CC BY
15УДК 691.16
С.О. ЯШИН, инженер (umka@inbox.ru), Ю.Г. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук, ГОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет (СевКав ГТУ) (Ставрополь)
Свойства битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом
Проблеме утилизации отходов промышленных производств зачастую не уделяется достаточного внимания. Это объясняется многокомпонентностью и непостоянством химического состава отходов, а также сложностью физико-химических процессов, протекающих при их переработке.
Фосфогипс — широко распространенный многотоннажный промышленный отход, образующийся при получении фосфорных удобрений и фосфорной кислоты, тонкодисперсная система с высокой влажностью содержит дигидрат сульфата кальция CaSO4•2H2O с примесью фосфорной кислоты. Отходы фосфогипса в настоящее время используют только на 0,2%.
Способы утилизации фосфогипса в настоящее время не нашли широкого применения, так как они основаны на процессах обжига или автоклавирования [1], что связано с большими энергозатратами. Поэтому разработка альтернативных способов утилизации фосфогипса является одной из актуальных задач.
Одним из направлений решения поставленной проблемы, по мнению авторов, является применение фос-фогипса в битумоминеральных смесях в качестве одного из минеральных компонентов, в частности фосфо-гипс по своей структуре достаточно близок к структуре минерального порошка.
Высокодисперсные частицы битумоминеральной смеси выступают в роли активных адсорбентов и структурных центров [2], способствующих интенсивному переводу битума из объемного состояния в состояние диффузно-сольватных оболочек. При таком структурировании образуются сравнительно прочные физические и хемосорбционные связи, крепко удерживающие битумные пленки на поверхности частиц порошка.
Проведенными исследованиями [3] доказана возможность применения фосфогипса в составе наполнителя (минерального порошка) битумоминеральных композиций.
Качество любой органоминеральной композиции определяют не столько физико-механические свойства, сколько ее эксплуатационные и конструкционные характеристики. Анализу таких характеристик битумоминеральных композиций различного зернового состава с наполнителем, модифицированным фос-фогипсом, и посвящена данная работа. В исследованиях использовали составы горячих битумоминераль-ных композиций на плотном заполнителе мелкозернистого типа Б и песчаного типа Г, которые включали: заполнитель — дробленый щебень из гранита и его отсевы; наполнитель — неактивированный известняковый минеральный порошок и фосфогипс; вяжущее — вязкий нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 (таблица, составы 2—6, 8—12). Используемый в исследованиях фосфогипс (отход производства экстракционной фосфорной кислоты) представляет собой тонкодисперсный материал сероватого цвета фракции менее 0,071 мм с удельной поверхностью 2564 см2/г. Фосфогипс содержит примеси неорганических и органических соединений: водорастворимых, водонера-створимых, адсорбированных кристаллов на поверхно-
сти и встроенных в кристаллическую решетку. Содержание фосфогипса в минеральном порошке Сф изменяли с шагом в 10 об. %. Максимальное соотношение фосфогипса и минерального порошка составляло 50:50 об. %. Для сравнения испытывали образцы стандартных горячих плотных асфальтобетонных смесей типов Б и Г (табл., составы 1 и 7). Содержание битума в композициях было выбрано оптимальным.
В соответствии с ГОСТ 12801—98 определяли эксплуатационные свойства: трещиностойкость, теплостойкость, термостабильность, морозостойкость и сдви-гоустойчивость. Также определяли истираемость (конструкционный показатель материала) согласно ГОСТ 13087—81. Результаты испытаний битумомине-ральных композиций представлены в таблице.
Трещиностойкость композиций оценивали по пределам прочности на сжатие при 0оС (Л0) и на растяжение при расколе (Яр). Выявлено, что увеличение содержания фосфогипса в наполнителе приводит к некоторому снижению показателей Я и Яр и это снижение менее значительно при Сф 10—20 об. % (составы 2, 3, 8, 9). Величины Я0 и Яр повышаются при переходе от мелкозернистых смесей к смесям с песчаным зерновым составом, что говорит о более высокой их трещиностойкости. Трещиностойкость модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций при его содержании 10—20 об. % почти не уступает трещиностойкости стандартных асфальтобетонов (составы 1 и 7).
Теплостойкость предложенных композиций, которую определяли по пределу прочности на сжатие при 50оС и коэффициенту теплостойкости кт — Я20/Я50, по мере повышения содержания фосфогипса в наполнителе понижается. При Сф 10—20 об. % теплостойкость предложенных композиций практически не уступает показателям теплостойкости стандартных асфальтобетонов-прототипов. Отмечено снижение прочности при сжатии Я50 и повышение коэффициентов теплостойкости кт модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций при переходе от песчаного к мелкозернистому зерновому составу смесей.
Способность асфальтобетона одинаково хорошо противостоять образованию сдвиговых деформаций при высокой температуре и трещинообразованию — при низкой определяется термостабильностью, которую характеризовали коэффициентом термостабильности ктс — Я0/Я50. Коэффициент термостабильности понижается с увеличением содержания фосфогипса в наполнителе композиций, что говорит о повышении их температуроустойчивости. Более термостабильными являются композиции с зерновыми составами песчаного типа.
