CC BY
19
- © Л.А. Николаева, В.Е. Копылов,
О.Н. Буренина, С.Н. Попов, В.В. Портнягина, 2014
УДК 625.855.3
Л.А. Николаева, В.Е. Копылов, О.Н. Буренина, С.Н. Попов, В.В. Портнягина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЯКУТИИ
Предложена новая технология производства модифицированных асфальтобетонов, заключающаяся в предварительной механоактивации модифицирующих добавок. Разработаны и оптимизированы составы модифицированных вяжущих с использованием природного цеолита и определены зависимости свойств асфальтобетона от количества и вида вводимой добавки, а также от технологических режимов механо-активации добавок в планетарной мельнице АГО-2.
Ключевые слова: битум, асфальтобетон, модифицирующая добавка, цеолит, меха-ноактивация, гранулометрический состав, физико-механические свойства.
Высокая зависимость ритмичности основного производства горнодобывающих предприятий от рациональной организации транспортного обеспечения, потребность в перемещении огромных масс сырья, материалов, топлива, готовой продукции определяет особую значимость транспортной инфраструктуры [1]. При этом необходимо учесть, что основным видом транспорта для перевозки горных масс и готовой продукции в Якутии является автомобильный, поэтому обеспечение высокого качества и долговечности асфальтобетонных покрытий дорог не вызывает сомнений.
Дорожный битум БНД 90/130, производимый для нужд дорожно-строительной индустрии, в большинстве своем не соответствуют современным требованиям к вяжущим веществам. Одним из наиболее эффективных методов улучшения свойств связующего, позволяющим оптимизировать основные технологические свойства в направлении повышения адгезионной активности,
механической устойчивости, является структурно-химическая модификация связующего путем введения минеральных наполнителей, подвергнутых механической активации [2, 3].
Предпосылкой использования дисперсных веществ минерального происхождения в качестве модифицирующих добавок при наполнении связующего вещества в технологии асфальтобетонов, помимо обширной сырьевой базы и дешевизны, явились их специфические свойства, обусловленные их повышенной удельной поверхностью, развитой поровой структурой, а также высокими адсорбционными характеристиками. Наличие указанного комплекса свойств и характеристик может обеспечить существенное снижение себестоимости производства и улучшения свойств асфальтобетонов [4, 5].
В связи с этим целью работы является разработка рецептур и технологии производства асфальтобетонов с повышенной надежностью и долговечностью за счет применения связу-
Таблица 1
Гранулометрический состав щебня
Содержание фракции менее, масс. %
5 мм 2,5 мм 1,25 мм 0,63 мм 0,315 мм 0,16 мм 0,071 мм
100 82 65 50 36 25 16
ющих материалов, модифицированных минеральными добавками.
Исследования проводились на традиционном щебне 20-40 мм производства ОАО «Якутцемент», соответствующем требованиям ГОСТ ГОСТ 8267-93.
Гранулометрический состав щебня, используемого для изготовления образцов представлен в табл. 1.
В качестве связующего вещества использовался битум дорожный БНД 90/130, соответствующий требованиям ГОСТ 22245-90.
В качестве структурно-активной добавки был выбран природный цеолит Кемпендяйского месторождения (Якутия) из наиболее освоенного пласта III (Хонгурин III). Химический состав и свойства цеолита представлены в табл. 2.
Цеолиты - это полигидраты алюмосиликатов, имеющие плотную кристаллическую решетку с многочисленными порами и каналами, проходящими через весь каркас молекулы и занимающие 50% объема каркаса цеолита. Благодаря этому, цеолиты имеют необыкновенно развитую удельную поверхность и пористость, что обусловливает их высокую сорбци-онную и реакционную способность. Адсорбционная способность по парам воды при Р/Р = 1,0 составляет
10,34-12,03, т.е. этот пласт обладает самой большой емкостью по сравнению с другими пластами [6].
Частицы цеолитов Хонгурина III являются аморфными и изотропными, их форма приближена к сферической. В порошке отдельные частицы образуют ассоциаты от 10 до 100 мкм, при этом мелкие частицы Хонгурина III, не теряя своей индивидуальности, выстраиваются в объемные конструкции, края которых являются чрезвычайно извилистыми [6, 7].
Исследование наполнителя по отношению к связующему показали высокую сорбционную способность, равную 0,65-0,70 г/г, что позволит увеличить адгезионную способность связующего на развитой твердой поверхности, благодаря адсорбции значительного количества трудноокисля-емых и маловязких масляных фракций и за счет повышения концентрации оставшихся в нефтяном связующем асфальтенов и смол.
При использовании модифицирующих наполнителей требуется полная характеристика его дисперсности, поскольку различие в характере распределения частиц по размерам сильно влияет на реологические и физико-химические свойства связующей композиции.
