CC BY
42
УДК 625.814.3, 625.855.53
О.Н. Буренина
канд. техн. наук, заведующий испытательной лабораторией проблем коррозии и старения, ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
Н.Н. Давыдова
науч. сотрудник, Испытательная лаборатория проблем коррозии
и старения,
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
А.В. Андреева
мл. науч. сотрудник, Испытательная лаборатория проблем коррозии
и старения,
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
С.С. Даваасенгэ
мл. науч. сотрудник, Испытательная лаборатория проблем коррозии
и старения,
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
М.Е. Саввинова
канд. техн. наук, науч. сотрудник, Испытательная лаборатория проблем коррозии
и старения,
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
В.Е. Копылов
инженер,
Испытательная лаборатория проблем коррозии
и старения,
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ИЗ ЭМУЛЬСИОННО-МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
С ПЕРЕХОДНЫМ ТИПОМ ПОКРЫТИЯ
Аннотация. В статье рассмотрена пригодность каменных материалов с участков автомобильных дорог с переходным типом покрытия для технологий обеспыливания битумной эмульсией, а также исследовано влияние эмульгатора и количества битумной эмульсии в смеси на прочность при сжатии образцов, изготовленных из минеральных смесей с участков автомобильных дорог А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма».
Ключевые слова: автомобильная дорога с переходным типом покрытия, пылящий, среднепылящий, сильнопылящий, каменный материал, битумная эмульсия, обеспыливание, песчано-гравийная смесь, щебеноч-но-песчано-гравийная смесь.
O.N. Burenina, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
N.N. Davydova, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
A.V. Andreeva, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
S.S. Davaasenge, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
M.E. Savvinova, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
V.E. fopylov, Oil and gas research institute Russian Academy of Sciences
PROPERTIES OF MATERIALS EMULSION-MINERAL MIXTURES FOR USE IN TECHNOLOGY
DEDUSTING ROADS WITH TRANSITIVE TYPE OF COVER
Abstract. The article discusses the suitability of stone materials with sections of roads with a transitional type of coating technologies dust control with bitumen emulsion, and the influence of the emulsifier and the amount of bitumen emulsion in a mixture on the compressive strength of samples made from mineral mixtures with sections of roads A- 331 «Viluy» and the P-504 «Kolyma».
Keywords: road with transitive type of cover, dusting, average dusty, much dusting, stone material, bitumen emulsion, dust removal, sand and gravel, rubble-sand-gravel mixture.
Введение
Высокая доля дорог с переходным типом покрытия в России накладывает обязательства дорожно-строительным организациям по их содержанию в соответствии с требованиями, обусловленными их функциональной значимостью и транспортной нагрузкой. Основной задачей содержания таких покрытий является систематический уход, поддержание и повышение транспортно-эксплуатационных качеств покрытия, в том числе с использованием технологий обеспыливания.
Одним из эффективных способов обеспыливания дорог с переходным типом покрытия является обработка их битумной эмульсией, который основан на склеивании частиц пыли между собой и материалом. Пыль на поверхности связывается частицами битума и создается слой, который препятствует эрозионному выносу пыли. Обработка поверхности может проводиться регулярно по мере разрушении слоя от механических воздействий и износа.
Целью представленной в статье работы является исследование свойств материалов из эмульсионно-минеральных смесей для использования в технологиях обеспыливания участков федеральных автомобильных дорог (ФАД) А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма» с переходным типом покрытия.
С целью оценки пригодности каменных материалов для использования в технологиях обеспыливания с опытно-экспериментальных участков были отобраны пробы материалов и исследованы их химические, структурные и физико-механические свойства.
Для определения класса проб песчано-гравийных смесей по содержанию кремнезема и оксидов натрия и калия был проведен элементный анализ в соответствии с [1].
