CC BY
57
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
УДК 625.855 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-3-65-69
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМОГРАНИТА В ДОРОЖНОЙ ОТРАСЛИ
© 2019 г. Л.Д. Попова, Н.Д. Яценко, О.И. Сазонова, Р.В. Саванчук, В.И. Григорьев
Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия
THE APPLICATION OF THE WASTE PRODUCTION OF CERAMIC GRANITE IN THE ROAD SECTOR
L.D. Popova, N.D. Yatsenko, O.I. Sazonova, R. V. Savanchuk, V.I. Grigoriev
Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia
Попова Лилия Дмитриевна - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия. E-mail: popova.liliya7@yandex.ru
Яценко Наталья Дмитриевна - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Сазонова Ольга Ивановна - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Саванчук Римма Васильевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Григорьев Владимир Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Popova Liliya Dmitrievna - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia. E-mail: popova.liliya7@yandex.ru
Yatsenko Natalia Dmitrievna - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Sazonova Olga Ivanovna - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Savanchuk Rimma Vasilievna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Grigoriev Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Проведены исследования возможности применения отходов, образующихся при производстве кера-могранита в дорожной отрасли в качестве заполнителя асфальтобетонных смесей. Утилизация этих отходов путем возврата в производственный цикл технологией получения керамогранита не предусмотрена, поэтому их накопление является источником экологических проблем. Установлена необходимость и возможность утилизации отходов керамогранита в дорожной отрасли, обеспечивающаяся регулированием гранулометрического состава, который отличается дисперсностью при резке, окантовке и полировке керамогранита. Приведены результаты исследований основных физико-механических свойств, традиционно используемых в дорожном строительстве природных материалов и керамограни-та. Выявлено, что данный материал обладает рядом более высоких физико-механических характеристик, чем широко применяемые наполнители асфальтобетонов. Использование таких отходов позволит повысить прочностные характеристики, безопасность эксплуатации и долговечность асфальтобетонных покрытий, а также улучшить экологическую обстановку в регионах производства керамогранита.
Ключевые слова: дорожное покрытие; минеральные заполнители; асфальтобетон; керамогранит; прочностные характеристики.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Studies of the possibility of using waste generated in the production of granite in the road industry as a filler of asphalt mixtures. Disposal of these wastes by returning to the production cycle technology of obtaining porcelain is not provided, so their accumulation is a source of environmental problems. The necessity and possibility of utilization of waste granite in the road industry, provided by the regulation ofparticle size distribution, which is characterized by dispersion during cutting, edging and polishing of granite. The results of studies of the basic physical and mechanical properties, traditionally used in road construction of natural materials, and granite. As a result of laboratory tests, it was found that this material has a number of higher physical and mechanical characteristics than the currently widely used asphalt concrete fillers. The use of such waste will improve the strength characteristics, safety and durability of asphalt concrete coatings, as well as improve the environmental situation in the regions of production of granite.
Keywords: road surface; mineral aggregates; asphalt concrete; porcelain tile; strength characteristics.
Развитие всех без исключения отраслей российской экономики в современных условиях требует решения ряда вопросов по улучшению работы дорожно-транспортной отрасли, что позволит повысить скорость и частоту отправки транспортных единиц, обеспечит надежность и снижение себестоимости перевозок [1].
Основными направлениями развития автодорожной инфраструктуры, являющейся лидером дорожной промышленности, являются:
- увеличение общей протяженности и распространения в ранее недоступные районы автодорожных путей сообщения;
- улучшение качества, долговечности, а следовательно, безопасности эксплуатации дорожных покрытий;
- изменение требований нормативно-технической документации, регулирующей качество дорожных покрытий с учетом зарубежного опыта.
Поэтому разработка составов, внедрение новых, ранее не использовавшихся в дорожных покрытиях материалов, является одной из актуальных задач, от решения которой в наибольшей степени зависит дальнейшее развитие автодорожной отрасли.
Как известно [2, 3], основные эксплуатационные свойства асфальтобетона, широко применяемого в настоящее время, определяются его структурой, которая зависит от плотности и пористости минеральной основы и количества вяжущего вещества.
