CC BY
83УДК 691.168
Л.И. ХУДЯКОВА, канд. техн. наук, (lkhud@binm/bscnet), О.В. ВОЙЛОШНИКОВ, канд. техн. наук
Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6)
Перспективы использования серпентинизированных пород в качестве минерального порошка для асфальтобетона
Рассмотрена возможность использования серпентинизированных пород в качестве минерального порошка при производстве асфальтобетонов. Изучена зависимость адсорбционной активности порошков от их удельной поверхности, времени взаимодействия с битумом, а также вида измельчаемой породы. Лучшими показателями адсорбции обладают минеральные порошки из серпентинита, измельченного до величины удельной поверхности 300 м2/кг. Время адсорбции битума на его поверхности должно составлять не менее 15 мин. Изучены физико-химические свойства порошков. Установлено, что у них низкая пористость, повышенная водостойкость, они не набухают при смешивании с битумом. По своим характеристикам минеральные порошки из серпентинизированных пород соответствуют требованиям ГОСТа и могут применяться в качестве сырьевого материала в дорожном строительстве.
Ключевые слова: минеральный порошок, асфальтобетон, битум, серпентинизированные породы, адсорбция.
Для цитирования: Худякова Л.И., Войлошников О.В. Перспективы использования серпентинизированных пород в качестве минерального порошка для асфальтобетона // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 50-53.
L.I. KHUDYAKOVA, Candidate of Sciences (Engineering), (lkhud@binm/bscnet), O.V. VOYLOSHNIKOV, Candidate of Sciences (Engineering)
Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (6, Sakhyanovoy Street, 670047, Ulan-Ude, Russian Federation)
Prospects of the Use of Serpentinous Rocks as a Mineral Powder for Asphalt Concrete
The possibility of using serpentinous rocks as a mineral powder, when producing asphalt concretes, is considered. The dependence of adsorption activity of powders on their specific surface, the duration of interaction with bitumen as well as the type of a crushable rock has been studied. Mineral powders prepared of serpentinite, which is crushed to the area of the specific surface of 300 m2/kg, have the best adsorption values. The duration of the bitumen adsorption should be not less than 15 minutes. Physical-chemical properties of the powders have been studied. It is established that they have low porosity, improved water resistance; they don't swell when mixed with bitumen. The characteristics of mineral powders made of serpentinous rocks meet the GOST requirements and can be used as a raw material in road construction.
Keywords: mineral powder, asphalt concrete, bitumen, serpentinous rocks, adsorption.
For citation: Khudyakova L.I., Voyloshnikov O.V. Prospects of the use of serpentinous rocks as a mineral powder for asphalt concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 50-53. (In Russian).
Производство строительных материалов является одной из материалоемких отраслей, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, в том числе и за счет добычи потребляемых ею минеральных ресурсов.
Как известно, освоение месторождений полезных ископаемых сопровождается огромным количеством вскрышных и вмещающих пород, которые скапливаются в отвалах и представляют экологическую угрозу для окружающей природной среды. Для минимизации негативных воздействий горных производств отходы необходимо ликвидировать на стадии их образования, что является актуальной задачей, требующей повышенного внимания. Основной отраслью, использующей данный вид сырья, является производство строительных материалов.
Огромное количество серпентинизированных горных пород образуется при разработке месторождений меди, никеля, хрома, нефрита и др. Они представляют собой сырье для производства различных видов керамики [1, 2], вяжущих композиций [3], бетонов [4]. Одно из перспективных направлений использования серпенти-низированных пород — получение минерального порошка для асфальтобетонных смесей.
Традиционно в данной отрасли используют порошки из карбонатных горных пород [5]. Однако в последнее время проводятся исследования по получению минеральных порошков из кремнеземсодержащих пород [6—8], отсевов их дробления [9], отходов добычи бора [10], медно-никелевого [11] и металлургического [12] производств, а также стеклобоя [13], бетонной и кирпичной пыли [14, 15], золы-уноса [16—18] и др.
