автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка и обоснование технологии примененияжелезосодержащих отходов промышленности в дорожном строительстве

Ильин Альберт Иннокентьевич

ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ИЗ ПЕНОРЕАКТОШ1АСТОВ ПРИ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТАХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ

05.23.08 — Технология и организация промышленного и гражданского строительства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.02.2000 г. Объем 1,0уч.-изд. л. Заказ № 032/00

Формат 60x84 1/16 Тираж 100

ЛР 021065 от 16 июня 1996 г. ГУЛ «Полиграфист» ЯНЦ СО РАН 677891 Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Петровского, 2 тел. (4112) 26-24-96

На правах рукописи

А-

БЫКОВА АЛЬБИНА АНАТОЛЬЕВНА

г'' о ОД

1 5 - -

Разработка и обоснование технологии применения железосодержащих отходов промышленности в дорожном строительстве

05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2000 г.

Работа выполнена в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии на кафедре "Строительство автомобильных дорог"

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Доктор технических наук, профессор Вл.П. Подольский

Кандидат технических наук, доцент Г.А.Расстегаева

Доктор технических наук, профессор В.К.Курьянов

Кандидат технических наук, доцент Е.В.Матвеев

Воронежский центр дорожно-мостового проектирования «Магистраль»

Защита состоится " 30 " июня 2000 г. в Ю00 ч. на заседании диссертационного совета К.063.79.01 при Воронежской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,84, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной архитектурно-строительной академии /ВГАСА/

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^^Г4^ кандидат технических наук, доцент .^^А^/^^-^ТО.Н.Спасибухов

Ом-048,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В процессе строительства, реконструкции и ремонта автодорог используются большие объемы природного минерального сырья в виде песка, щебня, гравия, минерального порошка. Их запасы истощаются со временем, поэтому актуальной является проблема вовлечения в дорожное строительство отходов промышленности, образующихся на предприятиях черной металлургии, при производстве серной кислоты, на горно-обогатительных фабриках. В настоящее время в дорожной отрасли используются миллионы тонн шлаков черной металлургии для устройства оснований и конструкций дорожных одежд. Значительный интерес представляют железосодержащие шлаки элекросталеплавилыюго производства, пиритные огарки и обезвоженные шламы. Применение этих материалов в технологических процессах дорожной отрасли позволит сократить площади, занимаемые полигонами и свалками, на которых они хранятся и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В Европейской части России возможности к накоплению этих отходов на предприятиях практически исчерпаны. С учетом реальной угрозы здоровью человека и состоянию окружающей среды, а также в целях пополнения ресурсов дорожно-строительных материалов в Воронежской ГАСА проведены лабораторные и экспериментальные исследования по применению железосодержащих отходов. Содержание железа в отходах составляет: в шлаках НЛМЗ - 25%, в элекросталеплавильных шлаках - 40% и в пиритных огарках до 75%. Следует отметить, что к 2000 году на предприятиях Смоленской области, Старооскольском комбинате и на Ново-липецком металлургическом комбинате накопились миллионы тонн подобных отходов. Присутствие в отходах железа отрицательно сказывается на коррозионных свойствах асфальтобетонов, что сдерживает их широкое применение в дорожном строительстве. В свете этого актуальной является разработка технологии применения железосодержащих отходов промышленности в конструктивных слоях дорожных одежд, что позволяет расширить ресурсную базу дорожной отрасли, сократить занимаемые территории для хранения отходов и снизить негативное влияние на окружающую среду.

Целью работы является исследование возможности применения железосодержащих отходов промышленности в конструктивных слоях дорожной одежды.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработать теоретическое обоснование особенностей формирования асфальтобетонов с минеральным порошком и наполнителем из железосодержащих отходов;

- осуществить подбор поверхностио-активных веществ и ингибиторов для стабилизации свойств асфальтобетона с железосодержащими отходами промышленности;

- установить оптимальный состав и температуру приготовления асфальтобетонных смесей с применением железосодержащих отходов для устройства покрытия автомобильных дорог;

- исследовать процессы старения асфальтобетона с применением железосодержащих отходов;

- провести исследования влияния коррозионных процессов на работоспособность покрытий из асфальтобетонных смесей с железосодержащими отходами;

- разработать технологию приготовления и определить область применения асфальтобетонных смесей с применением железосодержащих отходов и ингибитора;

- обосновать экономическую эффективность применения железосодержащих отходов в дорожном строительстве.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности использования железосодержащих отходов в качестве минеральных компонентов при приготовлении асфальтобетонных смесей, включая;

- разработку структурно-технологической и математической модели, позволяющей прогнозировать расчетные нагрузки на асфальтобетон в упругой области и предельные деформации дорожного покрытия, предшествующие началу трещинообразования и разрушения;

- исследование влияния железосодержащих отходов на свойства асфальтобетонных смесей;

- исследование влияния атмосферных и эксплуатационных факторов на свойства железосодержащих асфальтобетонных смесей;

- повышение коррозийной устойчивости асфальтобетона с применением железосодержащих отходов за счет введения ингибиторов.