Результаты элементного анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав проб песчано-гравийных и щебеночно-песчано-гравийных смесей (а/д А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма»)
№ Содержание элемента, %
участки K K2O Na Na2O K2O + Na2O Si SiO2 Класс
а/д «Вилюй»
1,5,
6, 7, 1-2, 4 4,1-5,8 1-5,2 2,7-14,1 5,1-19,9 30-32 64,3-68,6 Кислые
9, 10
2, 3, 4, 8 1, 6-1, 7 3,8-4,1 1-2,1 2,7-5,7 6,8-9,5 26,5-29 56,7-62,1 Средние (щелоч-
ного ряда
а/д «Колыма»
1-3 Менее Менее Ме- Менее Менее 39-45 83, 6-96,4 Кислые
1 2,4 нее 1 2,7 5,1
Согласно классификации [1] и результатов элементного анализа, пробы песчано-гравийных смесей с опытно-экспериментальных участков автомобильных дорог «Колыма» и «Вилюй» участки (1, 5, 6, 7, 9, 10) содержат горные породы кислого класса, содержание двуокиси кремния в них составляет 64-96,4 масс. %. По содержанию щелочей относительно кремнезема относятся к нормальному ряду. Результаты химического анализа проб полностью согласуются с результатами рентгенофазового анализа по определению породообразующих минералов (рис. 1). Так, в исследуемых пробах фиксируются пики кварца, полевых шпатов - основных породообразующих минералов горных пород кислого класса. Минеральные смеси с участков № 2, 3, 4, 8 автомобильной дороги «Вилюй» содержат горные породы среднего класса, содержание двуокиси кремния в них состав-
ляет 56-62,1 масс. %. Породообразующие минералы в смесях представлены кальцитами, доломитами, минералами из группы глин, которые являются яркими представителями известняковых пород, относящихся к породам щелочного класса (рис. 2).
2Theta (Coupled TwoThetafTheta) WL=1 54060
Рисунок 1 - Характерная рентгенограмма проб песчано-гравийной смеси кислого класса с участков автомобильных дорог А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма»
I d 3.brml ?
| PDF 00-046,1045 Si 02 Quartz, syri
I PDF 01-074-7302 Ca (CaO, 13 MgO,87 )(C 03)2 Dolomite
| PDF 01-ф83-1938 NaO.622 CaO.368 AI1.29 Si2.71 08 Albite, calcian
0 - П PDF 01-083-1389 Mg1.252 FeO.616 AI3.836 Si4.830 018 ( H2 0 )0.58 Cordierite
8- I PDF 01-Э76-8908 K0.81 Na0.04 (AI2.9 Fe0.1 ) ( Mg1.99 FeO.OI ) ((Si10.14All.86) 030 ) Osumilite-(Mg)
14 - | PDF 01-971-5088 Fe203 Hematite, syn
I PDF 01-071 -3699 Ca ( С ОЗ) Calcite, syn
I PDF 01-473-6461 Na0.34 CaO.66 AI1.66 Si2.34 OS Anorthite, sodian
I.........I.........j , ! , ............' ' " 1 I
10 20 30 40 50 60
2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=1.54060
Рисунок 2 - Характерная рентгенограмма проб песчано-гравийной смеси среднего класса щелочного ряда с участков автомобильных дорог А-331 «Вилюй»
Таким образом, установлено, что исследованные пробы песчано-гравийных смесей представлены минеральными материалами двух классов - кислого и щелочного.
Анализ основных физико-механических свойств проб песчано-гравийных смесей (автомобильная дорога А-331 «Вилюй») с участков дорог №№ 4, 8 показал, что они содержат каменный материал с маркой по дробимости 400, большое количество глины в комках и имеют на-
3 3 3
сыпную плотность 1,25 г/см , 1,141 г/см и 1,097 г/см , соответственно, за счет значительного содержания пылеватых и глинистых частиц. Песчано-гравийные смеси с остальных участков дорог (№№ 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10) не отвечают требованиям ГОСТ 23735 и ГОСТ 8267 по содержанию частиц размером менее 2, 5, 0, 63 и 0,16. Песчано-гравийные смеси с участков дорог
№№ 5, 6, 10 также содержат большое количество пылевидных и глинистых частиц. Значительное содержание пыли сказалось на исходных значениях пылимости покрытий (табл. 2, 3).
