CC BY
58
ство. Имеет более 50 опубликованных работ. е-таИ: zavyalov_ma@sibadi. огд.
Бедрин Евгений Андреевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной
автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет более 35 опубликованных работ. e-mail: [email protected]
УДК 625.85:666.9
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ НА СВОЙСТВА ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
В.С. Прокопец, В.Д. Галдина
Аннотация. Изучены физико-механические свойства органоминеральных материалов на основе местного сырья, белитового шлама и добавок - побочных продуктов промышленности. Разработаны оптимальные составы и рациональная технология приготовления органоминеральных смесей.
Ключевые слова: белитовый шлам, гудрон, добавки, органоминеральная смесь.
Введение
Существующая сеть автомобильных дорог Сибири отстает от современных требований как по протяженности и плотности сети, так и по транспортно-эксплуатационным показателям. Одним из путей увеличения объемов строительства дорог является снижение их стоимости за счет использования местных дорожно-строительных материалов и техногенных отходов. Это дает возможность значительно расширить ассортимент дорожностроительных материалов и создать энерго-и ресурсосберегающие технологии.
Выполненные исследования и практические работы показали эффективность применения белитовых шламов для укрепления каменных материалов и грунтов при строительстве оснований и покрытий автомобильных дорог. Однако такие материалы (вследствие содержания в белитовом шламе медленнотвердеющего р-двухкальциевого силиката) обладают невысокой начальной прочностью, низкой водостойкостью и высокой истираемостью дорожного покрытия в процессе эксплуатации [1, 2].
Постановка и решение задачи
С целью повышения физикомеханических и эксплуатационных свойств материалов на основе белитовых шламов разработаны составы и технология приготовления органоминеральных смесей (ОМС), представляющих собой разновидность дорожных смесей, приготавливаемых и укладываемых в холодном состоянии [3, 4]. Для изготовления ОМС применяют песок природный, белитовый шлам Павлодарского алюминиевого завода (ПАЗ), нефтяной гудрон,
воду и добавки, ускоряющие твердение белитового шлама.
Фазовый состав белитового шлама ПАЗ характеризуется содержанием р- С^ (40 -55 %), гидросиликатов кальция, гидроалюмината, кальцита, магнетита, гиббсита и кварцита. Белитовый шлам даже в тонкомолотом состоянии весьма слабо проявляет вяжущие свойства, что обусловлено медленным ростом объема гидратных новообразований, характерных для гидратации р-С^ [1, 2, 5, 6].
Для ускорения образования гидратной фазы в системе «шлам - минеральный материал - вода» целесообразно введение в ОМС добавок, ускоряющих твердение бели-тового шлама. В качестве таких добавок были взяты техногенные отходы нефтехимической промышленности: сульфатные сточные воды (добавка СС) и шлам производства катализаторов (добавка Щ). С целью улучшения адгезионных свойств гудрона в ОМС применена структурообразующая добавка -коксовая крошка после помола в виде коксовой пыли (добавка КП).
Добавка СС является бесцветной жидкостью, имеет кислотное число 3 - 8 мг КОН/10 г, рН среды 2 - 3,5 и следующий химический состав, мас. %: сульфат натрия 9 - 15; водорастворимые органические кислоты С1 - С4 0,3 - 0,6; свободная серная кислота 0,2 - 0,8; нелетучие органические соединения (кислоты, кетоны, эфиры) 0,6 - 0,8; марганец 0,01 -0,02; железо 0,003 - 0,005; вода - остальное.
Добавка Щ представляет собой суспензию, содержащую продукты разварки силикатной глы-
бы, отстоя и фильтрации водных растворов жидкого стекла и сернокислого алюминия. В сухом состоянии добавка Щ является тонкодисперсным порошком. Водный раствор добавки Щ имеет рН среды 8,0 - 8,5. Химический состав добавки Щ, мас. %: SiO2 63,5 - 64,3; АЬОз 23,5 - 24,1; №20 0,8 - 1,4; Fe203 0,2 - 0,4; оксиды редкоземельных металлов 6,0 - 8,0.
