CC BY
46
УДК 622.271.45:625.71.8:669.054.8 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-104-110
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ В ОСНОВАНИЯХ ДОРОГ1
USE OF TECHNOGENIC RAW MATERIALS IN FOUNDATIONS OF ROADS
© 2016 г. Н.И. Буравчук, О.В. Гурьянова
Буравчук Нина Ивановна - канд. хим. наук, ст. науч. сотр., Buravchuk Nina Ivanovna - Candidate of Chem. Sciences,
зав. лабораторией ресурсосберегающих технологий, Юж- Senior Scientific Researcher, head. lab. resource-saving tech-
ный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. nologies, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia.
Тел. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru Ph. (863) 297-52-24. E-mail: burav@math.rsu.ru
Гурьянова Ольга Владленовна - науч. сотр., Южный Guryanova Olga Vladlenovna - Senior Scientific Researcher, федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. Тел. Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. Ph. (863) 297-52-24. (863) 297-52-24.
Приведена краткая минералогическая характеристика и химический состав зол, горелых пород шахтных отвалов, сталелитейных шлаков, отсевов дробления щебня, используемых в составах композиций для оснований дорог. Представлена кинетика набора прочности рекомендуемых для оснований дорог композиций. Приведен анализ полученных прочностных показателей смесей в различные сроки твердения. Дано объяснение различий в характере набора прочности, зависящем от активности компонентов композиций. С позиций физико-химической механики объясняется формирование структур, обеспечивающих прочность композиций на разных стадиях твердения. Возможность и целесообразность использования техногенного сырья в основаниях дорог подтверждена на экспериментальном участке дороги местного значения.
Ключевые слова: зола уноса; горелые породы шахтных отвалов; сталелитейные шлаки; отсевы дробления щебня; активность тонкодисперсных добавок; прочность композиций.
A brief mineralogical characteristics and chemical composition of ash, burned rocks of mine waste piles, steel slag, siftings of crushing of crushed stone, used in the composition for road base. Presents the kinetics of strength development of the recommended road base compositions. The analysis of the received strength indicators of mixes is provided to various terms of curing. The explanation of distinctions in the character of a set of durability depending on activity of components of compositions is offered. From the standpoint of physic-chemical mechanics explains the formation of structures ensuring the strength of the compositions at different stages of hardening. Possibility and expedience of the use of technogenic raw material in the grounds of roads is confirmed on the experimental area of road of local value.
Keywords: ablation ashes; burned breeds of mine dumps; steelmaking slag; crushed stone crushing eliminations; activity of fine additives; durability of compositions.
Возрастающие темпы строительства дорог, Наиболее перспективными для дорожного
дальность доставки каменных материалов, ха- строительства являются отходы горнодобываю-
рактерные для многих регионов России, необхо- щей, металлургической промышленности, энер-
димость снижения материальных и финансовых гетическ°г° комплекса.
ресурсов и восполнения дефицита природного Выбор именно этих отходов обусловлен
сырья ориентируют дорожников на широкое как достаточно большими их запасами, так и
возможностью использования их как самостоя-
использование более дешевых местных материа-
тельно, так и укрепленными вяжущими вещест-лов и отходов промышленности. тт _ Г1 „
вами. Несмотря на имеющиеся разработки [1 - 6J,
__объемы утилизации этих отходов не велики.
'Работа выполнена в рамках научного гранта В данной Работе уводятся результата
Южного федерального университета по проекту исследований по использованию в составах для № 213.01-2014/03-ВГ. дорожных оснований зол уноса Новочеркасской
ГРЭС, горелой породы шахты им. Петровского и отвальных шлаков Красносулинского металлургического комбината. Использование золошлако-вых отходов и металлургических шлаков в устройстве дорожных оснований распространено более широко, чем горелых пород. В качестве природного сырья как основного заполнителя использовался отсев дробления пород Жирнов-ского карьера. Химический состав используемого сырья приведен в табл. 1 и 2. Зерновой состав отсева дробления представлен в табл. 3. Марка щебеночной фракции отсева по дробимости 800, насыпная плотность 1440 кг/м ; содержание глинистых и илистых частиц 13,5 %.
Таблица 3
Зерновой состав отсевов дробления щебня
Полные остатки, % по массе, на ситах с отверстиями, мм
10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 < 0,16
13,7 20,8 38,3 46,9 58,2 72,4 89,0 100
Химический состав зол и горелых пород представлен в основном оксидами кремния, алюминия, железа. По химическому составу отходы относятся к полукислому сырью, с высоким содержанием красящих оксидов. Отсевы дробления щебня по вещественному составу относятся к известнякам, и в химическом составе преобладает оксид кальция.
