автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технология и свойства модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций

На правах рукописи

005534160

ЯШИН СЕРГЕИ ОЛЕГОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОСФОГИПСОМ БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ОКТ 2013

-2013-

005534160

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский Федеральный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Борисенко Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Калгин Юрий Иванович Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, профессор кафедры строительства и эксплуатации автомобильных дорог

доктор технических наук, профессор, Углова Евгения Владимировна Ростовский государственный строительный университет, зав. кафедрой автомобильных дорог

Ведущая организация: ФГБУН КНИИ им. Х.И. Ибрагимова

РАН, г. Грозный

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 1300 час. на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 111; тел./факс: (863) 2019003. E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 24 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды рассматриваются в большинстве стран мира как одни из приоритетных факторов стабильного экономического развития. В то же время проблеме утилизации промышленных отходов не всегда уделяется достаточного внимания. Это объясняется многокомпонентностью и непостоянством химического состава отходов, сложностью физико-химических процессов, протекающих при их переработке, а также привлечением дополнительных материальных ресурсов и финансовых инвестиций при реализации технологий их переработки или утилизации.

Производство строительных материалов и изделий является одной из перспективных материалоемких отраслей переработки и утилизации отходов промышленности. Вовлечение в производство в указанной отрасли многотоннажных отходов горнодобывающей, сталелитейной и химической промышленности актуально как с точки зрения защиты окружающей среды, так и с точки зрения расширения сырьевой базы. Одним из таких распространенных многотоннажных отходов химической индустрии является фосфогипс.

Вопрос использования фосфогипса в строительстве обсуждается и широко рассматривается со второй половины прошлого века. Отечественными и зарубежными учеными проведены достаточно обширные теоретические и экспериментальные исследования по применению фосфогипса в качестве:

- вяжущего для укрепления грунтов и каменных материалов;

- вяжущего для устройства оснований дорожных одежд и ремонта дорожных цементобетонных покрытий;

- наполнителя технологических смесей для устройства дорожных одежд.

В настоящее время проблеме использования и утилизации фосфогипса уделяется также повышенное внимание - предлагаются различные технологии переработки фосфогипса для производства строительных материалов и изделий. Тем не менее, запасы данного отхода производства фосфоросодержащих удобрений на многих химических комбинатах России остаются достаточно большими, продолжают накапливаться и используются, согласно статистическим данным, только на 0,2 %.

Одним из необходимых и перспективных направлений утилизации фосфогипса, по нашему мнению, является возможность применение его в составах органо-минеральных композиций, например, в качестве наполнителя (минерального порошка).

Целью диссертационной работы является экспериментальное обоснование, разработка составов и технологии производства эффективных и качественных битумоминеральных композиций с оптимальными структу-

рой и свойствами на основе минеральных порошков, модифицированных фосфогипсом.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

— на основании критического анализа отечественной и зарубежной патентной, научной и технической литературы обосновать целесообразность использования фосфогипса в составах битумоминеральных композиций;

— выявить механизм взаимодействия битумного вяжущего и фосфо-гипсосодержащего наполнителя;

— выявить особенности процессов структурообразования битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— установить зависимости влияния содержания фосфогипса в наполнителе на физико-механические и эксплуатационные показатели битумоминеральных композиций различного зернового состава;

— разработать оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— разработать промышленную технологию производства качественных и эффективных битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом;

— провести опытное внедрение результатов исследования и определить технико-экономическую эффективность применения разработанных битумоминеральных композиций.

Научная новизна:

— установлены на микроуровне высокая адсорбционная активность и механизм взаимодействия фосфогипса с битумным вяжущим, и доказана возможность применения фосфогипса в качестве минерального наполнителя для битумоминеральных композиций;

— выявлены закономерности структурообразования битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— установлено оптимальное содержание фосфогипса в наполнителе битумоминеральных композиций, обеспечивающее получение качественных материалов для дорожных покрытий;

— установлена оптимальная температура объединения битумного вяжущего и минеральной части битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, что позволяет получать материалы требуемого качества;

— разработана технология приготовления горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом.

Достоверность полученных результатов подтверждена применением стандартных и нестандартных методов исследований, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающей доверительную вероятность 0,95, экспериментальной и опытно-промышленной проверкой результатов исследований, а также согласованием основных положений работы с результатами исследований других авторов.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и основной гипотезы, самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении результатов и производственном внедрении разработанных составов.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные составы горячих битумоминеральных композиций на плотном заполнителе и минеральном порошке, модифицированном фосфогипсом, по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам.

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» (г. Михайловск, Ставропольский край) 20 июля 2009 года была выпущена опытно-промышленная партия дорожной горячей битумо-минеральной смеси с наполнителем модифицированным фосфогипсом. Партия смеси была уложена МУП ДРСУ г. Михайловска на автомобильной дороге в г. Михайловске Ставропольского края.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости укладки 100 м2 покрытия из битумо-минеральной смеси с наполнителем, модифицированным фосфогипсом в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями на плотном заполнителе в ценах 2009 года составил 167,00 руб.; ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 63,0 тыс. м2) составил 105,21 тыс. руб.

Расчетный ожидаемый экономический эффект величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель при утилизации фосфогипса на 1 га составил 1 334 397 руб.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО СКФУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий» для специальностей 270102.65, 270105.65, 270115.65.

Апробации работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXVIII и ХЬ научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГ'ГУ за 2009 и 2011 гг. (Ставрополь, 2009, 2011); на XI, XII и XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007, 2008, 2009); первом всероссийском дорожном конгрессе МАДИ (ГТУ) в 2009 г.» (Москва, 2009); 1-й международной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010); международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011); II между-

народной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2011); всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь,

2012); всероссийской научно-технической конференции «Качество строительных материалов, изделий и конструкций» (Махачкала, 2012); I Международной итоговой научно-практической конференции «По страницам диссертации 2012 года (ДИ-1)» (Новосибирск, 2012); International Scientific and Practical Conference (ISPC) London. 3rd International Scientific and Practical Conference «Science and Society» (London, 2013); Вестник СевероКавказского федерального университета - 2013 №2 (35) (Ставрополь,

2013).

На защиту выносятся:

— экспериментальное обоснование возможности получения высококачественных горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированных фосфогипсом, обеспечивающим за счет управления процессами структурообразования связующих повышение сдвиго-устойчивости и износостойкости;

— механизм и особенности физико-химических взаимодействий фосфогипса с битумным вяжущим;

— оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем модифицированным фосфогипсом по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам;

— результаты экспериментальных исследований влияния минерального наполнителя модифицированного фосфогипсом на морозостойкость, термостабильность, трещиностойкость, сдвигоустойчивость и износостойкость битумоминеральных композиций;

— технология приготовления битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом.

Публикации. По материалам исследований опубликованы 24 научных работы. Имеется один патент на изобретение. Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 124 источника и 3-х приложений. Работа изложена на 140 страницах, содержит 102 страниц машинописного текста, 29 таблиц и 32 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цели и задачи исследования, показана его научная значимость.

