CC BY
170
УДК: 625.855.3:625.878.06(470.1)
В.Е. Копылов
старший преподаватель, Автодорожный факультет, ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
О.Н. Буренина
канд. техн. наук, заведующий испытательной лабораторией проблем коррозии и старения, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
М.Е. Саввинова
канд. техн. наук, научный сотрудник, испытательная лаборатория проблем коррозии и старения, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
МИНЕРАЛЬНЫЕ ПОРОШКИ ИЗ МЕСТНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
Аннотация. В статье рассмотрена разработка рецептур асфальтовых вяжущих веществ для производства асфальтобетонов с повышенными физико-механическими характеристиками за счет применения минеральных порошков, полученных из местного минерального сырья.
Ключевые слова: асфальтобетон, бинарная система, битум, минеральный порошок, удельная поверхность, механоактивация, гранулометрический состав, щебень, песок.
V.E. Кору!оу, North-Eastern Federal University in Yakutsk
O.N. Burenina, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
M.E. Savvinova, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
MINERAL POWDER FROM LOCAL RAW FOR PRODUCTION OF ASPHALT
Abstract. The article describes the development of the formulations of asphalt binders for the production of asphalt with improved physical and mechanical properties due to the use of mineral powders obtained from local minerals.
Keywords: asphalt concrete, binary system, bitumen, mineral powder, the specific surface area, mechanоactivation, particle size distribution, rubble, sand.
Введение
В настоящее время асфальтобетон является наиболее распространенным материалом для строительства автомобильных дорог с твердым покрытием. Важнейшим составляющим асфальтобетона является асфальтовяжущее вещество - бинарная система, состоящая из битума как среды и минерального порошка как дисперсной фазы [1]. Минеральные порошки имеют развитую удельную поверхность, благодаря чему они являются структурообразующим компонентом асфальтобетона, от качества которого зависят технические и эксплуатационные характеристики дорожного полотна.
Традиционно в качестве минерального порошка применяются тонкомолотые известняки, доломиты и доменные шлаки [1; 2; 3]. Однако в связи с увеличением темпов строительства автомобильных дорог наблюдается нехватка материалов для производства минеральных порошков. Поэтому расширение минерально-сырьевой базы является важной задачей, особенно для регионов с холодным климатом, где дорожные покрытия должны обладать повышенной трещи-ностойкостью, влаго- и морозоустойчивостью.
В связи с этим целью работы является разработка рецептур асфальтовых вяжущих веществ для производства асфальтобетонов с повышенными физико-механическими характеристиками за счет применения минеральных порошков, полученных из местного минерального сырья.
Крупным заполнителем для образцов асфальтобетонов выбран щебень производства ООО «Гранит» из известняка с карьера «Платоновский» Республика Саха (Якутия), удовлетво-
ряющий требованиям ГОСТ 8267-93.
Мелким заполнителем для проведения исследований выбран кварцевый песок, добывающийся на карьере «ДСК» Республика Саха (Якутия), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93.
В качестве вяжущего использован битум БНД 90/130 производства «Башнефть-Уфанефтехим».
В качестве исходного минерального порошка была выбрана карбонатная мука, производимая ОАО ПО «Якутцемент» из известняков Сасаабытского месторождения. Так как гранулометрический состав карбонатной муки не соответствовал ГОСТ Р 52129-2003, в лабораторных условиях к нему добавлялись необходимые фракции порошков из известняков с того же месторождения. Химический состав минерального порошка представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав известнякового минерального порошка
СаО вю2 М2О3 МдО Ре2О3 К2О Ыа2О
41,0-51,0 5,0-14,0 1,5-4,0 0,5-2,5 0,5-1,6 0-0,65 0-0,15
Известно, что минеральные порошки, полученные тонким помолом известняков, являются наилучшими. Высокая пористость зерен известнякового минерального порошка обуславливает его хорошие адсорбирующие свойства по отношению к большей части объемного битума. В адсорбционных слоях битума на поверхности частиц минерального порошка повышается концентрация асфальтенов, благодаря чему повышается вязкость битума, увеличивается степень его структурирования (при оптимальном соотношении «битум - минеральный порошок»). Повышение концентрации асфальтенов происходит ввиду обеднения адсорбционных слоев битума смолами и маслами. Происходит концентрация большей части смол в поверхностных микропорах минерального порошка, а за счет избирательной диффузии часть масел проникает вглубь материала [1; 4].
В качестве порошков из местного минерального сырья для асфальтобетонов были использованы цеолиты Кемпендяйского месторождения (Якутия) и уголь Кангаласского буро-угольного месторождения Республики Саха Якутия. Помимо достаточно обширной сырьевой базы и дешевизны, они обладают развитой удельной поверхностью, пористостью и высокими адсорбционными характеристиками, что позволит обеспечить как снижение себестоимости производства асфальтобетонов, так и улучшение их физико-механических свойств.
