автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Асфальтобетон с использованием минерального порошка из промышленных отходов Курской магнитной аномалии

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов

На правах рукописи

БЕЛЯЕВ Алексей Михайлович

АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ КУРСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Лесовик B.C. кандидат технических наук, профессор Гридчин A.M.

Белгород 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.................................. 9

1.1. Анализ дорожной сети Белгородской области................9

1.2. Физико-химические основы прочности асфальтобетона....... 23

1.2.1. Теория прочности системы битум-минеральный порошок 23

1.2.2. Активация минеральных материалов...................31

1.2.3. Опыт использования отходов промышленности в качестве минерального порошка...................... 35

1.3. Анализ научно-исследовательских работ по использованию

отходов КМА в дорожном строительстве................. 37

Выводы к главе 1............................................. 46

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................48

2.1. Объекты исследования....................................48

2.2. Методы исследований....................................61

Выводы к главе 2..............................................63

3. ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ КМА НА СИНТЕЗ И СВОЙСТВА АСФАЛЬТОВЯЖУЩЕГО ВЕЩЕСТВА.......... 64

3.1. Теоретические предпосылки выбора сырьевых материалов из дисперсных отходов КМА для оптимизации структуры

асфальтовяжущего вещества.............................. 64

3.2. Влияние ПАВ на свойства битума.......................... 77

3.3. Исследование физико-химических свойств битума, поверхностно-активного вещества "Бикор" и битума

с "Бикором"............................................. 84

3.4. Влияние минерального порошка и ПАВ на свойства асфальтовяжущего вещества.............................. 91

Выводы к главе 3............................................. 105

4. ПРОИЗВОДСТВО АСФАЛЬТОБЕТОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА И БИТУМА,

МОДИФИЦИРОВАННОГО ПАВ "БИКОР"................... 107

4.1. Асфальтобетоны с использованием щебня из скальных

попутно добываемых пород КМА....................................................107

4.2. Исследование влияния добавок ПАВ и типа асфальтобетона

на его физико-механические показатели свойств........................122

Выводы к главе 4..........................................................................................137

5. АПРОБАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ....................139

5.1. Производство асфальтобетона с использованием пыли

электрофильтров и модифицированного битума............................139

5.2 Использование результатов работы при строительстве и

ремонте автодорог в Белгородской области....................................142

Выводы к главе 5..........................................................................................149

6. ТЕХНИКО- ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ......................................................................150

Выводы к главе 6..........................................................................................158

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................159

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Изменение геополитической обстановки, увеличение интенсивности транспортных потоков и существенный рост числа автомобилей с более высокими осевыми нагрузками, негативно отразились на состоянии дорожной сети Белгородчины. Повышение конкурентоспособности строительства и ремонта автодорог невозможно без перехода к ресурсосберегающим и безотходным технологиям, управления процессами синтеза дорожно-строительных материалов с учетом достижений строительного материаловедения. Существенное повышение транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог возможно при использовании асфальтобетона оптимального состава. Традиционно применяемая при приготовлении асфальтобетона в качестве минерального порошка цементная пыль двух цементных заводов области, ввиду внедрения новой системы обеспыливания, непригодна для выполнения роли важного структурообразующего компонента асфальтобетона. Известняковый минеральный порошок "Обидимо" и цемент местных заводов существенно повышают себестоимость строительства и ремонта автомобильных дорог.

Для решения данной проблемы необходимо исследование промышленных отходов КМА как структурообразующих компонентов асфальтобетона.

Крупномасштабное использование отходов горнодобывающей промышленности в производстве различных строительных материалов является весьма актуальной задачей, решение которой позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели стройиндустрии, а также снизить ее отрицательное воздействие на локальные экологические системы [1,2].

Исследования убедительно показали, что в природных и искусственных материалах, широко используемых в строительном материаловедении, обнаруживаются при оптимальных структурах совершенно четкая система экстремумов структурночувствительных физических свойств [3].

Работа выполнялась по единому наряд-заказу Госкомитета Российской Федерации по высшему образованию на 1993-98 годы.

Цель работы. Разработка технологии производства высококачественного асфальтобетона с использованием минерального порошка из отходов КМА и модифицированного битума.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

- изучение вещественного состава и строение промышленных отходов, пригодных для производства минерального порошка, составление их классификации;

- установление характера влияния минерального порошка на биту-моемкость, прочность, водонасыщение, набухание и водостойкость;

- исследование влияния поверхностно-активного вещества (ПАВ) "Бикор" на асфальтовяжущее вещество и асфальтобетон с применением в качестве минерального порошка пыли электрофильтров известкового цеха ОЭМК;

- разработка составов асфальтобетона различных типов;

- подготовка нормативно-технической документации для внедрения в производство результатов работы;

- апробация результатов лабораторных исследований в промышленных условиях.