В первой главе представлен обзор и анализ отечественной и зару-

бежной научно-технической и патентной литературы о перспективах применения некондиционных порошковых материалов и техногенных отходов промышленности в качестве минеральных порошков для битумоминераль-ных композиций. Исследованиями в этом направлении занимались Гезенц-вей Л.Б., Королев И.В., Беликов A.C., Ахмедов Ш.А., Поличковская Т.В., Печеный Б.Г., Сахарова П.В., Самодуров С.И., Расстегаева Г.А., Калгин Ю. И. и другие ученые.

Одними из многотонажных порошковых отходов химического производства фосфорных удобрений являются фосфогипсосодержащие отходы (фосфогипс), которые практически не подвергаются вторичной переработке. Перспективным направлением решения этой острой проблемы является применение фосфогипса для производства строительных материалов и изделий.

Изучением путей утилизации и использования фосфогипса занимались Расстегаева Г.А., Ваггаман A.B., Будников П.П., Волков М.И., Дым-ский В.М., Шейкин А.Е., Слободчикова С.А., Кучма М.И., Мельник Т.А., Крыжановский И.М., Глуховцев И.Н., Кожушко В.П., Хохлынов В.Б. и многие другие ученные и исследователи.

В настоящее время разработаны технологические принципы переработки и применения фосфогипса по следующим направлениям:

— в сельском хозяйстве — для химической мелиорации солонцовых

почв;

— в цементной промышленности — в качестве регулятора сроков схватывания цемента;

— как основной компонент при производстве белых и сульфомине-ральнных цементов низкотемпературного обжига;

— при производстве гипсовых вяжущих и строительных изделий на этих вяжущих;

— для производства серной кислоты и цемента, серной кислоты и извести;

— для производства сульфата аммония;

— в качестве добавки к техническому гипсу для изготовления рабочих форм;

— в качестве наполнителя при производстве линолеума и в бумажном производстве.

Имеется опыт применения фосфогипса в качестве вяжущего при производстве строительных изделий или при укреплении оснований дорог, а также в полимербетонах на основе карбомидных смол, в фосфогипсопо-лимерных композициях.

Одним из новых направлений использования фосфогипса, по нашему мнению, является применение его для битумоминеральных композиций. Теоретическими предпосылками применения фосфогипса в качестве минерального наполнителя битумоминеральных композиций явились следующие соображения. Фосфогипс представляет собой высокодисперсный инертный (при температурах до 120-150 °С) порошковый материал с высокой удельной поверхностью, составляющей в среднем 2500-3500 см2/г, и

обладающий сравнительно малой пористостью. Фосфогипс по ряду основных характеристик удовлетворяет требованиям к минеральным порошкам для асфальтобетонов. Кроме того, как известно, инертный фосфогипс-дигидрат при нагревании по достижении температур 120-150 °С и выше переходит в активную форму фосфогнпса-полугидрата, т.е. приобретает вяжущие свойства. Возможно предположить, что этот фактор может благоприятно повлиять на физико-механические и эксплуатационные показатели битумоминеральных композиций.

Вопрос возможности применения фосфогипса в битумоминеральных композициях, по нашему мнению, весьма перспективен, но в настоящее время не достаточно изучен и требует более глубоких теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе представлены свойства исследуемых материалов и изложена методика исследований.

В экспериментальных исследованиях для приготовления битумоминеральных композиций использовали следующие материалы: щебень из плотных горных пород (продукты дробления гранитного гравия ГУП СК «Кочубеевский карьер» Ставропольского края), активированный известняковый минеральный порошок ОАО «Кавказцемент», фосфогипс (фракции менее 0,16 мм) из отвалов ОАО «Невинномысский Азот» и нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 Саратовского НПЗ.

Физико-механические свойства фосфогипса определяли в соответствии с ГОСТ Р 521293-2003. Удельную поверхность активированного минерального порошка и фосфогипса исследовали на поверхостномере Т-3 (Товарова). Кроме того, определяли зерновой состав минеральной части и топографию поверхности используемых порошковых материалов с помощью микроскопического компьютерного анализатора дисперсного состава порошкообразных материалов «МИКАН».

Адсорбционную активность порошковых материалов определяли фотоколориметрическим методом и оценивали по величине адсорбции минеральными порошками битума из толуольных растворов различных концентраций, а также по величине десорбции из них битума. ИК-спектроскопические исследования материалов проводили на лабораторном инфракрасном фурье-спектрометре ФСМ.

Физико-механические и эксплуатационные свойства горячих битумоминеральных композиций определяли по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 12801-98.

Износостойкость исследуемых битумоминеральных композиций оценивали по их истираемости. Для оценки истираемости использовали прибор для определения истираемости бетона и износостойкости неглазу-рованных керамических плиток ЛКИ-ЗМ.

В третьей главе приведены основные результаты исследований свойств фосфогипса и его адсорбционной активности к битуму, а также физико-механических и эксплуатационных свойств битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированном фосфогипсом.

Согласно ГОСТ Р 52129-2003, были определены свойства активированного минерального порошка ОАО «Кавказцемент» и свойства фосфо-гипса взятого из отвалов ОАО «Невинномысский Азот», которые представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства исследуемых порошковых материалов_

Показатель Активированный минеральный порошок Фосфогилс дигидрат, отобранный из отвала и просушенный Требования ГОСТ Р 521292003 для МП-1

Зерновой состав мельче 1,25 "0,315" "0,071" 100 98,3 80,6 100 93 88 не менее 100 не менее 90 не менее 80

Пористость, % по объему, не более 27 63,1 30

Истинная плотность р, кг/м3 2731 2628 -

Насыпная плотность р„, кг/м3 1112 708 -

Удельная поверхность, см2/г 3285 2550 -

С помощью компьютерного анализатора микрочастиц «МИКАН» был исследован зерновой состав порошковых материалов и выявлено, что количество частиц фосфогипса, поверхностное и объемное их распределение, особенно фракций (10,0-5,0; 25,0-10,0; 60,0-40,0; 80,0-60,0 мкм), несколько превышает аналогичные показатели для активированного минерального порошка (рис. 1).

Рис. 1. Объемное распределение частиц (интегральная кривая / дифференциальные столбцы): а) известняковый минеральный порошок; б) фосфсм ипс

Адсорбционную активность исследуемых порошковых материалов определяли фотоколориметрическим методом по количеству адсорбированного битума из раствора толуола. Выявлена высокая адсорбционная активность и структурирующая способность фосфогипса по отношению к битумному вяжущему в сравнение с активированным минеральным порошком, что обуславливается по всей видимости наличием достаточно большого количества хемосорбционных связей между частицами фосфогипса и битума (рис. 2).

3 х

X

л й

% а

Р я

1£> У

о 3-

X

3 к -а

8-

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

----------- 1

/

V—-2 1—< <!

