WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Асфальтобетон с использованием механоактивированных минеральных порошков на основе кремнеземсодержащего сырья

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

ТРАУТВАИН Анна Ивановна

АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ

НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород-2012


Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель           -       доктор технических наук, профессор

Ядыкина Валентина Васильевна

Официальные оппоненты         -       доктор технических наук,

профессор Прокопец Валерий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Котлярский Эдуард Владимирович

Ведущая организация             -       Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет

Защита состоится «29» июня 2012 года в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, ауд. 242 главного корпуса, тел/факс (4722) 55-71-39, E-mail: rect@intbel.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «28» мая 2012 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук,               *-J-____

профессор                                      ?^=^


Г.А. Смоляго


3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из основных стратегических задач развития страны и региона на ближайшее десятилетие является модернизация до­рожного строительства и переход к европейским стандартам качества. В связи с этим распоряжением Правительства Российской Федерации утвер­ждена «Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года», которая предусматривает увеличение срока службы дорожных одежд, а также снижение себестоимости строительства.

Одним из способов улучшения эксплуатационных характеристик асфальто­бетона является использование качественных минеральных порошков. В традиционной технологии используются карбонатные минеральные порош­ки, получаемые помолом в шаровых трубных мельницах и являющиеся де­фицитными во многих регионах страны.

Расширить номенклатуру сырья, применяемого в качестве наполнителя для асфальтобетона, позволит использование нетрадиционного минерально­го материала, в том числе кремнеземсодержащего. Однако имеющееся сы­рье зачастую не отвечает нормативным требованиям, что вынуждает ис­пользовать различные технологии его обработки, которые могли бы повы­сить показатели готовой продукции. Одним из путей реализации этой зада­чи является придание дисперсному материалу структурной нестабильности или активности. Это возможно через управление процессами переработки сырья, например, в результате измельчения, которое сопровождается меха-ноактивацией.

Работа выполнялась в рамках НК-220П «Разработка принципов утили­зации отходов горнодобывающих предприятий в дорожном строительстве» (2009-2011) и по государственному заданию Министерства образования и науки РФ, шифр 7.4049.2011.

Цель работы. Установить характер влияния механоактивации в различных помольных агрегатах на реакционную способность дисперс­ного кремнеземсодержащего сырья при формировании асфальтобетонов с высокими физико-механическими характеристиками и долговечностью.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

  1. исследовать эффективность измельчения кремнеземсодержащего сырья в различных помольных агрегатах с точки зрения изменения его удельной поверхности, формы и рельефа частиц, концентрации активных поверхностных центров, степени аморфизации;
  2. установить взаимосвязь между концентрацией активных центров измельчаемых материалов и их удельной поверхностью при помоле в различных агрегатах, а также закономерности изменения активности при хранении минерального порошка после помола в различных условиях;

4

  1. исследовать взаимодействие механоактивированных минеральных порошков с битумом и разработать составы эффективных асфальтобетонов с их использованием;
  2. оценить влияние механоактивации дисперсного сырья на физико-механические характеристики асфальтобетона;

-       провести технико-экономическое обоснование, подготовить

нормативные документы, провести промышленную апробацию

результатов исследований.

Научная новизна. Установлен характер изменения удельной поверх­ности, формы и рельефа частиц, концентрации активных поверхностных центров, степени аморфизации дисперсных материалов в зависимости от их генезиса и способа измельчения, что отражается на реакционной способно­сти наполнителей и позволяет управлять процессами структурообразова-ния органоминеральных композитов. Полученные результаты показали, что наиболее реакционноспособными становятся наполнители метаморфоген-ного происхождения, измельчение которых происходило при ударном воз­действии мелющих тел на материал, что реализуется в шаровой планетар­ной и струйной противоточной мельницах.

Выявлены основные зависимости, связывающие изменение показателей, характеризующих реакционную способность минеральных порошков, полученных помолом кремнеземсодержащего сырья в различных мельницах, с процессами их взаимодействия с вяжущими и физико-механическими характеристиками асфальтобетона, необходимые для разработки составов, технологии получения и прогнозирования качества асфальтобетона.

Установлена пропорциональная зависимость между количеством ак­тивных адсорбционных центров на поверхности измельченных минераль­ных порошков, интенсивностью их взаимодействия с битумом, прочностью и водостойкостью асфальтобетона, которая позволила рекомендовать этот показатель в качестве интегральной характеристики оценки реакционной способности материалов при их механоактивации. Коэффициент корреля­ции составляет 0,976 и 0,982 соответственно.

Установлены закономерности изменения активности дисперсных материалов в различных условиях их хранения после помола. Показано, что количество активных центров на поверхности наполнителя наиболее интенсивно снижается в первые 30 мин пребывания на воздухе и достигает минимального значения через 1-3 ч, после чего стабилизируется. При этом падение активности, связанное с гидратацией поверхности, в значительной степени зависит от влажности окружающей среды.

Практическая значимость. Определен наиболее эффективный по­мольный агрегат и рациональное время помола, а также время и условия


5

хранения после помола минеральных порошков для обеспечения активного взаимодействия с органическим вяжущим.

Разработаны составы асфальтобетона на механоактивированных дис­персных материалах с более высокими физико-механическими характери­стиками и долговечностью по сравнению с композитами на минеральных порошках в стабильном состоянии.

На основе разработанной математической модели определены наиболее значимые показатели для получения прочных и водостойких асфальтобе­тонов.