Составляющие части асфальтобетона в процессе формирования в единый монолитный материал сохраняют свои изначальные свойства, а химическое взаимодействие твердых и жидких компонентов происходит лишь на границе раздела фаз [3].
Толщина битумных пленок, формирующихся на поверхности минеральных зерен, различна, но невелика - от долей микрометра до нескольких микрометров. Однако создание на
поверхности минеральных зерен адсорбционно-сольватных оболочек способствует повышению физико-механических и эксплуатационных свойств, улучшению однородности структуры.
Поэтому решение задачи повышения устойчивости к механическим нагрузкам за счет снижения доли битумного вяжущего и увеличения доли минеральных заполнителей в асфальтобетонной смеси малоперспективно, так как в этом случае ограничивается связность структуры асфальтобетонного покрытия в целом.
Повышение эксплуатационных свойств дорожной одежды возможно благодаря материалам, применяемым в качестве заполнителей.
Проведено огромное количество исследований по использованию в качестве заполнителей асфальтобетонов природных сырьевых материалов - малопрочных известняков, пемзы, перлита [4 - 7], искусственно синтезированных -керамзита [8], обожженных вспученных сланцев, дорожных ситаллов [9], а также техногенных материалов - отходов металлургического производства, зол и шлаков ТЭС и т.д. [10, 11].
Результатом применения этих материалов является улучшение некоторых свойств асфальтобетонных покрытий, в частности, прочности, трещиностойкости, водостойкости, шероховатости покрытий. Однако может изменяться биту-моемкость асфальтобетонной смеси.
В связи с этим перспективным представляется использование отходов производства кера-могранита: измельченный бой готовых изделий, а также отходы после процесса его резки, окантовки, полировки.
Ранее в нашей стране керамогранит не производился, но благодаря своим высоким эстетическим и эксплуатационным характеристикам он завоевал популярность среди отделочных материалов. Начиная с 2000 г., его производство стало развиваться быстрыми темпами [12]. Уже к 2013 г. суммарная производственная мощность
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
отечественных предприятий, выпускающих ке-рамогранит, достигла 230,3 млн м2 в год.
Учитывая, что в брак в данном производстве отходит в среднем около 7 - 8 %, количество боя составляет 18,42 млн м2 в год. Следует отметить, что переработка боя в качестве возвратных отходов технологией керамогранита не предусмотрена. Поэтому количество этих отходов с каждым годом также стремительно растет и является источником экологических проблем. Средняя масса 1 м2 составляет около 20 кг. Тогда все образующееся количество боя в стране будет весить 368480 т. При плотности данного материала около 1,42 г/см3, он займет объем около 259437 м3 (насыпная плотность материала гораздо ниже, соответственно этот объем еще больше). Таким образом, разработка технологии утилизации данного материала, исключающая его накопление в окружающей среде, чрезвычайно актуальна.
Согласно данным производителей [12], именно благодаря технологии производства, включающей тщательное измельчение сырья, прессование при повышенном давлении, обжиг при температуре 1200 °С, керамогранит обладает повышенными износостойкостью, твердостью, плотностью, морозостойкостью, низким водопо-глощением, отсутствием набухания в воде. Структура его более совершенна по сравнению с природным гранитом из-за отсутствия дефектов кристаллической решетки, характерных для природных материалов. Поэтому керамогранит по прочностным характеристикам превосходит природный гранит.
В опубликованных литературных источниках недостаточно данных о химическом составе и свойствах керамогранита в измельченном состоянии. В связи с этим нами был проведен сравнительный анализ химических составов природного гранитного щебня двух месторождений и керамогранита (табл. 1).
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Химический состав материалов определяли с помощью количественного анализа по ГОСТ 2642-97. Из результатов видно, что химический состав керамогранита близок широко применяемому природному материалу, но содержит большее количество щелочных и щелоч-но-земельных компонентов. Такое повышение основности химического состава положительно сказывается на адгезии битума к поверхности минерального заполнителя согласно общепринятым выводам многих исследователей асфальтобетонов [2 - 4].