-- X А

Г I

••(-1- -]- - 1 —1—

1

11 12

23456789 10 Содержание битума в растворе толуола, кг/м3

Рис. 2. Адсорбция - десорбция битума из раствора толуола на поверхности минеральных порошков:- первоначальная адсорбция;-----после десорбции

О - фосфогипс; Д - известняк

Термодинамическая обратимость адсорбированного слоя является одним из основных признаков, отличающих процессы физической адсорбции от хемосорбционных взаимодействий. Исследование десорбции битума с поверхности порошков показало, что часть битума отслаивается растворителем. Это указывает на то, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности минерального наполнителя состоит из прочно химически и обратимо физически связанного битума. На поверхности фосфогипса отмечена менее высокая величина десорбции адсорбированного слоя вяжущего и после десорбции на поверхности фосфогипса удерживается большее количество битума, чем на поверхности известнякового минерального порошка. Величина адсорбированного битума, оставшегося на поверхности фосфогипса, составила 6,84х 10" кгбит/кГпор, а на поверхности известнякового минерального порошка — 6,0* 10~3 кГбит/кГпор.

Взаимодействие исследуемых материалов с битумным вяжущим также изучали на инфракрасном фурье-спектрометре. ИК-спектры образной битума после взаимодействия с образцами фосфогипса характеризуются снижением интенсивности соответствующих пиков, что свидетельствует об уменьшении количества нафтеновых (875, 675 см"1) и ароматических (1600 см"1) соединений, а также парафино-нафтеновых углеводородов (2850-2930 см"1) (рис. 3). Взаимодействие компонентов битума с поверхностью частиц известнякового минерального порошка происходит аналогичным образом. В результате ИК-спектроскопических исследований подтверждены достаточно высокая интенсивность взаимодействия битумного вяжущего с поверхностью частиц фосфогипса и возможность его применения в качестве минерального порошка бля битумоминеральных композиций.

2800 2900 3000

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Рис. 3. И1<-спектры взаимодействия битума с наполнителем: 1 - чистый битум марки БНД 60/90; 2 - после взаимодействия с известняком; 3 - после взаимодействия с фосфогипсом

Были запроектированы зерновые составы битумоминеральных смесей мелкозернистого типа Б и песчаного типа Г с различным содержанием фосфогипса в наполнителе Сф (% по объему).

С целью оптимизации составов и свойств горячих плотных битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, проводилось математическое планирование эксперимента. В качестве варьируемых факторов были взяты: процентное содержание битума в смеси С, процентное содержание фосфогипса в наполнителе Сф и коэффициент водостойкости к„. В качестве параметра выхода взяты пределы прочности на сжатие Кги, Кзо и водонасыщение Ш образцов битумоминеральных композиций. В результате реализации плана эксперимента получены регрессионные зависимости прочностных показателей от содержания битума, фосфогипса и плотности битумоминеральных композиций.

Оптимальное содержание битума в предложенных композициях определялось в результате анализа зависимостей влияния содержания вяжущего на их физико-механические показатели. Показатели физико-механических свойств битумоминеральных композиций при оптимальном содержании битума в смеси и различном содержании фосфогипса в наполнителе Сф приведены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства битумоминеральных композиций предложенных составов с оптимальным содержанием вяжущего

Номер состава Содержание фосфогипса в наполнителе Q,, % по объему Содержание битума в смеси С, % по объему Плотность р, кг/м3 Водонасыщение W, % Набухание Н, % Коэффициент водостойкости ке Коэффициент длит, водостойкости к„г, Предел прочности при сжатии R, МПа

при 0°С, Ro при 20 °С, R20 при 50 °С, R50

зе рнового состава типа Б

1 0 6.0 2160 2,51 0,96 0,95 0,94 8,5 5,15 2,0

2 10 6,0 2281 2,56 0,90 0,94 0,89 8,5 5,0 2,0

3 20 6,0 2239 2,74 0,88 0,92 0,86 8,3 5,0 1,79

4 30 6,0 2218 3,07 0,86 0,89 0,85 8,15 4,7 1,69

5 40 6,0 2227 3,46 0,83 0,82 0,78 7,8 4,25 1,61

6 50 6,0 2221 3,57 0,81 0,79 0,75 7,51 3,65 1,45

зе рнового состава типа Г

7 0 7,0 2345 2,45 0,86 0,96 0,94 8,5 5,6 2,6

8 10 7,0 2339 2,52 0,71 0,94 0,92 8,6 5,4 2,5

9 20 7,0 2325 2,95 0,69 0,93 0,88 8,4 5,2 2,3

10 30 7,0 2318 3,71 0,67 0,86 0,82 8,23 4,62 2,11

11 40 7,0 2293 4,37 0,62 0,81 0,78 8,01 4,48 1,97

12 50 7,0 2288 5,00 0,58 0,76 0,76 7,76 4,39 1,75

Для определения характеристик сдвигоустойчивости испытывались составы битумоминеральных композиций с оптимальным содержанием битума и различным содержанием фосфогипса (составы № 2—6, 8-12). Испытания проводили по двум схемам (ГОСТ 12801-98): при одноосном сжатии и при сжатии специальным обжимным устройством по схеме Маршалла. Для сравнения испытывали на сдвигоустойчивость образцы плотных асфальтобетонов-прототипов (составы № 1, 7) с наполнителем из активированного минерального порошка. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Согласно результатам испытаний увеличение содержания фосфогипса в составе наполнителя битумоминеральных композиций приводит к устойчивому увеличению коэффициента внутреннего трения. Выявлено, что наиболее высокими показателями tg<p обладают мелкозернистые битумо-минеральные композиции, что обуславливается их каркасной структурой.

Показатели сцепления имеют экстремальный характер и максимальны при содержании фосфогипса в смеси 10 % об. Максимальные показатели сцепления Сж зафиксированны для битумоминеральных композиций песчаного типа Г.

Таблица 3

Зависимость показателей сдвигоустойчивости битумоминеральных композиций от содержания фосфогипса Сф в наполнителе_

Состав Содержание фосфогипса, Сф, % об. Коэффициент внутреннего трения, Показатель сцепления С,, МПа

Тип Б

№1 0 0,948 0,38

№2 10 0,950 0,39

№3 20 0,957 0,38

№4 30 0,958 0,36

№5 40 0,959 0.34

№6 50 0,960 0,31

Требования ГОСТ 9128-2009

для IV,V дорожно — климати- >0,83 >0,38

ческих зон

Тип Г

№7 0 0,917 0,51

№8 10 0,921 0,57

№9 20 0,925 0,56

№10 30 0,926 0,54

№11 40 а,921 0,53

№12 50 0,928 0,52

Требования ГОСТ 9128-2009

для 1У,У дорожно - климати- >0,82 >0,38

ческих зон

В результате проведенных исследований выявлено, что битумомине-ральные композиции с содержанием фосфогипса в наполнителе Сф равном 10-20 % обладают повышенной сдвигоустойчивостью.

Одной из задач при создании новых битумоминеральных композиций является разработка материалов, обладающих высокой термостабильностью (температуроустойчивостью). Термостабильность оценивали по коэффициенту термостабильности ктс, который определяли как отношение показателей прочности на сжатие образцов асфальтобетона при температурах 0 и 50 °С. Согласно результатам проведенных исследований выявлено, что при увеличении содержания фосфогипса в наполнителе происходит снижение термостабильности исследуемых битумоминеральных композиций. Более термостабильны битумоминеральные композиции песчаной гранулометрии.