Ранее проведенные исследования [19, 20] показали, что породы, имеющие в своем составе большое количество катионов кальция, магния и железа, обладают высокой сорбционной активностью, взаимодействуют с битумом с образованием прочных связей и оказывают на него структурирующее действие. Серпентинизиро-ванные горные породы содержат много оксидов магния и железа и должны хорошо сорбировать битум на своей поверхности. Целью настоящей работы явилось получение новых видов минеральных порошков из техногенного сырья для асфальтобетонных смесей.
Объектом исследований служили отходы горного производства в виде серпентинизированных пород — серпентинизированных дунитов и серпентинитов, химический состав которых (мас. %) приведен в табл. 1.
С целью перевода в мелкодисперсное состояние породы измельчали в стержневом вибрационном измельчителе. Полученные порошки изучали на предмет пригодности для использования в качестве минеральных порошков согласно ГОСТ Р 52129—2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминераль-ных смесей. Технические условия».
Для установления соответствия требованиям ГОСТа по зерновому составу был выполнен ситовой анализ исследуемых порошков, который показал возможность их использования в качестве минерального порошка для асфальтовых вяжущих. В табл. 2 приведен состав порошков из серпентинизированных пород.
Как известно, при взаимодействии с минеральным порошком происходит адсорбция битума на его поверхности. Количество адсорбированного битума оказывает влияние на качество не только вяжущего, но и асфаль-
50
сентябрь 2017
Таблица 1
Порода SiO2 AI2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO K2O +Na2O ППП
Серпентинит 40 0,3 1,64 3,7 0,22 40,04 0,08 12,52
Серпентинизированный дунит 34,94 0,91 7,59 5,92 0,41 39,07 0,09 9,18
Таблица 2
Размер сит, мм Частные остатки, % Полные остатки, % Полные проходы, % Требования ГОСТ Р 52129-2003
Серпентинизированный дунит
1,25 0 0 100 Не менее 95
0,315 6,8 6,8 93,2 80-95
0,16 5,2 12 88 -
0,071 4,8 16,8 83,2 Не менее 60
< 83,2 100 0 -
Серпентинит
1,25 0 0 100 Не менее 95
0,315 6 6 94 80-95
0,16 5,7 11,7 88,3 -
0,071 6,2 17,9 82,1 Не менее 60
< 82,1 100 0 -
Таблица 3
Наименование показателя Требования ГОСТ Р52129-2003 Материал порошка
Серпентинизированный дунит Серпентинит
Истинная плотность, г/см3 - 3,11 3,34
Пористость, % Не более 40 31,2 30,2
Набухание образцов из смеси порошка с битумом Не более 3 0 0
Водостойкость образцов из смеси порошка с битумом Не более 0,7 0,24 0,21
Влажность, мас. % Не более 2,5 2,1 2,2
тобетона, т. е. адсорбционная активность минеральных порошков обусловливает физико-механические свойства дорожного покрытия. Способность проявлять сорбционные свойства зависит не только от вида породы, ее химического и минералогического составов, но и от зернового состава порошка.
В процессе измельчения материала на его поверхности образуются активные центры, способные к химическому взаимодействию с битумом. Чем выше степень измельчения, тем больше активных центров на поверхности порошка.
В связи с этим изучали влияние величины удельной поверхности минеральных порошков из серпентинитов и серпентинизированных дунитов на адсорбционную активность, которую определяли фотоколориметрическим методом по количеству адсорбированного на их поверхности битума из 0,1% раствора битума в бензоле. Для сравнения использовали традиционный минеральный порошок из карбонатной породы — известняка. Величину удельной поверхности порошков ограничивали 580 м2/кг. Продолжительность испытаний до 90 мин. Полученные результаты представлены на рис. 1.
Как видно из приведенной графической зависимости, порошки с удельной поверхностью 140 м2/кг обладают низкой адсорбционной активностью. Это связано с недостаточным измельчением пород и, как следствие, образованием небольшого количества активных центров на их поверхности, что с учетом сравнительно малой контактной зоны между частицами порошка и битумом обусловливает невысокую активность.
С увеличением удельной поверхности адсорбционная активность порошков возрастает и при 490 м2/кг
достигает своего максимума для серпентинизированно-го дунита и известняка. Серпентинит продолжает сорбировать битум. Следует отметить, что скачок активности порошков из серпентинита наблюдается при изменении его удельной поверхности от 140 до 300 м2/кг, в дальнейшем ее увеличение происходит незначительно.
