CC BY
12
УДК 691.327
Строганов В.Ф. - доктор химических наук, профессор
E-mail: svf08@mail.ru
Рязяпов Ш.А. - соискатель
E-mail: shamil.ryazapov@tatar.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Сравнительная оценка эффективности и обоснование выбора помольных устройств для механоактивации минеральных наполнителей асфальтобетонных смесей
Аннотация
Проведена сравнительная оценка эффективности помольных устройств: шаровой, пружинной мельниц и дезинтегратора - при получении минеральных активных наполнителей. Определены параметры порошков: удельная поверхность и гранулометрический состав. Выполнено обоснование для выбора в качестве помольного устройства для получения активированных порошков - дезинтегратора. Определены показатели качеств асфальтобетонов, модифицированных активным минеральным наполнителем.
Ключевые слова: помольные устройства, активированные минеральные порошки, удельная поверхность, седиментационный анализ, асфальтобетоны.
Введение
Известно, что большинство минеральных порошков, представляющих собой полидисперсные материалы, могут служить структурирующими добавками и компонентами асфальтобетонов. По мнению Рыбьева И.А. [1], в общей минеральной смеси щебня, песка и минерального порошка доминирующее значение адсорбента с высокоразвитой и энергетически активной поверхностью имеет порошкообразный компонент. В этой связи все большее внимание исследователей привлекает применение тонкодисперсных наполнителей и различных помольных устройств для их получения.
Однако, наряду с измельчением минеральных наполнителей, весьма важное значение имеют процессы их физико-химической активации для обеспечения повышения качества показателей дорожных материалов [2].
В основе многих активационных технологий лежат механохимические процессы, при которых механические нагрузки, изменяя структуру материалов, стимулируют протекание химических реакций на их поверхности. Теоретические основы этого направления созданы известным физико-химиком В. Освальдом (начало XX в.), который способствовал зарождению такой науки, как механохимия. Фундаментальные исследования развил и продолжил П.А. Ребиндер. Он отмечал, что цель механохимии состоит в использовании или превращении тех химических реакций, которые вызываются или ускоряются механической активацией.
В дорожном материаловедении основные положения механохимии (трибохимии) успешно применены Рыбьевым И. А, Гезенцвейем Л.Б., Хинтом И. А и др. исследователями, в том числе ими апробированы методы активации минеральных порошков, песка и щебня. Наиболее широко известно применение активированных в шаровой мельнице минеральных порошков из карбонатных пород [2-4]. Активированные порошки позволяют создать более плотную структуру в составе асфальтобетонов. Однако, как отмечают авторы, эти технические решения не обеспечивают необходимый уровень адгезионной связи между компонентами структуры. Тем не менее, модифицированные поверхности частиц минеральных компонентов асфальтобетонов путем применения активационных технологий получают все большее признание и применение [5-6].
Оценивать эффективность помольных устройств наиболее целесообразно по показателям, характеризующим процессы измельчения материалов: результатам седиментационного анализа и гранулометрического состава. Кроме того, важно определить влияние активных наполнителей в составе асфальтобетонных смесей (АБС) на качество асфальтобетонов. Это и является целью данной работы.
Экспериментальная часть
- Определение удельной поверхности (Б) осуществляли на приборе ПСХ-8А (автомат) с диапазоном значений от500 до 50000 см2/г методом Козени-Кармана - по воздухопроницаемости и пористости уплотненного слоя порошка, рассчитывали по формуле [7] для мелкодисперсных порошков (8>1500 см2/г):
Р
где К = 4,21 - постоянная прибора, М - параметр, определяемый по высоте слоя исследуемого порошка, т - продолжительность фильтрации заданного объема воздуха через слой порошка;
3
где Р - масса пробы порошка, г, Ь - высота слоя порошка.
Для грубодисперсных порошков (8<1500 см2/г) вычисляли по формуле:
Я = 1,73 К (начальный период работы шаровой и пружинной мельниц),
Р
где Р - масса пробы порошка, г: Р = 10 р, М3 = ДЬ/З), определяется как 1/3 измеренной высоты слоя порошка (Ь/З), т - продолжительность фильтрации заданного объема воздуха через слой порошка.
