CC BY
28
© A.A. Христофорова, М.Д. Соколова, С.Э. Филиппов, Б.Н. Заровнясв, И.Н. Гоголсв, 2012
УДК 622.271.7, 625.852
A.A. Христофорова, М.Д. Соколова, С.Э. Филиппов, Б.Н. Заровняев, И.Н. Гоголев
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ И МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КАРЬЕРНЫХ ДОРОГ*
Представлены результаты разработки состава дорожной одежды технологических дорог крутонаклонных выработок на нижних горизонтах с применением в покрытии резиновой крошки из отходов шин и песчано-гравийной смеси (ПГС). Для усиления взаимодействия резиновой крошки с дорожным битумом предложено применение механоактивации с нанонаполнителем — природным цеолитом. Установлено, что применение ПГС в качестве минеральной основы для асфальтобетонных смесей является вполне возможным, в случае применения битума, модифицированного резиновой крошкой активированной совместно с цеолитом.
Ключевые слова: нижние горизонты карьеров, технологические карьерные дороги, асфальтобетон, резиновая крошка, цеолит, механоактивация, коэффициент сцепления с дорогой.
Постепенное истощение минерально-сырьевой базы полезных ископаемых при сохранении открытого способа разработки как генерального направления развития горнодобывающих отраслей промышленности России влечет за собой рост глубины горных работ, переход некоторых карьеров в разряд сверхглубоких. Опыт открытой разработки алмазных месторождений показывает, что глубина практически всех отрабатываемых карьеров неоднократно пересматривалась в сторону ее увеличения [1, 2]. При этом непременно встает вопрос транспортирования руды и пород вскрыши с нижних гори-
зонтов на поверхность по наклонным и крутонаклонным съездам. Как правило, дороги зоны интенсивной уг-лубки по технологическим параметрам карьера должны конструироваться со значительно большим уклоном, до 30—37 град. При генеральном угле откоса карьера более 50 град. (рис. 1).
В этих условиях на первый план встает проблема эффективности и безопасности работы транспорта, которая может быть решена путем создания дорожного полотна, обеспечивающего повышенное сцепление колес транспорта с дорогой и снижающего пылеобразование. Предлагается
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках комплексного проекта № 2010-21801-001 по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.
Нк!а
Рис. 1. Конструкция борта карьера с применением крутонаклонных съездов
применять в качестве покрытия технологических дорог углубочной зоны карьеров, асфальтобетон на основе двух видов многотоннажного сырья: песчано-гравийной смеси, вырабатываемой на местных карьерах и дроблёной резины из отработанных автопокрышек.
Основные эффекты использования резиновой крошки в дорожно-строительных материалах [3, 4]: уменьшение образование низкотемпературных трещин, зашита дорожных покрытий от проникновения воды, высокий коэффициент сцепления с колесами автомобилей, повышение приживаемости каменного материала, понижение пылеобразования. Учет перечисленных факторов позволяет обосновать эффективность применения резиновой крошки в составах дорожного покрытия технологических дорог нижних горизонтов карьеров.
Наиболее перспективным направлением при использовании резиновой крошки в асфальтобетоне является модификация вяжущего. Простейшим способом является прямое введение в битум резиновой крошки, однако ма-
териалы, полученные таким образом, зарекомендовали себя с негативной стороны. Асфальтобетон, полученный с применением этих вяжущих подвержен быстрому старению и разрушению из-за выслаивания резиновой крошки, несвязанной с битумом прочными связями.
Указанные недостатки можно устранить путем модификации резиновой крошки перед введением в битум для образования развитого межфазного слоя на границе раздела фаз «резиновая крошка — битум» и повышения адгезии вяжущего к минеральным составляющим асфальтобетона.
В качестве минерального модификатора выбран природный цеолит (преимущественно натриевого состава). В Республике Саха (Якутия) имеются богатые месторождения цеолитов, причем они располагаются в тех же районах, что и алмазные. Относительно малое содержание примесей, высокая термическая стойкость якутских цеолитоносных горных пород (наиболее освоенный пласт Хонгурин — III имеет преимущественно натриевый состав, а цеолиты с одновалентными катионами
более термостойки, чем с двухвалентными) в сочетании с невысокой стоимостью делают природные цеолиты перспективным модификатором разнообразных полимерных материалов [5, 6]. Показано [7], что применение цеолита в композиционных материалах на основе резины, способствует образованию развитого переходного слоя между компонентами. При их введении в матрицу происходит увеличение модуля упругости, прочности, повышение термической стабильности и устойчивости к горению, улучшение электростатических свойств.