В результате проведенных испытаний установлена повышенная морозостойкость битумоминеральных композиций, модифицированных фос-фогипсом. Выявлено, что морозостойкость композиций модифицированных фосфогипсом составила более 125 циклов замораживания и оттаивания, и не уступает морозостойкости стандартных плотных асфальтобетонов.

Одним из основных факторов, снижающих эксплуатационные характеристики дорожных покрытий, является их преждевременный износ.

Вследствие износа покрытия происходит его истирание, выкрашивание, шелушение, а в последующем возможно образование колейности или выбоин со значительной утратой ровности. Износостойкость покрытий исследуемых битумоминеральных композиций оценивали по их истираемости б, которую определяли на приборе ЛКИ-ЗМ и характеризовали изменением потери массы испытуемых образцов при трении о вращающийся в горизонтальной плоскости истирающий диск. Результаты испытаний представлены на рис. 4.

О 6 г

сч

о 0,5 |

гН 0.4 I.....

Й 0,3 (-о

о 0,2 -

СЗ

0,1

о

К о 1 о

Рис. 4. Зависимость истираемости битумоминеральных композиций от содержания фосфогипса Сф в наполнителе

Установлено, что как для мелкозернистых битумоминеральных смесей типа Б, так и для песчаных битумоминеральных смесей типа Г зависимости истираемости й от содержания фосфогипса в наполнителе имеют экстремальный характер. Показатели С минимальны при содержании фосфогипса в наполните Сф равном 10% об. Кроме того, необходимо отметить, что более высокой износостойкостью обладают песчаные битумоми-неральные композиции предложенных составов.

В результате экспериментальных исследований выявлена высокая трещиностойкость модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций. Зависимости прочности на растяжении при расколе битумоминеральных композиций от содержания фосфогипса в наполнителе имеют экстремальный характер (Рис. 5). Максимальному показателю Кр соответствует содержание фосфогипса Сф в наполнителе 20 % об. При дальнейшем увеличении количества фосфогипса в наполнителе показатели прочности снижаются. Выявлено, что при переходе от мелкозернистых смесей к песчаным показатели П„ повышаются.

Проанализировав результаты экспериментальных исследований исходя из соображений максимально возможной замены процентного содержания минерального порошка на фосфогипс без ущерба качества получаемого материала и принимая во внимание, что именно водостойкость ис-

3-—

- J ■ ............................................<-

10 20 30 40

Содержание фосфогипса Сф, % по объему

-О-Тип Г —¿г-Тип Б

следуемых модифицированных фосфогипсом смесей определяет их качество, нами принято для разработанных составов следующее оптимальное содержание фосфогипса в наполнителе Сф, которое составило 20 ± 1,5% об.

-□-ТИП Г -Й!-ТИП Б

Рис. 5. Зависимости предела прочности на растяжение при расколе Яр битумомине-ральных композиций от содержания фосфогипса Сф в наполнителе

Практический интерес представляло исследование процессов струк-турообразования битумоминеральных смесей, модифицированных фосфогипсом. Выявлено, что процесс формирования структуры таких материалов является более длительным, в отличие от структурообразования стандартных плотных асфальтобетонов. Если для асфальтобетонов плотность и прочностные показатели стабилизируются практически на следующие сутки после уплотнения, то формирование структуры битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, в основном заканчивается на 14-е сутки (табл. 4). В течение этого периода времени I происходит постепенный набор прочности (/?«, Я2и и Я5и) и повышение плотности (/?), что, по всей видимости, объясняется происходящими процессами образования кристаллогидратов. Характер и кинетика изменения показателей водостойкости предложенных битумоминеральных композициях и традиционных асфальтобетонов довольно схожи. С течением времени отмечается некоторое снижение показателей водостойкости Иу, кв, кв(, (хотя эти показатели полностью соответствуют нормативным требованиям ГОСТ 9128-2009). Необходимо отметить, что водостойкость битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, несколько уступает водостойкости стандартных асфальтобетонов (табл. 4).

Как известно, при нагревании фосфогипса до температур 120-150 иС и более инертный дигидрат кальция переходит в активный, обладающий вяжущим свойствам полугидрат кальция. Поэтому интерес представляло исследование зависимостей физико-механических свойств битумоминеральных композиций от температуры объединения (перемешивания) компонентов смеси при приготовлении Т„. Испытывали битумоминеральные композиции и асфальтобетоны-прототипы, приготовленные при различных

температурах перемешивания Т„ в интервале от 150 °С до 180 °С с шагом в 10 °С. Результаты испытаний приведены в табл. 5.

Таблица 4

Изменение физико-механических свойств битумоминеральных композиций типа Б и Г во времени с различным содержанием фосфогипса в наполнителе (Q,) при оптимальном содержании битума_

к

§ € I

u с >о »so

U

о. Я

о е? С

3-Я '

о ■

я

S о ч о Я

К

Ю га

X

я s

tu н Я °

Я о

жё S в

Г) о о о

m о я

S

§

Й « QJ 2

я 5 я й

л. s

•в" н •во

о «

t; о s а

й I & S Я

9 5s с В С

о, g 5 3 5

С" о. f- s ^

Я " о

U

О £>

° с?

Тип Б

1 2168 2,92 1,17 0,95 0,90 8,52 5,15 2,04

№1 7 2174 3,09 1,20 0,92 0,87 8,57 5,17 2,07

0 14 2185 3,25 1,27 0,91 0,85 8,58 5,18 2,07

28 2189 3,32 1,29 0,87 0,80 8,59 5,19 2,08

1 2287 2,56 0,85 0,94 0,92 8,51 5,07 2,01

№2 7 2294 2,85 0,97 0,91 0,88 8,57 5,14 2,05

10 14 2296 3,01 1,06 0,89 0,84 8,68 5,18 2,08

28 2356 3,19 1,27 0,85 0,79 8,69 5,19 2,09

1 2302 2,74 0,88 0,93 0,88 8,38 5,06 1,79

№3 7 2319 2,93 1,01 0,90 0,84 8,47 5,09 1,84

20 14 2314 3,07 1,16 0,88 0,82 8,51 5,18 1,89

28 2334 3,37 1,31 0,84 0,79 8,52 5,19 1,9

Тип Г

1 2275 2,48 0,78 0,97 0,87 8,75 5,95 2,51

№4 7 2315 2,68 0,85 0,95 0,85 8,86 6,01 2,54

0 14 2339 2,71 0,87 0,94 0,83 8,87 6,02 2,54

28 2378 2,78 0,88 0,92 0,78 8,88 6,03 2,55

1 2248 2,68 0,77 0,94 0,89 8,64 6,01 2,48

№5 7 2274 3,01 0,96 0,90 0,85 9,14 5,95 2,54

10 14 2298 3,11 0,98 0,89 0,82 9,15 5,98 2,59

28 2315 3.17 1.01 0.85 0.79 9.16 6.02 2,61

1 2296 2,78 0,94 0,93 0,90 8,40 5,74 2,35

№6 7 2315 3,14 1,45 0,87 0,87 8,54 5,77 2,36

20 14 2319 3,27 1,49 0,86 0,82 8,89 5,82 2,42

28 2325 3,42 1,57 0,85 0,79 8,91 5,84 2,43

Для битумоминеральных композиций, модифицированных фосфо-гипсом, вне зависимости от зернового состава, максимальным прочностным показателям и теплостойкости соответствует температура перемешивания (Т„) равная 170 °С (табл. 5). Именно эта температура соответствует образованию оптимальной структуры модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций. Дальнейшее повышение Т„ до 180 °С снижает прочность композиций. Также установлено, что прочность компо-

зиций повышается при переходе от мелкозернистых смесей к песчаным. Для традиционных асфальтобетонов максимальным прочностным показателям и теплостойкости соответствуют температуры перемешивания 160 — 170 °С.