Частота и количество отбора проб определялись в соответствии с эффективностью помольного устройства:
- для шаровой мельницы: 14 отборов при времени работы до 116 мин;
- для пружинной мельницы: 22 отбора при времени работы до 76 мин;
- для дезинтегратора: 4 пропуска (до 3 го пропуска Б растет, а после 4го снижается).
Контроль осуществлялся по значению Б: по достижению максимально возможных
значений.
- Седиментационный анализ выполняли в соответствии с методическими указаниями [8] при непрерывном взвешивании осадка на торсионных весах. Анализ заключается в скорости накопления осадка на чашке весов. По результатам анализа строили кривые оседания: зависимость массы осадка от времени V. - рис., а также в виде дифференциальной кривой распределения, построенной по кривой оседания, для чего на оси абсциссе откладывали рассчитанные радиусы (гх), а по оси ординат - значения ДР/Дг для каждой фракции. Весовое содержание каждой фракции выражается площадью соответствующего прямоугольника Р = (ДР/Дг)- Дг. После построения таких прямоугольников для каждой фракции и соединения точек их верхних оснований получали кривую распределения. По этой кривой определяли количественную долю в каждой фракции.
- Помол минеральных материалов осуществляли на устройствах, отличающихся принципом действия: шаровой и пружинной мельницах, а также на дезинтеграторной установке (ДУ).
В отличие от широко используемых шаровых мельниц, в которых усилия деформации частиц материала реализуются в результате давления или падения шаров при небольших скоростях удара, в дезинтеграторе зерна материала ударяются с большой скоростью о пальцы (биты) и дробятся вдоль слабых плоскостей структур.
- Подбор состава АБС проводился с помощью компьютерной программы «Асфальтобетон». Физико-механические показатели асфальтобетонных образцов определяли в соответствии с ГОСТ 12801-98 [9].
Обсуждение результатов
Нами выбран один из вариантов активации: модификации поверхности кварцевого песка пленкой из извести, что должно, на наш взгляд, способствовать увеличению межатомных и межмолекулярных взаимодействий компонентов композиционного материалов - асфальтобетонов.
Необходимо отметить, что песок - кремнезем (8Ю2) и известь - оксид кальция (СаО) в статических (обычных) условиях не взаимодействуют. Для протекания реакции между ними необходимы следующие условия: высокая дисперсность частиц - удельная поверхность (Б) > 3500-4500 см2/г; необходимая влажность песка (Н20)>10% и температура - 80-90 °С. В результате суммарной реакции (1) образуются гидросиликаты Са:
ЗСаО + 8Ю2 + Н20 > ЗСаО • 8Ю2 • Н20
2СаО + 8Ю2 + Н20 > 2СаО • 8Ю2- Н20 Их образование происходит последовательно по следующему механизму: происходит взаимодействие (2) активного СаО с Н20 (гашение извести) с последующим ее взаимодействием (3) с кремнеземом (8Ю2) при температуре 80-90 °С:
СаО + Н20 Са(ОН)2 + 67 (2)
моль
ЗСа(ОН)2 + 8Ю2 ЗСаО • п8Ю2- ЗН20 ^
2Са(ОН)2 + 8Ю2 2СаО • т8Ю2- 2Н20 { }
Оценивая изменение удельной поверхности (8) при измельчении минеральных наполнителей, следует отметить, что на шаровой мельнице (табл. 1) значение 8 достигает предельных значений (8=3021-3129) за сравнительно длительный период взамен (104-116 часов), значения 8 для пружинной мельницы (табл. 2) составляют 14697 и 14579 за 72 и 76 мин. (соответственно). В дезинтеграторе (табл. 3) 8 в начале (1 и 2 пропуск) растет, а после 4го пропуск снижается. Это можно объяснить тем, что после 3 го пропуска активность частиц значительно увеличивается и наблюдается процесс их агрегации (слипания) с последующим снижением удельной поверхности. Аналогичное снижение 8 наблюдается для шаровой и пружинной мельниц (табл. 1 и 2). Следует отметить, что визуально наблюдается некоторая неоднородность (по цвету) порошка после помола в шаровой и пружинной мельнице, что предположительно может свидетельствовать о более слабой адсорбции (адгезии) СаО к поверхности 8Ю2 в условиях помола (табл. 1 и 2). Как недостаток этих мельниц исследователи отмечают их высокую металлоемкость. Кроме того, пружинная мельница признается нетехнологичной из-за малой производительности (максимальная навеска - 500 г).