Достоверность исследований, научных положений и выводов.подтверждена лабораторными и опытно-производственными испытаниями, которые выполнены с применением современных измерительных приборов, оборудования, в том числе электронного микроскопа с системой энергодисперсного рентгеновского анализа, на основе современных физико-химических методов исследования, включая метод инфракрасной спектроскопии, математического аппарата планирования и при этом полученные результаты не противоречат выводам известных положений.

Практическая значимость диссертационной работы заключается:

- в разработке технологии применения электросталеплавильных шлаков, обезвоженных шламов, пиритных огарков в качестве минеральной составляющей для приготовления асфальтобетонных смесей;

- в расширении номенклатуры дорожно-строительных материалов за счет использования побочных продуктов черной металлургии и химической промышленности в покрытиях автомобильных дорог;

- в экономической эффективности железосодержащих отходов для приготовления асфальтобетонных смесей, которая составляет 2324 руб. на 1 км дороги (в ценах 1999 г.)

- в решении вопросов уменьшения территорий, занимаемых под полигоны и свалки для хранения отходов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы были доложены и получили одобрение на научно-технических конференциях в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (1995-1999 г.г.); на молодежном Российском научном симпозиуме (Воронеж, 1997 г.), на Российской научно-практической конференции (С.-Петербург, 1997 г.), на международной конференции (Сочи, 1999 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, получено авторское свидетельство.

На защиту выносятся:

- структурно-технологическая и математическая модели прогнозирования расчетной нагрузки на асфальтобетон и предельной деформации дорожного покрытия;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологии применения железосодержащих отходов промышленности в дорожном строительстве;

- аналитические зависимости и технологические параметры, необходимые для подбора состава асфальтобетонных смесей с использованием железосодержащих отходов;

- технология приготовления асфальтобетонных смесей с применением железосодержащих отходов.

Структура н объем работы: Диссертация включает 4 главы, объемом 150 е., 27 рис., 26 таблиц, список 99 использованных источников, 6 приложений.

(

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность проблемы и определяет основную цель исследования, научную новизну и практическую значимость темы.

В первой главе приводятся данные о процессах формирования железосодержащих отходов (пиритные огарки, электросталеплавильный шлак, обезвоженные шламы) и их физико-механические свойства, степень их изученности, а также области их применения в дорожном строительстве. Использование вторичных ресурсов позволяет не только расширить сырьевую базу, но и в значительной мере способствует снижению отрицательного воздействия промышленных и бытовых отходов на окружающую среду. По ориентировочной оценке под отвалы и свалки в настоящее время в России занято свыше 1,2 млн. га земли.

Пиритные огарки являются отходом химической промышленности, образующиеся при контактном способе производства серной кислоты, в процессе получения сернистого ангидрита, путем обжига флотационного колчедана, при этом при переработке 1т колчедана получается 700кг огарка.

Состав образующегося отхода зависит от природы используемого сырья и окислительного реагента, температуры обжига и конструкции печей. Основным компонентом огарка является железо, присутствующее главным образом в виде двухвалентного оксида.

Характерной особенностью электросталеплавильного шлака является самопроизвольное измельчение, вследствие полиморфных превращений С^Б из 7 в Р модификацию. Продуктом распада является светло-серый порошок с различными оттенками, а также не расплавившиеся корочки шлака, металлические включения в виде скрапа и корольков различных размеров. Частицы металла в шлаке, появляются в процессе плавки с различной интенсивностью и одновременным их оседанием.

Значительным препятствием для широкого внедрения электросталеплавильных шлаков в дорожном строительстве является слабая изученность их свойств из-за нестабильной технологии переработки. Свойства элсктро-сталеплавильных шлаков изменяются в значительных пределах по сравнению с другими шлаками.

К настоящему времени на полигонах Старооскольского электрометаллургического комбината накопилось до 4 млн. тонн шлака.

Исследуемый шлак ОЭМК имеет: модуль основности 3.08, гидравлическую активность 2.2 МПа, стойкость к силикатному распаду 4.2%.

Шлам смывов и аспирационных систем получают на начальной стадии металлургического цикла от гидроуборки производственных помещений. Шлам НЛМК отличается высокой дисперсностью и не требует дополнитель-

ной переработки при использовании его в качестве минерального порошка в асфальтобетоне, кроме обезвоживания,

Исследование физико-механических свойств железосодержащих отходов свидетельствует о возможности применения их в дорожном строительстве.

Большой вклад в исследования и разработку научных основ технологии и способов применения в дорожном строительстве асфальтобетонов с применением местных дорожно-строительных материалов и побочных продуктов промышленности внесли видные ученые нашей страны: А.К.Бируля, М.И.Волков, Л.Б.Гезенцвей, B.C. Горшков, В.К.Некрасов, И.В.Королев, С.В.Шестоперов, О.А.Якунин, А.П.Тарасенко, Ф.С.Климашов, С.И.Самодуров, Г.А.Расстегаева и многие другие.