Были проведены исследования основных физико-механических характеристик измельченного керамогранита в сравнении с наиболее часто применяемыми заполнителями для асфальтобетонов по методикам ГОСТ 8269.0-97 (твердость по Моосу в соответствии с ГОСТ 27180-2001).
Керамогранит исследовали в виде боя изделий размером кусков 0,5 - 7,0 мм, так как гранулометрический состав при необходимости может легко регулироваться технологически в этих пределах [12].
Отходы процессов резки, окантовки и полировки керамогранита имеют более однородный и мелкозернистый гранулометрический состав, соответствующий при мокром рассеве на сите № 0315 остатку не более 8 %, № 0071 - 30 %.
Следует отметить, что, несмотря на идентичный химический состав, из-за отличий в гранулометрическом составе в структуре асфальтобетона эти материалы будут проявлять себя по-разному. Бой готовых изделий керамогранита может замещать мелкие фракции щебня и крупные фракции песка, т. е. выступать в качестве скелетообразующего материала, а тонкоизмель-ченные отходы - в роли минерального порошка, увеличивая удельную площадь поверхности заполнителя и повышая плотность асфальтобетонной смеси.
Таблица 1 / Table 1
Химический состав исследуемых заполнителей / Chemical composition of the studied aggregates
Наименование материала Содержание, %
SiO2 AkO3 CaO MgO K2O+Na2O Fe2O3 TiO2 п.п.п. Орг. примеси
Щебень дорожный ООО «Донской камень» 72,12 12,87 1,80 0,80 3,25 4,20 0,6 4,21 0,42
Щебень дорожный павловского карьера 66,40 16,42 1,80 1,90 3,25 2,6 0,54 1,7 0,46
Керамогранит(бой) 64,50 17,65 10,50 7,15 12,25 1,30 0,21 0,00 0,00
Отходы полировки, окантовки керамогранита 65,00 17,62 10,56 7,20 12,21 1,35 0,22 0,00 0,00
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Сравнительная характеристика основных физико-механических свойств исследованных заполнителей приведена в табл. 2.
Таблица 2 / Table 2
Физико-механические свойства заполнителей для асфальтобетона / Physical and mechanical properties of aggregates for asphalt concrete
Из приведенных данных видно, что керамо-гранит даже в измельченном (кусковом) виде обладает необходимыми физико-механическими характеристиками, позволяющими применять его в качестве заполнителя в составе асфальтобетонов.
Крайне низкое водопоглощение керамо-гранита свидетельствует о низкой пористости. В этом случае зависящая от нее фильтрация битума в результате избирательной диффузии компонентов будет сведена к минимуму. Таким образом, наиболее подвижная составляющая битума - масла - не будут проникать по капиллярам глубоко внутрь зерен наполнителя, что обеспечит большую эластичность битумных пленок и долговечность асфальтобетонного покрытия в целом.
Отличие в значениях твердости позволит создавать композиции заполнителей, чтобы эти материалы, дополняя друг друга по прочностным характеристикам, по-разному работали на истирание при эксплуатации. Это позволит обеспечить шероховатость дорожного покрытия, а следовательно, безопасность движения по его влажной поверхности.
Для оценки адгезии битума на исследуемых заполнителях пользовались методом А -«пассивное» сцепление по ГОСТ 11508-74. Данный метод позволяет лишь качественно оценить адгезию битумного вяжущего, но является наиболее общепринятым и доступным.
Для испытаний был выбран битум марки БНД 60/90, так как такой материал может применяться в широком интервале температур эксплуатации от - 5 до - 20 °С (климатические зоны
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
II, III, IV). Перед испытанием образец битума обезвоживали нагреванием до 105 °С при перемешивании. Обезвоженный и расплавленный до подвижного состояния битум процеживали через сито № 07.
Образцы природного гранитного щебня и керамогранита промывали до прозрачной воды и сушили при 105 - 110 °С в течение 2 ч.
Для приготовления битумоминеральной смеси в две фарфоровые чашки взвешивали по 100 и по 10 г каждого заполнителя. Чашки выдерживали в течение 20 мин в термостате при 130 - 140 °С, перемешивали с битумом металлической ложкой до покрытия всей поверхности каждого вида заполнителя. Затем смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 20 мин.