Таблица 1
Определение удельной поверхности активированного минерального порошка
в процессе помола на шаровой мельнице
Т, час** Ь (Ь/З*) М (М3*) т 8Ср
4 10,33 251,2 13 250,67
16 11,0 305,6 63 665,94
32 11,13 315,8 163 1109,38
40 11,35 331,8 233 1395,06
48 11,63 330,0 114 1681,75
72 11,8 370,5 206 2535,28
104 12,1 394,5 278 3139,85
116 12,2 403,0 248 3021,79
* для грубодисперсных порошков (до 40 час. помола) ** приведены 8 измерений из 14 выполненных
Таблица 2
Определение удельной поверхности активированного минерального порошка __в процессе помола на пружинной мельнице__
Т, мин** Ь (Ь/З*) М (М3*) т 8Ср
0,05 10,3 395,0 17 344,14
2 11,6 355 108 1010,14
4 12,1 394,5 99 1874,56
36 12,7 441 1868 9094,61
60 12,83 451 2838 11440,35
72 12,9 455 4581 14697,86
76 12,92 456 4490 14579,47
* для грубодисперсных порошков (до 2-3 мин. помола) ** приведены 7 измерений из 22 измерений
Таблица 3
Определение удельной поверхности активированного минерального порошка __в процессе помола на дезинтеграторе__
Количество пропусков Ь М т
1 11,6 353,5 109 1762,31
2 11,5 345,5 207 2368,0
3 11,5 345,5 286 3520,5
4 11,2 322,5 322 3450,3
Далее нами выполнялось исследование тонкодисперсных частиц (50-1 мкм) седиментационным анализом (табл. 4-7). Время измерения от 1 сек до 21600 сек (для шаровой), 90000 сек (для пружинной) и 86400 (для дезинтегратора) при выбранных близких значения Б (табл. 4).
Таблица 4
Исходные данные для седиментационного анализа
№ п/п Параметры анализа Вид помольного устройства
шаровая мельница дезинтегратор пружинная мельница
1. Масса чашечки (р), г 178 171 178,5
2. Глубина погружения (Н), м 0,213 0,213 0,213
3. Плотность вещества, ((11), кг/м^ 2600 2600 2600
4. Плотность жидкость (с!о), кг/мР 800 800 800
5. Ускорение св. падения (д), м/сек"* 9,8107 9,8107 9,8107
6. Вязкость жидкости (з), Па сек 0,0014 0,0014 0,0014
7. Удельная поверхность материала, (Б), см^г 2934,6 2796,9 2695,4
Таблица 5
Гранулометрический состав активированности минерального порошка __в процессе помола на дезинтеграторе _
Время (Т), сек ДР Дг ДР/Дг
15 20 0 0
300 19 1,88 10,11
1200 4 0,43 9,29
9000 0 0,34 0,00
27000 0 0,20 0,00
86400 1 0,74 1,35
Таблица 6
Гранулометрический состав активированности минерального порошка
в процессе помола на пружиннои мельнице
Время (Т), сек ДР Дг ДР/Дг
15 24,5 0 0
300 8 1,88 4,26
1200 0,5 0,43 1,16
9000 0,1 0,34 0,29
18000 0,3 0,36 0,84
90000 3,8 1,14 3,38
Таблица 7
Гранулометрический состав активированности минерального порошка _ в процессе помола на шаровой мельнице _
Время (Т), сек ДР Дг ДР/Дг
15 142 0 0
300 2 1,99 1,0
1080 0,5 0,54 0,93
3120 1 1,24 0,81
7200 0,5 1,07 0,47
21600 0 1,46 0,00
По полученным данным (табл. 5-7) строили зависимости массы осевших частиц Р от продолжительности эксперимента (рис. 1, 3 и 5) и дифференциальные зависимости массы осадка от радиуса частиц (рис. 2, 4 и 6).