На физико-механические свойства органоминерального материала (ОММ) оказывают влияние количественное содержание каждого
компонента в смеси, продолжительность и условия твердения материала. При подборе составов ОМС был применен метод математического планирования эксперимента. Согласно плану эксперимента в качестве независимых факторов были приняты расходы компонентов органоминеральных смесей (табл. 1). Содержание природного песка в смесях изменялось от 50 до 90 мас. %.
Таблица 1 - Независимые факторы, уровни факторов и интервалы варьирования
Факторы Кодированное значение фактора Уровни факторов Интервал варьиро- вания
1 2 3 4 5
Расход гудрона (Г), % от массы минеральных материалов Х! 5 7 9 11 13 2
Расход коксовой пыли (КП), % от массы гудрона Х2 0 2,5 5,0 7,5 10,0 2,5
Расход шлама ПАЗ, мас. % Хз 10 20 30 40 50 10
Расход добавки Щ, % от массы минеральных материалов Х4 0 1,25 2,5 3,75 5,0 1,25
Расход добавки СС, % от массы минеральных материалов Х5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,5
Расход воды (В), % от массы шлама ПАЗ Хб 5 10 15 20 25 5
Органоминеральные смеси готовили без подогрева минеральных материалов и воды, гудрон нагревали до 80 - 100 °С. Смеси получали при раздельной обработке песка гудроном с добавкой КП, а белитового шлама с добавкой Щ - водой с добавкой СС при последующем совместном перемешивании всех компонентов. Из смесей готовили образцы-цилиндры при уплотняющем давлении 40 МПа. Испытания образцов органоминерального материала (ОММ) проводили по ГОСТ 12801 после 7 и 28 суток влажного хранения с определением следующих показателей физико-механических свойств ОММ: пределов
прочности при сжатии при температурах 0 ^о), 20 ^20) и 50 °С ^50); средней плотности (рт), водонасыщения ^); коэффициентов водостойкости после кратковременного (Кв ) и длительного (15 суток) водонасыщения (Кдв).
В результате обработки эксперимента определены осредненные значения показателей физико-механических свойств на каждом уровне изменения фактора. В качестве примера на рис. 1 представлены графические зависимости изменения физико-механических свойств ОММ от содержания в смеси добавок КП и Щ. Для параметров оптимизации - R0,
R20, R50, W, Кв, Кдв - получены уравнения регрессии, позволившие оценить влияние каждого рецептурного фактора на показатели прочности, водонасыщения и коэффициенты водостойкости ОММ, рассчитать прогнозируемые значения показателей свойств ОММ в исследованной области изменения переменных факторов и определить оптимальные дозировки компонентов ОМС.
Установлен следующий оптимальный состав ОМС (% от массы минеральных материалов): песок природный 50; белитовый шлам 50; гудрон нефтяной 10,0; коксовая пыль 5,0 (от массы гудрона); добавка Щ 3,0; добавка СС 1,0; вода 17,0 (от массы шлама). Органоминеральный материал оптимального состава в возрасте 28 суток по показателям прочности и водостойкости соответствует требованиям ГОСТ 30491 к ОМС, приготовленным на жидких органических вяжущих совместно с минеральными вяжущими (табл. 2).
При твердении в ОММ формируется два типа микроструктурных связей - коагуляционные и конденсационно-кристиллизационные. Коагуляционные связи между частицами минеральных материалов осуществляются через адсорбционно-сольватные структуриро-
ванные пленки органического вяжущего. Конденсационные связи в ОММ появляются при уплотнении ОМС. Под действием уплотняющей нагрузки предварительно гидратированные частицы шлама сближаются и образуют первичную конденсационную структуру твердения. Наличие в шламе резерва негидрати-рованного p-С2S приводит со временем к повышению прочности структуры за счет роста объема новообразований, увеличения числа конденсационных контактов и перехода части их в кристаллизационные [5, 6].