Как сказано выше, на адсорбционную активность порошков оказывает влияние также время их взаимодействия с битумом и вид измельчаемого материала (рис. 2).
В результате проведенных исследований установлено, что порошки из серпентинизированных пород об-
3
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
140
300
390
490
580
Величина удельной поверхности, м2/кг
Рис. 1. График зависимости адсорбционной активности минеральных порошков от величины их удельной поверхности: 1 - серпентинит; 2 - серпентинизированный дунит; 3 - известняк
J Í . ®
сентябрь 2017
51
ч <
0
g 1
5
10
75
90
15 30 45 60 Время адсорбции, мин
Рис. 2. График зависимости адсорбционной активности минеральных порошков от времени адсорбции: 1 - серпентинит; 2 - серпентинизи-рованный дунит; 3 - известняк
ладают повышенной адсорбционной активностью по сравнению с традиционным порошком из известняка и по своим показателям он на 40% превышает активность известняка. Причем в течение первых 15 мин практически все его активные центры заполняются битумом. Для порошков из серпентинизированного дунита этот период времени составляет 45 мин. Адсорбция битума на поверхности традиционного минерального порошка из известняка происходит в первые 5 мин их взаимодействия. В дальнейшем адсорбции практически не наблюдается.
Химический характер взаимодействия порошков из серпентинизированных пород с битумом подтвержден методом инфракрасной спектроскопии, что выражается, в частности, образованием групп SЮCHз, SiCHз в структуре асфальтовых вяжущих веществ.
Были изучены физико-механические свойства минеральных порошков из серпентинизированных пород, которые представлены в табл. 3.
В проведенных исследованиях установлено, что порошки из серпентинизированного дунита и серпентинита имеют низкую пористость, обладают повышенной водостойкостью, при смешивании с битумом не набухают. Полученные порошки соответствуют требованиям ГОСТ Р 52129—2003 и могут применяться в качестве сырьевого материала при производстве асфальтобетона.
Таким образом, отходы горного производства в виде серпентинизированных пород можно использовать для получения минеральных порошков с высокой структурирующей способностью и для улучшения физико-механических показателей асфальтобетонных смесей. Вовлечение их в производство позволит заменить традиционное сырье на отходы а также снизить негативное воздействие на окружающую среду сокращением объемов отвалов.
Работа выполнена по проекту П.2П/У.46-7 «Новые виды композиционных вяжущих материалов из отходов производства и потребления для дорожного строительства» в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН № П.2П «Интеграция и развитие».
8
7
6
5
4
3
2
Список литературы
1. Гурьева В.А. Магнезиальное техногенное сырье в производстве строительных керамических материалов // Вестник ЮУрГУ. Серия 46 «Строительство и архитектура». 2013. Т. 13. № 1. С. 45-48.
2. Щипцов В.В., Ильина В.П., Попова Т.В., Фролов П.В. Высокомагнезиальные промышленные минералы и горные породы Карелии в потенциальном производстве огнеупоров и керамических материалов различного назначения // Огнеупоры и техническая керамика. 2013. № 4-5. С. 40-46.
3. Эрдман С.В., Постникова А.Н. Водостойкие смешанные магнезиальные вяжущие // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-3. С. 773-778.
4. Пустовгар А.П., Лавданский П.А., Есенов А.В., Медведев В.В., Еремин А.В., Веденин А.Д. Влияние суперпластификаторов и оксида кальция на гидратацию цемента в серпентинитовом бетоне // Научно-технический политематический электронный журнал «Вестник ВолгГАСУ». 2014. Вып. 2 (33). URL: http:// www.vestnik.vgasu.ru (дата обращения 14.06.2017).
5. Бажуков Н.М., Щепетева Л.С. Физико-механические свойства кубовидного минерального порошка и особенности его применения в составе асфальтобетонной смеси // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 4. С. 15-25.
6. Алексеенко В.В., Салтанова Ю.В. Использование модифицированных минеральных порошков при производстве горячего асфальтобетона // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2016. Т. 2. № 2. URL:http://vestnik-nauki.ru/ (дата обращения 14.06.2017).