Химический состав сталелитейного шлака довольно сложный. В шлаках могут также присутствовать оксиды Сг203, У203, ТЮ2, WO3 и др. Шлаки, находившиеся в отвале длительное время, устойчивы ко всем видам распада.
Несмотря на имеющиеся различия в составе и свойствах зол и горелых пород, в них есть много общего: они являются продуктом обжига углевмещающих пород и содержат минеральную и органическую часть. Обжиг пустых шахтных пород происходит в отвале при температурах, близких к 1000 оС. Золошлаковые отходы - продукт сжигания угля в топках котлов при температурах выше 1000 оС, вплоть до 1700 оС.
Минеральная часть горелой породы и золы представлена в основном видоизмененным в процессе обжига глинистым веществом, органическая часть - видоизмененными модификациями угля.
Углистые примеси в виде графитизиро-ванных составляющих, близких к графитам, частично переходящих в полукоксовые разновидности, обнаружены рентгенографически (рис. 1).
О наличии графитизированного углистого вещества можно судить по межплоскостным расстояниям: ё = 2,11; 2,29; 3,03; 3,71. На термограмме углистого вещества (рис. 2) фиксируются пики, характерные для процесса графитизации и коксования угля.
В золе и породе присутствуют основные группы веществ: кристаллические, аморфные и органические. Аморфная составляющая зол представлена стеклофазой и аморфизованным глинистым веществом. В минеральном составе горелых пород и зол обнаружены кристаллические минералы (рис. 3, 4):
- Р^Ю2 с ё = 3,35; 2,29; 2,12; 1,82; 1,67 А;
- р-кристобалит с ё = 2,81; 2,53; 2,49; 1,59; 1,54 А;
Таблица 1
Химический состав минерального сырья
Материал Содержание оксидов, вес. %
SiO2 AI2O3 FeA CaO MgO SO3 Na2O K2O P2O5 п.п.п.
Зола уноса 54,92 21,10 6,13 4,96 1,86 0,52 0,97 1,13 0,93 7,25
Порода горелая шахтная 55,35 22,37 7,04 2,45 1,46 1,84 1,98 2,27 0,35 4,80
Отсев дробления щебня 0,78 1,13 0,52 52,2 0,47 0,37 0,13 0,18 0,04 44,5
Таблица 2
Химический состав металлургического сталелитейного шлака
Материал Химический состав, вес. %
CaO SiO2 AI2O3 MgO MnO Fe Fe2O3 S
Сталелитейный шлак 32,0 - 45,0 29,0 - 37,0 3,0 - 6,0 3,0 - 8,0 1,8 - 3,5 8,0 - 23,0 1,0 - 3,5 0,7 - 2,0
у-тридимит с d = 4,29; 3,21; 2,81; 2,49 А;
- у-АЬОз с d = 2,70; 2,45; 2.29; 1,97 А;
- муллит с d = 2,20; 1,69; 1,59 А.
При подборе составов для дорожных оснований использовалась зола сухого отбора с удельной поверхностью 350 м2/кг. Горелая порода и шлак измельчались до такой же тонины, как и зола. Кроме того, были приготовлены смеси (связующие), содержащие золу или горелую породу с цементом. Дозированные зола или молотая порода и цемент в соотношениях 1:1 смешивали и совместно измельчали в шаровой мельни-
це до удельной поверхности 500 - 700 м2/кг. В смеси вводили гипс (2 - 5 % сверх 100 %). При совместном измельчении происходит разрушение стекловидной оболочки вокруг зерен золы и горелой породы, появление дефектов структуры и обнажение активных центров на поверхности зерен [7 - 8]. Все эти процессы способствуют повышению активности связующего. Следует также отметить, что при измельчении отходов происходит их усреднение, так как для промышленных отходов, хранящихся в отвалах, характерна нестабильность их свойств и структуры.
Рис. 1. Рентгенограмма углистого вещества
450 °С 880 °С
Рис. 2. Термограмма углистого вещества
В основе получения композиций для основания дорог заложен принцип контактного твердения, который заключается в способности дисперсных систем оптимального соотношения компонентов и зернового состава образовывать прочный монолит в момент сближения частиц при уплотнении.
В соответствии с планом эксперимента готовили составы смесей для формования образцов. Испытание физико-механических свойств
спроектированных композиций (табл. 4) проводили на образцах - цилиндрах высотой и диаметром 50 мм. Компоненты перемешивали в сухом состоянии и затворяли водой до оптимальной влажности (состояние для полусухого прессования). Давление прессования образцов - 10 МПа.