Во второй главе рассматривается возможность применения железосодержащих отходов в асфальтобетонных смесях.

Асфальтобетон на основе железосодержащих отходов представляет собой многокомпонентную смесь с хаотически размещенными частичками, которая достаточно сложно поддается теоретическому анализу. Поэтому для упрощения структурной модели представим с достаточной точностью эталонный асфальтобетон как квазигомогенную смесь с модулем упругости £/; а добавление в асфальтобетон железосодержащих отходов вносит возмущение в структуру образца, влияющее на прочностные свойства.

Для оценки зоны возмущения рассматривается упорядоченная модель эталонного состава твердого раствора с добавлением микрочастиц возмущения (железосодержащие отходы) и ее элементарная ячейка, содержащая 2 частицы наполнителя и одну частицу возмущения (рис.1).

а)

® ® • <2

ф ® • Г

® • • 1 п У*

1 в • * т

б)

I 3 2

ш

Рис.1. Структурно-технологическая модель асфальтобетона с железосодержащими компонентами:

а — упорядоченная модель; б — элементарная ячейка с тремя компонентами; 1,2 - компоненты наполнителя, связующего; 3 - железосодержащие компоненты.

Для определения эффективного модуля упругости ЕИ|„р. твердого раствора предлагается уравнение [6]:

■■ЕЛ

т2 I - )Щ

1--

1 -Я1|

1 пц

(Г^Ет/£))"" У

т 2

1 -«;]

-пц

1-£2/£|

3

,0)

где £,■ - модуль упругости ¡-го компонента;

/77/ - объемная концентрация ¡-го компонента.

С другой стороны для определения эффективного модуля упругости можно использовать формулу Герца:

= К

Е - л!.'3 -£,2/3

где Ке - эмпирический коэффициент, Ке= 0,5+1;

Е] - модуль упругости одного из компонентов смеси; Яуд - сдавливающее усилие в контакте микрочастиц. При расчете по уравнению (2) возникают трудности определения поэтому предлагается приближенное уравнение [6]:

(2)

(3)

Л = Л7Т2 (1 - т; )2 ' 3 • [л^ + 1 0Р; (1 - ОТ, )й],

где Я - нагрузка на образец;

И - толщина слоя асфальтобетонного образца;

г - радиус образца;

Р1 - плотность ¡- компонента.

Для определения объемной концентрации компоненты необходимо оценить число микрочастиц находящихся в зоне возмущения и взаимодействующих с исходными частицами [6]:

/и,- = Л^ + Л^/ЮО, (4)

где Х| - массовая концентрация ¡-компонента;

]\1(х) - число микрочастиц, рассчитываемое с учетом массовой концентрации вводимого компонента (частицы возмущения) по уравнению [6]:

М(х)=а0+ г (-1)„у (5)

где а0=6; а/=-3,318-Ю"2, а2 = 2,337-10° , а3 = 7,743-10'3...- постоянные коэффициенты.

Так как по физическому смыслу число частиц N конечное, а массовая концентрация 10< x¡< 30, то в знакопеременном ряде можно ограничиться несколькими членами (рис.2.):

Л'(д-) = 6 -3.318• 10~2 х} + 2.337 • 10""3Xf - 7.743 • 10"5Л'* +

-4 S

+ 1.229-10 4Xf+...

10 20 30 Х2,%

Рис. 2. Оценка размеров зоны возмущения в асфальтобетоне за счет введения дополнительных компонентов:

1,2,3 - максимальное, минимальное и среднеарифметическое возможное число атомов или молекул основной компоненты 1 приходящихся на атом или молекулу примеси 2; 4 - реальная зависимость: максимальное число микрочастиц, приходящихся на атом или молекулу примеси 2 в упорядоченной структурной системе.

Зависимости (1)-(5) позволяют прогнозировать прочностные свойства асфальтобетонов без проведения дорогостоящих экспериментов.

Суть методики прогнозирования заключается в следующем: при заданных модулях упругости ¡-го компонентов Е; и их объемных долях, гс^ определяется а по уравнениям (2) и (3) рассчитывается удельная нагрузка

взаимодействия микрочастиц и величина нагрузки па дорожное покрытие [6].

Разрушение и предшествующее ему трещинообразование асфальтобетонного покрытия оценивается эффективным модулем упругости, позволяющим определить расчетную нагрузку на асфальтобетон в упругой области и предельную деформацию дорожного покрытия.

Известно, что важнейшим свойством асфальтобетона, предопределяющим долговечность этого материала, является устойчивость его структуры.

Покрытия особенно интенсивно разрушаются от атмосферной коррозии в период длительного увлажнения, а также в период оттепелей, которым предшествовал ряд переходов температуры воздуха через 0°С, приводящих к ускорению процесса старения асфальтобетона. Процесс коррозии в асфальтобетоне усиливается в процессе эксплуатации дорожного покрытия. Меры по борьбе с зимней скользкостью, предусматривающие ряд мероприятий по содержанию дорог, в этот период времени, связаны с распределением противогололедных химических материалов, как правило твердых или жидких хлоридов, являющихся по своей природе солями, Выбросы от транспортных средств, также являются причиной повышения коррозийной усталости асфальтобетона.