Для лучшего смешения и активации модификаторов битума проведена предварительная механоактивация резиновой крошки совместно с цеолитом на планетарной мельнице АГО-2. Мельницы-активаторы такого типа, обеспечивают очень высокий уровень энергетического воздействия на материал (до 60д), что обеспечивает интенсивную поверхностную активацию при сохранении ценных эластических свойств в объеме резины. Режим выбран на основании ранее проведенных работ [8].
Процесс механоактивации резин не сводится только к измельчению материала, при этом протекают и химические процессы (окисление, деструкция, вторичное структурирование). В работе [8] показано, что при механоактивации происходит миграция низкомолекулярных веществ, входящих в состав резиновой смеси (в частности серы), к поверхности резиновой крошки. При этом удельная поверхность увеличивается практически в 2 раза. Применение механоактивации позволяет уменьшить размеры резиновой крошки (рис. 2), кроме того происходит сни-
Рис. 2. Поверхность резиновой крошки (оптический микроскоп МБС-10, х
8): а — неактивированной, б — механоак-тивированной
жение доли зеркальных и увеличение неровных участков на поверхности, образуются следы механического воздействия в виде расслоения частиц. Проведенные исследования показали, что механоактивация усиливает модифицирующее действие резиновой крошки в матрицах, в которые она вводится.
Для асфальтобетонов на основе битумов, наряду с влиянием свойств вяжущего материала, важное значение имеют особенности взаимодействия вяжущего с поверхностью минеральных зерен. Поэтому при проектировании дорожного полотна следует учитывать разнообразие генезиса каменных материалов.
Битум БНД 90/130
Резиновая крошка
Природный цеолит
Песчано-гравийная смесь
Нагрев Т=120-1300С
г
Дозиро вание
Дозирование
Дозирование
Механоактивация в планетарной мельнице АГО-2 мм)
Дозирование
Нагрев Т=130-1400С
Дозирование
Смешение компонентов вяжущего
Рис. 3. Технологическая схема изготовления образцов
Верхние слои дорожных одежд, как правило, проектируют с применением щебня — минерального материала, получаемого путем дробления скальной или горной породы. Он характеризуется прочностью, морозостойкостью, имеет различный зерновой состав (по ГОСТ 8267-93). Для проектирования и строительства собственных технологических и других дорог весьма актуальным для горнодобывающих предприятий, удаленных от промышленных центров регионов, является замещение щебня на каменные материалы местного производства.
Основываясь на «Методических рекомендациях по строительству дорожных одежд с основаниями из битумоминеральных смесей и мест-
ных каменных материалов, укрепленных малоактивными вяжущими или малыми дозами цемента», предложено разработать асфальтобетонную смесь с применением местных каменных материалов (песчано-гравийной смеси ПГС), получаемых при выработке карьеров. В данной работе использовали песчано-гра-вийную смесь, вырабатываемую на алмазодобывающем карьере Накын-ского рудного поля РС (Я) (Нюр-бинский карьер).
Для исследований возможности применения ПГС в составе асфальтобетона, были исследованы основные характеристики асфальтобетонных образцов, изготовленных по технологической схеме, представленной на рис. 3. Проведена сравни-
Таблица 2
Коэффициент сцепления дороги в зависимости от состава дорожного покрьпия
Таблица 1
Физико-механические характеристики асфальтобетона на основе стандартного сырья и песчано-гравийной смеси выработки рудника
Состав асфальтобетона Рт, г/см3 Рм Р т» г/см3 Vм » пор» % V » пор» % W, % Кож, МПа Ир, МПа
Асфальтобетон на основе щебня 2,195 2,052 13,28 7,21 1,62 3,70 3,84
Асфальтобетон на основе ПГС 2,209 2,064 21,79 16,32 1,39 5,25 1,79
Асфальтобетон на основе ПГС и битума, модифицированного резиновой крошкой с цеолитом 2,186 2,043 22,61 17,19 1,80 5,09 0,95
Асфальтобетон на основе ПГС и битума, модифицированного активированной резиновой крошкой с цеолитом 2,228 2,082 21,11 15,58 1,52 6,02 1,02
Примечание. рт, — средняя плотность уплотненного материала, ртм - средняя плотность минеральной части, Vм -пористость минеральной части, V0 - остаточная пористость, Ш - водонасыщение, - предел прочности при сжатии, Ир - предел прочности на растяжение при расколе.
Показатель Асфальтобетон на основе битума без модификатора Асфальтобетон на основе битума, модифицированного активированной резиновой крошкой с цеолитом
Коэффициент сцепления
дороги на:
сухом покрытии 0,30 0,42
влажном покрытии 0,28 0,33
тельная характеристика полученных результатов с результатами исследований асфальтобетона на основе щебня (табл. 1).