На металлическую сетку № 05 с проволочными дужками выкладывали битумоминераль-ную смесь, распределяли ее равномерным слоем и опускали в стакан с кипящей дистиллированной водой на 30 мин (высота воды под сеткой и над смесью 50 мм). Сетки по окончании кипячения помещали в стаканы с холодной водой, после выдержки в течение 3 - 5 мин переносили на фильтровальную бумагу для оценки результата. В результате установлено, что на поверхности обоих видов исследуемых материалов образуются пленки битума светло-коричневого и коричневого цвета, процент сплошности пленок составляет 90 - 95 %, что вполне соответствует требованиям ГОСТ.
Таким образом, можно сделать заключение о возможности применения отходов керамограни-та в качестве заполнителя асфальтобетонов, который, согласно основным физико-механическим свойствам, позволит получать дорожные покрытия с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками. Применение таких дорожных покрытий перспективно с точки зрения их долговечности, а также позволит решить ряд экологических проблем.
Литература
1. Метцель М. Путин поставил задачи по развитию транспортной системы России // Послание Владимира Путина Федеральному собранию. 2018. URL: https://tass.ru/ ekonomika/5009652 (дата обращения 28.03.2019).
2. Богуславский А.М., Ефремов Л.Г. Асфальтобетонные покрытия. М.: МАДИ, 1981. 146 с.
3. Дорожно-строительные материалы: учебник для автомобильных дорожных институтов / И.М. Грушко, И.В. Королев, И.М. Борщ, Г.М. Мищенко. М.: Интеграл, 2015. 386 с.
4. Дорожный асфальтобетон / Н.Н. Иванов [и др.]; под ред. Л.Б. Гезенцвея. М.: Транспорт, 1976. 336 с.
Показатели Гравий горный Известняковый щебень Щебень гранитный Керамо-гранит
Плотность, г/см3 2,60 2,45 2,65 2,60
Насыпная плотность, г/см3 1,35 - 1,45 1,26 - 1,32 1,32 - 1,39 1,35 - 1,42
Твердость по Моосу 5 - 6 3 - 5 5 - 7 7 - 8
Основные фракции, мм 3 - 10; 5 -20; 20 - 40; 40 - 70 5 - 20; 20 - 40; 40 - 70 отсев (0 - 5); 5 - 10; 5 - 20; 20 - 40; 40 - 70 регулируется
Морозостойкость, циклов 100 - 200 25 - 150 50 - 200 300
Водопоглощение, % 0,5 - 3 2 - 5 0,2 - 0,7 0,02
Прочность на сжатие, МПа 80 - 120 40 - 80 120 - 140 240
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
5. Свойства асфальтобетона из малопрочных известняков / А.М. Щербаков, В.Г. Андриевский, В.В. Толмачева, С.В. Шадрова // Автомобильные дороги. 1987. № 3. С. 22 - 23.
6. Использование шлакопемзового песка в асфальтобетоне / П.С. Щербина, А.С. Пачернин, Ю.Е. Илларионов, Н.Г. Ехлакова // Автомобильные дороги. 1982. № 8. С. 25 - 26.
7. Седакова М.Т. Конференция «Производство и применение перлита и перлитовых изделий в строительстве» // Строительные материалы. 1973. № 10. С. 37 - 38.
8. Салминен Э.О. Применение керамзита в дорожном строительстве Финляндии // Автомобильные дороги. 1976. № 12. С. 28 - 29.
9. Асфальтовый бетон с применением искусственного щебня (дорсил) / В.Н. Кононов, М.И. Клейман, А.С. Случ,
К.А. Гиоев, Э.С. Файнберг, С.П. Чернова // Автомобильные дороги. 1976. № 3. С. 22 - 23.
10. Самодуров С.И., Расстегаева Г.А., Расстегаева ЛН. Комплексное использование побочных продуктов и отходов металлургической промышленности в асфальтобетоне // Изв. вузов. Строительство. 1994. № 12. С. 51 - 56.