Предложена технологическая схема производства механоактивирован-ного минерального порошка на асфальтобетонном заводе, что позволит расширить использование техногенного сырья в составе дорожно­строительных материалов, а также снизить затраты на строительство и экс­плуатацию покрытий автомобильных дорог.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при строительстве и реконструкции автомо­бильных дорог разработан технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей II-III марок с применением механоактивирован-ного минерального порошка из отходов ММС.

Получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ получе­ния минерального порошка для асфальтобетонной смеси» (№ заявки 2010132428, дата приоритета 02.08.2010).

Внедрение результатов исследований. На основе свежеразмолотого минерального порошка из отходов мокрой магнитной сепарации желе­зистых кварцитов, измельченных в центробежном помольно-смесительном агрегате, выпущена опытная партия асфальтобетонной смеси, которая была использована при реконструкции покрытия автомо­бильной дороги Белгород - Павловск.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подго­товке инженеров специальности 270205.65, а также бакалавров и магист­ров направления «Строительство» по профилям 270800.62-08 «Автомо­бильные дороги и аэродромы» и 270800.68 «Архитектурно-строительное материаловедение».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на Международной научно-практической конференции моло­дых учёных «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудова­ние для строительства и эксплуатации транспортных сооружений» БГТУ им. В. Г. Шухова (Белгород, 2009); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010); Международной научно-практической конференции, посвященной


6

80-летию ХНАДУ и дорожно-строительного факультета (Харьков, 2010); ежегодной научной сессии: «Ассоциация исследователей асфальтобетона» (Москва, 2011); V Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2011); X и XI Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2010 и 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Пространство и время - система координат развития человечества» (Киев, 2011); Между­народной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения) (Белгород, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе две статьи в научном журнале из списка ВАК РФ.

На защиту выносятся:

  1. результаты по влиянию параметров помола в различных помольных агрегатах на изменение реакционной способности измельчаемых материа­лов;
  2. закономерности изменения активности поверхности дисперсного ма­териала при хранении после помола в различных условиях;
  3. характер влияния активности полученных минеральных порошков на взаимодействие в системе «наполнитель-вяжущее» и физико-механические характеристики асфальтобетона;
  4. технология приготовления асфальтобетонной смеси с использовани­ем свежеразмолотого минерального порошка;
  5. результаты математического планирования, позволяющие определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на реакционную способность минерального порошка, и, следовательно, качество асфальтобетона;
  6. результаты внедрения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из вве­дения, шести глав, общих выводов и приложений. Содержит 230 страниц машинописного текста, включающего 47 рисунков и фотографий, 38 таб­лиц, библиографический список из 219 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Процессы измельчения твердых материалов широко используются при производстве различных строительных композитов. До недавнего времени измельчительные агрегаты использовались только по своему прямому на­значению - для увеличения удельной поверхности исходного сырья с полу­чением более мелких частиц. Однако исследование процессов, происходя­щих в условиях особо тонкого измельчения, открывает возможность для соз­дания технологий, с помощью которых можно придавать обрабатываемым материалам значительно большую реакционную способность. Идея базиру-


7


ется на фундаментальных исследованиях физико-химической механики и обобщает передовой опыт применения механоактивированных порошков в строительной индустрии.

/ДЮПШИ^

Важнейшей задачей механохимии является выяснение причин, в силу которых изменяется активность твердых веществ в результате механическо­го воздействия. Диспергирование приводит к изменению нескольких пара­метров, влияющих на реакционную способность минерального порошка

Одним из основных параметров, влияющих на эффективность помола и отличающих мельницы друг от друга, является способ воздействия мелю­щих тел на материал: раздавливание, излом, раскалывание, истирание и удар.

Способ измельчения в шаровой и вибромельнице практически иденти­чен - это истирающее и ударное воздействие на обрабатываемый материал. При этом в вибромельнице зерна измельчаемого сырья подвергаются в большей степени дроблению по сравнению с шаровой мельницей. Характер воздействия мелющих тел на диспергируемое сырье при его измельчении в шаровой планетарной мельнице - истирающий, ударный, смешанный и


8

раздавливающий. Однако силы, действующие на измельчаемый материал в планетарных мельницах, в десятки раз превышают силу воздействия на твердое тело в традиционном измельчительном оборудовании. В центро-бежно-шаровых мельницах минеральные частицы измельчаются под дейст­вием истирания и частично раздавливания. Принцип измельчения мине­рального зерна струйной мельницей основан на его высокоскоростном сво­бодном ударе о неподвижные преграды. Истирающее воздействие частиц, движущихся в плотном потоке, хотя и достаточно интенсивно, однако весьма скоротечно.

Таким образом, выбранные для исследования мельницы отличаются не только основными принципам измельчения, но и долей сочетания различ­ных воздействий мелющих тел на диспергируемый материал.

При выполнении работы применяли комплекс современных методов исследований. Величину удельной поверхности исследовали на приборе Товарова и методом БЭТ. Гранулометрический анализ распределения час­тиц проводили на лазерном анализаторе частиц Microsizer, их форму оце­нивали с помощью электронного сканирующего микроскопа Hitachi SU 1510. Степень аморфизации поверхности материала определяли РФА по методу X. Ритвельда, изменение ее гидроксильного покрова на основании ИК-спектроскопии. Активность поверхности материалов характеризовали количеством кислотных бренстедовских центров, которые определяли тит-риметрически. Взаимодействие в системе «минеральный порошок-битум» оценивали с помощью адсорбции-десорбции битума из бензольных раство­ров. Контроль потребляемой мощности помольных агрегатов осуществляли портативным анализатором количества и качества электроэнергии AR 5. Использовали также метод математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные испытания ас-фальтовяжущего и асфальтобетона.