7. Cheng Y., Tao J., Jiao Y., Guo Q., Li C. Influence of diatomiteand mineral powder onthermal oxidativeageing propertiesof asphalt // Advances in Materials Science and Engineering. Vol. 2015. Article ID 947834. URL:http://dx.doi. org/10.1155/2015/9478348 (дата обращения 14.06.2017).
8. Афиногенов О.П., Вайдуров С.С. Применение в асфальтобетонных смесях минерального порошка из
References
1. Gurieva V.A. Magnesium-containing technogenic raw materials in the production of structural ceramic materials. Vestnik YuUrGU. Seriya «Stroitel'stvo i Arkhitektura». 2013. Vol. 13. No. 1, pp. 45-48. (In Russian).
2. Shchiptsov V.V., Il'ina V.P., Popova T.V., Frolov P.V. High-Mg industrial minerals and rocks of Karelia in potential production of multi-purpose refractory and ceramic materials. Ogneupory i Tekhnicheskaya Keramika. 2013. No. 4-5, pp. 40-46. (In Russian).
3. Erdman S.V., Postnikova A.N. Waterproof compound magnesia cement. Fundamental'nye Issledovaniya. 2013. No. 8-3, pp. 773-778. (In Russian).
4. Pustovgar A.P., Lavdanskiy P.A., Yesenov A.V., Medvedev V.V., Yeremin A.V., Vedenin A.D. Influence of superplasticizer and calcium oxide on cementhydra-tion of in serpentine concrete. Internet-vestnik VolgGASU. Seriya Politematicheskaya. 2014. Vol. 2 (33). http://www. vestnik.vgasu.ru (date of access 14.06.2017). (In Russian).
5. Bazhukov N.M., Shchepeteva L.S. Physical and mechanical properties of the cube-shaped mineral powder and especiallyitsuse in the asphalt mixture. Transport. Transportnye Sooruzheniya. Ekologiya. 2016. No. 4, pp. 15-25. (In Russian).
6. Alekseienko V.V., Saltanova Yu.V. Asphalt mix modified by polymers and nanoparcticle of the carbon. Vestnik Nauki i Obrazovaniya Severo-Zapada Rossii. 2016. Vol. 2. No. 2. http://vestnik-nauki.ru/ (date of access 14.06.2017). (In Russian).
7. Cheng Y., Tao J., Jiao Y., Guo Q., Li C. Influence of diatomiteand mineral powder onthermal oxidativeageing propertiesof asphalt // Advances in Materials Science and Engineering. Vol. 2015. Article ID 947834. URL:http:// dx.doi.org/10.1155/2015/9478348 (date of access 14.06.2017).
8. Afinogenov O.P., Vaydurov S.S. Application in the asphalt mixes of mineral powder from perlite of the Khasynscoe deposit. Molodoy Uchenyi. 2014. No. 2, pp. 104-107. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ ïj Li| i. ~52 сентябрь 2017 ÙJ- fEW.; J L *
9.
10
перлита Хасынского месторождения // Молодой ученый. 2014. № 2. С. 104-107.
Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А., Казарян С.О., Ионов М.Ч. Влияние высокодисперсных отсевов дробления керамзита на структуру и свойства ЩМА // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 82-85. Gurer C., Selman G.S. Investigation of properties of asphalt concrete containing boron waste as mineral filler // Materials Science (Medziagotyra). 2016. Vol. 22. No. 1, pp. 118-125.
11. Василовская Г.В., Шевченко В.А., Киселев В.П. Применение отходов промышленности ГМК «Норильский никель» в производстве дорожного асфальтобетона // Вестник ИрГТУ. 2015. № 3 (98). С. 130-134.
12. Корнеев А.Д., Гончарова М.А., Андриянцева С.А., Комаричев А.В. Оптимизация строительно-технических свойств асфальтобетонов с применением отходов металлургического производства // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-8. С. 1620-1625.
13. Al-Saffar N.A.H. The effect of filler type and content on hot asphalt concrete mixtures properties // Al-Rafidain Engineering. 2013. Vol. 21. No. 6, pp. 88-100.
14. Sutradhar D., Miah M., Chowdhury G.J., Sobhan M.A. Effect of using waste material as filler in bituminous mix design // American Journal of Civil Engineering. 2015. No. 3 (3), pp. 88-94.