Таблица 5

Физико-механические свойства горячих битумоминеральных композиций типа Б и Г с различным содержанием фосфогипса в наполнителе (Сф) при оптимальном содержании битума БНД 60/90 приготовленных при

стандартных и оптимальных температурах

03 сз мой о С ^ и э О. г) я 5 п. £ 4? и и ні* к г и о1 н я 5 Й К о я « н я я « Н и о У 5 « І Предел прочности при сжа- тии, МПа

Состав, сс ниє фосф Сф, % по рг ш 03 ш о. к из н о о 3 ° ¡¡5іГ я ю Я К -е- 2 -Є" о к ц « •г ■&8 Е* ФЁ о я О = О.0 о? с о о; <ч яР ° сР со«.

с 3 Е и и ^ И н о £ ч о т о ч Ы о ^ т о § Ч ЬЙ о ^ т П.о а; с о

Тип Б

150 2143 305 0,98 0,89 0,84 8,27 4,7 2,05

№1 160 2155 2,9 0,97 0,92 0,86 8,5 4,75 2,15

0 170 2164 2,88 0,96 0,93 0,89 8,55 4,8 2,15

180 2165 2,96 1,14 0,91 0,86 8,35 4,6 1,95

150 2401 2,95 0,85 0,94 0,91 8,5 4,35 1,9

№2 160 2378 2,6 0,78 0,92 0,92 8,55 4,65 2,13

10 170 2284 2,55 0,75 0,93 0,93 8,7 4,95 2,3

180 2266 3,25 1,3 0,89 0,83 8,35 4,3 1,95

150 2384 3,7 0,88 0,93 0,85 8,3 4,25 1,7

№3 160 2274 2,95 0,87 0,93 0,88 8,6 4,8 1,8

20 170 2351 2,8 0,85 0,92 0,90 8,65 4,75 2,1

180 2345 2,98 1,2 0,9 0,84 8,1 4,5 1,8

150 2202 3,91 0,89 0,81 0,65 7,65 4,0 1,4

№4 160 2224 3,52 0,81 0,85 0,82 7,8 4,1 1,45

50 170 2237 3,37 0,69 0,86 0,83 7,95 4,19 1,55

180 2231 3,87 0.68 0,85 0,82 7,6 4,0 1.3

Тип Г

150 2337 2,75 0,98 0,94 0,93 8,6 4,7 2,4

№5 160 2345 2,45 0,43 0,97 0,95 8,75 4,95 2,5

0 170 2359 2,3 0,41 0,96 0,94 8,8 5 2,5

180 2386 2,05 0,15 0,94 0,89 8,7 4,85 2,35

150 2335 2,95 0,53 0,91 0,84 8,4 4,65 2,4

№6 160 2265 2,85 0,54 0,90 0,81 8,8 4,75 2,43

10 170 2415 2,4 0,42 0,95 0,86 8,85 5,05 2,55

180 2413 2,75 0,51 0,93 0,81 8,45 4,75 2,25

150 2325 3,2 0,66 0,90 0,89 8,4 4,1 " 2,3

№7 160 2274 2,9 0,49 0,89 0,86 8,6 4,65 2,35

20 170 2341 2,8 0,51 0,88 0,85 8,75 4,8 2,35

180 2256 3,5 0,59 0,95 0,9 8,7 4,55 2,15

150 2285 6,35 0,42 0,75 0,89 7,6 4,25 1,75

№8 160 2288 5,05 0,25 0,94 0,92 7,9 4,39 1,9

50 170 2305 3,46 0,21 0,97 0,91 8,05 4,52 2

180 2312 2,40 0,14 0,87 0,84 7,65 4,12 1,67

В четвертой главе представлена разработанная технология произ-

водства и опытно-промышленные испытания горячих плотных битумоми-неральных композиций, модифицированных фосфогипсом, дана оценка технико-экономической эффективности применения указанных материалов при строительстве дорожных покрытий и утилизации фосфогипса.

Разработанная технологическая схема производства горячих плотных битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, незначительно отличается от технологии приготовления стандартных асфальтобетонных смесей, позволяет использовать стандартное современное оборудование, применяющееся для производства обычных горячих дорожных асфальтобетонов (рис 6).

Рис. 6. Схема технологической линии приготовления битумоминеральных композиций

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» 20 июля 2009 г. была выпущена опытно-промышленная партия горячей мелкозернистой битумомине-ральной смеси на плотном заполнителе с наполнителем модифицирован-

ным фосфогипсом на битуме марки БНД 60/90, из которой было произведено устройство верхнего слоя покрытия на автомобильной дороге в г. Михайловске по ул. Ленина на участке между Шпаковской ЦРБ и ул. Октябрьская.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости при производстве и укладке 100 м2 покрытия из предложенной мелкозернистой битумоминеральной смеси в сравнении с мелкозернистой стандартной асфальтобетонной смесью-прототипом в ценах 2009 года при частичной (20 % ± 1,5 % по объему) замене известнякового минерального порошка на фосфогипс составил 167,00 руб. Ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 63,0 тыс. м2) составил 105,21 тыс. руб.

Расчетный экономический эффект величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель при утилизации фосфогипса на 1 га составил 1 334,397 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения фосфогипса в качестве минерального наполнителя для бшумоми-неральных композиций. Отличительной особенностью предложенных би-тумоминеральных композиций является использование в составе наполнителя фосфогипса фракций менее 0,16 мм.

2 В результате экспериментальных исследований определен зерновой состав, выявлены особенности формы, топографии и структуры фосфогипса, а также выявлена высокая адсорбционная активность фосфогипса к битуму, которая в 1,6 раза превышает адсорбционную активность минерального порошка для битумоминеральных композиций, что позволяет говорить о возможности применения фосфогипса в качестве наполнителя.

3 В результате теоретических исследований выявлено, что оптимальным является применение фосфогипса в качестве наполнителя именно в составах горячих битумоминеральных смесей. Это обосновывается предположением, что в горячих битумоминеральных смесях фосфогипс будет вести себя не только как инертный порошковый наполнитель, но и выполнять функции вяжущего вещества, что может благоприятно отразится на свойствах исследуемого материала.

4 Разработаны рациональные составы мелкозернистых и песчаных битумоминеральных композиций с минеральным порошком, модифицированным фосфогипсом. Установлено оптимальное содержание фосфогипса Сф в наполнителе, которое составляет 20 ± 1,5 % по объему.

5 Экспериментально установлено устойчивое снижение прочности при сжатии при 0 и 20 °С (/?„ и 1*20) и теплостойкости Я5„ (прочности при сжатии при 50 °С), водостойкости (водонасыщения IV, коэффициентов водостойкости кв и длительной водостойкости квд) с увеличением содержания

фосфогипса в наполнителе. Выявлено, что при повышении содержания фосфогипса в наполнителе битумоминеральных композиций выше оптимальных пределов интенсивность снижения вышеуказанных физико-механических показателей резко возрастает.