На работоспособность покрытий из асфальтобетонных смесей с использованием железосодержащих отходов, кроме типичных случаев коррозии асфальтобетона, добавляется специфический - процесс коррозии железа, содержащегося в исследуемых отходах.

Для полного или частичного устранения неблагоприятных свойств железосодержащих отходов применяют различные способы. К их числу относится: электромагнитное удаление железа, их предварительная, активизация, кольматация пор специальными добавками.

В случае использования пиритных огарков и электросталеплавильных шлаков в асфальтобетонные смеси целесообразно вводить реагент, вступающий при определенных условиях в реакцию с Ре и оксидами НсО, с образованием труднорастворимых соединений, которые адсорбируясь на поверхности минеральных частиц, модифицируют ее.

В "Инструкции по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах" ВСН 20-87 приводится перечень химических реагентов, рекомендованных для борьбы с коррозией материалов покрытия, арматуры, всех металлических частей транспортных средств, элементов ограждений, подземных коммуникаций.

При анализе предлагаемых ингибиторов, а также их химических характеристик для введения в состав асфальтобетонных смесей в процессе приготовления, предлагается использовать двухзамещенный фосфат натрия, т.к.

его защитный эффект более значителен, чем у однозамещенного. Кроме того Ма2НРСХ| имеет слабощелочную среду, в отличие от NaH2P04, где среда слабокислая и коррозия железа и его сплавов более интенсивная.

Водные растворы гидролизирующихся солей влияют на скорость коррозионного процесса в зависимости от того, уменьшают или увеличивают они рН раствора. Соли, образованные слабыми кислотами (например, фосфаты), создают щелочную среду:

Ыа2НР04 +2Н20+>2Иа0Н +Н3Р04 ИГО;' + 2Н:0 <->20Н' + Н3Р04

Железо принадлежит к коррозионностойкому в щелочной среде металлу вследствие образования малорастворимого прц повышении значения рН гидрооксида Ре(1П).

Помимо того, в присутствии фосфат - ионов Р043", образуется трудно-растаори.мый фосфат железа РеРО,), что приводит к уменьшению скорости коррозии, вследствие блокировки, поверхности металла труднорастворимой пленкой.

Использование гидрофосфата натрия для улучшения коррозионной устойчивости асфальтобетона с использованием железосодержащих отходов, определяется следующими факторами:

- при гидролизе гидрофосфата натрия образуется водонерастворимое соединение;

- адсорбируясь на частицах минеральных заполнителей, пассивирующий фосфат железа модифицирует их поверхность, что приводит к улучшению сцепления минерального материала с нефтяным битумом;

- влияние атмосферной коррозии на физико-механические свойства асфальтобетона с использованием железосодержащих отходов, значительно снижается за счет образования водонерастворимого соединения, отлагающегося в микропорах:

- замедляется процесс старения асфальтобетона за счет нейтрализации процесса коррозии железа, что приводит к стабилизации плотности и остаточной пористости, влияющих на водо- и морозостойкость асфальтобетонного покрытия.

Для лучшего распределения ингибитора между частицами железосодержащих отходов при приготовлении асфальтобетонной смеси предлагается следующая последовательность введения компонентов асфальтобетонной смеси: железосодержащие отходы => ингибитор => битум => минеральный наполнитель.

В ходе эксперимента проводилась оптимизация подбора состава и свойств песчаного асфальтобетона с использованием в качестве заполнителя

пиритных огарков и шлака ОЭМК, в зависимости от количества ингиби-рующей добавки, битума и температуры приготовления смеси (в случае использования шлака ОЭМК).

При анализе влияния соотношения компонентов на свойства асфальтобетонной смеси применялся метод математического планирования эксперимента с последующим расчетом на ЭВМ коэффициентов уравнений регрессии.

При использовании математических моделей установлено, что оптимальными свойствами обладают асфальтобетоны следующих составов: гранитные высевки - 89%, пиритные огарки + 1% ЫагНР04 - 11 %, битум БНД -8%; гранитные высевки - 65%, шлак ОЭМК+1% Ыа2НР04 - 35%, битум БНД -9%, температура приготовления смеси 130°С.

Асфальтобетон разрушается при длительном и периодическом увлажнении, а также в результате попеременного замораживания и оттаивания. При водонасыщении адсорбционные слои воды, понижая поверхностную энергию, облегчают образование новых поверхностей в асфальтобетоне при его деформировании. Расклинивающее действие водных пленок, разъединяющих минеральные зерна и отслаивающих битумные слои, усиливает разрушающий эффект.

Механизм разрушения асфальтобетона под действием воды состоит из двух этапов. На первом этапе изменяется структура порового пространства, увеличивается остаточная пористость материала. На втором этапе происходит нарушение связей между вяжущими и минеральными материалами под влиянием продиффундирующих через битумные пленки молекул воды.