Таблица 2 - Основные физико-механические свойства песчано-гравийных смесей (автомобильная дорога А-331 «Вилюй»)
№ рн, г/см3 Мдр W, % Ппг, % Пгк, %
1 1,250 1200 0,60 6,43 0,39
2 1,280 400 1,01 0,60 0,48
3 1,280 1200 1,01 0,60 0,48
4 1,141 400 0,20 1,59 0,51
5 1,387 1000 0,40 2,41 0,62
6 1,387 1000 0,40 2,41 0,62
7 1,047 400 3,52 65,34 0,52
8 1,097 1200 2,04 22,75 0,57
9 1,384 600 1,01 1,00 0,50
10 1,201 1200 1,01 7,23 0,52
Ппг - показатель содержания пылевидных и глинистых частиц Пгк - показатель содержания глины в комках
Таблица 3 - Основные физико-механические свойства песчано-гравийных смесей
(а/д Р-504 «Колыма»)
№ км рн, г/см3 Мдр W, % Ппг, % Пгк, %
1 (км 58-км 61) 1,200 1000 0,40 3,01 0,38
2 (км 148-км 152) 1,326 400 0,60 1,61 0,38
3 (км 295-км 298) 1,144 1000 0,60 7,83 0,44
Ппг - показатель содержания пылевидных и глинистых частиц Пгк - показатель содержания глины в комках
3
Так, содержание пыли на участках ФАД А-331 «Вилюй» составляет от 38 мг/м до 158
3 3 3
мг/м и Р-504 «Колыма» - от 16 мг/м до 76 мг/м .
Согласно литературным данным [2; 3], покрытия, устроенные из песчано-гравийных, щебеночно-песчано-гравийных смесей кислого и щелочного класса пригодны для их обеспыливания битумными эмульсиями катионного типа с медленным распадом. Медленнораспадаю-щиеся эмульсии взаимодействуют с минеральными материалами с малой активностью. Распад их основан, главным образом, на испарении содержащейся в смеси воды.
Таблица 4 - Характеристики битума БНД 90/130
Параметры Значения Показатель ГОСТ 22245-90 изм. 1
Плотность при 20°С, г/см 1,009 0,8-1,3
Температура размягчения,°С не ниже 44 43
Температура хрупкости, °С не выше минус 17 минус 17
Температура вспышки, не ниже 265 230
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С не более 5,0 5,0
Индекс пенетрации -1,0 -1,0-+1,0
Глубина проникновения иглы, 0,1 мм - при 25°С, - при 0°С, не менее 106 28 91-130 28
В качестве обеспыливающего реагента использованы битумные эмульсии на основе дорожного битума марки БНД 90/130. Битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130 про-
изведен ОАО «Акционерная нефтяная компания «Башнефть», характеристики битума и его соответствие требованиям ГОСТ 22245-90 [4] представлены в таблице 4.
В битуме содержится 17,1% асфальтенов, 36,53% масел и 46,37% смол, отношение смол к маслам составляет 1,27, а смол к асфальтенам - 6,62. Согласно [4; 5], данный битум относится к группе II структурного типа, высокое отношение смол к маслам и сумма смол и асфальтенов позволяют судить о хорошей эмульгируемости исследованного битума.
Для производства катионных битумных эмульсий использованы зарубежные - Редикот Е-11, Динорам 3590, и отечественный - Амдор ЭМ-31 - эмульгаторы [5-7].
Для проведения исследований были изготовлены стандартные образцы высотой и диаметром 53 мм из минеральных смесей с опытно-экспериментальных участков автомобильных дорог «Вилюй» и «Колыма», усилие прессования составляло 10 МПа, содержание эмульсии - 1, 1, 5, 2 масс. % (по битуму).
Таблица 5 - Рецептуры битумных эмульсий
№ Битум БНД 90/130, масс. % Эмульгатор, масс. % Вода, масс. % Значение рН
Динорам-3590 Редикот Е-11 Амдор ЭМ-31
1 45 1,2 - - 53,8 2,2
2 50 1,2 - - 48,8 2,014
3 55 - 1,0 - 44,0 2,45
4 60 1,0 - 39,0 2,396
5 60 - - 1,5 38,5 2,204
6 57 - - 1,5 41,5 2,193
Результаты исследования прочности при сжатии образцов представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Результаты прочности при сжатии образцов
Автомобильная дорога Содержание эмульсии, масс.% Прочность при сжатии образцов, МПа
Динорам 3590 Редикот Е-11 Амдор ЭМ-31
Вилюй 0 0,02-1,05 0,03-1,11 0,05-1,44
1 0,07-1,14 0,09-1,21 0,13-1,76
1,5 0,09-1,38 0,11-1,56 0,14-2,28
2 0,13-1,97 0,15-2,12 0,18-2,45
Колыма 0 0,01-0,1 0,02-0,17 0,03-0,29
1 0,02-0,34 0,03-0,48 0,08-0,74
1,5 0,04-0,58 0,06-0,65 0,11-0,99
2 0,07-0,69 0,09-0,73 0,13-1,04
Установлено, что прочность при сжатии образцов из эмульсионно-минеральных смесей зависит от вида используемого эмульгатора и количества эмульсии в смеси.