490 ^ 440 О." 390 | 340 ® 290
8 240 I 190 140
О г£> А
$ с?> о^
'Ь ^ -Г ^ ^ ^ ^ ^ л.
* г-0 # *
¿р ¿Г ^ ^ ^ ^
ГТ • !
\
1
1
! — Л— Л-,
продолжительность т,«
Рис. 1. Зависимость массы осевших частиц «Р» от продолжительности опыта «Т» после измельчения в дезинтефаторной установке
Рис. 2. Дифференциальная зависимость массы седиментационнош осадка от радиуса измельчения в дезинтефаторной установке
310 £ 280 | 250
3
я 220 8
I 190 160
... . ----.-■--I
Рис. 3. Зависимость массы осевших частиц «Р» от продолжительности опыта «Т» после измельчения в пружинной мельнице
Радиус г, мкм
Рис. 4. Дифференциальная зависимость массы седиментационнош осадка от радиуса измельчения в пружинной мельнице
490
^ 440
=Г 390
5 340
™ 290 го
8 240 I 190 140
N <Ъ % О Ч<Ь ^ ^ ¿о ¿V ^ # «£> <£> ^ ^ ^ ^ ^ ^
Продолжительность осадки I, сек.
Рис. 5. Зависимость массы осевших частиц «Р» от продолжительности опыта «Т» после измельчения в шаровой мельнице
- — ! !
— ^ --------
/ \ Г 1
л / 1 1 1 1 1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Радиус Г, МКМ
Рис. 6. Дифференциальная зависимость массы седиментационного осадка от радиуса измельчения в шаровой мельнице
Из рис. 3 и 5 видно, что осаждение частиц минерального наполнителя, полученных на начальных стадиях измельчения на пружинной и шаровой мельницах, происходит значительно быстрее, чем после дезинтегрирования, что свидетельствует о более эффективном измельчении в дезинтеграторе. Об эффективности применения дезинтеграторной установки (ДУ) свидетельствуют и данные седиментационного анализа (рис. 2, 4 и 6), на которых представлена дифференциальная зависимость массы осевшего порошка от его радиуса. Видно, что у минерального наполнителя, полученного на ШМ и ПМ с 8=2700-2900 см2/г, отсутствуют частицы радиусом < 2 мкм (для ПМ) и < 3 мкм (для ШМ). Наибольшее количество частиц (масса) АН имеют размеры (12 и 17 мкм - для ПМ), (15 и 35-50 мкм для ШМ) и (1, 3, 4 и 8 мкм для ДУ), что в значительной мере определяет активность этих АН. Можно предположить, что после измельчения на ШМ и ПМ частицы АН содержат значительное количество остаточных структурных дефектов на макро- и микроуровнях, что предопределяет отрицательное влияние на процессы структурообразования минеральных наполнителей в составе асфальтобетонной смеси и обуславливает снижение качества и физико-механических свойств асфальтобетонов. Напротив, преобладание массовой доли частиц с меньшим диаметром (от 1 до 8 мкм) частиц после измельчения в ДУ обеспечивает более эффективное химическое взаимодействие компонентов АН и образование коагуляционно-кристаллизационной структуры асфальтобетона, о чем свидетельствуют сравнительные данные свойств асфальтобетонов (табл. 9), с использованием АН в составе асфальтобетонных смесей.