Исследования гранулометрического состава порошков цеолитов
Таблица 2
Химический состав и свойства природного цеолита
Химический состав ЦП, % Плотность, г/м3 Размер частиц, мкм Удельная геометрическая поверхность, м/г
SiO2 - 65,79, MgO - 1,15, Al2O3 - 12,20, Na2O - 3,73, CaO - 0,32, TiO2 - 0,19, Fe2O3 - 1,04, Na2O - 3,73, K2O - 1,11 1,9-2,8 1,6-10 21,0
Таблица 3
Текстурные характеристики наполнителей
Показатели Неактивированный цеолит Активированный цеолит
Удельный объем пор, см3/г 0,017 0,028
Удельная геометрическая поверхность, м2/г 13,848 17,166
после механической активации проводили методом рассеивания на вибрационном грохоте «Анализетте-3» фирмы «РгНэсЬ», а также методом лазерной гранулометрии на установке «М1сгоБ12ег-201» после предварительного диспергирования ультразвуком. Указанные методы позволяют непосредственно определять размеры частиц и процентное их содержание.
При активации цеолита кривые распределения частиц по размерам имеют один максимум, указывающий на присутствие в полидисперсной системе одной наиболее вероятной фракции. При более продолжительной обработке модификатора максимум на кривой смещается в сторону меньших радиусов частиц. Это свидетельствует о том, что в наивероятней-шей по массе фракции преобладают более мелкие частицы. При дальнейшей обработке наблюдается укрупнение частиц наполнителей, и максимум на кривых смещается в сторону больших радиусов частиц, что может быть объяснено протеканием двух процессов: измельчения и агрегации диспергированных частиц.
Размер индивидуальных частиц цеолита до активации составлял 0,150,25 мм, после обработки в планетарной мельнице он снижался на два порядка. Продолжительность активации также влияет на среднее значение размеров цеолита. Так, при 2 мин измельчения цеолита получается 68% частиц с размерами до 100 мкм. При 4 мин диспергирования наблюдается рост количества таких частиц до 74%, при 6 мин измельчения - 76%, а при
10 мин - 84% частиц сапропеля с размерами до 100 мкм.
Исследования гранулометрического состава наполнителей после механической активации методом лазерной гранулометрии на установке «М1сгоБ12ег-201»показали, что активация в течение 2 мин приводит не только к уменьшению размеров частиц, но и получению порошков однородного фракционного состава. Такое распределение частиц будет способствовать более плотной упаковке частиц, уменьшению кристаллического давления, что в свою очередь ведет к упрочнению асфальтобетонов.
Для исследования изменения структуры цеолитов при механической активации применен метод одноточечного БЭТ на приборе Сорбтометр ТМ». В табл. 3 представлены данные текстурных характеристик наполнителей.
Установлено, что активация цеолита приводит к повышению удельной поверхности и удельного объема пор до 1,6 раз по сравнению с модификатором в неактивированном состоянии, что, несомненно, будет способствовать улучшению свойств асфальтобетонов.
Таким образом, исследования показали, что использование механо-химической активации цеолита приводит к повышению дисперсности и поверхностной активности, что способствует усилению адсорбционных свойств и увеличению адгезионного взаимодействия в граничных областях асфальтобетонной композиции.
Технология получения связующей композиции заключалась в механоак-
Таблица 4
Основные физико-механические свойства связующей композиции асфальтобетонов
Показатели Битум марки БНД 90/130
Без добавки Активированный цеолит (10 мас.% от массы битума)
Температура размягчения по КиШ, °С 42 53
Температура вспышки, °С 295 313
Температура хрупкости, °С -24 -26
тивации предварительно высушенных при 110 °С и измельченных цеолитов в планетарной мельнице АГО-2 с частотой вращения водила 630 об/мин и барабана 1290 об/мин и последующем соединении с предварительно нагретым при 120 °С битумом.
Основные физико-механические характеристики модифицированных нефтяных связующих испытывались в соответствии с ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие».
Результаты исследования основных свойств модифицированного вяжущего по сравнению с исходным битумом представлены в табл. 4.
Установлено (табл. 4), что при использовании в качестве модификатора активированного цеолита температура размягчения по кольцу и шару модифицированного вяжущего увеличивается в 1,26 раза. Увеличение температуры размягчения битума положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках асфальтобетонного покрытия в летнее время года. Также наблюдается незначительное увеличение температуры вспышки битума, позволяющее сделать процесс производства асфальтобетона более безопасным.
Таким образом, на основании результатов исследований асфальтовых вяжущих композиций на основе битума, показана взаимосвязь изменений свойств связующего, обусловленная структурной активностью механоак-тивированного цеолита, оптимизированы факторы, обеспечивающие
повышение адгезионного взаимодействия в системе связующее-наполни-тель, включающие технологические приемы диспергирования наполнителя, позволяющие управлять свойствами асфальтобетонов в процессе их изготовления.