15. Bhat M.A., Mittal O.P. Effect of Fillers on bituminous mixes // International Journal of Advanced Research in Education & Technology. 2016. Vol. 3. Iss. 2, pp. 178-182.
16. Kar D., Panda M., Giri J.P. Influence of fly-ash as a filler in bituminous mixes // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2014. Vol. 9. No. 6, pp. 895-900.
17. Маданбеков Н.Ж., Осмонова Б.Ж. Повышение эффективности использования дорожного асфальтобетона путем применения золы-уноса в качестве минерального порошка // Инновационная наука. 2015. № 12. С. 121-124.
18. Маркова И.Ю., Строкова В.В., Дмитриева Т.В. Влияние зол-уноса на вязкоупругие характеристики дорожного битума // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 28-32.
19. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.Ю. Минеральный порошок из природного сырья Республики Бурятия // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 34-35.
20. Дедюхин А.Ю., Кручинин И.Н., Мелькумов В.Н. Применение техногенных отходов переработки хризотила в дорожном строительстве // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2009. № 4. С. 141-147.
9. Borisenko Yu.G., Borisenko O.A., Kazaryan S.O., Ionov M.Ch. Influence of fine-disperse screenings of expanded clay crushing on structure and properties of stone mastic asphalt concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 5, pp. 82-85. (In Russian).
10. Gurer C., Selman G.S. Investigation of properties of asphalt concrete containing boron waste as mineral filler. Materials Science (Medziagotyra). 2016. Vol. 22. No. 1, pp. 118-125.
11. Vasilovskaya G.V., Shevchenko V.A., Kiselev V.P. Application of "Norilskiy Nickel" mining-metallurgical combine industrial waste in road asphalt concrete production. Vestnik IrGTU. 2015. No. 3 (98), pp. 130-134. (In Russian).
12. Korneev A.D., Goncharova M.A., Andriyantseva S.A., Komarichev A.V. Optimization of the composition and properties of asphalt concrete from waste dust production. Fundamental'nye issledovaniya. 2015. No. 2-8, pp. 1620-1625. (In Russian).
13. Al-Saffar N.A.H. The effect of filler type and content on hot asphalt concrete mixtures properties. Al-Rafidain Engineering. 2013. Vol. 21. No. 6, pp. 88-100.
14. Sutradhar D., Miah M., Chowdhury G.J., Sobhan M.A. Effect of using waste material as filler in bituminous mix design. American Journal of Civil Engineering. 2015. No. 3 (3), pp. 88-94.
15. Bhat M.A., Mittal O.P. Effect of Fillers on bituminous mixes. International Journal of Advanced Research in Education & Technology. 2016. Vol. 3. Iss. 2, pp. 178-182.
16. Kar D., Panda M., Giri J.P. Influence of fly ash as a filler in bituminous mixes. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2014. Vol. 9. No. 6, pp. 895-900.
17. Madanbekov N.Zh., Osmonova B.Zh. Increase of efficiency of road asphalt concrete by using fly ash as a mineral powder. Innovatsionnaya Nauka. 2015. No. 12, pp. 121-124. (In Russian).
18. Markova I.Yu., Strokova V.V., Dmitriyeva T.V. Influence of fly ashes on the viscoelastic characteristics of the bitumen. Stroitel'nye Materialy [Construction Materils]. 2015. No. 11, pp. 28-32. (In Russian).
19. Khudyakova L.I., Voyloshnikov O.V., Kotova I.Yu. Mineral powder from natural raw materials of the Republic of Buryatia. Stroitel'nye Materialy. 2013. No. 5, pp. 34-35. (In Russian).
20. Dedyukhin A.Yu., Kruchinin I.N., Mel'kumov V.N. Application of chrysolite processing wastes in road construction. Nauchnyi Vestnik Voronezhskogo Gosudarstven-nogo Arkhitekturno-stroitel'nogo Universiteta. Stroitel'stvo i Arkhitektura. 2009. No. 4, pp. 141-147. (In Russian).
ПОДПИСКА
U О О А С \¿ Т О ПIJIJ U1Л О С О г*1 11.П \|х\/ г» II А п л
мм jMLMiiuMMjrn ииииш ЖУРНАЛА
J J . ®
сентябрь 2017
53
