CC BY
27
УДК 622.271.45:625.71.8 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-85-87
КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НА ЗАПОЛНИТЕЛЯХ ИЗ ГОРЕЛЫХ ПОРОД ШАХТНЫХ ОТВАЛОВ
CONSTRUCTIONS OF ROAD CLOTHING'S ON FILLERS FROM BURN BREEDS OF MINE DUMPS
© 2015 г. Н.И. Буравчук, О.В. Гурьянова
Буравчук Нина Ивановна - канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник, зав. лабораторией ресурсосберегающих технологий, Южный Федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: [email protected]
Гурьянова Ольга Владленовна - ст. науч. сотрудник, Южный Федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: [email protected]
Buravchuk Nina Ivanovna - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, head. Laboratory of resource-saving technologies, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: [email protected]
Guryanov Olga Vladlenovna - Senior Researcher, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: burav@ math.rsu.ru
Дана характеристика минерального и химического состава пород шахтного отвала. Приведен гранулометрический состав пород, слагающих отвал, по высоте отбора проб. Породы в отвалах отличаются нестабильностью минерального состава и физико-механических свойств. Показана необходимость предварительной подготовки шахтных пород для доведения их свойств согласно требованиям нормативных документов на материалы для дорожного строительства. Приведены свойства заполнителей из горелых пород и показана возможность и преимущества использования их в конструкциях дорожных одежд. Обозначены методы исследования пород для оценки их качества. Комплексные исследования пород предопределяют технологическую схему их переработки и получение заполнителей, пригодных для устройства конструкционных слоев дорожной одежды. Рассмотрены варианты конструкций дорожных одежд с использованием пород шахтных отвалов.
Ключевые слова: горелые породы; шахтные отвалы; конструкционные слои; дорожная одежда; фракционированный щебень и отсевы из горелых пород.
Characteristics of mineral and chemical composition of rocks of mine dump. The necessity of preliminary preparation of burned mine rocks to bring their properties with regulatory requirements for materials for road construction. Breeds in dumps differ in instability of mineral structure and physic-mechanical properties. Characteristics of fillers from burned breeds are provided and opportunity and advantages of their use in designs of road clothes is shown. Methods of research of breeds mark for estimation of their quality. Given particle size distribution of rocks that form blade, the height of sampling. Complex researches of breeds as evaluated by their quality predetermine flow sheet of their processing and receipt of fillers suitable for device of construction layers of road clothes. Methods of research of breeds mark for estimation of their quality.
Keywords: burned breeds; mine dumps; construction layers; road clothes; fractionated rubble and sifting out from burn breeds.
В дорожной отрасли актуальным направлением исследований является разработка дорожно-строительных материалов, физико-механические свойства и технические характеристики которых обеспечивали бы повышенную долговечность конструкций дорожных одежд. Особые требования предъявляются к материалам, используемым для устройства оснований. Материал несущего слоя основания должен обладать способностью самоупрочняться с течением времени, чтобы обеспечивать сопротивление возрастающей нагрузке, так как в процессе эксплуатации работы на
основания воздействуют непрерывно возрастающие нагрузки. Такой конструкционный слой можно создать, используя промышленные отходы.
Потенциальным техногенным сырьем для этих целей являются горелые породы шахтных отвалов и золошлаковые отходы тепловых электростанций. Разработка на основе горелых пород и золошлаковых отходов эффективных дорожно-строительных материалов, способных работать в условиях возрастающих нагрузок и климатических воздействий и технологий изготовления конструкционных слоев дорожной оде-
жды повышенной несущей способности, является актуальной. Использование золы уноса и золошлако-вой смеси в дорожном строительстве известно [1 - 3]. Применение горелых пород мало распространено.
