 1983. 64 с.
2. Подольский В.П., Ерохин А.В. Коррозионная устойчивость асфальтобетонов с использованием минерального порошка из углеродсодержащих материалов // Научный Вестник ВГАСУ Строительство и архитектура. 2008. № 1. С. 249—252.
3. Черноусое Д.И., Подольский Вл.П., Труфанов Э.В. Исследование усталостной долговечности асфальтобетона на основе шунгитового минерального порошка // Научный вестник ВГАСУ Строительство и архитектура. 2011. № 1(21). С. 75—80.
4. Подольский Вл.П., Черноусое Д.И., Усачев С.М. Исследования физико-механических свойств битумно-шунгитового вяжущего на сканирующем микроскопе // Научный вестник ВГАСУ Строительство и архитектура. 2010. № 4 (20). С. 93—99.
5. Черноусое Д.И., Щербинина С.Е. Обоснование возможности применения минерального порошка из шунгита в асфальтобетонных смесях // Наука и техника в дорожной отрасли. 2009. № 2. С. 34—35.
6. Подольский Вл.П., Быкова А.А., Черноусое Д.И. Влияние шунгитового минерального порошка на устойчивость структуры песчаного асфальтобетона в условиях увлажнения // Труды первого всероссийского дорожного конгресса. М. : МАДИ, 2009. С. 219—222.
7. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. М. : Стройиздат, 1971. 225 с.
8. КоролевИ.В. Модель старения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетоне // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1981. № 8. С. 63—67.
9. Официальный сайт научно-образовательного центра «Нанотехнологии» МГСУ Режим доступа: www.nocnt.ru. Дата обращения: 04.06.2012.
Поступила в редакцию в июле 2012 г.
Об авторах: Тарасов Роман Викторович — кандидат технических наук, доцент, декан технологического факультета, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ФГБОУ ВПО «ПГУАС»), 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, д. 28, 8(8412)92-94-78, [email protected];
Макарова Людмила Викторовна — кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ФГБОУ ВПО «ПГУАС»), 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, д. 28, 8(8412)92-94-78, [email protected];
Сатюков Антон Борисович — соискатель, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ФГБОУ ВПО «ПГУАС»), 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, д. 28, 8(8412)92-94-78, [email protected];
Королев Евгений Валерьевич — доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, директор научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8499)183-33-74, [email protected].
Для цитирования: Интенсификация процесса помола минеральных порошков путем введения добавок / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, А.Б. Сатюков, Е.В. Королев // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 191—198.
R.V. Tarasov, L.V. Makarova, A.B. Satyukov, E.V. Korolev
STIMULATION OF PROCESS OF MUNERAL POWDER GRINDING THROUGH INTRODUCTION OF ADMIXTURES
The status of nanotechnologies in material science predetermines development of nanotech-nology-intensive products that demonstrate pre-set properties of modified materials. The presence of nano-size particles of substances makes it possible to benefit from their physical and chemical potential and to overcome some negative developments that accompany the structure formation process (at interphase boundaries). The barrier properties are variable, which is quite important in terms of the increase of the asphalt concrete durability. Production of a modifier (that has nano-parti-cles of the pre-set chemical composition) to be added into asphalt concrete mixes is also of interest.
The authors present their findings concerning the nano-scale modifier that has a chemically inert component and a hydraulically active substance. The method of de-aggregation is used to produce the nano-scale modifier. By-products are often welcomed as mineral components of the asphalt concrete, as they reduce its cost.
The findings of the authors concerning the influence of the grinding mode on the integrated characteristics of the powder are presented in the paper. It is proven than dependence of integrated dispersion indicators is nonlinear due to processes leading to aggregation of mineral powder particles.
The analysis of the experimental data collected in the course of "wet" grinding proves that surface-active substances stimulate the process of grinding. The type and concentration of an additive that improves the grinding efficiency is also identified.
Key words: asphalt concrete mixture, nano-size modifier, organomineral modification.