Асфальтобетонные смеси разрабатывались в соответствии с ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства» и изготавливались образцы асфальтобетонов «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон». Согласно ГОСТ 9128-97 исследовались физико-механические характеристики асфальтобетонов. Технологическая схема производства модифицированных асфальтобетонов представлена на рисунке.
Исследования механических
свойств исходных асфальтобетонов проводились на цилиндрических образцах диаметром 50,5 мм согласно ГОСТ 9128-2009 при трех температурных значениях: 0 °С, 20 °С, 50 °С. Анализ полученных результатов показал, что прочность при сжатии образцов повышается с увеличением количества вводимого битума до 7 мас.%, а затем снижается. Выбрано оптимальное значение битума, равное 7 мас.%, которое будет использовано при оптимизации модифицированных составов асфальтобетонов. Значение прочности при сжатии асфальтобетонных образцов достигает 1,8 МПа, что не соответствует требованиям
ГОСТ 9128-2009, поэтому для достижения требуемых показателей необходима его модификация.
Установлено увеличение прочности при сжатии модифицированных образцов асфальтобетонов в 1,5 раз, обусловленное улучшением адгезионных взаимодействий на границе «щебень-связующее» за счет повышения содержания асфальтенов и смол, уменьшения содержания малополярных масел в связующей композиции при введении активированного цеолита в количестве не более 10 мас.%.
Таким образом, показано, что введение активированного цеолита вносит существенный вклад в упрочнение асфальтобетонов. Установлена взаимосвязь состава и прочностных характеристик: максимальное упрочнение обеспечивается при использовании состава, содержащего 93 мас.% щебня, 7 мас.% битума и 10 мас.% модификатора от массы связующей композиции, активированного в течение 2 мин.
Для разработанной асфальтобетонной смеси определены следующие основные физико-механические характеристики: средняя плотность, средняя плотность минеральной ча-
сти, истинная плотность минеральной части, истинная плотность смеси, пористость минеральной части, водо-насыщение, прочность при сжатии, потеря прочности после 50 циклов замораживания и оттаивания.
Результаты исследования основных физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонов, представленные в табл. 5, свидетельствуют, что введение в битум цеолита приводит к значительному улучшению технических характеристик разработанных асфальтобетонов.
Таким образом, комплекс проведенных исследований позволил сделать следующие выводы:
1. Установлена возможность использования цеолитов в качестве структурно-активных модификаторов для изготовления асфальтового вяжущего на основе битума с улучшенными физико-механическими характеристиками.
2. Проведены исследования физико-механических свойств образцов асфальтобетонов на прочность при сжатии при 0 °С, 25 °С, 50 °С, определены модуль упругости и потеря прочности при сжатии после 50 циклов замораживания и оттаивания, водонасыщение.
Технологическая схема изготовления модифицированной асфальтобетонной смеси
Таблица 5
Основные технические характеристики асфальтобетонов
Смесь Р,^ г/см3 РМ,, г/см3 V» , %%р W, % осж, МПа / Ет, МПа ДЯсж,%
0°С 20°С 50°С
Исходный асфальтобетон 2,3 2,1 13,5 0,9 13,6 / 776,7 4,5 / 290,4 2,0 / 163,2 27,4
Модифицированный асфальтобетон 2,3 2,1 11,0 0,5 18,7 / 1260,1 6,8 / 552,4 5,7 / 288,0 17,7
ГОСТ 9128-2009 - - - - 9,0 / - 2,5 / - 1,0 / - -
Примечание: рт - средняя плотность; рМт - средняя плотность минеральной части; Vм - пористость минеральной части; V - остаточная пористость; W - водонасышение; осж - прочность при сжатии; ЛЯсж - потеря прочности при сжатии после 50 циклов замораживания-оттаивания.
3. На основании результатов испытаний разработаны оптимальные рецептуры асфальтобетонной смеси: щебень 93 мас.% + битум (БНД 90/130) 7 мас.% +активированный цеолит (10 мас.% от массы связующей композиции);
4. Отработана технология промышленного производства механоак-тивированного цеолита и технология введения модифицирующих добавок в асфальтобетонную смесь.
Новизна, оригинальность и практическая значимость проведенных исследований подтверждается патентом РФ № 2504565 Ш2 504 565 С1 «Дорожный асфальтобетон на основе модифицированного битумного вяжущего».
По результатам исследований в сентябре 2013 г. в опытно-промышленном порядке сооружен экспери-
1. Высоцкая Т.А., Лубнев Ю.П. Роль и место производственной инфраструктуры в региональном развитии. // Технологии управления. Науч.-практ. журнал. - 2001. № 1. - С. 160-172.
2. Горелышев Н.В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы. - М.: Можайск-Терра. - 1995. - 256 с.