Из представленных данных видно, что применение ПГС в качестве минеральной основы для асфальтобетонных смесей является вполне воз-
можным, в случае применения битума, модифицированного резиновой крошкой активированной с цеолитом. По некоторым характеристикам (водонасыщение, предел прочности при сжатии) смеси на основе ПГС превосходят аналоги на 30 %. Это может компенсировать недостатки
других показателей (пористость, предел прочности на растяжение при расколе).
Для разработанного состава асфальтобетона определялся коэффициент сцепления дорожного покрытия с колесами автотранспорта. Покрытие изготовлено по 2 рецептурам:
• асфальтобетон на основе битума без резиновой крошки
• асфальтобетон на основе битума модифицированного активированной резиновой крошкой с цеолитом
В табл. 2 приведены результаты испытаний по определению коэффициента сцепления дорожного покрытия. Коэффициент сцепления определяли с помощью измерителя ИКСП-М [9], предназначенного для измерения показателя при строительстве и ремонте автомобильных дорог, периодическом и текущем контроле состояния дорожных покрытий.
В работе использовались нестандартные методики, что позволяет провести только сравнительный анализ.
Видно, что коэффициент сцепления с дорогой на сухом и влажном асфальтобетоне, модифицированном резиновой крошкой, соответственно выше на 40 % и 18 % по сравнению с базовым асфальтобетоном.
Таким образом, суммарный эффект от замещения щебня на ПГС для строительства технологических карьерных дорог будет во много раз превышать затраты:
• разработанный состав можно применить на участках углубочной зоны карьера с повышенным углом наклона технологических дорог;
• применение сырья собственного производства позволит значительно снизить транспортные расходы;
• применение в качестве основного сырья техногенных отходов (изношенные шины в виде резиновой крошки) и отходов производства ПГС будет способствовать снижению техногенного воздействия на окружающую среду;
• производство асфальтобетона может быть организовано без усложнения технологической схемы, на стандартном оборудовании;
• разработка состава асфальтобетонной смеси, модифицированного природными цеолитами, производимыми в Республике Саха (Якутия), внедрение в массовое производство и информирование широкого круга целевых потребителей за пределами Республики, может способствовать продвижению реализации как готовых изделий с улучшенными свойствами, так и добавок на основе якутского цеолита.
1. Тарасов П. И, Глебов A.B., Фурин В.О., Ворошилов А.Г. Необходимость создания новых углубочных комплексов для кимберлитовых карьеров Якутии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — №3. — С. 277—282.
2. Сытенков В.Н., Абдуллаев У.М. Разработка сценария развития карьера «Мурун-тау» на длительную перспективу// Горный
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
журнал. — 2002. Специальный выпуск. — С. 45—50.
3. Лаврухин В.П., Калгин Ю.И. Свойства асфальтобетонов на модифицированных битумах // Наука и техника в дорожной отрасли. -2002. -№ 1. — С. 14—17.
4. Хафизов Э.Р., Хабибуллина Э.Н., Брехман А. И. О некоторых свойствах асфальтобетона на битумполимерном вяжу-
щем. // Материалы II Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера». Казань: КГТУ им. А.Н Туполева. -2001. — С 121.
5. Герасимова В.Н. Природные цеолиты как адсорбенты нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития. — 2003. — №3. — С. 481—488.
6. Горяинов С.В., Белицкий И. А. Природные цеолиты России // Тез. докл. Респ. совещания 25-27 ноября 1991г. Новосибирск. — 1992. — том 1. — С. 62.
7. Соколова М.Д., Давыдова М.Д.. Шад-ринов Н.В. Технологические приемы, обеспечивающие повышенную структурную активность цеолита в полимерэластомерных композициях // Каучук и резина. — 2010. — N 6. — С. 16—20
8. Христофорова А.А., Соколова М.Д. Механоактивационный способ обработки измельченных вулканизатов// Химия в интересах устойчивого развития — 2009. — № 4, С 435—438.
9. http://www.rdt.ru/node/106. ГГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Христофорова Александра Афанасьевна — научный сотрудник, е-таИ: [email protected],
Соколова Марина Дмитриевна — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник,
е-таП: [email protected],
Институт проблем нефти и газа СО РАН,
Филиппов Семен Эдуардович — ассистент, E-mail: [email protected], Заровняев Борис Николаевич — доктор технических наук, профессор, е-mail: [email protected],
Гоголев Илья Николаевич — аспирант, е-mail: [email protected], Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова.
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ДОЛЛАРИЗАЦИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ И ВНЕШНИЕ ВАЛЮТНЫЕ ИНТЕРВЕНЦИИ
(№ 923/11-12 от 03.09.12, 15 с.)
Анищенко A.B. — преподаватель, e-mail: [email protected] Московский университет Министерства внутренних дел РФ.
DOLLARIZATION NATIONAL ECONOMY AND FOREIGN CURRENCY INTERVENTION
Anishenko A.V.