6 Установлена повышенная сдвигоустойчивость битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом при оптимальном его содержании в наполнителе.

Показатели коэффициентов внутреннего трения tgv увеличиваются с повышением содержания фосфогипса в наполнителе Сф и принимают более высокие значения при переходе от песчаных к мелкозернистым смесям. Экспериментальные зависимости показателей сцепления Сж от содержания фосфогипса в наполнителе имеют экстремальный характер.

7 В результате экспериментальных исследований износостойкости предложенных составов битумоминеральных композиций, которую оценивали по показателю истираемости б, выявлено, что зависимости истираемости й от содержания фосфогипса в наполнителе носят экстремальный характер. Максимальной износостойкостью обладают составы битумоминеральных композиций с оптимальным содержанием фосфогипса в смесях.

Установлено, что износостойкость (истираемость) исследуемых песчаных модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций в 3,4 - 4,2 раза выше износостойкости (истираемости) мелкозернистых битумоминеральных композиций.

8 Установлено, что более высокими показателями пределов прочности при расколе Яр, а значит и более высокой трещиностойкостью, обладают мелкозернистые модифицированные фосфогипсом битумоминераль-ные композиции. Наибольшие показатели Яг зафиксированы у битумоминеральных композиций (как мелкозернистых, так и песчаных) с содержанием фосфогипса в наполнителе Сф равном 20 % об.

9 В результате экспериментальных исследований выявлено, что процесс формирования структуры модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций в основном завершается на 14 сутки после уплотнения смеси. Это обуславливается наличием вяжущих свойств присутствующего в наполнителе смеси фосфогипса.

10 Разработанная технология производства модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций предложенных составов позволяет использовать стандартное современное оборудование, применяющиеся для производства горячих асфальтобетонов

В результате оптимизации технологии приготовления битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом, определена оптимальная температура перемешивания смеси в процессе приготовления Т„, которая составила 170 °С. При этой Т„ обеспечивается образование наиболее эффективной структуры битумоминеральных композиций и получение наиболее высоких значений физико-механических и эксплуатационных показателей материала.

11 Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости производства и укладки 100 м2 покрытия из предложенной мелкозернистой битумоминеральной смеси с наполнителем модифицированным фос-фогипсом в сравнении со стандартными мелкозернистыми асфальтобетонными смесями в ценах 2009 года, составил 167,00 руб. Ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 63,0 тыс. м") из битумоминеральной смеси с наполнителем модифицированным фосфогипсом (при Сф равном 20 %) составил 105,21 тыс. руб.

Расчетный экономический эффект величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель при утилизации фосфогипса на 1 га составил 1 334 397 руб.

Статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1. Яшин С.О. Битумно-минеральные композиции, модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита / Ю. Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Строительные материалы. — 2009. — № 1. — С. 62-63.

2. Яшин С.О. Применение фосфогипса в составе наполнителя асфальтобетонных смесей / Ю. Г. Борисенко, С. О. Яшин, М.Н. Шальнев // Строительные материалы. - 2009. - № 11.-С. 18-19.

3. Яшин С.О. Свойства битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин // Строительные материалы.-2011,-№ 1.-С. 14-15.

4. Яшин С.О. Исследование термостабильности асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита / A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин, Е.В. Гордиенко, С.М. Каспина // Вестник СевероКавказского федерального университета — 2013. — 2013 №2 (35) — С. 85-89.

Патенты на изобретения

5. Патент РФ № 2436819 приоритет от 25.05.2010 г. Бюллетень. Изобретения и открытия № 35, 2011. Битумно-минеральная композиция / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин, A.A. Солдатов.

Публикации в других научных изданиях:

6. Яшин С.О. Влияния состава и режимов получения эмульсий на свойства катионных ПАВ / Б.Г. Печеный, С. О. Яшин // Северо-Кавказский государственный технический университет — Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 125.

7. Яшин С.О. Исследование нейтрализации прудовых кислых гуд-ронов Грозненских НПЗ / Б.Г. Печеный, С. О. Яшин // Материалы международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России». — Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. — С. 132.

8. Яшин С.О. Возможности использования отходов грозненских НПЗ в качестве вяжущих материалов / Е.А. Данильян, C.B. Скориков,

С. О. Яшин, A.A. Солдатов // Материалы XI региональной научно-технической конференции «Вузовская наука» — Северо-Кавказскому региону». - Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 197-198.

9. Яшин С.О. Влияние природы минерального заполнителя на скорость распада битумных эмульсий / Б.Г. Печеный, C.B. Скориков, С. О. Яшин // Северо-Кавказский государственный технический университет. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. - С. 102.

10. Яшин С.О. Современные тенденции использования высокодисперсных отходов промышленности и строительной индустрии в качестве минеральных порошков асфальтобетонов / С.О. Яшин, A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко // Материалы XII регионал. науч.-техн. конф. «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону»: Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. — Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. — С. 281-282.

11. Яшин С.О. Оценка влияния содержания и физико-механических показателей минерального порошка на свойства битумомине-ральных материалов / A.A. Солдатов, С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко // Материалы XII регионал. науч.-техн. конф. «Вузовская наука - СевероКавказскому региону»: Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. — Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. — С. 282-283.

12. Яшин С.О. Использование асфальтобетонов в конструкциях дорожных одежд / A.A. Солдатов, М.Н. Шальнев, С.О. Яшин, O.A. Борисенко, Ю.Г. Борисенко // Материалы XXXVIII науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2008 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. — Ставрополь: СевКавГТУ, 2009.-С. 185-186.

13. Яшин С.О. Применение отходов дробления керамзита в биту-моминеральных композициях / A.A. Солдатов, М.Н. Шальнев, С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко, O.A. Борисенко // Материалы XXXVIII науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2008 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С. 186-187.

14. Яшин С.О. Минеральный порошок из отсевов дробления керамзита / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Труды Первого всероссийского дорожного конгресса. — М: МАДИ(ГТУ), 2009 — С. 84.

15. Яшин С.О. Пути повышения термостабильности асфальтобетонов / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Труды Первого всероссийского дорожного конгресса. - М: МАДИ(ГТУ), 2009 - С. 86.

16. Яшин С.О. Исследование возможности использования фосфо-гипса в битумно-минеральных композициях / С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко // Материалы XIII научно-технической конференции «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону». - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С. 204206.

17. Яшин С.О. Применение фосфогипса в битумно-минеральных композициях / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин // Аспекты ноосферной безо-

пасности в приоритетных направлениях деятельности человека: материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов: Издательство Першина Р.В., 2010,-С. 134-136.

18. Яшин С.О. Физико-химическое взаимодействие битумных вяжущих с минеральными порошками различной природы / С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко, М.В. Грицаева // Материалы XL науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2010 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011.-С. 268-270.