Анализ представленных результатов показал, что прочность при сжатии образцов, изготовленных из минеральных смесей с автомобильных дорог А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма», увеличивается линейно с повышением количества вводимой эмульсии, независимо от ее рецептуры. Максимальные значения прочности при сжатии наблюдаются у образцов, содержащих в своем составе битумную эмульсию, приготовленную на эмульгаторе «Амдор ЭМ-31».
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают перспективность применения битумной эмульсии, изготовленной на отечественном эмульгаторе «Амдор ЭМ-31», отвечающую всем нормативным требованиям по показателям свойств и отличающуюся достаточно низкой стоимостью по сравнению с битумными эмульсиями, изготовленными на зарубежных эмульгаторах «Динорам 3590» и «Редикот Е-11» для проведения дальнейших исследований по оценке свойств эмульсии при взаимодействии с пробами ми-
неральных материалов с участков дорог.
Выводы:
1. Согласно результатам элементного и рентгенофазового анализов пробы песчано-гравийных смесей с опытно-экспериментальных участков автомобильных дорог «Вилюй» и «Колыма» содержат горные породы как кислого класса, основными породообразующими минералами которых являются кварц и полевые шпаты, так и породы среднего класса щелочного типа, породообразующими минералами, которых являются кальциты, доломиты и минералы из группы глин.
2. Проведенные исследования показали, что выбранные участки ФАД «Вилюй» и «Колыма» с переходным типом покрытия пригодны для применения в технологиях обеспыливания битумной эмульсией катионного типа с медленным распадом.
3. Определены исходные материалы для производства битумных эмульсий катионного типа медленного распада: битум БНД 90/130, используемый во всех дорожно-климатических зонах России, эмульгаторы Динорам 3590, Редикот Е-11 и Амдор ЭМ-31.
4. Исследованы физико-химические свойства исходного битума БНД 90/130 и оценена возможность его использования для производства медленнораспадающихся эмульсий катион-ного типа для обеспыливания автомобильных дорог с переходным типом покрытия из песчано-гравийных, щебеночно-песчано-гравийных смесей.
5. Установлено, что прочность при сжатии образцов из эмульсионно-минеральных смесей зависит от вида используемого эмульгатора и количества эмульсии в смеси. Прочность при сжатии образцов, изготовленных из минеральных смесей с автомобильных дорог А-331 «Вилюй» и Р-504 «Колыма», увеличивается линейно с увеличением количества вводимой эмульсии. Максимальные значения прочности при сжатии наблюдаются у образцов, содержащих в своем составе битумную эмульсию, приготовленную на эмульгаторе «Амдор ЭМ-31».
Список литературы:
1. Большая энциклопедия Нефти Газа [Электронный ресурс]. URL: http://www.ngpedia.ru/id617270p1.html (дата обращения: 25.03.2014).
2. Горная энциклопедия, 2008 [Электронный ресурс]. URL: //www.mining-enc.ru (дата обращения: 25.03.2014).
3. Аюпов Д.А., Макаров Д.Б., Мурафа А.В., Потапова Л.И. Битум-полимерные вяжущие и битумные эмульсии для дорожного строительства с применением продукции нефтехимического комплекса республики Татарстан [Текст] // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 4. С. 263-269.
4. Открытая база ГОСтов. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные вязкие, 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://www.nge.ru/g_22245-90.htm. (дата обращения: 25.03.2014).
5. Эмульсионно-битумные технологии, 2009 [Электронный ресурс]. URL: http://emulbittech.ru (дата обращения: 20.03.2014).
6. Динорам 3590 [Текст] / Сека. Париж, 2003. 2 с. (Техническая спецификация SG.86.194.02-A-706809/04/00).
7. Эмульгатор катионных битумных эмульсий «Амдор ЭМ-31», 2008 [Электронный ресурс]. URL: http://amdor.spb.ru/ produkciya^ompanii /amdor_emulsii/amdorem31 (дата обращения: 25.03.2014).