Изменение структуры исследуемого асфальтобетона в процессе длительного водонасыщения проводились ультразвуковым методом. Испытанию подвергались образцы из асфальтобетонных смесей с добавкой антикоррозийного реагента, так и без нее.

Ультразвуковое тестирование для прогнозирования физико-механических свойств железосодержащих асфальтобетонов проводилось на приборе УК-14П, обеспечивающем точность измерения времени прохождения ультразвука до 0,01 микросекунды.

Скорость прохождения продольных упругих волн определяется по формуле:

У=Л/7, (7)

где Ь - высота образца, см

I - время прохождения звука, сек.

Динамика изменения скорости ультразвука после длительного водонасыщения показана на рис.3.

"Ч

V. х 10'

" Т, с\т

II ЭО 4» «> ^í

Т, С\Т

Рис. 3. Зависимость скорости ультразвука и прочности асфальтобетона с использованием железосодержащих отходов от длительности водонасыщения

1, -•—•—•- а/б с пиритными огарками

2, -41—*—К- а/б с пиритными огарками -НМа2НР04

3, -л—о-в- а/б со шлаком ОЭМК

4, к А А а/б со шлаком 0ЭМК+Ыа->НР04

Уменьшение импульсов скорости в процессе длительного водонасыщения у асфальтобетонных образцов с использованием пиритных огарков (рис. 3.) отражает кинетику деструктивного процесса и снижения прочности, что объясняется уменьшением числа контактов между битумом и минеральной частью, а также новообразованиями железосодержащих частиц, ведущих к разуплотнению асфальтобетона. Не исключен частичный разрыв битумных пленок. При включении в состав пиритных огарков ингибитора влияние длительного водонасыщения уменьшается.

При использовании в асфальтобетоне шлака ОЭМК скорость ультразвука и прочность уменьшается со временем выдерживания образцов в воде до 45 суток, при дальнейшем водонасыщении эти показатели стабилизируются. Это свидетельствует об изменении прочностных свойств материала за счет роста кристаллогидратов.

Характеристиками асфальтобетона, определяющими несущую способность и эксплуатационную долговечность покрытия, является модуль упругости и прочность на растяжение при изгибе.

Поведение асфальтобетонов под действием нагрузок зависит от величины, продолжительности действия и повторяемости нагрузок, скорости на-гружения (деформирования), а также интервалов между повторными приложениями нагрузок.

Процесс усталостного разрушения асфальтобетона обычно включает 3 фазы: накопление внутренних разрушений, сопровождающееся заметным

уменьшением модуля упругости; возникновение микротрещин при невысокой скорости уменьшения модуля упругости; распространение и прогрессирующее развитие трещин с резким уменьшением модуля упругости.

С целью определения влияния железосодержащих отходов на долговечность асфальтобетона и продолжительность эксплуатации покрытия проводились испытания образцов на прочность и модуль упругости на балочках размером 4x4x16 см исследуемых асфальтобетонных смесей, изготовленных в соответствии с ГОСТ 12801-98.

Исследования влияния динамического нагружения па усталостные свойства асфальтобетона проводились после выдерживания образцов -балочек 60 суток в 20% растворе ЫаС1.

При выборе агрессивной среды для исследования коррозийной устойчивости учитывалась вероятность взаимодействия асфальтобетонных покрытий с этой средой в реальной конструкции. Поэтому в качестве агрессивной среды был принят раствор ЫаС1 - 20% концентрации. Концентрация раствора ЫаС1 назначалась из соображений минимальной температуры воздуха при которой применяется антигололедный реагент, согласно ВСН 20-87.

Результаты влияния динамического нагружения на свойства асфальтобетона, представлены на графике (рис.4).

Рис. 4. Влияние динамического нагружения на свойства асфальтобетона после выдерживания 60 сут. в растворе №С1, при Р= 6 кг.

1- асфальтобетон с пиритными отходами;

2- асфальтобетон с пиритными отходами + ЫагНР04;

3- асфальтобетон со шлаком ОЭМК;

4- асфальтобетон со шлаком ОЭМК + Ыа2НРО^

Из графиков следует, что происходит снижение значений модуля упругости и прочности при изгибе и сжатии у исследуемых асфальтобетонных смесей. Однако данное снижение определяемых параметров значительно ярче выражено у асфальтобетонов без антикоррозийной добавки. Оценивая результаты данного эксперимента, можно сделать вывод о замедлении процесса усталостного разрушения асфальтобетона с добавкой Ыа;НРО^.

Характер изменения значения модуля упругости и пределов прочности при растяжении, при изгибе и при сжатии в зависимости от динамического нагружения неоднозначен и нуждается в определенной интерпретации.

По результатам эксперимента видно, что при динамическом нагруже-нии образцов асфальтобетона с использованием шлака ОЭМК (рис.4,) модуль упругости возрастает.

Такое явление наиболее характерно для значений модуля упругости и объясняется не только процессами вибрационного доуплотнения, но и физической закономерностью взаимодействия микротрещин.