0,0
2,5 5,0 7,5 10,0
Содержание коксовой пыли, мас. %
К
к
н
*
о
К
&
К
н
о
О
х
&
о
ч
Л
0,00 1,25 2,50 3,75 5,00
Содержание добавки Щ, мас. %
Для установления степени влияния коагуляционных и конденсационно-кристаллизационных связей на прочность ОММ были определены прочности этих микроструктурных связей. Прочность коагуляционных связей определяли на образцах, изготовленных из смеси песка, шлама ПАЗ и гудрона. Прочность конденсационно-кристаллизационных связей определяли после экстрагирования гудрона из образцов, изготовленных из ОМС оптимального состава с добавками.
б)
К
X
И
л
о
й
X
о
«
о
м
Содержание коксовой пыли, мас. %
г)
<Ц
К
X
<Ц
щ
3
о
оЗ
X
о
«
о
га
1,0
к
н
о
о
и
5К
о
н
о
о
«
о
и
н
X
<о
X
я
к
(О
о
И
0,6
Содержание добавки Щ, мас. %
Рис. 1. Зависимость свойств органоминерального материала в возрасте 28 суток от содержания в смеси добавок КП (а, б) и Щ (в, г)
Установлено, что прочность ОММ выше, чем сумма прочностей коагуляционных и конденсационно-кристаллизационных связей. Так, в возрасте 28 суток прочность коагуляционных связей равнялась 0,6 МПа, конденсационнокристаллизационных - 1,0 МПа, а органоминеральный материал имел прочность 2,25 МПа (рис. 2). Следует полагать, что в ОММ дополнительно возникают водородные связи между поверхностными гидроксилами шлама и карбоксильными и гидроксильными группами органического вяжущего, которые повышают прочность ОММ по сравнению с суммарной прочностью коагуляционных и конденсационнокристаллизационных связей.
Сравнение прочностей ОММ оптимального состава и материала, полученного из смеси минеральных материалов с водой и добавками, показывает, что гудрон замедляет процессы гидратации белита. Система с коагуляционными и конденсационно-кристаллизационными связями имеет меньшую прочность, чем система с конденсационно-кристаллизационными связями, образующимися при твердении материала, состоящего из смеси песка, шлама добавок и воды. Однако использование гудрона в ОМС позволяет повысить плотность, водо-и морозостойкость, снизить истираемость ОММ.
7 28 60 90
Возраст образцов, сутки
Рис. 2. Прочность микроструктурных связей ОММ составов (мас. %): 1 - песок 50, шлам ПАЗ 50, гудрон 10 (коагуляционная связь); 2 - после экстрагирования гудрона из ОММ оптимального состава с добавками (конденсационно-кристаллизационная связь); 3 - ОММ оптимального состава (коагуляционная и конденсационно-кристаллизационная связи); 4 - песок 50, шлам ПАЗ 50, добавка Щ 3, добавка СС 0,1, вода 7,5 (конденсационно-кристаллизационная связь); 5 - песок 50, шлам ПАЗ 50, вода 7,5 (конденсационнокристаллизационная связь)
Добавки Щ и СС активизируют образование гидратированных минералов шлама. Особенно эффективны эти добавки в смеси без гудрона
(см. рис. 2). Процессы структурообразования ОММ из смесей с добавками завершаются в основном к 28-суточному возрасту. Продолжительность периода структурообразования ОММ из смеси без добавок более 90 суток.
Органоминеральные смеси готовили в лабораторных условиях по разным технологическим схемам.
По I схеме ОМС готовили по раздельной технологии: 1) перемешивание песка с гудроном и добавкой КП в течение 20 - 30 с; 2) перемешивание белитового шлама с добавкой Щ и водой с отдозированной в нее добавкой СС в течение 10 - 15 с; 3) последующее совместное перемешивание всех компонентов ОМС в течение 50 - 60 с.
II схема предусматривает измельчение части белитового шлама с добавками Щ и КП. Последовательность дозирования компонентов в смеситель следующая: 1) подача в смеситель песка, белитового шлама, молотого шлама с добавками, их перемешивание в течение 10 - 15 с; 2) подача в смеситель воды с добавкой СС и перемешивание материалов в течение 20 - 30 с; 3) дозирование гудрона, нагретого до 80 - 100 °С; 4) окончательное перемешивание смеси в течение 50 - 60 с до однородного состояния.