В данной статье приведены результаты по исследованию горелых шахтных пород для использования их в дорожных одеждах. Специфика образования горелых пород и золошлаковых отходов обусловила некоторые особенности их свойств. Одна из них -наличие гидравлической активности [4, 5]. Благодаря наличию активных компонентов, обладающих свободной энергией и способных проявлять вяжущие свойства, материалы из горелых пород и золошлаковых отходов могут самостоятельно, без введения вяжущего, с течением времени при определенном увлажнении цементироваться и упрочнять структуру материала конструкционного слоя, образуя монолит повышенной несущей способности и устойчивости. Эти материалы хорошо уплотняются, при этом достигается плотная упаковка зерен в материале несущего слоя. Самоупрочняющийся материал будет также устойчив к попеременному воздействию положительных и отрицательных температур.
Специфика образования горелых пород и золош-лаковых отходов способствует формированию зерен материала с макро- и микропористым строением, характерным для теплоизоляционных материалов. Из этого следует, что несущий слой основания из горелых пород и золошлаковых отходов будет обладать также теплоизоляционными свойствами. Кроме того, эти материалы могут быть использованы для устройства дополнительных морозозащитных и теплоизоляционных слоев. Объект исследования - породы шахтного отвала б/ш им. Воровского.
Данный породный отвал сформирован вскрышными породами, образовавшимися при отработке угольных пластов, территориально расположенных в южном крыле центральной части Шахтинско-Несветаевской синклинали. Кровля отрабатываемых угольных пластов представлена в основном глинистыми породами, встречаются также глинистые, пес-чано-глинистые, слабопесчанистые и углистые сланцы, реже - песчаники. Последующие преобразования складируемых пород (выветривание, термоизменение) во многом зависят от их исходного состава. Термическое воздействие на породы в процессе длительного самообжига вызывает значительные изменения их минеральной массы и физического состояния. Фракционный состав пород, слагающих изучаемый отвал, колеблется в широком диапазоне - от глыб размером 0,5 - 1,0 м в поперечнике до мелкого щебня, гравия и песка (рис. 1).
В отвале наряду с крупными включениями содержится пылевато-зольная масса, образовавшаяся в результате горения. Порода имеет сложную окраску, переходящую от серых до красных и темно-бурых тонов, охристо-желтую, фиолетовую с лиловым оттенком, светлые, почти белые и розовые тона, ярко-красные и кирпично-красные, а также серые до черно-
го. Хорошо обожженные породы имеют темный цвет, слабообожженные породы характеризуются светлыми
тонами.
70
0-5 5-10 10-15 15-20
Расстояние от подошвы по склону террикона, м
■ размер фракций >150 мм ■ размер фракций 50-150 мм
■ размер фракций 25-50 мм размер фракций 0-25 мм
Рис. 1. Гранулометрический состав поверхностного слоя породы отвала б/ш им. Воровского
Рентгенографические и дифференциально-термические исследования пород (рис. 2) свидетельствуют о присутствии в породной массе отвала метакаолинита и других дегидратированных смешанно-слойных глинистых минералов, гидрослюды, сидерита, кварца и органического вещества. Метакаолинит содержит в своем составе аморфные кремнезем и глинозем, обладающие хорошими адсорбционными свойствами.
Минералогический состав легкой фракции в основном представлен кварцем, группой полевых шпатов, обломочными кремнистыми и кварцево-кремнистыми породами, кальцитом и оксидами железа. Наличие муллита и отсутствие термоэффектов, характерных для глинистых минералов, свидетельствует о том, что обжиг основной массы породы происходил при температуре, превышающей 1000 оС.
-1-1-Г"
30 2« 26 24
22
20 18 16
12 10
■■■ :. ■■ ■■::!: , ■ : , : V ■ ■■■ : : Т, °С
б
Рис. 2. Рентгенограмма (а) и термограмма (б) горелой породы шахты им. Воровского
Исследуемые горелые породы представлены осадочными породами (аргиллитами и песчаниками),
а
аморфизованными при температуре горения - 500 -1200 оС и поэтому состоящими из метастабильного глинистого вещества (60 - 80 %) с включениями стек-лофазы (1 - 3 %). Остальная часть горелых пород содержит кварц, кристаболит, тридимит (12 - 15 %), полевые шпаты, муллит, кордиерит, гематит (10 -20 %), кальцит, гипс (3 - 5 %). В химическом составе породной массы отвала преобладают оксиды кремния, алюминия, железа. Содержание оксидов кальция, магния, калия, натрия, серы незначительно. Уголь в чистом виде в породной массе присутствует, но его содержание невелико. Присутствуют видоизмененные модификации угля типа коксовых и полукоксовых остатков, графитизированный и коллоидальный уголь [6].