Морозостойкость анализировали, сравнивая количество циклов замораживания-оттаивания и коэффициенты морозостойкости кмрз. Морозостойкость композиций достаточно высока, составляет порядка 100 циклов замораживания-оттаивания при содержании фосфо-гипса в наполнителе 10—20 об. % (составы 2, 3, 8) и не уступает морозостойкости стандартных асфальтобетонов-прототипов (составы 1 и 7). При увеличении
14
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
№ состава Зерновой состав Содержание фосфогипса в наполнителе, Сф, об. % Предел прочности при сжатии, МПа Коэффициент теплостойкости (кт) Коэффициент термостабильности (ктс) Количество циклов замораживания-оттаивания Коэффициент морозостойкости (кмрз) Предел прочности на растяжение при расколе (Яр), МПа Коэффициент внутреннего трения ^дф) Показатель сцепления, МПа Показатель истираемости ^), г/см2
^0 ^20 °50
1 Тип Б ГОСТ 9128-97 0 8,5 5,15 2 2,58 4,25 100 0,76 3 0, 948 0,41 0,03
2 10 8,5 5 2 2,5 4,25 100 0,74 2,81 0, 954 0,36 0,035
3 20 8,3 5 1,75 2,85 4,92 100 0,74 2,65 0, 957 0,27 0,041
4 30 8 4,8 1,62 2,96 5,09 75 0,83 2,56 0,958 0,23 0,048
5 40 7,9 4,4 1,55 2,83 5,16 75 0,81 2,5 0,961 0,19 0,052
6 50 7,8 3,65 1,5 2,43 5,2 75 0,8 2,44 0, 963 0,15 0,059
7 Тип Г ГОСТ 9128-97 0 8,5 6,1 2,6 2,35 3,27 100 0,77 3,4 0,917 0,58 0,104
8 10 8,6 5,9 2,5 2,36 3,44 100 0,75 3,32 0,921 0,57 0,111
9 20 8,4 5,7 2,3 2,47 3,65 75 0,84 3,15 0,925 0,56 0,119
10 30 8,05 5,4 2,1 2,57 3 , 83 75 0,82 2,9 0,927 0,54 0,124
11 40 7,6 4,9 1,8 2,72 4,22 75 0,8 2,82 0,929 0,54 0,131
12 50 7 4,39 1,75 2,51 4 75 0,77 2,75 0,932 0,52 0,135
содержания фосфогипса в наполнителе композиций более 10—20 об. % морозостойкость понижается и составляет порядка 75 циклов замораживания-оттаивания (составы 4—6, 9—12). Более морозостойки мелкозернистые композиции типа Б.
Сдвигоустойчивость оценивали коэффициентами внутреннего трения tgф и показателями сцепления Сп, которые определяли согласно ГОСТ 12801—98. Отмечено характерное повышение коэффициента внутреннего трения и некоторое снижение Сп с повышением содержания в наполнителе фосфогипса. Максимальные значения tgф отмечены в составах с содержанием фосфогипса в наполнителе 50 об. % (составы 6 и 12), им же соответствуют минимальные величины показателя Сп. Таким образом, наличие фосфогипса в наполнителе играет двоякую роль: улучшает внутреннее трение каркаса композиции, но одновременно снижает сцепление. Снижение Сп с увеличением Сф происходит наиболее интенсивно в композициях с мелкозернистым составом. Исходя из полученных экспериментальных данных выявлено, что более сдви-гоустойчивыми являются композиции с зерновым составом песчаного типа Г.
Одним из основных показателей, обусловливающих создание из материала конструкций с заданными механическими свойствами, является истираемость. Истираемость предложенных битумоминеральных композиций оценивали по показателям истираемости G и определяли, испытывая образцы-цилиндры на стандартной машине ЛКИ-3М, вычисляя массу истертого образца к его площади. С увеличением содержания фосфогипса в композиции показатель G устойчиво повышается, что говорит о ее ухудшении. Показатели истираемости зерновых составов песчаного типа Г (составы 8—12) почти на порядок выше аналогичных показателей мелкозернистых смесей типа Б (составы 2—6). Это объясняется более высоким содержанием минерального наполнителя и бескаркасной структурой битумоминеральных композиций песчаного зернового состава.
Анализ вышеизложенного позволил сделать выводы:
— Выявлена возможность получения высококачественных битумоминеральных композиций различной гранулометрии с наполнителем, модифицированным фосфогип-сом, при соответствующей оптимизации составов.
— Установлено оптимальное содержание фосфогипса в наполнителе — 10—20 об. %. Эксплуатационные показатели оптимизированных композиций в основном соответствуют аналогичным показателям стандартных плотных асфальтобетонов.
— Эксплуатационные свойства у модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций с зерновыми составами песчаного типа имеют более высокие характеристики.
Предварительный расчет эффективности применения фосфогипса в составе наполнителя битумомине-ральных композиций показал, что экономический эффект при производстве и укладке в верхний слой дорожного покрытия предложенных модифицированных композиций в сравнении со стандартным асфальтобетоном составит 167 р. на 100 м2 в ценах 2010 г.
Ключевые слова: фосфогипс, битумоминеральная композиция, наполнитель, трещиностойкость, термостабильность, сдвигоустойчивость, истираемость.
Список литературы
1. Урсу И.В. Ресурсосбережение как условие обеспечения эколого-экономической безопасности и социализация экономики организации предприятия // Мат. Междунар. конф. «Научные исследования, нано-системы и ресурсосбережения технологии в строй-индустрии. Белгород. Сентябрь 2007. С. 299—301.
2. Ядыкина В.В. Управления процессами формирования и качества строительных композиций с учетом состояния поверхности дисперсного сырья. М.: АСВ, 2009. 374 с.
3. Яшин С.О., Шальнев М.Н., Борисенко Ю.Г. Применение фосфогипса в составе наполнителя асфальтобетонных смесей // Строит. материалы. 2009. № 11. С. 18-19.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
15