Прежде чем приступить к измельчению материала, необходимо опре­делить параметры наиболее эффективной работы мельницы, обеспечиваю­щие получение наилучших результатов (производительности, удельной поверхности) при минимальном использовании имеющихся ресурсов (электроэнергии). Варьировать этими параметрами, не изменяя конструк­тивных особенностей существующих мельниц, можно с помощью различ­ной степени их загрузки.

На рис. 2 представлены зависимости, позволяющие определить рацио­нальное количество загружаемого материала (кварцитопесчаника) для ша­ровой планетарной мельницы путем сопоставления данных по изменению концентрации активных поверхностных центров (Q), энергозатратам (Рпотр.) и удельной поверхности измельчаемого материала (SyA). Анализ результатов позволяет сделать вывод, что увеличение массы способствует


9


Q, мк-экв/г    Sy, м2/кг 64 -|   500

62

60

58

56

54 -

52

Р, кВт/ч

значительному повышению

активности, но при           этом

100               200               300                400

Масса измельчаемого материала, г

QSvd-АР

Эуй

Рис. 2. Зависимости величины удельной поверхности, концентрации активных центров

и потребляемой мощности от массы загру­жаемого материала для шаровой планетарной мельницы

эффективность помола значи­тельно снижается. Исходя из этого, рациональный массо­вый расход исходного мате­риала для вибромельницы со­ставляет 200, вибрационного истирателя - 75, шаровой пла­нетарной - 200 и простой ша­ровой мельницы - 300 г, что соответствует нижнему пре­делу общепринятого стандар­та, а именно 10% от общего объема загрузочной помоль­ной камеры. Именно такая загрузка мельниц использовалась в дальнейших исследованиях.

Активирующая способ­ность помольных агрегатов оценивалась по изменению формы частиц, величины удельной поверхности материалов, степени аморфизации и концентрации активных кислотных центров Бренстеда на их поверхности, так как, согласно современным ра­ботам в области химии поверхности и строительного материаловедения, именно они оказывают наиболее существенное влияние на взаимодействие с вяжущими.

Исследования, проведенные с помощью лазерного анализатора частиц Microsizer, показали, что порошки, измельченные в шаровой планетарной, шаровой, вибромельнице и центробежном помольно-смесительном агрега­те, имеют довольно широкий диапазон распределения частиц, причем на­блюдаемые на них максимумы и минимумы зафиксированы в аналогичных друг другу областях. В то время как тонкомолотые наполнители, измель­ченные в вибрационном истирателе, показывают высокое содержание час­тиц в диапазоне от 18,2 до 75 мкм, а в струйной противоточной мельнице -от 1,64 до 12,2 мкм.

Таким образом, материалы, измельченные в струйной противоточной мельнице и вибрационном истирателе, в которых реализуется в основном лишь один способ воздействия мелющих тел на материал (ударный и исти­рающий соответственно), характеризуются довольно узкой гранулометрией.

Установлено, что размол исследуемых материалов происходит по-разному (рис. 3).


10

—¦— Песок        ¦   Гранит       X Кварцитопесчаник     —¦— отходы ММС

Рис. 3. Зависимости величины удельной поверхности и концентрации активных адсорбционных центров минеральных порошков от времени помола в различных

мельницах: а - шаровая планетарная; б - вибромельница; в - вибрационный истиратель; г - шаровая лабораторная; д - ЦПСА; ж - струйная противоточная


11


О      100    200    300    400    500    600    700    800

Удельная поверхность, м2/кг

Шаровая планетарная мельница -*Струйная противоточная мельница -Ж-ЦПСА

-¦- Вибромельница -*Шаровая промышленная мельница -**-Шаровая лабораторная мельница -*- Вибрационный истиратель

Рис. 4. Зависимость концентрации активных центров от удельной поверхно­сти отходов ММС, измельченных в раз­личных мельницах

Самой высокой размолоспо-собностью во всех мельницах об­ладают отходы ММС, самой низ­кой - кварцевый песок, что согла­суется с результатами ранее про­веденных исследований. Степень измельчения в различных мельни­цах также неодинакова. Макси­мальное значение удельной по­верхности для отходов ММС, по­мол которых осуществлялся в ЦПСА, составляет 790, в шаровой планетарной мельнице - 730, в струйной противоточной - 660, в шаровой промышленной мель­нице - 610, в шаровой лаборатор­ной мельнице - 540, в вибромель­нице - 530, в вибрационном исти-рателе - 510 м2/кг. Поэтому, с точки зрения величины удельной поверхности наиболее эффективными мельницами являются шаровая планетарная и ЦПСА.

Исходя из предположения, что реакционная способность тонкоизмель-ченных материалов не может быть связана только с уменьшением размера частиц, исследовали изменение концентрации активных адсорбционных центров на поверхности порошков. Из представленных результатов (рис. 3, 4) видно, что с повышением тонкости помола происходит рост количества активных центров. Однако эта тенденция наблюдается до определенной величины удельной поверхности, после чего процесс значительно замедля­ется.

Поскольку энергозатраты на помол минеральных материалов весьма высокие, при использовании свежеразмолотого материала важно опреде­лить именно рациональные значения удельной поверхности наполнителя, выше которого активность его поверхности возрастает незначительно, сле­довательно, дальнейший помол нецелесообразен.