Известно, что даже в пределах одного террикона состав и свойства пород неоднородны, что значительно ограничивает объемы их утилизации. Породная масса из отвала без сортировки и переработки может быть использована для сооружения земляного полотна, подстилающих слоев дорожной одежды, дренирующих устройств [6, 7]. Для использования горелых пород в конструкционных слоях дорожных одежд должна быть проведена комплексная оценка качества горелопородного сырья на соответствие требованиям нормативно-технической документации (НТД) по направлению применения. Для этого выполняются аналитико-лабораторные исследования. Этот подход заключается в получении первичной информации по химическому и вещественному составу сырья. В дальнейшем проводятся физико-механические и технологические испытания, по которым дается полная оценка качества сырья в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Рациональные сочетания методов исследований позволяют разработать оптимальные технологические схемы пере-
работки горелопородного сырья для устранения тех признаков, которые препятствуют его использованию по выбранному направлению, повысить его кондиционность и определить промышленную ценность.
В работах [8, 9] приведены физико-механические свойства материалов - заполнителей, полученных из горелых шахтных пород при их дроблении и фракционировании. При дроблении пород и обогащении по прочности получены фракции щебня: 5 - 10, 10 - 20, 20 - 40, 40 - 80 мм и отсевы дробления. Физико-механические свойства полученной продукции отвечают нормативным требованиям на нерудные строительные материалы. Так, марка по дробимости минимальная 600, максимальная - 1200, по морозостойкости - не менее F50. Щебень выдерживает испытания на устойчивость структуры против всех видов распада. Поверхность частиц неокатанная, шероховатая. Заполнители не содержат глинистых и илистых частиц, глины в комках. Марка по водостойкости - В1 (потеря массы после насыщения водой и высушивания менее 1 %).
На рис. 3 и 4 приведены варианты дорожных одежд, в конструкционных слоях которых используются фракционированные заполнители из горелых шахтных пород.
При переработке горелых пород образуется два вида отсевов: прямой (первичный), продукт предварительного грохочения породы перед дроблением, и отсев дробления. Отсев дробления по зерновому составу является крупнозернистым материалом с модулем крупности свыше 2,5. В составе отсева содержится щебеночная фракция 5-10 мм в количестве от 5 до 30 %. Прочность по дробимости этой фракции 800 и 1000. Коэффициент фильтруемости отсева дробления от 3 до 11 м/сут. По классификации Н.Н. Маслова [10] они относятся к хорошо водопроницаемым.
Рис. 3. Конструкция дорожных одежд подъездных дорог промышленных предприятий из горело-породных заполнителей: а — 1 — мелко-зернистый асфальтобетон, фракция щебня до 15 мм, h = 26 см; 2 — щебень фракции 5 — 10 мм, h = 26 см; 3 — песок, h = 15 см; б — 1 - мелко-зернистый асфальтобетон, фракция щебня до 15 мм, h = 5 см; 2 — черный щебень фракции 5 — 10 мм, h = 20 см; 3 — песок, h = 35 см
Рис. 4. Конструкция дорожных одежд усовершенствованного облегченного типа из горелопородных заполнителей: а — 1 - поверхностная обработка, фракция щебня 5-10 или 10 - 15 (20) мм;
2 — щебень фракции 5 — 40 мм, обработанный битумом, h = 8 см; 3 — щебень фракции 40 - 80 (150) мм, h = 20 см; 4 — песок, h = 26 см; б - 1 - поверхностная обработка, фракция щебня 5 — 10 или 10 — 15 (20) мм; 2 — щебень фракции 5 — 40 мм, обработанный битумом, h = 8 см;
3 — щебень фракции 40 — 80 (150) мм, h =16 см;
4 — песок, h = 16 см