3. Веренько В.А. Новые материалы в дорожном строительстве: Учебное пособие. -М.: УП «Технопринт», 2004. - 170 с.
4. Руденский А.В. Повышение долговечности дорожных покрытий [электронный ресурс] // Новости и статьи. - 2009. - http:// www.newsadd.ru.
ментальный участок асфальтобетонного покрытия на 50 км федеральной трассы «Вилюй» протяженностью 25 м. Асфальтобетонные смеси подготовлены в промышленных условиях на АБЗ ООО «Сахаавтодор» в соответствии с ГОСТ 9128-2009. Меха-ноактивированный цеолит изготовлен на промышленной центробежно-эл-липтической шаровой мельнице «Активатор С-100».
Проводятся мониторинговые наблюдения за техническим состоянием сооруженного опытного участка, результаты исследований позволят оценить долговечность модифицированных асфальтобетонов и подготовить проекты нормативно-технических документов для внедрения в практику дорожного строительства Республики Саха (Якутия).
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Боже нов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. -368 с.
6. Болдырев В.В., Аввакумов Е.Г. и др. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2009. - 343 с.
7. Авакумов Е.Г., Гусев А.А. Механические методы активации в переработке природного и техногенного сырья. - Новосибирск: Гео, 2009. - 155 с. В233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Николаева Лира Александровна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН; Копылов Виктор Евгеньевич - заместитель декана
Автодорожного факультета по учебной работе, e-mail: [email protected],
Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова;
Буренина Ольга Николаевна - кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected],
Попов Савва Николаевич - доктор технических наук, профессор,
заместитель директора по научной работе, e-mail: [email protected],
Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук;
Портнягина Виктория Витальевна - кандидат технических наук, директор НОЦ
«Геотехнологии Севера им. М.Д. Новопашина» Арктического инновационного центра
Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Амосова, e-mail: [email protected].
UDC 625.855.3
USE OF MODIFIED ASPHALT CONCRETE IN DEVELOPMENT OF A MINE TRANSPORT INFRASTRUCTURE IN YAKUTIA
Nikolaeva L.A., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: [email protected], Institute of Oil and Gas Problems of Siberian Branch Russian Academy of Sciences; Kopylov V.E., Deputy Dean of Road Faculty, e-mail: [email protected], M.K. Ammosov North-Eastern Federal University;
Burenina O.N., Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: [email protected], Popov S.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail:[email protected], Institute of Oil and Gas Problems of Siberian Branch Russian Academy of Sciences; Portnyagina V.V. , Candidate of Technical Sciences,
Director of Science Education Center «The North Geotechnology them. M.D. Novopashin» Innovationcenter of the Arctic, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University, e-mail: [email protected].
The new production technology of the modified asphalt concrete consisting in preliminary mechanoactiva-tion of modifying additives is offered. Structures modified knitting with use of natural zeolite are developed and optimized and dependences of properties of asphalt concrete on quantity and a type of an entered additive, and also from technological modes of mechanoactivation of additives in a planetary mill of AGO-2 are defined.
Key words: bitumen, the asphalt concrete, modifying additive, zeolite, mechanoactivation, granulometric structure, physicomechanical properties.
REFERENCES
1. Vysotskaya T.A., Lubnev Yu.P. Tekhnologii upravleniya. Nauch.-prakt. zhurnal, 2001, no 1, p. 160172.
2. Gorelyshev N.V. Asfal'tobeton i drugie bitumomineralnye materialy (Asphalt concrete and other bitumen mineral materials), Moscow, Mozhaisk-Terra, 1995, 256 p.
3. Veren'ko V.A. Novye materialy v dorozhnom stroitel'stve: Uchebnoe posobie (New materials in road construction. Educational aid), Moscow, UP «Tekhnoprint», 2004, 170 p.
4. Rudenskii A.V. Povyshenie dolgovechnosti dorozhnykh pokrytii (Road surface life improvement), available at: http://www.newsadd.ru Novosti i stat'i, 2009.
5. Bozhenov Yu.M. Modifitsirovannye vysokokachestvennye betony (High-quality modified concretes), Moscow, Izdatel'stvo Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov, 2006, 368 p.
6. Boldyrev V.V., Avvakumov E.G. Fundamental'nye osnovy mekhanicheskoi aktivatsii, mekhanosinteza i mekhanokhimicheskikh tekhnologii (Fundamentals of mechanical activation, mechanical synthesis and mecha-nochemical technologies), Novosibirsk, Izdatel'stvo SO RAN, 2009, 343 p.
7. Avakumov E.G., Gusev A.A. Mekhanicheskie metody aktivatsii v pererabotke prirodnogo i tekhno-gennogo syr'ya (Mechanical methods of activation in processing of natural raw materials and mine waste), Novosibirsk, Geo, 2009, 155 p.