На рис. 4 представлены зависимости концентрации активных поверхност­ных центров от удельной поверхности отходов ММС, измельченных в различ­ных помольных агрегатах. Интенсивный рост величины удельной поверхности при диспергировании отходов ММС в шаровой планетарной мельнице наблю­дается в течение 4 ч, когда тонкость помола составляет 700 м2/кг, а величина концентрации активных центров достигает своего предела уже после 2 ч из­мельчения, что соответствует величине удельной поверхности 500 м^кг. При


12

этом значении на поверхности формируется наибольшее количество изолиро­ванных гидроксильных групп, которые и обеспечивают ей максимальную активность. При помоле в ЦПСА рациональное значение удельной поверхно­сти, при которой достигается ее максимальная активность, составляет 600, в струйной противоточной - 500, в вибромельнице- 400, в шаровой лаборатор­ной и вибрационном истирателе - 350, в шаровой промышленной мельнице -300 м2/кг. Таким образом, величина Sydне является объективным показателем активности дисперсного материала.

Анализ графиков (см. рис. 3, 4) показал, что наибольшей активирую­щей способностью обладают шаровая планетарная и струйная противо-точная мельницы, в результате помола в которых концентрация активных центров увеличивается в среднем в 2,7 и 2,8 раза, наименьшей - вибраци­онный истиратель и шаровая мельница (лабораторного и промышленного типа). Увеличение активности при помоле в них составляет 1,8-2 раза. Из исследуемых материалов максимальное значение концентрации активных центров образуется на поверхности отходов ММС при помоле в шаровой планетарной мельнице (79 мк-экв/г), минимальное - на поверхности квар­цевого песка, измельченного в вибрационном истирателе (23 мк-экв/г).

Рис. 5. Микрофотографии минеральных порошков из песка, полученных путем помола в шаровой планетарной мельнице (а) и вибрационном истирателе (б)

Известно, что значительное влияние на взаимодействие с вяжущим ока­зывает форма и рельеф поверхности частиц. При разрушении минеральных материалов в шаровой планетарной и струйной противоточной мельницах, в которых реализуется ударный способ воздействия мелющих тел на мате­риал, образуются частицы осколочной формы с множеством граней и ост­рых углов, тогда как в вибрационном истирателе и шаровой мельнице дис­пергируемое сырье подвержено только истиранию, поэтому частицы имеют более округлую форму со сглаженной поверхностью. Это подтверждено микрофотографиями минеральных порошков, полученных путем помола в различных мельницах (рис. 5).


13

Поэтому при оценке эффективности помола, помимо удельной поверх­ности, необходимо учитывать изменение формы, гранулометрического со­става частиц и концентрацию активных центров на поверхности измель­чаемого материала, которые, в значительной степени зависят от способа воздействия на него мелющих тел.

Известно, что определенный вклад в повышение активности наполни­теля при измельчении вносит его аморфизация. Результаты, полученные методом полнопрофильного рентгенофазового анализа свидетельствуют о том, что после помола материалов произошла аморфизация их поверхно­сти. Величина концентрации аморфной фазы на поверхности исследуемых порошков существенно отличается и составляет для кварцевого песка 16, кварцитопесчаника - 44 и отходов ММС - 66 мас.%. Высокая степень аморфизации кварцитопесчаника и отходов ММС обусловлена их генези­сом и техногенезом.

Таким образом, способ измельчения и генезис кремнеземсодержащего сырья определяют морфологию частиц, дисперсность, гранулометрический состав, концентрацию активных Бренстедовских центров и степень амор­физации поверхности измельченного минерального порошка.

Известно, что при хранении свежеизмельченных минеральных порош­ков происходит падение концентрации активных центров. При этом про­цесс дезактивации поверхности происходит за счет адсорбции молекул воды и в значительной степени зависит от влажности окружающей среды, поэтому необходимо выяснить возможность транспортировки механоакти-вированного минерального порошка к месту его потребления с минималь­ной потерей активности.

В связи с этим исследовали изменение концентрации активных поверх­ностных центров и влагопоглощения минерального порошка из кварцито­песчаника, предварительно измельченного до удельной поверхности 350 м2/кг в шаровой мельнице и выдержанного в условиях различной влажности: нулевой (в эксикаторе с КВг), естественной (на воздухе), огра­ниченной (в полиэтиленовой упаковке), 100%-ной (в эксикаторе с водой) (рис.6). Как и следовало ожидать, при хранении активированного мине­рального порошка концентрация адсорбционных центров на поверхности существенно снижается в первые 30 мин и практически стабилизируется через 3 ч, причем этот процесс ускоряется с увеличением влажности среды, в которой находится материал. После 3 ч пребывания навески свежеразмо-лотого кварцитопесчаника в условиях нулевой влажности активность упала лишь на 17%, в полиэтиленовой упаковке - на 25%, тогда как на воздухе и в эксикаторе с водой - на 35 и 41% соответственно. При этом наблюдается пропорциональное увеличение поглощения влаги материалом.


14


60 х

56

ь г

52

148

В дальнейшем снижение кон­центрации активных центров не­значительно и составляет в тече­ние недели от 2 до 5 %. Для дру­гих мельниц закономерность ана­логичная.

0,4 р

44

40

90                 1

Время после помола, мин

  1. Экс. 0%
  2. Полиэтиленовая упаковка
  3. Воздух
  4. Экс. 100%

Рис. 6. Зависимость концентрации активных минерального порошка, особенно

Методом ИК-спектроскопии 5 установлено различие гидро-ксильного покрова поверхности свежеразмолотого порошка и вы­держанного в различных услови­ях, свидетельствующие о дезакти­вации поверхности. При хранении

центров и влагопоглощения

кварцитопесчаника от времени экспозиции

материалов после помола в различных

условиях

во влажной среде, на его поверх­ности уменьшилось количество свободных гидроксильных групп, расположенных в вершинах крем-некислородных тетраэдров, уве­личилось количество свободных молекул воды, а также, связанных водо­родными связями с гидроксильными группами и между собой.