Научная новизна. Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования асфальтобетона с помощью минерального порошка из отходов КМА и модификации битума.

Выявлен характер влияния вещественного состава и строения тонко-дисперстных отходов КМА на синтез и свойства асфальтовяжущего вещества и характеристики асфальтобетона. Установлено, что использование пыли электрофильтров известкового цеха ОЭМК позволяет увеличить адгезию за счет химического взаимодействия составляющих битума и извести и оптимизировать структуру асфальтовяжущего вещества на уровне стандартного минерального порошка "Обидимо".

Предложен механизм влияния ПАВ "Бикор" на асфальтовяжущее вещество, показано избирательное воздействие поверхностно-активного ве-

щества на систему "битум-минеральный порошок". Так, его введение в ас-фальтовяжущее вещество на активированном известняковом минеральном порошке "Кикерино" снижает прочностные показатели, водонасыщение и набухание. Коэффициент водостойкости и длительной водостойкости увеличиваются. Модификация асфальтовяжущего вещества с использованием неактивированного известнякового минерального порошка "Обидимо" и пыли электрофильтров известкового цеха ОЭМК позволяют снизить расход битума в асфальтовяжущем веществе и улучшить его физико-механические свойства.

Показан характер влияния минерального порошка из пыли электрофильтров и ПАВ "Бикор" на свойства асфальтобетонов типа "Г", "В" и "Б". Характер зависимости прочности асфальтобетона от концентрации ПАВ в битуме для песчаного и щебенистых асфальтобетонов различен. Для песчаного асфальтобетона зависимость носит плавный характер, для щебенистых - характеризуется наличием ярко выраженного экстремума, что объясняется различной структурой асфальтобетонов. Оптимальное количество ПАВ в битуме для песчаного асфальтобетона типа "Г" составляет 0,5-1%, для щебенистых типов "В" и "Б" - 0,7-1%. Для асфальтобетонов с ПАВ существенно улучшается длительная водостойкость, особенно для асфальтобетона типа "В" с неоптимизированной структурой и песчаного типа "Г", что приводит к повышению долговечности асфальтобетона.

Практическое значение работы:

- разработана классификация промышленных отходов КМА, как сырья для получения асфальтобетона;

- предложен состав асфальтовяжущего вещества на основе минерального порошка из пыли электрофильтров и битума модифицированного ПАВ "Бикор". Новизна предложенной композиции защищена патентом Российской Федерации;

- предложены составы плотного асфальтобетона марок П-Ш типа "Г", "В" и "Б" с использованием отходов КМА для Н-Ш дорожно-климатических зон;

- предложен способ повышения адгезии битума к кислым породам путем модификации битума поверхностно-активным веществом "Бикор";

- разработана технология производства асфальтобетона с использованием минерального порошка из пыли электрофильтров известкового цеха ОЭМК и битума модифицированного ПАВ "Бикор".

Внедрение результатов работы. Разработана технология производства высококачественного асфальтобетона с использованием минерального порошка из промышленных отходов и модифицированного битума.

Результаты работы внедрены при строительстве и ремонте автомобильных дорог в системе управления автомобильных дорог общего пользования Белгородской области (УПРДОР), на участках дорог: Аверино-Губкин км 0+00 - 10+00; Кочегуры-Коньшино км 0+00 - 2+40; Обуховка-Шаталовка км 1 + 10 - 3+80; Крутое-Змеевка км 0+60 - 3+60 III и IV технических категорий.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог разработаны нормативные документы: технические условия "Порошок минеральный из промышленных отходов известкового цеха ОЭМК" ТУ 5716-004-0206633998; "Технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей 2-3 марок с применением минерального порошка из промышленных отходов известкового цеха ОЭМК"; "Рекомендации на производство и применение минерального порошка из промышленных отходов известкового цеха ОЭМКа в плотных асфальтобетонных смесях".

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 29.10, что отражено в учебных программах дисциплин "Строительные материалы и изделия" и "Эксплуатация транспортных сооружений", а также учебно-методических указаний.

На защиту выносятся:

- возможность интенсификации процессов структурообразования асфальтобетонов с помощью минерального порошка из отходов КМА и модифицированного битума ПАВ "Бикор";

- механизм влияния ПАВ "Бикор" на асфальтовяжущее вещество, характер влияния отходов КМА на синтез и свойства асфальтовяжущего вещества и характеристики асфальтобетона;

- способ повышения адгезии битума к кислым породам путем его модифицирования ПАВ;

- классификация отходов КМА, как структурообразующих компонентов асфальтобетона, для дорожного строительства;

- результаты внедрений.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 учебно-методических разработки и патент Российской Федерации (№ 2123987).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, включающего 40 таблиц, 29 рисунков и фотографий, списка литературы из 107 наименований, 6 приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Анализ дорожной сети Белгородской области

Развитие хозяйства Российской Федерации сопровождается увеличением транспортных перевозок и требует качественного улучшения работы транспортного комплекса, важной частью которого являются автомобильные дороги, поэтому, одним из критериев уровня развития страны является состояние дорожной сети. Огромные просторы России, многообразие климатических, геоморфологических и тектонических условий существенно усложняют создание автомобильных дорог высокого класса, и здесь следует отметить, что темпы снижения производства практически во всех отраслях промышленности, пожалуй, меньше всего затронули дорожное строительство.