Сущность этого взаимодействия заключается в том, что при определенной плотности субмикротрещин, которые окружают крупные микротрещины, происходит торможение процессов развития последних, приводящее к временному относительному упрочнению структуры материала. Такое упрочнение мало сказывается при испытаниях образцов, при определении прочности на растяжение при изгибе, что экспериментально подтверждается результатами испытаний.

Автором проводились исследования по использованию шлама смывов и аспирационных систем металлургических производственных помещений НЛМК в качестве минерального порошка в асфальтобетоне.

Наличие в шламе железа, а также окислов железа и алюминия в общем количестве 28,8% по массе делает использование шламов смыва и аспирационных систем металлургических производственных помещений в асфальтобетоне в качестве минерального порошка затруднительным, так как наличие металлосодержащих элементов приводит к интенсивному старению нефтяного битума, а следовательно к усилению коррозии асфальтобетона.

Введение фусов в качестве поверхностно-активной добавки 'в асфаль-товяжущее вещество изменяет природу поверхностей и условия взаимодействия на границе битум - минеральный материал.

Исследованиями установлено, что асфальтобетон с применением обезвоженного шлама имеет высокую деформативную способность и деформационную устойчивость.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований оценки влияния коррозионных свойств железосодержащих отходов на свойства асфальтобетонных смесей. Проведен анализ на водостойкость, на

1 действие агрессивной среды в период длительного водонасыщения, а также

циклов замораживания-оттаивания.

В общем случае дорожные асфальтовые бетоны, показатели которых полностью соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97 принято считать водо-и морозостойкими. Однако, такой подход не всегда оправдан и нередко приводит к преждевременному разрушению асфальтобетонных покрытий. Особенно важно учитывать и исследовать водо-морозостойкость асфальтобетонов, полученных на основе местных материалов: побочных продуктов черной металлургии и химической промышленности, к которым относится шлак ОЭМК, шламы и пиритные огарки, имеющие в своем составе большое количество железа и оксидов железа.

По итогам проведения эксперимента можно сделать следующие выводы:

Влияние длительного водонасыщения на свойства асфальтобетона с использованием пиритных огарков характеризуется снижением прочности показателя водонасыщения, связанного с изменением структуры асфальтобетона. Под действием воды происходит разрушение битумных пленок на разделе битум - минеральный материал: вода, попадая на частицы пиритных огарков, ускоряет процесс окисления железа, приводящий к разуплотнению асфальтобетона.

Наиболее интенсивно увеличивается водонасышение в период с 30 суток выдерживания образцов в воде. При визуальном осмотре поверхности образца из смеси без ингибитора, зафиксировано появление вспучивающихся участков. Размером 0,5*2 мм. Асфальтобетон с добавлением антикорро-: зийного реагента имеет более устойчивую структуру после длительного во-

| донасыщения, при этом показатели водонасыщения, прочности при ? = 20ПС

I и коэффициент водостойкости отвечают требованиям стандарта. Влияние

агрессивной среды незначительно снижает эти показатели.

Изменение величины водонасыщения образцов асфальтобетона с использованием шлака ОЭМК, выдержанных в воде в течении различных сроков, показывают, что наиболее интенсивно увеличивается водонасыщение в первые 15-30 суток пребывания образцов асфальтобетона в воде . При дальнейшем увеличении времени воздействия воды на асфальтобетон величина ' водонасыщения изменяется незначительно.

Присутствие в составе асфальтобетона шлака ОЭМК замедляет процессы деструкции благодаря гидравлическим вяжущим свойствам шлака. Поскольку гидратация шлака идет медленно, эффект дополнительного структурообразования, тормозящий разрушение асфальтобетона, в наибольшей степени проявляется, когда срок воздействия воды превышает 30 суток. Присутствие в составе асфальтобетона ингибитора приводит к ускорению

процессов гидратации, за счет химической реакции между водой и фосфатом натрия с образованием щелочной среды.

Асфальтобетон с применением шлака ОЭМК мало чувствителен к воздействию агрессивной среды. Показатели прочности и водонасыщения практически не меняются от тех же показателей после длительного водонасыщения.

Анализ физико-механических свойств асфальтобетонных образцов после циклов замораживания-оттаивания свидетельствует, что все образцы исследуемых смесей выдержали 50 циклов МРЗ без разрушения.

Следует отметить:

- смеси с добавкой ингибитора имеют более высокий показатель коэффициента морозостойкости, чем смеси без добавки;

- у асфальтобетонной смеси с использованием пиритных огарков + ингибитор коэффициент морозостойкости выше на 29% при 25 циклах МРЗ и на 11% при 50 циклах МРЗ.

На процессы старения асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием, железосодержащих отходов, значительное влияние оказывают, содержащиеся в составе исследуемых отходов оксиды железа.

Исследования процессов, происходящих на границе фаз органического вяжущего и минерального материала при изучении процесса старения асфальтового вяжущего, производились с использованием метода инфракрасной спектроскопии. Инфракрасные спектры снимались при помощи двухлу-чевого спектрофотометра ИКС-29. Исследования, проведенные с использованием методов ИК - спектроскопии, подтвердили теоретические предположения о возможности замедления процессов старения асфальтобетона с применением железосодержащих отходов под влиянием атмосферных факторов при использовании антикоррозийной добавки - Ь'а;НРО.|.