III схема - изготовление ОМС в такой последовательности дозирования компонентов:
1) подача в смеситель песка, шлама, добавок Щ и КП, их перемешивание в течение 10 - 15 с;
2) подача в смеситель нагретого гудрона и перемешивание смеси в течение 50 - 60 с; 3) дозирование в смеситель воды с добавкой СС и окончательное перемешивание смеси в течение 30 - 40 с.
IV схема - приготовление ОМС без добавок по раздельной технологии: 1) перемешивание песка с гудроном в течение 20 - 30 с; 2) перемешивание белитового шлама с водой в течение 10 - 15 с; 3) последующее совместное перемешивание всех компонентов ОМС в течение 50 - 60 с.
Из смесей оптимального состава, полученных по разным технологическим схемам, были изготовлены лабораторные образцы и определены их физико-механические свойства после различной продолжительности хранения во влажных условиях. Как следует из данных рис. 3 и 4, интенсивность процессов структурообразо-вания, прочность и морозостойкость выше у ОММ, изготовленных по раздельной технологии и с молотым белитовым шламом (I и II схемы).
Изменение прочности в процессе твердения ОММ описывается характерными для материалов гидратационного твердения лога-
рифмическими зависимостями (1 - 4), которые позволяют прогнозировать рост прочности ОММ в процессе структурообразования:
Y1 = 1,038 Ід X + 0,6093; Y2 = 1,023 Ід X + 0,3514; Yз = 0,888 ІдХ + 0,1940; Y4 = 0,924 ІдХ - 0,3204,
(1)
(2)
(3)
(4)
где Y1, Y2, Y3, Y4 - прочности R2o образцов из ОМС, приготовленных соответственно по схемам I, II, III, ^, МПа; X - время твердения ОММ, сутки.
Возраст образцов, сутки
Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии ОММ от времени структурообразования и технологической схемы приготовления ОМС:1 - I; 2 - II; 3 - III; 4 - IV:
1,0
0,9
0,8
К
|0,7
о
0,6
2
\ Ч 1
1 ч > 1 7*^1 к ^ г— _
к. к. ^ ^1
0
10
20
30
40
50
Количество циклов замораживания-оттаивания
Рис. 4. Зависимость коэффициента морозостойкости от количества циклов замораживания-оттаивания после 28 ( — ) и 180 (--) суток твер-
дения ОММ из смесей, приготовленных по схемам: 1 - I; 2 - II
Органоминеральные смеси и технология их приготовления внедрены в Омском и Новосибирском объединениях «Агро-
промдорстрои» при строительстве сельских дорог. При строительстве верхнего слоя покрытия на дороге I с технической категории ОМС готовили по схеме II. Испытания рычажным прогибомером показали, что после 60-ти суток строительства модуль упругости покрытия составил 205 - 220 МПа. Обследования, проводимые в течение трех лет эксплуатации, не выявили на покрытии температурных трещин и пластических деформаций.
Заключение
Использование в органоминеральной смеси добавок-активизаторов твердения белито-вого шлама способствует интенсивному росту прочности органоминерального материала и позволяет в возрасте 28 суток получить материал, который по комплексу физикомеханический свойств соответствует требованиям ГОСТ 30491.
В процессе структурообразования в органоминеральном материале формируется дисперсная структура смешанного типа. Коагуляционная структура обусловливает водо- и морозостойкость и пластичность органоминерального материала в области низких температур. Конденсационно-кристаллизационная микроструктура обеспечивает прочность дорожного покрытия при высоких положительных температурах. Особенности такой структуры обусловлены кинетикой гидратации и твердения белитового шлама, а также взаимодействием органического вяжущего с минеральными компонентами смеси и продуктами гидратации белитового шлама. Довольно высокие прочностные и деформационные свойства ОММ объясняются образованием в процессе твердения белитового шлама гелевидных гидросиликатов кальция волокнистой структуры.