Набор прочности образцов происходил в течение 90 сут в условиях нормального твердения с температурой (20±2) °С и относительной влажностью воздуха (95±5) %.
30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5
43 -29
Рис. 4. Рентгенограмма золы уноса
Таблица 4
Составы и прочность композиций для оснований дорог
Состав смеси, % Прочность на сжатие, МПа й s
№ состава н о н « В Низкомарочное вяжущее сутки <u ю S ° fe 00 о4 U Р о о ¡3 о
Цемент Зола уноса § 3 н Щ о и й « о ft о с н о S Н н Щ S % Ц:ЗУ Ц:МГП Отсев дроблени 28 56 90 а <N S u 5 Н 6 8 ^ Л Л м Н О О со о е^ о & (U Я О 5 о С о « о m о п о ft о 5 о С Й И 6 s
1 6,0 - - - - - 94,0 6,95 8,57 10,54 1,43 1,05 -
2 4,0 2,0 - - - - 94,0 4,83 7,90 13,40 0,98 2,42 F25
3 4,0 2,0 - - - 94,0 4,94 6,38 10,02 1,00 2,11 F25
4 4,0 - - 2,0 - - 94,0 5,08 5,68 6,72 1,05 1,85 F25
5 - - - - - 6,0 94,0 4,60 5,05 5,58 0,95 3,20 F25
6 - - - - 6,0 - 94,0 5,30 5,68 6,10 1,10 1,50 F30
Примечание: Ц:ЗУ - цемент/зола уноса - 50/50; Ц:МГП - цемент/порода горелая молотая - 50/50.
Испытание образцов на прочность при сжатии проводилось в разные сроки твердения.
На рис. 5 приведены результаты кинетики твердения композиций, содержащих различные виды активных добавок, обеспечивающих набор их прочности. Состав, содержащий отсевы дробления, укрепленные цементом, является контрольным.
Время твердения, сут
Рис. 5. Кинетика твердения композиций, содержащих техногенное сырье: 1 - контроль; 2 - с золой уноса; 3 - с горелой породой; 4 - с металлургическим шлаком;
5 - с активированной горелой породой;
6 - с активированной золой
Из рисунка следует, что в начальный период твердения в составах, содержащих техногенное сырье, по сравнению с контролем происходит медленный набор прочности. В дальнейшем наиболее интенсивно рост прочности наблюдается в составах, содержащих золу уноса и металлургический шлак.
Полученные данные находятся в соответствии с представлениями о составе золы, шлака и горелых пород как компонентов, способных проявлять при определенных условиях скрытую гидравлическую активность. Это одна из особенностей исследуемых золы уноса и горелых пород. Эти добавки не обладают способностью к самостоятельному твердению, будучи затворены водой, они не схватываются и не переходят в кам-неподобное состояние.
Однако смесь таких добавок с некоторыми вяжущими веществами, которые содержат в свободном виде известь или выделяют ее при взаи-
модействии с водой, приобретает способность к гидравлическому твердению.
Активность отходов обусловлена наличием в них нескольких активных компонентов. Наличие этих компонентов связано с нарушением кристаллической решетки глинистых минералов при термических воздействиях и возникновением у термоизмененных продуктов некоторого энергетического потенциала. Это новое состояние вещества и служит причиной способности горелых пород и зол к гидратации и поглощению извести из раствора. Горелые породы проявляют свойства активного глинита, а золы - среднеак-тивной силикатно-железистой добавки [9]. Поверхность частиц горелой породы менее закристаллизована и оплавлена. Наибольший эффект в активность зол вносит стеклофаза.
Сталелитейные шлаки при охлаждении практически полностью кристаллизируются, и в них практически отсутствует стекловидная фаза. Структура отвального сталелитейного шлака закристаллизована [10], и такие шлаки отличаются слабой скрытой гидравлической активностью.
Особенностью исследуемых составов является замедленное формирование структуры в начальный период твердения и заметный рост прочности, продолжающийся в течение длительного времени (двух-трех лет). Прочность конструкционного слоя обеспечивается благодаря цементации, зависящей от активности добавок (золы уноса, молотых горелых пород, шлака). Тонкодисперсные добавки проявляют не только связующие способности, но и улучшают гранулометрию смеси, способствуя более плотной упаковке частиц. На ранней стадии в условиях нормального твердения действие тонкодисперсных добавок сводится главным образом к улучшению гранулометрического состава и увеличению контактов взаимодействия в смеси. Набор прочности замедленный. Механическая прочность определяется коагу-ляцинным типом структур. Позднее начинают проявляться пуццолановые свойства золы и породы. Цемент в данном случае выступает как активатор для пробуждения скрытой гид-
равлической активности добавок [11]. В результате образуется дополнительное количество новообразований, происходит упрочнение, сопровождающееся превращением коагуляци-онных структур в конденсационно-кристал-лизационные камнеподобные структуры [12]. Композиции с золой и породой заметно упрочняются и в 90 сут прочность возрастает в 2 - 3 раза по отношению к прочности в 28 сут. Процесс упрочнения продолжается и может длиться в течение 2 - 3 лет. Однако интенсивность прироста прочности к этому времени снижается.