Характерной особенностью цеолитов является наличие в плотной кристаллической решетке полостей и каналов, проходящих через весь каркас. Благодаря этому цеолиты обладают высокой удельной поверхностью, чем обуславливается их высокая реакционная способность. Химический состав цеолита и бурого угля приведены в таблицах 2 и 3. [5; 6; 7].
Таблица 2 - Химический состав природного цеолита
вю2 М2О3 МдО Ре2О3 РеО ПО2
62,8 13,0 1,95 1,76 0,40 0,13
Таблица 3 - Химический состав бурого угля
ЭЮ2 Ре2О3 СаО М2О3 МдО Ыа2О ПО2 МпО К2О Р2О5
54,8 17,6 16,2 4,7 2,9 1,9 1,3 0,4 0,3 0,1
Известно, что лучшее взаимодействие битума с минеральным порошком показывают порошки, изготовленные из карбонатных и основных горных пород, за счет более интенсивных процессов физической и химической адсорбции на границе их раздела [1; 2; 8]. Предлагаемые горные породы, из которых изготавливаются минеральные порошки, содержат в своем составе оксиды различных металлов: кремния, алюминия, железа, магния и т.д., что характеризует эти
горные породы как основные. Наличие в составе минеральных порошков оксидов щелочноземельных металлов позволяет предположить о высокой структурирующей способности этих порошков по отношению к битуму [8].
Определение физико-механических характеристик минеральных порошков и асфальто-вяжущих, полученных на их основе проводилось согласно стандартным методикам ГОСТ Р 52129-2003, битумов - согласно ГОСТ 11501-78, ГОСТ 11506-73, ГОСТ 11505-75, ГОСТ 1150778, ГОСТ 18180-72, ГОСТ 4333-87.
Для улучшения реакционной способности минеральных порошков по отношению к битуму была проведена их механоактивация в планетарной мельнице-активаторе АГО-2 в течение 1, 2, 3 минут, в результате которой происходит образование поверхностных дефектов, что приводит к возбуждениям электронной подсистемы. Наличие в поверхностных слоях частицы валентно-ненасыщенных атомов предопределяет высокую химическую и адсорбционную активность по отношению к среде, в которую вводят активированные частицы.
Для проведения механохимической активации ингредиентов связующей композиции минеральные порошки подвергались предварительному обезвоживанию при температуре 110°С.
Энергетическая и адсорбционная способность минеральных порошков повышается с увеличением их дисперсности. Однако минеральные порошки должны обладать некоторым оптимальным показателем дисперсности, для того чтобы не повышать расход битума в асфальтобетонной смеси [1].
Рисунок 1 - Распределение частиц цеолитов по размерам в зависимости от времени механоактивации
Рисунок 2 - Распределение частиц бурых углей по размерам в зависимости от времени механоактивации
Для получения полной картины дисперсности изучаемых минеральных порошков исследование их гранулометрического состава до и после механической активации проводили методом лазерной дифракции на установке РгйбсИ Рагйс!е 81иег «Апа^эейе 22». Результаты исследования
отражают зерновой состав минеральный порошков и показывают сколько процентов всего объема пробы приходится на частицы, находящиеся в определенном размерном диапазоне (рис. 1, 2).
Установлено, что гистограммы распределения частиц минеральных порошков по размерам имеют один максимум с размером частиц до 5 мкм. При механоактивации происходит дальнейший рост максимума, так как частицы подвергаются измельчению. Однако, например, при активации цеолита в течение трех минут наблюдается обратная картина - содержание частиц размером от 0 до 5 мкм уменьшается, что объясняется агрегацией диспергированных частиц. Бурый уголь имеет лучшую размолоспособность по сравнению с другими порошками.
Для анализа возможной контактной поверхности минеральных порошков важно знать форму частиц минеральных порошков. Разработанные порошки были изучены при помощи растрового электронного микроскопа высокого разрешения иБОЬ ивМ-64801У. На рисунках 3-5 представлены микрофотографии минеральных порошков при увеличении в 1000 раз.
Рисунок 3 - Известняковый минеральный порошок
в) г)
Рисунок 4 - Минеральный порошок из природного цеолита: а) исходное состояние; б) подвергнутый механоактивации в течение 1 минуты; в) подвергнутый механоактивации в течение 2 минут; г) подвергнутый механоактивации в течение 3 минут
в) г)
Рисунок 5 - Минеральный порошок из бурого угля: а) исходное состояние; б) подвергнутый механоактивации в течение 1 минуты; в) подвергнутый механоактивации в течение 2 минут; г) подвергнутый механоактивации в течение 3 минут
На микрофотографиях видно, что частицы всех минеральных порошков имеют неправильную форму. На основании этого мы можем делать выводы о развитой контактной поверхности данных порошков и, как следствие, высокой реакционной способности.