Из полученных результатов следует, что к месту использования мине­ральный порошок можно транспортировать в полиэтиленовой упаковке без значительного снижения его реакционной способности.

г                 0                         3                         6                         9

Содержание битума в бензольном растворе, г/л ¦—Свежеразмолотый материал —¦—Материал, выдержанный на воздухе

--------- первоначальная адсорбция;

---------   десорбировано бензолом

Рис. 7. Адсорбция-десорбция битума из бензола на кварцитопесчанике

Интенсивность взаимодействия минеральных материалов и органи­ческого вяжущего является важней­шим элементом структурообразова-ния в асфальтобетоне. Влияние свойств поверхности минеральных порошков на процессы взаимодейст­вия их с битумом определялось по величине сорбции битума из бен­зольных растворов минеральными порошками и десорбции бензолом сорбированного ими органического вяжущего фотоколориметрическим методом.

На рис. 7 представлены резуль­таты исследования адсорбции-десорбции  битума  из    бензольных


15


растворов на примере кварцитопес-чаника, размолотого в шаровой пла­нетарной мельнице.

Из рисунка видно, что лучшее

взаимодействие происходит со све-

жеразмолотыми         минеральными

порошками. На поверхности свеже-

измельченного      кварцитопесчаника

30             40             50             60

Содержание минерального порошка, %

-Ф----- отходы MV1C      -------- ¦----- КВП

-*------ Песо к

активированный минеральный порошок; неактивированный минеральный     порошок СУЄТСЯ

Рис. 8. Зависимость предельного

напряжения сдвига асфальтовяжущего

вещества от количества минерального

порошка

после десорбции битума бензолом осталось 50% первоначально адсор­бированного вяжущего, а на поверх­ности выдержанного на воздухе -28%. На поверхности свежеразмоло-того гранита - 38, выдержанного на воздухе - 20%. Это полностью согла-с величиной концентрации активных центров.

Так как основное назначение ми­нерального порошка в асфальтобето­не заключается в переводе битума в структурированное   состояние, на основе метода конической пластометрии была исследована структурирующая роль минеральных порошков по отношению к битуму.

Как видно из графика (рис. 8), активированные минеральные порошки обладают достаточно высокой структурирующей способностью на фоне неактивированных. Такие результаты обусловлены более высокой реакци­онной способностью активированных порошков, что приводит к увеличе­нию количества контактов и к более интенсивному переводу битума в структурированное состояние.

Закономерно предположить, что повышение реакционной способности минерального порошка после помола, связанное с изменением величины удельной поверхности, гранулометрического состава, формы и микрорельефа частиц, аморфизацией поверхности, увеличением количества активных центров на ней, положительно отразится на свойствах асфальтовяжущего и асфальтобетона.

Полученные результаты (табл.1) показывают, что исследуемые мине­ральные порошки, активированные в различных мельницах, обеспечивают гораздо лучшее взаимодействие с битумом по сравнению с порошками в неактивированном состоянии, что оказывает положительное влияние на физико-механические характеристики образцов асфальтовяжущего.


16

Таблица 1

Физико-механические показатели асфальтовяжущего______

Наименование показателя

Минеральный порошок

Шаровая планетарная мельница

В ибрацио нный истиратель

Песок

Гра­нит

КВП

Отходы ММС

Песок

Гра­нит

КВП

Отходы ММС

Предел прочности при сжатии при 20 °С, МПа

2,82 2,05

3.60 2,69

4.30 2,95

4,52 3,00

2,01 1,53

2.63 2,15

3.26 2,46

3,64

2,57

Водостойкость

0,74 0,60

0.86

0,72

0.91 0,76

0,98 0,77

0,65 0,56

0.72 0,63

0.82 0,73

0,85 0,70

Набухание, %

2,24 3,62

2.56 3,98

1.97

3,45

1,60 2,93

3,47 5,63

3.79 5,17

2.64 4,05

2,50 3,84

Примечание: числитель - активированный минеральный порошок; знаменатель - неактивиро­ванный минеральный порошок.

Наилучшие физико-механические показатели имеет асфальтовяжущее на минеральных порошках из сырья метаморфогенного происхождения (отходов ММС и кварцитопесчаника), измельченного в шаровой планетар­ной мельнице, худшие - на минеральных порошках из гранита и песка, по­мол которых осуществлялся в вибрационном истирателе. Сравнение ре­зультатов показало, что повышение реакционной способности минерально­го порошка в результате помола привело к увеличению предела прочности при сжатии, водостойкости и уменьшению набухания образцов асфальто­вяжущего. Так, например, прирост водостойкости образцов битумомине-ральной смеси на свежеразмолотых в шаровой планетарной мельнице ма­териалах из кварцевого песка и отходов ММС на фоне неактивированных порошков составил 23 и 27%; в вибрационном истирателе - 16 и 21% соот­ветственно. Прочность асфальтовяжущего в результате механоактивации песка и отходов ММС в шаровой планетарной мельнице увеличилась на 38 и 50%, в вибрационном истирателе - 31 и 42% соответственно.

Эффективность использования механоактивированного минерального порошка в составе асфальтобетонных смесей оценивалась на основании физико-механических показателей образцов асфальтобетона типа Г, в ко­тором решающее влияние на качество композита оказывают характеристи­ки дисперсных материалов.

Установлено, что качество асфальтобетона (табл. 2, рис. 9), приготовлен­ного на активированных минеральных порошках, существенно повышается. Наибольший рост показателей асфальтобетона наблюдается на минеральном порошке из отходов ММС, измельченных в шаровой планетарной мельнице, так как увеличение активности свежеразмолотого наполнителя является наибольшим по сравнению с неактивированным порошком и составляет 71%.