Композиции с добавками золы (кривая 2) к 90 сут имеют наибольшую прочность по сравнению с добавками молотой горелой породы (кривая 3) и шлака (кривая 4). Таким образом, наибольшая способность проявлять пуццолановую активность выражена у золы уноса и в меньшей степени - у шлака. Этот вывод подтверждается данными косвенной оценки адсорбционной активности исследуемого техногенного сырья при обработке его навески раствором красителя (ме-тиленового голубого - МГ) и определении оптической плотности отфильтрованного раствора красителя [13]. Адсорбционная активность по величине оптической плотности МГ убывает в ряду: зола^молотая горелая порода^шлак. Значения оптической плотности соответственно: 0,230; 0,183; 0,164.
Отсевы дробления, укрепленные малоактивными вяжущими (кривые 5 и 6), медленно набирают прочность и в возрасте 90 сут имеют прочность значительно более низкую, чем в составах с золой, породой и шлаком, но достаточную для использования в устройстве оснований дорог. Из этого следует, что эффективнее использовать золы, горелые породы, сталеплавильные шлаки в виде тонкодисперсных добавок. Совместное измельчение их с цементом более затратно, а прочность ниже. Образцы в возрасте 28 сут имели водопоглощение в пределах 1,5 - 3,1 % и коэффициент морозостойкости 0,83 - 0,90.
Использование техногенного сырья в составе смесей для дорожных оснований позволяет
экономить до 30 % цемента. При этом обеспечивается достижение требуемых показателей по прочности и морозостойкости и соответствие физико-механических свойств рекомендуемых составов композиций требованиям СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» к основаниям дорог 1У-У категорий.
Литература
1. Использование зол уноса, золошлаковых смесей и шлаков тепловых электростанций в дорожном строительстве // Труды СоюзДорНИИ. М., 1975. Вып. 82. 184 с.
2. Путилин Е.И., Цветков B.C. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М., 2003. 123 с.
3. Михайлусов Е.А. Применение отходов металлургической промышленности в дорожном строительстве лесного комплекса: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2004. 19 с.
4. Чудинов С.А., Ращектаев В.А. Исследование свойств щебеночно-песчанх смесей металлургических шлаков для устройства монолитных оснований дорожных одежд // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. С. 63 - 68.
5. Костенко А.К. Оценка эколого-экономической эффективности использования электросталеплавильного металлургического шлака в дорожном строительстве // Вестн. Белорусского национального техн. ун-та: науч.-техн. журн. 2008. № 2. С. 65 - 72.
6. Буравчук Н.И., Гурьянова О.В., Пак Г.Н. Конструкции дорожных одежд на заполнителях из горелых пород // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015 № 3. С. 85 - 88.
7. Буравчук Н.И., Рутьков К.И. Переработка и использование отходов добычи и сжигания твердого топлива. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 1997. 224 с.
8. Михеева Т.Е., Гальченко П.П., Каплан Б.Я., Мирошниченко Е.Г. Теоретические основы выбора оптимальных составов тампонажных растворов на основе горелых пород Донбасса // Труды ВНИИОМИС. Харьков, 1978. вып. 26. С. 58 - 64.
9. Буравчук Н.И. Будницкий В.М., Бражников В.Ф. и др. Минеральные добавки из горелых пород и зол для вяжущих и бетонов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1998. № 4. С. 70 - 74.
10. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д.: Феникс, 2007. 368 с.
11. Сиверцев Г.Н. Процессы при твердении топливных шлаков и горелых пород // Химические процессы твердения бетонов: сб. докл.. М.: Госстройиздат. 1961. С. 108 - 122.
12. Ребиндер П.А. Физико-химические представления о механизме схватывания и твердения вяжущих веществ // Труды совещания по химии цемента. М.: Промстройиз-дат. 1956. С. 125 - 138.
13. Книгина Г.И. Исследование адсорбционной активности горелых пород и цемянок методом фотоэлектоколори-метрии // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1962. № 2. С. 82 - 88.