Для проведения сравнительных испытаний нами использовались асфальтобетонные смеси с подобранным составом. В качестве базового состава использованы АБС, состоящая из компонентов (табл. 8), которые соответствуют требованиям ГОСТ 9198-97 [10] - АБС-1. В составы, которые подвергались модифицикации, взамен части песка вводили 2-3 % активных минеральных наполнителей, полученных на исследуемых помольных устройствах, что отражено в обозначениях образцов (табл. 9): АБС-2ДУ и АБС-3ДУ (на ДУ); АБС-2Ш и АБС-ЗШ (на ШМ); АБС-2П и АБС-ЗП (на ПМ).
В АН соотношение песка и извести составляет 70:30 мас.ч.
Таблица 8
_Состав АБС для приготовления асфальтобетонных образцов_
Наименование компонентов Содержание компонентов в составах, масс. %
АБС-1 АБС-2 АБС-3
Щебень фракции 5-20 41 41 41
Щебень фракции 3-10 13 13 13
Песок 23 21 20
Отсев 17 17 17
Минеральный порошок 6 6 6
Битум сверх 10% от минеральной части 4,5 4,5 4,5
Наполнитель - 2 3
Ранее для АБС, модифицированных АН, полученным при помоле на ДУ, показана [11] их высокая эффективность, обеспечивающая существенные повышении физико-механических характеристик асфальтобетонов (табл. 9: образцы АБС-2Д и АБС-3Д): отмечено уменьшение водонасыщения на 27-30 % (после вакуумирования) и на 19-46 %
(после длительного водонасыщения). Также значительно снизился показатель по набуханию (50-70 %). Повысились и показатели прочности при сжатии в интервале температур от 0 до 50 °С.
Заключение
Таблица 9
Физико-механические свойства асфальтобетонов ^_на основе модифицированных асфальтобетонных смесей_
№ п/ п Обозначение композиций составов АБС
Наименование ДУ шм ПМ
показателей АБС-1 АБС- АБС- АБС- АБС- АБС- АБС-
2ДУ ЗДУ 2Ш ЗШ 2П ЗП
1. Объемная масса, г/см3 2,42 2,44 2,45 2,44 2,45 2,44 2,45
2. Водонасьпцение, об. % 3,31 2,42 2,32 3,1 2,92 2,81 2,65
3. 4. Набухание, об. % Предел прочности при сжатии, МПа, при 0,14 0,07 0,04 0,11 0,09 0,08 0,065
температурах: 0°С 20 °С 50 °С 75,67 74,12 76,50 73,5 74,82 74,0 75,5
35,25 37,50 36,00 36,1 35,7 36,5 35,9
10,92 11,88 15,00 10,98 12,1 11,2 13,5
5. Остаточная прочность, % 4,56 3,84 3,64 4,05 4,21 3,92 3,73
6. Коэффициент водостойкости 0,96 0,83 0,94 0,92 0,96 0,89 0,94
7. Коэффициент водостойкости при
длительном 0,78 0,92 1,05 0,81 0,89 0,88 0,95
водонасьпцении (после 25
суток)
Таким образом, при комплексной сравнительной оценке помольных устройств (ДУ, DJM и ПМ): качественных показателей полученных порошков (табл. 1-6 и рис. 1-6), а также результатов модификации активированными минеральными наполнителями АБС -установлено их значимое влияние на физико-механические показатели АБ (табл. 9), что убедительно свидетельствует о целесообразности и эффективности механоактивации минеральных наполнителей для АБС и АБ на их основе.
Список литературы
1. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение. -М.: Высшая школа, 2002. - 701 с.
2. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. -М.: Стройиздат, 1971. - 255 с.
3. Печеный Б.Г. Битумы и битумоминеральные композиции. - М. : Химия, 1990. - 256 с.
4. Временные рекомендации по применению полимерно-дисперсного армирования асфальтобетонов с использованием резинового термоэластапласта (РТЭП). Мин. транс. РФ. Гос. служба дор. хоз. (РосАвтоДор). - М., 2002. - 24 с.
5. Расстегаева г. А Активные и активированные минеральные порошки отходов промышленности. - Воронеж: Изд. Воронежск. гос. ун-та, 2002. - 192 с.