Таблица 2 Влияние свойств механоактивированных минеральных порошков на физико-механические

характеристики образцов асфальтобетона

Характеристики

Тради­ционный

Отходы ММС

Кварцитопесчаник

Песок

ШПМ

ВМ

ВИ

ТТТМ

ШПМ

ВМ

ВИ

ТТТМ

ШПМ

ВМ

ВИ

ТТТМ

мин. пор.

Водонасыщение, %

2,68

2,02

2,29

2,71

2,52

2,30

2,63

2,78

2,63

3,40

3,50

4,10

3,88

33,0

29,1

21,3

24,0

29,7

22,7

21,1

25,5

24,4

25,7

24,7

28,5

Набухание, %

0,60

0,43

0,52

0,65

0,60

0,54

0,63

0,70

0,64

0,81

0,87

1,41

0,59

27,0

23,8

17,4

19,6

24,3

18,6

17,3

20,8

19,9

21,0

20,2

23,3

Прочность при сжатии,

МПа

при +50 °С

1,97

1,90

1,98

2,43

3,47

3,00

2,52

2,71

2,98

2,61

2,54

2,59

2,02

25,3

24,3

28,1

32,5

28,6

20,9

23,6

39,2

22,4

20,8

25,1

24,0

4.05

3.79

4.00

при + 20 °С

5,72

6.66

6.32

5.62

5.88

6.33

5.69

5.50

5.84

4.17

33,6

32,3

37,3

43,1

37,9

27,8

31,4

38,7

29,6

27,6

33,2

31,8

10,94

11,32

11,13

при 0 °С

10,2

9.24

9.57

10.06

9.88

9.62

9.96

10.07

9.93

10.84

5,5

5,3

6,1

7,1

6,2

4,6

5,1

6,4

4,9

4,5

5,5

5,2

Водостойкость

0,91

0.98

0.96

0.90

0.92

0.95

0.91

0.86

0.91

0.79

0.75

0.72

0.75

21,2

18,7

13,6

15,4

19,1

14,6

13,6

16,4

15,7

16,5

15,9

18,3

Водостойкость        при

0.93

0.88

0.81

0.85

0.89

0.84

0.82

0.85

0.70

0.69

0.63

0.66

длительном

0,81

23,3

20,5

15,0

17,0

21,0

16,0

14,9

18,0

17,2

18,2

17,5

20,2

водонасыщении

Теплостойкость,

0,24

0,38

0,31

0,25

0,27

0,31

0,26

0,25

0,26

0,18

0,18

0,17

0,17

R50 / Ro

72

48

39

35

55

37

19

44

38

38

42

42

Примечание: числитель - абсолютные значения характеристик асфальтобетона на активированном минеральном порошке; знаменатель

изменение показателя по сравнению с неактивированным, %.

ШПМ - шаровая планетарная мельница, ВМ - вибромельница, ШМ - шаровая мельница, ВИ - вибрационный истиратель

18


  1. Вибрационный истиратель
  2. Шаровая мельница
  3. Вибромельница
  4. Шаровая планетарная мельница

Рис.9. Изменение физико-механических показателей асфальто­бетона на минеральном порошке из отходов ММС, измельченных в раз­личных помольных агрегатах

Предел прочности при сжатии при 20 °С увеличился на 43%, при 50 °С на 32%. Водостойкость выросла на 21 %, при длительном во до насыщении - на 23%. Водонасыщение и набухание уменьши­лось на 33 и 27% соответственно. Кроме этого, наблюдается существенное уве­личение теплостойкости в диапазоне от 19 (для кварцитопесчаника, измельчен­ного в вибрационном истирателе) до 72% (для отходов ММС, измельчен­ных в шаровой планетарной мельнице). При этом физико-механические харак­теристики образцов асфальтобетона на активированных минеральных порош­ках из кварцитопесчаника и отходов ММС, измельченных в шаровой палне-тарной мельнице, вибромельнице и про­стой шаровой мельнице, превышают показатели с использованием традици­онного известнякового минерального порошка.

Улучшение физико-механических характеристик асфальтовяжущего и асфальтобетона при использовании механоактивированных минеральных порошков является следствием повышения их удельной поверхности, из­менения гранулометрического состава и морфологии частиц, аморфизации поверхности и увеличения количества активных адсорбционных центров на ней.

Однако дисперсность порошков, распределение частиц по размерам, количество аморфной фазы на их поверхности не изменяются при хране­нии после помола, форма частиц оказывает влияние лишь на механическое сцепление и вносит незначительный вклад в повышение физико-химической активности минеральных порошков. И только количество ак­тивных новообразованных поверхностных центров в значительной степени отражается на интенсивности взаимодействия в системе «битум-минеральный порошок», характеристиках органоминеральных композитов и зависит от времени хранения.

Установлена пропорциональная зависимость между показателями прочности и водостойкости асфальтовяжущего и асфальтобетона и величи­ной концентрации активных центров на поверхности всех исследуемых материалов, измельченных в различных мельницах (рис. 10). Коэффициен-


19

ты корреляции между пределом прочности при сжатии при 20 °С, водо­стойкостью и количеством активных адсорбционных центров Бренстеда составляют 0,976 и 0,982 соответственно.

а)б)


¦

..«•••

-.*'•• *

»••

30                    50                   70                    90

Концентрация активных адсорбционных центров, мк-экв/г


1

-о 0,9 I-   ' о

§0,8

>S О

о 0,7 о

0,5


, «*

»

¦

¦¦

.""'