19. Яшин С.О. Перспективы использования пористых материалов в составах битумоминеральных композициций / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях: материалы междунар. науч. конф. Т. 1, вып. 6. - Ставрополь: СевКавГТИ, 2011. - С. 51-53.

20. Яшин С.О. Основные пути и направления промышленного использования фосфогипса / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин, Д.А. Шержуков // Материалы II международной научно-практической конференции. Современная наука: теория и практика. Том второй. Естественные и технические науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011. - С. 200-202.

21. Яшин С.О. Пути повышения физико-механических и эксплуатационных свойств легких битумоминеральных композиций на основе керамзита / Ю.Г. Борисенко, В.В. Лынник, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Актуальные проблемы современной науки. Всероссийская научно-практическая конференция. Выпуск 1, том 2. — Ставрополь: СевКавГТУ, 2012.-С. 61-63.

22. Яшин С.О. Оптимизация составов и технологии приготовления асфальтобетонных смесей с наполнителем, модифицированным фос-фогипсом / Ю.Г. Борисенко, В.В. Лукьяненко, С.О. Яшин, Е.В. Гордиенко // Качество строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всероссийской научно-технической конференции, 29-31 октября 2012 г.Махачкала: Изд-во ДГТУ, 2012. С. - 76-80.

23. Яшин С.О. Особенности структурообразования и оптимизация технологии приготовления модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин // По страницам диссертации 2012 года (ДИ-1): сборник материалов I Международной итоговой научно-практической конференции / под общ. ред. С.С. Чернова 29 декабря 2012 г. - Новосибирск: Издательство НГТУ, 2012. С. - 82-88.

24. Yashin S.O. Bitumen Concretes modified by phosphogypsum / U.G. Borisenko, O.A. Borisenko, A.A. Soldatov, S.O. Yashin, E.V. Gordienko, S.O. Kazarian // International Scientific and Practical Conference (ISPC) London 3rd International Scientific and Practical Conference "Science and Society" Vol. 1 London 20-21 March 2013, C. - 38-50.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 20.09.2013 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,3. Уч.- изд. л. - 1,5. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ №521. Тираж 100 экз. ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский Федеральный университет» 355029. г. Ставрополь, просп. Кулакова,2

Издательство ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский Федеральный университет» Отпечатано в типографии СКФУ

Министерство образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Кавказский Федеральный университет

На правах рукописи ЯШИН СЕРГЕЙ ОЛЕГОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОС-ФОГИПСОМ БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Борисенко Ю.Г.

Ставрополь - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОСФОГИПСА В СОСТАВЕ БИТУМНОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.................................... 11

1.1 Асфальтовые бетоны. Состояние вопроса и перспективы использования отходов в составах асфальтобетонов и битумоминеральных композиций .......................................................................................... 11

1.2 Фосфогипс (структура, состав и общая характеристика гипсосодер-жащих отходов)............................................................................. 17

1.3 Состояние вопроса технологии переработки и применения фосфогипса.................................................................................. 23

1.3.1 Использование фосфогипса в сельском хозяйстве и строительстве 23

1.3.2 Опыт использования фосфогипса в дорожном строительстве....... 30

1.4 Теоретические предпосылки применения фосфогипса в асфальтобетонных смесях и битумоминеральных композициях............... 35

1.5 Выводы, цели и задачи исследования............................................ 38

2 МАТЕРИАЛЫ ПРИНЯТЫЕ К ИССЛЕДОВАНИЯМ. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................... 41

2.1 Характеристика материалов, принятых к исследованиям...................... 41

2.2 Методика исследований........................................................... 45

2.2.1 Методики исследования свойств исходных материалов.............. 45

2.2.2 Методики исследования свойств битумоминеральных композиций 49

3 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИТУМНОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОСФОГИПСОМ.......................................................... 55

3.1 Исследование структуры и зернового состава фосфогипса.............. 55

3.2 Исследование адсорбционной активности фосфогипса к битумному

вяжущему.................................................................................... 58

3.3 Составы битумоминеральных композиций, принятые к исследованиям 62

3.4 Планирование эксперимента...................................................... 64

3.4.1 Теоретические обоснования.................................................. 64

3.4.2 Проверка значимости уравнения регрессии и коэффициентов уравнения регрессии....................................................................... 67

3.4.3 Множественный корреляционный анализ................................. 68

3.5 Исследование влияния содержания фосфогипса в наполнителе на физико-механические характеристики битумоминеральных композиций....... 80

3.5.1 Влияние содержание фосфогипса в наполнителе на прочностные показатели битумоминеральных композиций при 0 и 20 °С (Яо иЯ2о)......... 80

3.5.2 Влияние содержание фосфогипса в наполнителе на теплостойкость и термостабильность модифицированных фосфогипсом битумоминеральных композиций.................................................................................................... 81

3.5.3 Влияние содержание фосфогипса на водостойкость битумоминеральных композиций..................................................................... 84

3.6 Исследование сдвигоустойчивости битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом..................................................... 86

3.7 Исследование морозостойкости битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом....................................................... 89

3.8 Влияние содержания фосфогипса в наполнителе на истираемость битумоминеральных композиций......................................................... 92

3.9 Влияние содержания фосфогипса в наполнителе на трещиностойкость битумоминеральных композиций..................................................... 93

3.10 Исследование структурообразования битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом................................................ 95

3.11 Оптимизация технологии приготовления битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом............................................ 101

3.12 Выводы............................................................................... 107

4 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГОРЯЧИХ БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОСФОГИПСОМ.......................... 111

4.1 Технология производства горячих битумоминеральных смесей......... 111

4.2 Опытно-промышленные испытания горячих битумоминеральных композиций с наполнителем модифицированным фосфогипсом.................... 113

4.3 Расчет экономического эффекта от производства и применения горячей битумоминеральной смеси с наполнителем, модифицированным фосфогипсом ...................................................................................... 117

4.4 Расчет экономического эффекта за счет снижения экологического ущерба при утилизации фосфогипса................................................... 121

4.4.1 Методика расчета................................................................ 121

4.4.2 Расчет величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель в результате утилизации фосфогипса............................................................. 123

4.5 Выводы................................................................................. 125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................... 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................... 129

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 141

Приложение А. Справка о фактических показателях внедрения горячих асфальтобетонов с наполнителем модифицированным фосфогипсом............ 142

Приложение Б. Справка о фактических показателях внедрения в учебном

процессе СКФУ............................................................................. 143

Приложение В. Справка о сумме предотвращенного ущерба............... 145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды рассматриваются в большинстве стран мира как один из основных и приоритетных факторов стабильного экономического развития. В то же время проблеме утилизации промышленных отходов не всегда уделяется достаточного внимания. Это объясняется многокомпонентностью и непостоянством химического состава отходов, сложностью физико-химических процессов, протекающих при их переработке, а также привлечением дополнительных материальных ресурсов и финансовых инвестиций при реализации технологий их переработки или утилизации.