11. Использование пиритного огарка в качестве минерального наполнителя в асфальтобетонах / Ш.Х. Аминов, И.Б. Струговец, Г.Г. Ханнанова, И.В. Недосеко, В.В. Бабков // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 42 - 43.
12. Колина Е. Российский рынок керамической плитки и керамогранита в 2017 году вырос на 8 %. Сантехника и керамика 11 июля 2018 URL: http://www.indexbox.ru/news/ rossijskij-rynok-keramicheskoj-plitki-i-keramogranita-v-2017-godu-vyros-na-8 (дата обращения 28.03.2019).
References
1. Mettsel' M. Putin postavil zadachi po razvitiyu transportnoi sistemy Rossii [Putin set tasks for the development of the transport system of Russia]. Poslanie Vladimira Putina Federal'nomu sobraniyu - 2018. Available at: https://tass.ru/ekonomika/5009652. (Accessed 28.03.2019)
2. Boguslavskii A. M. Asfal'tobetonnyepokrytiya [Asphalt pavement]. Moscow: MADI, 1981, 146 p.
3. Grushko I.M. Dorozhno-stroitel'nye materialy. Uchebnikdlya avtomobil'nykh dorozhnykh institutov [Road construction materials. Textbook for automobile road institutes]. Moscow: Integral, 2015, 386 p.
4. Ivanov N. N. et al. Dorozhnyi asfal'tobeton [Asphalt road]. Moscow: Transport, 1976, 336 p.
5. Shcherbakov A.M. et al. Svoistva asfal'tobetona iz maloprochnykh izvestnyakov [Properties of asphalt concrete and low-strength limestone]. Avtomobil'nye dorogi, 1987, no. 3, pp. 22 - 23. (In Russ.)
6. Shcherbina P. S.et al. Ispol'zovanie shlakopemzovogo peska v asfal'tobetone [Use shlapentokh sand in asphalt concrete]. Avtomobil'nye dorogi, 1982, no. 8, pp. 25 - 26. (In Russ.)
7. Sedakova M.T. Konferentsiya «Proizvodstvo i primenenie perlita i per-litovykh izdelii v stroitel'stve» [Conference "Production and application of perlite and perlite products in construction"]. Stroitel'nye materialy, 1973, no. 10, pp. 37 - 38. (In Russ.)
8. Salminen E.O. Primenenie keramzita v dorozhnom stroitel'stve Finlyandii [the Use of expanded clay in road construction in Finland]. Avtomobil'nye dorogi, 1976, no. 12, pp. 28 - 29. (In Russ.)
9. Kononov V.H. et al. Asfal'tovyi beton s primeneniem iskusstvennogo shchebnya (dorsil) [Asphalt concrete using artificial crushed stone (used Dorcel)]. Avtomobil'nye dorogi, 1976, no. 3, pp. 22 - 23. (In Russ.)
10. Samodurov S.I. et al. Kompleksnoe ispol'zovanie pobochnykh produktov i otkhodov metallurgicheskoi promyshlennosti v asfal'tobetone [Integrated use of side products and wastes of metallurgical industry in asphalt concrete]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo, 1994, no. 12, pp. 51 - 56. (In Russ.)
11. Aminov Sh.Kh. T al. Ispol'zovanie piritnogo ogarka v kachestve mineral'nogo napolnitelya v asfal'tobetonakh [Use of pyrite cinder as a mineral filler in asphalt concrete]. Stroitel'nye materialy, 2007, no. 9, pp. 42 - 43. (In Russ.)
12. Kolina E. Rossiiskii rynok keramicheskoi plitki i keramogranita v 2017 godu vyros na 8% [The Russian market of ceramic tiles and porcelain tiles in 2017 increased by 8 %]. Santekhnika i keramika. Available at: http://www.indexbox.ru/news/rossijskij-rynok-keramicheskoj-plitki-i-keramogranita-v-2017-godu-vyros-na-8. (Accessed 28.03.2019)
Поступила в редакцию /Received 16 апреля 2019 г. /April 16, 2019