Одним из важных показателей минеральных порошков является их удельная поверхность. Именно благодаря развитой удельной поверхности минеральные порошки способствуют структурированию битума и, как следствие, улучшают адгезию вяжущего к каменному материалу.
Для анализа изменения удельной поверхности минеральных порошков при механической активации применен метод одноточечного БЭТ на приборе «Сорбтометр ТМ». Данные текстурных характеристик наполнителя приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Текстурные характеристики минеральных порошков
Наименование и состояние минерального порошка Удельный объем пор, см3/г Удельная геометрическая поверхность, м2/г
Известняковый МП Исходный МП 0,004 8,37
МП из природного цеолита Исходный МП 0,003 6,86
Активированный в течение: 1 минуты 0,003 7,55
2 минут 0,004 8,64
3 минут 0,005 11,08
МП из бурого угля Исходный МП 0 1,05
Активирован-ный в течение: 1 минуты 0,001 1,2
2 минут 0,001 2,49
3 минут 0 0,74
В результате проведенного анализа микроструктуры и текстурных характеристик минеральных порошков показано, что минеральные порошки, подвергнутые механической активации, обладают меньшим размером частиц, большей удельной геометрической поверхностью, а также увеличенным количеством пор по сравнению с исходными порошками.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что применение механохимической активации для подготовки минеральных порошков для асфальтобетонов будет способствовать улучшению структурообразования асфальтовяжущего вещества путем усиления адсорбционных свойств и увеличения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз в системе «битум-минеральный порошок» в связи с увеличением дисперсности и повышением их поверхностной активности, благодаря чему возможно улучшение технических свойств асфальтобетонов.
При соприкосновении двух несмешивающихся фаз происходит проникновение массы одной фазы в другую за счет диффузии вдоль капилляров и в микропоры. Так как микропоры минерального порошка обладают высоким адсорбционным потенциалом, в них сорбируется большая часть поверхностно-активных компонентов битума [4].
Для доказательства адсорбционных процессов, происходящих после взаимодействия минерального порошка и битума, был выполнен групповой анализ битумов. Результаты представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Результаты анализа группового состава битумов
№ Наименование Групповой состав битума, %
Масла Смолы Асфальтены
1 Исходный битум БНД 90/130 36,53 46,37 17,10
2 Битум БНД 90/130 после взаимодействия с минеральным порошком из природного цеолита 34,58 44,77 20,65
3 Битум БНД 90/130 после взаимодействия с минеральным порошком из бурого угля 33,43 42,54 24,03
Полученные данные свидетельствуют о происходящих в битуме изменениях его группового состава после взаимодействия с минеральными порошками из природного цеолита и бурого угля. В обоих случаях наблюдается снижение количества масел и смол, повышение количества асфальтенов. Повышение концентрации асфальтенов в битуме связано с избирательной диффузией части масел вглубь частиц минерального порошка и адсорбции смол в поверхностных слоях частиц минеральных порошков. Благодаря повышению концентрации асфальтенов в битуме увеличивается его вязкость, повышается степень его структурированности, что должно положительно повлиять на адгезию битума к поверхности минеральных материалов.
Таким образом, комплекс исследований, выполненный в данной работе, показал возможность расширения номенклатуры дорожно-строительных материалов за счет применения местного минерального сырья в производстве минеральных порошков для изготовления асфальтобетонов.
Список литературы:
1. Рыбьев, И.А. Асфальтовые бетоны: учеб. пособие [Текст] / Рыбьев, И.А. - М.: Выс.шк., 1969. - 399 с.
2. Горелышев, Н.В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы [Текст] / Горелышев Н.В. - М.: Можайск-Терра, 1995. - 176 с.
3. Котлярский, Э.В. Строительно-технические свойства дорожного асфальтового бетона: учеб. пособие [Текст] / Э.В. Котлярский. - М.: МАДИ (ГТУ), 2004. - 192 с.
4. Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон [Текст] / Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В.,
Богуславский А.М., Королев И.В. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985. - 350 с.
5. Колодезников, К.Е. Кемпендяйские цеолиты - новый вид минерального сырья в Якутии [Текст] / Колодезников К.Е. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984. - 53 с.
6. Николаева, Л.А. Брикетирование бурого угля с использованием модифицированного гудрона [Текст] / Л.А. Николаева, С.Н. Попов. - Саарбрюккен: Международный Издательский Дом LAP Lambert Academic Publishing, 2013. - 122 c.
7. Цицишвили, Г.В. Природные цеолиты [Текст] / Цицишвили Г.В., Андроканишвили Г.Т., Киров Г.Н. - М.: Химия, 1985. - 224 с.
8. Галдина, В.Д. Минеральные порошки из горючих сланцев [Текст] / В.Д. Галдина, Е.В. Гурова, О.И. Кривонос, Е.Н. Терехова, Г.В. Плаксин, Е.А. Райская // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2015. - № 2. - С. 20-24.