Как известно, показатель сцепления битума с поверхностью минерального материала непосредственно влияет на водоустойчивость асфальтобетона. Зная показатель сцепления, можно иметь представление и о водоустойчивости данного материала, и об изменении ее во времени при действии агрессивной среды.

В ходе исследований оценивался показатель сцепления вяжущего с поверхностью минеральной части асфальтобетона по методу определения количественного значения величины покрытой битумом поверхности, в основе которого лежит явление избирательной адсорбции.

На рис.5, представлена эпюра влияния воздействия агрессивной среды на показатель сцепления битума с минеральной частью исследуемых асфальтобетонных смесей.

!

Рис. 5. Влияние режима испытания на показатель сцепления битума с минеральной частью асфальтобетона

а) смеси не подвергнутые воздействию воды;

б) после 90 сут. выдерживания в воде;

в) после 90 сут. выдерживания в растворе ЫаС1

1-минеральная часть асфальтобетона с пиритными огарками;

2- минеральная часть асфальтобетона с пиритными огарками + 1% Ыа2НР04;

3- минеральная часть асфальтобетона со шлаком ОЭМК;

4- минеральная часть асфальтобетона со шлаком ОЭМК + 1% Ыа2НР04.

Из рисунка видно, что смеси №2 и №4 с добавкой ингибитора имеют более высокую степень покрытия битумом поверхности, чем смеси без добавки ингибитора, после выдерживания их 90 сут. в воде и в растворе КаС1. При этом наилучший показатель сцеплей^я имеет смесь №4, в состав которой входит шлак ОЭМК с добавкой фосфата натрия в количестве 1% от массы шлака, вследствие ускорения процесса формирования адгезионных контактов в системе битум-шлаковые материалы.

Достаточно высокий процент покрытия битумом поверхности битумо-минеральной смеси №2 обусловлен взаимодействием битума с модифицированной поверхностью пиритных огарков и усилением хемосорбционных связей.

Одним из способов утилизации шлака ОЭМК, обладающего гидравлической активностью, является использование его для укрепления слабопрочных каменных материалов и применение в качестве конструктивного слоя дорожной одежды.

Для проведения испытаний были подобраны смеси, состоящие из известнякового щебня и шлака ОЭМ К.

Проведенные исследования показывают, что известняковый щебень Кривоборьевского карьера, улучшенный добавкой шлака ОЭМК, может рассматриваться как материал, обработанный неорганическим вяжущим, марки 20 по ГОСТ 23558-94.

Шлакоминеральные смеси на Кривоборьевском щебне могут быть использованы в основаниях дорожных одежд в различных дорожно-климатических зонах на дорогах Ш-У категорий.

Приготовление асфальтобетонных смесей с использованием железосодержащих отходов может осуществляться в серийно выпускаемых установках периодического и непрерывного действия с принудительным перемешиванием. Для приготовления смеси асфальтобетонный завод дополнительно оборудуется емкостью для хранения ингибитора, а также механизмом для его подачи в смесительную установку и дозирования.

Последовательность подачи минеральных материалов и битума в смеситель отлична от традиционной. Порядок подачи:

- железосодержащие отходы по ленточному конвейеру попадают в сушильный барабан, затем по вертикальному элеватору проходят грохот и через дозатор подаются в смеситель (грохот необходим в случае использования шлака ОЭМК);

- ингибитор через винтовой конвейер-дозатор подается в смеситель;

- битум из битумо-плавнльни битумонасосом подается в дозатор, а затем в смеситель;

- минеральный материал по ленточному конвейеру через сушильный барабан вертикальным элеватором подается на грохот, затем в дозатор и смеситель.

Данная последовательность обеспечивает лучший эффект распределения ингибитора между частицами железосодержащих отходов.

В четвертой главе рассматриваются вопросы экономической эффективности применения асфальтобетонов с использованием железосодержащих отходов в покрытии автомобильных дорог.

Использование железосодержащих отходов в качестве минеральных компонентов в асфальтобетонных смесях позволит дорожным организациям расширить номенклатуру дорожно-строительных материалов, снизить стоимость строительства, освободить большие площади и полигоны и защитить почву, воздух и воду от вредного воздействия загрязняющих веществ.

В работе приводятся расчеты экономической эффективности от применения пиритных огарков в качестве минерального порошка в асфальтобетонной смеси.

В расчете учтены только затраты дорожной составляющей, если дополнительно учесть затраты на содержание отвалов, убытки от невозможности использования земель под отвалами и от загрязнения окружающей среды, то эффективность использования железосодержащих отходов будет выше.

Основным фактором экономической эффективности применения железосодержащих отходов является меньшая стоимость асфальтобетонных смесей, по сравнению с использованием природных материалов, а с применением ингибиторов - снижение затрат на содержание за счет уменьшения процента ямочности на покрытие.