6. Прокопец B.C. Механическая активация твердения белитосодержащих вяжущих веществ. Автореф. дис. докт. техн. наук. - Омск, 1998. - 53 с.
7. Техническое описание. Измерение удельной поверхности и среднемассового размера частиц на ПСХ-8А. -М.: Фир. Ходакова, 1998. - 19 с.
8. Седиментационный анализ. Методич. указания. - Казань: КГ АС А, 1997 .-11с.
9. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. Межгосуд. стандарт / Госстрой. России. - М. : ГУПЦПП, 1999. - 52 с.
10. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. Межгосуд. стандарт / Госстрой. России. -М.: ГУПЦПП, 1998.-20 с.
11. Строганов В.Ф., Зиатдинов С.С., Строганов И.В. Повышение качества асфальтобетонных смесей для дорожных одежд / Матер. XV акад. чтений РААСН. Межд. н-т конф. «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», Т.1. - Казань: КГАСУ, 2010. - С. 551-555.
Stroganov V.F. - doctor of chemical sciences, professor E-mail: svf08@mail.ru Riazapov Sh.A. - applicant E-mail: shamil.ryazapov@tatar.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
The relative valuation of choice efficiency and a substantiation of grinding devices for mechanical activation of mineral fillers of asphalt mixes
Resume
It is known that the majority of mineral powders are a polymeric materials. They are the structural additives and components in obtaining composite building materials, including road surfaces. An important role in their preparation has not only the chemical composition but also the energetic activity of the highly developed surface, which is provided by activating their surface. One of the most effective activation technologies is the process of grinding in the various grinding devices. In the article the analysis and comparative evaluation of the work of the ball, spring mills and disintegrator in obtaining mineral active fillers. Replaced with the settings of powders of: specific surface area and granulometric composition. Defined indicators of the quality of asphalt mixes modified mineral fillers. According to the results of the comparative evaluation of the considered device justified the choice of the most effective grinding device for the implementation of physical chemical activation of mineral powders - disintegrator.
Keywords: grinding device, activated mineral powders, specific surface, sedimentation analysis, asphalt concrete.
References
1. Rybev I. A. Building materials. -M.: High school, 2002. - 701 p.
2. Gezentsvey L.B. Asphalt concrete from the activated mineral materials. - M.: Stroyizdat, 1971.-255 p.
3. Baked B.G. Bitumen and bitumen-mineral composites. - M.: Chemistry, 1990. - 256 p.
4. Interim guidance on the use of polymer-fiber reinforcement of asphalt mixes with the use of rubber TPE. Min. transport of the Russian Federation. State service of road sector (Rosavtodor). - M., 2002. - 24 p.
5. Rasstegaeva G.A. Active and activated mineral powders waste industry. - Voronezh: Publisher Voronezh state University, 2002. - 192 p.
6. Prokopets V.S. Mechanical activation of hardening belit-containing binders. The author's abstract of the dissertation of doctor of engineerings Sciences. - Omsk, 1998. - 53 p.
7. Technical details. Measurement of specific surface and medium-mass particle size on the PSC-8A. - M.: The company Hodakova, 1998. - 19 p.
8. Sedimentation analysis. Methodical instructions. - Kazan: KS AB A, 1997. - 11 p.
9. GOST 12801-98. Materials on the basis of organic binders for road and airfield construction. Test methods. Interstate standart / Gosstroit. of Russia. - M.: GUPCPP, 1999.-52 p.
10. GOST 9128-97. Asphaltic concrete mixtures for roads and aerodromes and asphalt concrete. Specifications Interstate standart / Gosstroit. of Russia. -M.: GUPCPP, 1998. - 20 p.
11. Stroganov V.F., Ziyatdinov S.S., Stroganov I.V. Improving the quality of asphalt-concrete mixes for road / Mater. XV academic readings of RAASN. I n-t proc. «Achievements and problems of science of materials and modernization of the construction industry», Vol. 1. - Kazan: KGASU, 2010. - P. 551-555.