References
1. Rudenskiy A.V. Opytstroitel'stva dorozhnykh asfal'tobetonnykh pokrytiy vraznykh klimaticheskikh usloviyakh [Construction of Asphalt Concrete Pavements in Various Climatic Conditions]. Moscow, Transport Publ., 1983, 64 p.
2. Podol'skiy V.P., Erokhin A.V. Korrozionnaya ustoychivost' asfal'tobetonov s ispol'zovaniem mineral'nogo poroshka iz uglerodsoderzhashchikh materialov [Corrosion Resistance of Asphalt Concretes: Using Mineral Powder of Carbonaceous Materials]. Nauchnyy Vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. [Scientific Herald of VGASU. Construction and Architecture]. 2008, no. 1, pp. 249—252.
3. Chernousov D.I., Podol'skiy Vl.P., Trufanov E.V. Issledovanie ustalostnoy dolgovechnosti asfal'tobetona na osnove shungitovogo mineral'nogo poroshka [Research of Fatigue Life of Asphalt Concrete That Contains Schungite Mineral Powder]. Nauchnyy Vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. [Scientific Herald of VGASU. Construction and Architecture]. 2011, no. 1(21), pp. 75—80.
4. Podol'skiy Vl.P., Chernousov D.I., Usachev S.M. Issledovaniya fiziko-mekhanicheskikh svoys-tv bitumno-shungitovogo vyazhushchego na skaniruyushchem mikroskope [Research of Physical and Mechanical Properties of Bituminous Binders through Employment of a Scanning Microscope]. Nauchnyy Vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. [Scientific Herald of VGASU. Construction and Architecture]. 2010, no. 4(20), pp. 93—99.
5. Chernousov D.I., Shcherbinina S.E. Obosnovanie vozmozhnosti primeneniya mineral'nogo poroshka iz shungita v asfal'tobetonnykh smesyakh [Feasibility of Adding Schungite Mineral Powder into Asphalt Concrete Mixes]. Nauka i tekhnika v dorozhnoy otrasli [Science and Technology in Road Building]. 2009, no. 2, pp. 34—35.
6. Podol'skiy Vl.P., Bykova A.A., Chernousov D.I. Vliyanie shungitovogo mineral'nogo poroshka na ustoychivost' struktury peschanogo asfal'tobetona v usloviyakh uvlazhneniya [Influence of Schungite Mineral Powder on Structural Stability of Sand Asphalt Concrete in Moisture Conditions]. Collected works of the First Russian Road Building Congress, 2009, pp. 219—222.
7. Gezentsvey L.B. Asfal'tovyy beton iz aktivirovannykh mineral'nykh materialov [Bituminous Concrete Made of Activated Mineral Materials]. Moscow, 1971, 225 p.
8. Korolev I.V. Model' stareniya bitumnoy plenki na mineral'nykh zernakh v asfal'tobetone [Model of Aging of the Bitumen Film on Mineral Grains of Bituminous Concrete]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. [News of Higher Education Institutions. Construction and Architecture]. 1981, no. 8, pp. 63—67.
9. Official site of Scientific and Educational Centre "Nanotechnologies". Available at: www.nocnt.ru. Date of access: 04.06.2012.
About the authors: Tarasov Roman Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Technology, Penza State University of Architecture and Civil
Engineering (PGUAS), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected]; +7 (8412) 92-94-78;
Makarova Ludmila Victorovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Penza State University of Architecture and Civil Engineering (PGUAS), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected]; +7 (8412) 92-94-78;
Satyukov Anton Borisovich — volunteer postgraduate student, Penza State University of Architecture and Civil Engineering (PGUAS), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected], +7 (8412) 92-94-78;
Korolev Evgeniy Valer'evich — Vice-rector for Academic Affairs, Director, Scientific and Educational Centre for Nanotechnologies, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 183-33-74.
For citation: Tarasov R.V., Makarova L.V., Satyukov A.B., Korolev E.V. Intensifikatsiya protsessa pomola mineral'nykh poroshkov putem vvedeniya dobavok [Stimulation of Process of Mineral Powder Grinding through Introduction of Admixtures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 191—198.