«.¦"

30                     50                    70                    90

Концентрация активных адсорбционных центров, мк-экв/г


Рис.10. Зависимость предела прочности при сжатии при 20 °С (а) и водостойко­сти (б) от концентрации активных центров на поверхности минеральных порошков

Таким образом, можно констатировать, что количество адсорбционных центров на поверхности дисперсных материалов является интегральной характеристикой их реакционной способности при механоактивации. При­чем определение этого показателя не требует сложного аппаратурного оформления и большого количества времени.

Влияние параметров помола на свойства асфальтобетона анализирова­ли также с помощью полного ортогонального центрального композицион­ного планирования эксперимента. При проведении эксперимента варьиро­вались факторы в следующих пределах: тип мельницы - шаровая мельница (ШМ), шаровая планетарная мельница (ШПМ), вибромельница (ВМ), виб­рационный истиратель (ВИ); время помола - 1-5 ч, генезис материала -кварцитопесчаник, гранит, кварцевый песок, отходы ММС, степень загруз­ки мельницы - 20-100 %.

По проведенному эксперименту было получено уравнение регрессии предела прочности при сжатии асфальтобетона при температуре 20°С:


R2'

4,151 + 0,762х; + 0,161х2 + 1,164х5 + 0,568х4 + 0,06х;х2 + 0,023х;х5 +

+ 0,025х;х4 + 0,035х2х5 - 0,032х2х4 + 0,124х,х4 + 0,198х/ + 0,093х/ - 0,025х/ -     С1) -0,44х/,

На основе полученной математической модели построена номограмма (рис. 11) изменения прочности асфальтобетона в зависимости от варьируе­мых факторов.

Установлено, что наибольшее влияние (уравнение (1)) на исследуемый показатель    оказывает   генезис   сырьевого материала и тип помольного


20


оборудования. При этом графи­ки наглядно ранжируют мель­ницы в порядке уменьшения их эффективности: шаровая пла­нетарная мельница, вибромель­ница, шаровая мельница, виб­рационный истиратель.

Анализируя  влияние  гене­

зиса сырья,    используемого    в

качестве минерального порош­

ка   в   асфальтобетоне,   можно

отходы ммс     констатировать,   что   наиболь-

9     песок гРан1ТТ                                       шее положительное влияние на

Рис. 11. Зависимость предела прочности при   физико-механические     показа-

сжатии асфальтобетонных образцов от варьи- тели  образцов  асфальтобетона

руемых факторов:                                                    оказывают отходы ММС, наи-

1 - им, 2 - ви, з - шм, 4 - вм, 5 - шпм       меньшее - измельченный квар­цевый песок. Установлено также, что с увеличением массы измельчаемого материала и времени его помола от 1 до 5 часов, происходит незначительный рост прочности асфальтобетона. Зависимость водостойкости асфальтобетонных образцов от варьируемых факторов имеет аналогичный характер.

Данные, полученные путем математического планирования экспери­мента, четко коррелируют с экспериментальными значениями физико-механических показателей асфальтобетонных образцов.

Таким образом, различные мельницы, в зависимости от способа воз­действия мелющих тел на измельчаемый материал, дают продукты, харак­теризующиеся различной степенью дисперсности и реакционной способно­стью, зависящей от генезиса сырья, морфологии частиц, степени аморфи-зации и концентрации активных центров на поверхности тонкодисперсных порошков. Наиболее реакционноспособными являются минеральные по­рошки из отходов ММС и кварцитопесчаника, измельченные в шаровой планетарной и струйной противоточной мельницах, наименее - песок, раз­молотый в вибрационном истирателе и шаровой мельницах. При этом в результате активации наблюдается более высокая интенсивность взаимо­действия вяжущего с поверхностью наполнителей по сравнению с неакти­вированными, что положительно отражается на качестве асфальтовяжуще-го и асфальтобетона.

Для производственного внедрения метода механической активации ми­нерального порошка разработана технологическая схема по дооборудова­нию завода по выпуску асфальтобетонных смесей помольным агрегатом,


21

разработан технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей II-III марок с применением механоактивированного минерального порошка из отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов.

На основании полученных результатов выпущена опытная партия ас­фальтобетонной смеси, приготовленной на свежеразмолотом минеральном порошке из отходов ММС, на предприятии ООО «Белдорстрой».

Экономический эффект при внедрении разработанной технологии на асфальтобетонном заводе достигается за счет экономии денежных средств на закупку и доставку готового минерального порошка автомобильным транспортом, а также повышения долговечности композиционных мате­риалов на основе механоактивированного минерального порошка и соста­вит 114 223 тыс. рублей при устройстве 1 приведенного километра дороги.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.   Установлен характер изменения удельной поверхности, формы и

рельефа частиц, концентрации активных поверхностных центров, степени

аморфизации дисперсных материалов в зависимости от их генезиса и спо­

соба измельчения, что отражается на реакционной способности наполните­

лей и позволяет управлять процессами структурообразования органомине-

ральных композитов. Полученные результаты показали, что наиболее реак-

ционноспособными становятся наполнители метаморфогенного происхож­

дения, измельчение которых происходило при ударном воздействии ме­

лющих тел на материал, что реализуется в шаровой планетарной и струй­

ной противоточной мельницах.

2.      Выявлены основные зависимости, связывающие изменение

показателей, характеризующих реакционную способность минеральных

порошков, полученных помолом кремнеземсодержащего сырья в

различных мельницах, с процессами их взаимодействия с вяжущими и

физико-механическими характеристиками асфальтобетона, необходимые

для разработки составов, технологии получения и прогнозирования

качества асфальтобетона.