References
1. Ispol'zovanie zol unosa, zoloshlakovykh smesei i shlakov teplovykh elektrostantsii v dorozhnom stroitel'stve [The use of fly ash, ash and slag mixtures and gas thermal power plants in road construction]. Trudy Soyuzdornii, 1975, vol. 82, 184 p.
2. Putilin E.I., Tsvetkov B.C. Primenenie zol unosa i zoloshlakovykh smesei pri stroitel'stve avtomobil'nykh dorog. Obzornaya informatsiya otechestvennogo i zarubezhnogo opyta primeneniya otkhodov ot szhiganiya tverdogo topliva na TES [The use of fly ash and ash and slag mixture in the construction of highways. Overview of domestic and foreign experience in the application of waste from the combustion of solid fuel to the power station]. Moscow, 2003, 123 p.
3. Mikhailusov E.A. Primenenie otkhodov metallurgicheskoi promyshlennosti v dorozhnom stroitel'stve lesnogo kompleksa. Diss. kand. tekhn. nauk [The use of waste iron and steel industry in the road construction Forest Complex. Cand. tehn. sci. diss.]. Voronezh, 2004, 19 p.
4. Chudinov S.A., Rashchektaev V.A. Issledovanie svoistv shchebenochno-peschankh smesei metallurgicheskikh shlakov dlya ustroistva monolitnykh osnovanii dorozhnykh odezhd [Studying the properties of rubble-sand mixtures metallurgical slag for the device monolithic bases of road clothes]. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovaniya, 2014, no. 4, pp. 63-68. [In Russ.]
5. Kostenko, A. K. Otsenka ekologo-ekonomicheskoi effektivnosti ispol'zovaniya elektrostaleplavil'nogo metallurgicheskogo shlaka v dorozhnom stroitel'stve [Evaluation of ecological and economic efficiency of electric furnace smelting slag in road construction]. Vestnik Belorusskogo natsional'nogo tekhnicheskogo universiteta: nauchno-tekhnicheskii zhurnal, 2008, no. 2, pp. 65 - 72. [In Russ.]
6. Buravchuk N.I., Gur'yanova O.V., Pak G.N. Konstruktsii dorozhnykh odezhd na zapolnitelyakh iz gorelykh porod [Construction of pavements on aggregates of burned rocks]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2015, no. 3, pp. 85-88. [In Russ.]
7. Buravchuk N.I., Rut'kov K.I. Pererabotka i ispol'zovanie otkhodov dobychi i szhiganiya tverdogo topliva [Recycling and recovery of waste and the use of solid fuels]. Rostov-on-Don, Izd-vo SKNTs VSh, 1997, 224 p.
8. Mikheeva T.E., Gal'chenko P.P., Kaplan B.Ya., Miroshnichenko E.G. Teoreticheskie osnovy vybora optimal'nykh sostavov tamponazhnykh rastvorov na osnove gorelykh porod Donbassa [Theoretical basis of the selection of optimal composition of cement slurries based Donbas burnt rocks]. Trudy VNIIOMIS, 1978, vol. 26, pp. 58-64. [In Ukraine]
9. Buravchuk N.I. Budnitskii V.M., Brazhnikov V.F. i dr. Mineral'nye dobavki iz gorelykh porod i zol dlya vyazhushchikh i betonov [Mineral supplements of burnt rocks and ashes for binders and concrete]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 1998. no. 4, pp. 70-74. [In Russ.]
10. Dvorkin L.I. Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz otkhodov promyshlennosti [Building materials from waste industry]. Rostov-on-Don, Feniks Publ., 2007, 368 p.
11. Sivertsev G.N. [Processes hardening fuel waste and burned rocks]. Khimicheskie protsessy tverdeniya betonov. Sb. dokladov [Chemical processes of hardening concrete. Coll. reports]. Moscow, Gosstroiizdat, 1961, pp. 108-122. [In Russ.]
12. Rebinder P.A. [Physico-chemical representation of the mechanism of setting and hardening binders]. Trudy soveshchaniya po khimii tsementa [Proceedings of cement chemistry meeting]. Moscow, Promstroiizdat, 1956, pp. 125 -138.
13. Knigina G.I. Issledovanie adsorbtsionnoi aktivnosti gorelykh porod i tsemyanok metodom fotoelektokolorimetrii [A study of the adsorption activity of burned rocks and tsemyanok fotoelektokolorimetrii method]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo i arkhitektura, 1962, no. 2, pp. 82-88. [In Russ.]
Поступила в редакцию 2 марта 2016 г.