Для обеспечения эффективных условий взаимодействия органического вяжущего с песком и шлама ПАЗ с водой органоминеральные смеси целесообразно готовить по раздельной технологии (I схема) или предварительно активизировать белитовый шлам путем его измельчения с добавками КП и Щ (II схема).
Органоминеральные смеси рекомендуется применять во II - IV дорожно-климатических зонах для строительства покрытий и оснований сельских дорог. Технология приготовления ОМС по сравнению с технологией производства асфальтобетонных смесей является энергосберегающей, так как отпадает необходимость в высушивании и нагреве минеральных компонентов смеси, ресурсосберегающей в связи с использованием многотоннажных
техногенных отходов, местных природных песков и гудронов (сырья для битумного производства).
Библиографический список
1. Бескровный В.М. О применении белитового шлама - отхода алюминиевой промышленности в дорожном строительстве / В.М. Бескровный, Б.В. Белоусов // Совершенствование способов строительства оснований дорожных одежд с использованием шлаков: сб. науч. тр. - М.: СоюздорНИИ, 1990. - С. 99 - 116.
2. Белоусов Б.В. Материалы для долговечных и экономичных оснований дорожных одежд: монография / Б.В. Белоусов. - Омск: СибАДИ, 2000. -165 с.
3. Прокопец В.С. Эффективный способ утилизации белитовых шламов и некоторых отходов нефтехимической промышленности / В.С. Прокопец, В.Д. Галдина // Автомобильные дороги Сибири: тез. докл. Всероссийской международной науч.-технич. конференции. - Ч. I.- Омск, 1994. - С. 84 - 85.
4. Патент 2039858 РФ, Е 01 С 7/36, С 09 К 17/00. Композиция для устройства автомобильных дорог / В.С. Прокопец, В.Д. Галдина. - Опубл. 20.07.95. -Бюл. № 20. - 6 с.
5. Сычев М.М. Комплексная переработка нефелинового шлама / М.М. Сычев. - М.: Металлургия, 1974. - 199 с.
6. Щелочные и щелочноземельные гидравлические вяжущие и бетоны / Под ред. В.Д. Глуховского. - Киев: Вища школа, 1979. - 232 с.
Influence of technology of preparation of mix on properties organic-mineral a material
V.S. Prokopets, V.D. Galdina
Physicomechanical properties organic-mineral a material on the basis of local raw material, bleaches dirt and additives - by-products of the industry are studied. Optimum structures and rational technology of preparation organic-mineral mixes are developed.
Прокопец Валерий Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - повышение эффективности дорожных и строительных материалов и изделий применением наноструктурных веществ механохимиче-ского способа получения. Имеет более 200 опубликованных работ. Е- mail: prokopets_vs @ mail.ru Галдина Вера Дмитриевна - канд техн. наук, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - органические вяжущие материалы и бетоны на их основе. Имеет 120 опубликованных работ.
УДК 6gg.86
ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ В СИСТЕМЕ ЗДАНИЯ
В-M. Валов
Аннотация. Рассматриваются возможности зданий из тонкостенных оболочек и висячих покрытий с подвесным слоем воздухопроницаемого утеплителя на откосе и работающего в условиях автономно регулируемой фильтрацией воздуха через его тощу. Представлены варианты повышения энергоэффективности производственных зданий за счёт внедрения архитектурно-строительных мероприятий.
Ключевые слова: здания, тонкостенные оболочки, пространственные покрытия, утепляющий слой, воздушная прослойка, воздухопроницаемость, фундаментная плита, проветриваемое подполье, эффекты паровой инфильтрации.
Принципиальной основой успешного решения социально-экономических проблем страны должно быть восстановление и сохранение промышленного комплекса и сельскохозяйственного производства и их строительной базы. Прежде чем решать технические задачи, необ-
ходимо иметь концепцию социально-экономического развития промышленного и сельскохозяйственного комплексов, их специализации и мощности, поэтапного развития с учетом природно-климатических условий, материальнотехнического снабжения, возможностей строи-