3.  Установлена пропорциональная зависимость между количеством ак­

тивных адсорбционных центров на поверхности измельченных минераль­

ных порошков, интенсивностью их взаимодействия с битумом, прочностью

и водостойкостью асфальтобетона, которая позволила рекомендовать этот

показатель в качестве интегральной характеристики оценки реакционной

способности материалов при их механоактивации. Коэффициент корреля­

ции составляет 0,976 и 0,982 соответственно.

4.   Установлены закономерности изменения активности дисперсных

материалов в различных условиях их хранения после помола. Показано,


22

что количество активных центров на поверхности наполнителя наиболее интенсивно снижается в первые 30 мин пребывания на воздухе и достигает минимального значения через 1-3 ч, после чего стабилизируется. При этом падение активности, связанное с гидратацией поверхности, в значительной степени зависит от влажности окружающей среды.

  1. Разработана многофакторная схема, позволяющая оценить влияние типа мельницы, природы сырья, времени помола, степени загрузки мельницы в отдельности и в их совокупности при проектировании композита с заданными физико-механическими характеристиками.
  2. Предложены составы асфальтобетона на механоактивированных дис­персных материалах с более высокими физико-механическими характери­стиками и долговечностью по сравнению с композитами на минеральных порошках в стабильном состоянии.
  3. Разработан технологический регламент на производство асфальтобе­тонных смесей с применением механоактивированного минерального по­рошка из отходов ММС, на основании которого предложена технологиче­ская схема по дооборудованию завода помольным агрегатом. Получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ получения минерально­го порошка для асфальтобетонной смеси» (№ заявки 2010132428, дата при­оритета 02.08.2010). На основе исследований, выполненных в рамках дис­сертационной работы, выпущена опытная партия асфальтобетонной сме­си, которая использована при реконструкции покрытия автомобильной дороги Белгород - Павловск. Результаты работы внедрены в учебный про­цесс.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Траутеаин, А. И. Механоактивация минеральных порошков в вибра­ционной и шаровой планетарной мельницах [Электронный ресурс] / А. И. Траутваин // Международная научно-техническая конференция моло­дых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова. - Белгород, 2009.
  2. Траутеаин, А.И. Влияние поверхностных свойств минеральных по­рошков после помола на их взаимодействие с битумом [Текст] / А.И. Траутваин // Эффективные материалы, технологии, машины и обору­дование для строительства и эксплуатации транспортных сооружений: сборник докладов Международной научно-технической конференции мо­лодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова - Белгород, 2009. - С. 391-395.
  3. Ядыкина, В.В. Получение эффективных дорожно-строительных ма­териалов за счет использования механоактивированных наполнителей [Текст] /В.В. Ядыкина, А.И. Траутваин IIНаучные исследования, наноси-стемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных

23

материалов: сборник докладов Международной научно-практической кон­ференции. - Белгород, 2010. - Ч.З. - С. 331-335.

  1. Ядыкина, В.В. Сравнительный анализ эффективности использования измельченного наполнителя в различных помольных агрегатах для повы­шения качества асфальтобетона [Текст] /В.В. Ддыкина, А.И. Траутваин IIСб. материалов Международной научно-практической конференции, по­священной 80-летию ХНАДУ и дорожно-строительного факультета «Про-ектування, буд внитцво експлуатація нежорстких дорожніх одягів». - Харь­ков, 2010. - С. 246-250.
  2. Траутваин, А.И. Повышение реакционной способности наполните­лей в результате помола [Текст] / А.И. Траутваин, В.В. Ддыкина, A.M. Гридчин // Строительные материалы. - 2010. - № 12. - С. 81-83.
  3. Yadykina, V. V. Materiales finos, modificados рог la action macanica [Текст] / Valentina V. Yadykina, Anna I. Trautvain // Asfaltos у Pavimentos. -2011.-№22.-p.p. 13-21.
  4. Траутваин, А.И. Тонкое измельчение минеральных материалов для асфальтобетона [Текст] / А.И. Траутваин, В.В. Ддыкина //Ежегодная науч­ная сессия Международной ассоциации исследователей асфальтобетона. -М., 2011.-С. 90-95.
  5. Траутваин, А.И. Влияние механоактивации на процессы структуро-образования асфальтобетона [Электронный ресурс] / А.И. Траутваин, В.В. Ддыкина // V Международный студенческий форум «Образование, наука, производство». -Белгород, 2011.
  6. Ддыкина, В.В. Механическая активация минеральных порошков для асфальтобетона [Текст] /В.В. Ддыкина, А.И. Траутваин, A.M. Гридчин // VIII Международная научно-практическая конференция «Пространство и время - система координат развития человечества». - Киев, Лондон, 2011 -С. 42^14.
  1. Траутваин, А.И. Образование активных центров при помоле мине­ральных материалов в различных мельницах и их влияние на взаимодейст­вие в контактной зоне [Текст] / А.И. Траутваин // Международная научно-практическая конференция «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения). - Белгород, 2011. - С. 139-143.
  2. Траутваин, А.И. Особенности механоактивированных минеральных порошков [Текст] / А.И. Траутваин, В.В. Ддыкина, A.M. Гридчин // Строи­тельные материалы. - 2011. - № 11. - С. 32-34.

ТРАУТВАИН Анна Ивановна

АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ

НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 25.05.12. Формат 60X 84 1/16. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд. л. 1,4. Тираж ПО экз. Заказ 4295

Отпечатано в типографии ООО «КОНСТАНТА» 308023, г. Белгород, ул. Менделеева, 6

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.