Производство строительных материалов и изделий является одной из перспективных материалоемких отраслей переработки и утилизации отходов промышленности. Вовлечение в производство в указанной отрасли многотоннажных отходов горнодобывающей, сталелитейной и химической промышленности актуально как с точки зрения защиты окружающей среды, так и с точки зрения расширения сырьевой базы. Одним из широко распространенных многотоннажных отходов химической индустрии является фосфогипс, образующийся в процессе получении фосфорных удобрений. Фосфогипс представляет собой тонкодисперсную систему с высокой влажностью и содержит дигидрат сульфата кальция (Са804*2Н20) с примесью фосфорной кислоты. Вопрос использования фосфогипса в строительстве, в том числе дорожном, широко рассматривался и обсуждался в последние десятилетия прошлого века. Например, в 1980 - 1990-х годах отечественными и зарубежными учеными были проведены достаточно обширные теоретические и экспериментальные исследования по применению фосфогипса для: укрепления грунтов и каменных материалов; применения фосфогипса в качестве вяжущего для устройства оснований дорожных одежд и ремонта дорожных цементобетонных покрытий; использования фосфогипса как заполнителя

технологических смесей для устройства дорожных одежд. И в настоящее время проблеме использования и утилизации фосфогипса уделяется повышенное внимание - предлагаются различные технологии переработки фосфогипса для производства строительных материалов и изделий. Тем не менее запасы данного отхода производства фосфоросодержащих удобрений на многих химических комбинатах России продолжают оставаться достаточно большими и в настоящее время используются только на 0,2 %.

Одним из новых и перспективных направлений решения поставленной проблемы по нашему мнению является возможность применение фосфогипса в минеральных составах битумоминеральных композиций для дорожного строительства, например, в качестве минерального наполнителя (минерального порошка). Обосновывается это следующим: в нормальных условиях фосфогипс представляет собой инертный рыхлый высокодисперсный порошок, обладающий удельной поверхностью и гранулометрическим составом практически соответствующими действующим требованиям к стандартным известняковым минеральным порошкам для асфальтобетонов (ГОСТ Р 521292003). Следует отметить, что Расстегаевой Г.А. в Воронежском ГАСУ проводились исследования возможности применения фосфогипса в качестве минерального порошка при производстве асфальтобетонов, однако о каких либо полученных существенных положительных результатах проведенных работ информация отсутствует.

Цель и задачи работы: целью диссертационной работы является экспериментальное обоснование, разработка составов и технологии производства эффективных и качественных битумоминеральных композиций с оптимальными структурой и свойствами на основе минеральных порошков, модифицированных фосфогипсом.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - на основании критического анализа отечественной и зарубежной патентной, научной и технической литературы обосновать целесообразность использования фосфогипса в составах битумоминеральных композиций;

— выявить механизм взаимодействия битумного вяжущего и фосфогипсосодержащего наполнителя;

— выявить особенности процессов структурообразования битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— установить зависимости влияния содержания фосфогипса в наполнителе на физико-механические и эксплуатационные показатели битумоминеральных композиций различного зернового состава;

— разработать оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— разработать промышленную технологию производства качественных и эффективных битумоминеральных композиций модифицированных фосфогипсом;

— провести опытное внедрение результатов исследования и определить технико-экономическую эффективность применения разработанных битумоминеральных композиций.

Научная новизна:

— установлены на микроуровне высокая адсорбционная активность и механизм взаимодействия фосфогипса с битумным вяжущим, и доказана возможность применения фосфогипса в качестве минерального наполнителя для битумоминеральных композиций;

— выявлены закономерности структурообразования битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом;

— установлено оптимальное содержание фосфогипса в наполнителе битумоминеральных композиций, обеспечивающее получение качественных материалов для дорожных покрытий;

— установлена оптимальная температура объединения битумного вяжущего и минеральной части битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом, что позволяет получать материалы требуемого качества;

- разработана технология приготовления горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированным фосфогипсом.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные составы горячих битумоминеральных композиций на плотном заполнителе и минеральном порошке, модифицированном фосфогипсом, по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам.

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» (г. Михайловск, Ставропольский край) 20 июля 2009 года была выпущена опытно-промышленная партия дорожной горячей битумо-минеральной смеси с наполнителем модифицированным фосфогипсом. Партия смеси была уложена МУП ДРСУ г. Михайловска на автомобильной дороге в г. Михайловске Ставропольского края.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости укладки 100 м покрытия из битумо-минеральной смеси с наполнителем, модифицированным фосфогипсом в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями на плотном заполнителе в ценах 2009 года составил 167,00 руб.; ожидаемый годовой экономический эффект от изменения

л

себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 63,0 тыс. м ) составил 105,21 тыс. руб.

Расчетный ожидаемый экономический эффект величины предотвращённого в результате природоохранной деятельности ущерба от ухудшения и разрушения почв и земель при утилизации фосфогипса на 1 га составил 1 334 397 руб.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО СКФУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий» для специальностей 270102.65, 270105.65, 270115.65.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- XXXVIII и XL научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 и 2011 гг. (Ставрополь, 2009,2011);

- XI, XII и XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007, 2008, 2009);

- первом всероссийском дорожном конгрессе МАДИ (ГТУ) в 2009 г.» (Москва, 2009);

- 1-й международной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010);

- международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011);

- II международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2011);

- всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь, 2012);

- всероссийской научно-технической конференции «Качество строительных материалов, изделий и конструкций» (Махачкала, 2012);

- I Международной итоговой научно-практической конференции «По страницам диссертации 2012 года (ДИ-1)» (Новосибирск, 2012);

- International Scientific and Practical Conference (ISPC) London. 3rd International Scientific and Practical Conference «Science and Society» (London, 2013);

- Вестник Северо-Кавказского федерального университета - 2013 №2 (35) (Ставрополь, 2013).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 24

опубликованных работах, имеется патент РФ на изобретение. Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 124 источник и 3-х приложений. Работа изложена на 140 страницах, содержит 102 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 32 рисунка.

На защиту выносятся:

- экспериментальное обоснование возможности получения высококачественных горячих битумоминеральных композиций с наполнителем, модифицированных фосфогипсом, обеспечивающим за счет управления процессами структурообразования связующих повышение сдвигоустойчивости и износостойкости;

- механизм и особенности физико-химических взаимодействий фосфогипса с битумным вяжущим;

- оптимальные составы битумоминеральных композиций с наполнителем модифицированным фосфогипсом по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступающие стандартным асфальтобетонам;

- результаты экспериментальных исследований влияния минерального наполнителя модифицированного фосфогипсом на морозостойкость, термостабильность, трещиностойкость, сдвигоустойчивость и износостойкость битумоминеральных композиций;

- технология приготовления битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом.

Личный вклад соискателя заключается в формировании цели и основной гипотезы, самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении результатов и производственном внедрении разработанных составов.

и

ГЛАВА 1

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОСФОГИПСА В СОСТАВЕ БИТУМНО-МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

1.1 Асфальтовые бетоны. Состояние вопроса и перспективы использования отходов в составах асфальтобетонов и битумоминеральных композиций

Асфальтобетон — материал, получаемый после уплотнения асфальтобетонной смеси, приготовленной в смесителях в нагретом состоянии из щебня или гравия, песка, минерального порошка из плотных каменных материалов и битума в рационально подобранных соотношениях [1-3].

Вопросами проектирования, технологии и применения асфальтобетонов дорожном