На данном, очень сложном этапе развития промышленность России должна ориентироваться на современные, маломатериалоемкие и неэнергоемкие технологии. Это при прочих равных условиях важнейший путь быстрого выхода из экономического кризиса.

Применительно к дорожному строительству на территории Курской магнитной аномалии (КМА) - актуально комплексное использование промышленных отходов.

Территория КМА, заселенная славянами в 1Х-Х вв. для защиты границ Русского государства, в XX веке превратилась в высокоразвитый индустриально-аграрный район с развитой горнорудной и перерабатывающей промышленностью во главе с флагманом отечественной бездоменной металлургии - Оскольским электрометаллургическим комбинатом, и сравнительно неплохо развитой в масштабах России дорожной сети.

КМА - крупнейший в мире железнорудный бассейн. Выгодное географическое положение, близость к источникам энергии и ряд других благоприятных экономических факторов делают бассейн одной из важнейших минерально-сырьевых баз.

Особенно быстрыми темпами создавалась промышленность в центре горнорудного края КМА - Белгородской области, где расположены три из

четырех действующих предприятий по добыче железистых кварцитов: шахта им. Губкина, Лебединский и Стойленский горно-обогатительные комбинаты (ГОКи).

Для Центрально-Черноземных областей повышение эффективности дорожного строительства может быть достигнуто за счет комплексного использования вскрышных и вмещающих скальных горных пород КМА. Это актуально в связи с тем, что дефицит щебня для дорожного строительства в Центральном Черноземье составляет около 7 млн. м3 в год. Покрытие этой потребности осуществляется на 14% за счет известнякового щебня из Липецких карьеров, остальной щебень доставляется из карьеров Краснодарского края, Ростовской области, Украины с дальностью перевозок по железной дороге до 1200 км. Месторождения КМА имеют значительные запасы скальных пород и отходов обогащения, которые могут служить исходным сырьем для производства строительных материалов [4, 5, 6, 7].

Параллельно с развитием горнорудной промышленности на КМА строилась дорожная сеть, создавалась отрасль по производству дорожно-строительных материалов. Общая протяженность автомобильных дорог с твердым покрытием на КМА составляет около 6000 км. Большой опыт по строительству дорог с использованием отходов горнорудного производства имеется в Белгородской области, где, начиная с 1976 года, в дорожное полотно уложено 25 млн. м3 щебня попутно добываемых пород ЛГОК и СГОКов.

В 1928 году было принято решение о коренной перестройке всей работы в области дорожного и автомобильного хозяйства.

Именно в это время с особой остротой встал вопрос о проведении в широких масштабах научных исследований и опытного строительства по сооружению покрытий с применением камня, щебня и гравия, укрепленного битумными эмульсиями, дегтями, нефтяными остатками.

При этом были установлены принципы правильного подбора состава асфальтобетона и методы строительства асфальтобетонных покрытий. Научное направление по разработке технических условий на асфальтобетон возглавили крупные ученые страны: Г.Д. Дубилер, А.К. Бируля, A.A. Ка-

и

лерт, В.В. Михайлов и другие. Одновременно было принято решение о создании учебных заведений начавших подготовку инженеров по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог, экономике и организации дорожного хозяйства - Ленинградский (ЛАДИ), Московский (МАДИ), Сибирский (СибАДИ), Саратовский (САДИ), и Харьковский (ХАДИ), а также ряд техникумов, рабфаков и училищ.

Для устройства покрытий усовершенствованного типа начали широко применять битумы. Изучались методы подбора смесей по оптимальной пористости и заданным механическим свойствами. Применялось проектирование асфальтобетона по количеству асфальтовяжущего вещества, идея которого была высказана профессором П. Сахаровым еще в 1909 г.

Более высокими темпами развития дорожной отрасли характеризуется период после образования в 1953 г. Министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР, т.к. интересы народного хозяйства и населения требовали усиления темпов дорожного строительства. Значительно возрасло производство автомобилей. Увеличился средний тоннаж автомобилей, нагрузки на ось и скорости движения. Стали развиваться грузовые и пассажирские междугородные перевозки. Вся обстановка требовала ускоренного расширения и совершенствования сет