Экономический эффект определяется по формуле:

Э — С,}р 6 р ~Спр.р • | ^

где Э - средний годовой экономический эффект применения железосодержащих отходов на 1 км автомобильной дороги 3 технической категории за расчетный период службы дороги, в рублях;

Спр.б/р " приведенные затраты на содержание покрытия за расчетный период службы дороги с использованием природного минерального порошка (базовый вариант), в рублях;

СПрр - приведенные затраты на содержание покрытия за расчетный период службы дороги с использованием железосодержащих отходов.

Годовой экономический эффект от применения железосодержащих отходов на 1 км дороги в ценах на 1.01.99 г. составляет 2324 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана технология применения железосодержащих отходов в конструктивных слоях дорожной одежды и получены следующие выводы:

1. Разработаны структурно-технологическая и математическая модели формирования прочности асфальтобетона на основе железосодержащих отходов, позволяющие определить расчетную нагрузку на асфальтобетон в упругой области и предельную деформацию дорожного покрытия, предшествующую началу трещинообразования и разрушения. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что применение железосодержащих отходов с добавкой ингибитора позволяет выдерживать повышенные в 1,3 раза нагрузки до начала возникновения повреждений и увеличивать срок между ремонтами покрытий на 1 год.

2. Подобраны поверхностно-активные вещества (фусы) и ингибиторы (NaiHPO.») позволяющие стабилизировать свойства асфальтобетонов с применением железосодержащих отходов.

3. Методом математического планирования установлены оптимальные составы, температура приготовления асфальтобетонной смеси с применением железосодержащих отходов и количество ингибитора (1 % от массы отхода) для устройства покрытий автомобильных дорог.

4. Методом инфракрасной спектроскопии установлено замедление процесса образования асфальтенов из низкомолекулярных фракций нефтяного битума в следствии нейтрализации оксидов железа, что свидетельствует о замедлении старения битума.

5. Разработана и внедрена в производство асфальтобетонная смесь для дорожного строительства с применением шлама смывов и аспирацион-ных систем металлургических помещений (АС № 1523543). Экспериментально установлено, что применение ингибитора в асфальтобетоне повышает водостойкость материала на 14 %, морозостойкость на 20 %, по сравнению с асфальтобетоном без антикоррозийной добавки.

6. Разработана технология приготовления и блок-схема последовательности подачи компонентов в смеситель для асфальтобетонных смесей с использование железосодержащих отходов и антикоррозийной добавки.

Результаты выполненных исследований позволяют рекомендовать использование асфальтобетона с применением железосодержащих отходов для устройства верхних слоев дорожного покрытия, для районов с I типом увлажнения, а для районов с избыточным увлажнением и часто повторяющимися знакопеременными температурами рекомендуется введение ингибитора.

7. Технико-экономическая эффективность устройства асфальтобетонных покрытий с использованием железосодержащих отходов оценивалась за счет уменьшения стоимости асфальтобетонных смесей и уменьшения ямочности на дороге. Экономический эффект по приведенным затратам составляет 2324 руб. на 1 км дороги в ценах на 1.01.1999 г.г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Быкова A.A., Князев В.А. Основания дорожных покрытий из малопрочных каменных материалов, укрепленных побочными продуктами промышленности. // Тезисы научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - Воронеж, 1987.- 64 с.

2. Самодуров С.И., Расстегаева Г.А., Быкова A.A. Свойства шлакового асфальтового бетона, улучшенного щелочным раствором. // Сб. науч. трудов. ХХУ научной конференции Ленинградского инженерно-строительного института. - Ленинград, 1987. - 93 с.

3. Самодуров С.И., Быкова A.A. Применение древесной энергохимической смолы для улучшения свойств асфальтобетона. Сб. науч. тр. Ростовского инженерно-строительного института. - Ростов на Дону, 1988.-74 с.

4. Быкова A.A. Применение резиновой крошки в асфальтобетоне. // Сб. науч. тр. Международной конференции «Проблемы дорожного строительства», - Сочи, 1999.

5. Быкова A.A. Деформационные свойства асфальтобетонов на основе железосодержащих отходов. // Труды международного практического симпозиума «Дорожная экология XXI века». - Воронеж, 1999,-С. 358-361.

6. Расстегаева Л.Н., Расстегаева Г.А., Быкова A.A. Асфальтобетон с применением активных минеральных отходов промышленности. //Труды III международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии». -Воронеж, 2000.-С. 132-135.

7. A.C. № 1523543. Асфальтобетонная смесь.//23.11.89.Бюл.43 (Соавтор).

Лицензия ЛР №020449 от 31.10.97 г. ПЛД № 37-49 от 13.11.98 г.

Подписано в печать 24.05.2000 г. Формат 60 х 84 1/16.

Уч.- изд. л. 1,0. Усл. Печ. л. 1,1. Бумага для множительных аппаратов.

Тираж 100 экз. Заказ № 192._

Отпечатано на участке множительной техники

Воронежской государственной архитектурно-строительной академии 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ВГАСА.