Эффективный асфальтобетон на минеральных материалах из железосодержащего техногенного сырья КМА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Высоцкий, Алексей Васильевич

• Высоцкий, Алексей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Высоцкий, Алексей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Влияние природы и поверхности минеральных материалов на их взаимодействие с битумом.

1.2. Опыт использования кислых и железосодержащих минеральных материалов в дорожном строительстве.

1.3. Теоретические предпосылки исследований.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований.

2.2. Методы исследований.

2.2.1. Методы исследования применяемых материалов.

2.2.2. Методы исследования взаимодействия минеральных материалов с битумом.

2.2.3. Методы исследования свойств асфальтобетона.

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С БИТУМОМ.

3.1. Влияние поверхностных свойств минеральных материалов на их взаимодействие с битумом.

3.2. Сцепление битума с исследуемыми минеральными материалами.

3.3. Свойства асфальтовяжущего и процессы структурообразования в

Выводы.

4. СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКАХ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КМА.

4.1. Влияние минеральных порошков на физико-механические характеристики асфальтобетона.

4.2. Коррозионная устойчивость асфальтобетона на железосодержащих минеральных порошках.

4.3. Старение битума в асфальтобетоне на исследуемых минеральных порошках.

4.4. Стойкость асфальтобетона на исследуемых минеральных порошках из техногенного сырья к воздействию природноклиматических факторов.

Выводы.

5. ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С БИТУМОМ И НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АСФАЛЬТОБЕТОНА.

Выводы.

6. ЭФФЕКТИВНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КМА.

Выводы.

7. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КМА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффективный асфальтобетон на минеральных материалах из железосодержащего техногенного сырья КМА»

Актуальность. Увеличение в последние годы грузоподъемности транспортных средств и интенсивности их движения негативно отразилось на дорожной сети, которая проектировалась и строилась без учёта подобных темпов роста интенсивности, уровня нагрузки и скоростей движения. Появилась необходимость ремонта старых и строительства новых автомобильных дорог, а, следовательно, потребность в большом количестве строительных материалов. С другой стороны, встала проблема утилизации отходов промышленности, ухудшающих экологическую обстановку.

Особенно это актуально для Белгородской области - центра горнорудной промышленности, т.к. с учётом изменений в геополитическом положении области, основные поставщики дорожно-строительных материалов оказались за границей.

Постоянно растущие требования к повышению качества асфальтобетонных покрытий ставят задачи более глубокого и всестороннего исследования свойств асфальтобетонных смесей и факторов, определяющих надежность и долговечность асфальтобетона. Это особенно важно при использовании в асфальтобетонных смесях новых разновидностей минеральных материалов, обладающих рядом особенностей в сравнении с традиционными минеральными компонентами асфальтобетона. К числу таких материалов относятся отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС), малорудные кварциты, породы сланцевой толщи и др. Все эти материалы являются кислыми и отличаются от традиционных минеральных материалов повышенным содержанием в своем составе оксидов железа.

В литературе встречаются противоречивые данные о влиянии оксидов железа на коррозионные свойства асфальтобетона и интенсивности процессов старения битума в асфальтобетоне.

В свете этого актуальным является экспериментальное подтверждение возможности использования железосодержащего техногенного сырья при производстве асфальтобетонных смесей, влиянии его на физико-механические характеристики и долговечность асфальтобетона.

Работа выполнена в рамках НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", шифр 02.01.138.

Цель работы. Разработка эффективных асфальтобетонов на основе железосодержащих попутнодобываемых горных пород и отходов промышленности зоны КМА для покрытий автомобильных дорог.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. изучение свойств железосодержащих минеральных материалов и взаимодействия их с битумом;

2. исследование влияния железосодержащих минеральных материалов на коррозионную стойкость и интенсивность старения битума в асфальтобетоне;

3. определение рациональных пределов содержания оксидов железа в минеральных материалах с целью получения эффективных органоминеральных композитов;

4. разработка асфальтобетонов, отличающихся высокими физико-механическими характеристиками и долговечностью;

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

6. апробация результатов лабораторных исследований в промышленных условиях и обоснование экономической эффективности применения минеральных материалов из железосодержащих попутнодобываемых горных пород и отходов промышленности зоны КМА.

Научная новизна работы: Установлено активное взаимодействие и структурирующее влияние железосодержащих минеральных порошков, особенно отходов ММС, при контакте с битумом, что позволило получить эффективный асфальтобетон и расширить сырьевую базу минеральных материалов.

Установлена взаимосвязь между количеством центров адсорбции на поверхности минеральных материалов, сцеплением их с битумом и физико-механическими характеристиками асфальтобетона.

Доказано положительное влияние железосодержащих минеральных материалов на прочность, коррозионную устойчивость, сдвигоустойчивость асфальтобетона, что позволяет прогнозировать более продолжительные сроки службы асфальтобетонных покрытий дорог, построенных с использованием исследуемых минеральных материалов.

Показано, что железосодержащие материалы замедляют интенсивность процессов, приводящих к старению битума за счет ингибирования окислительно-полимеризационных процессов.

Установлено влияние количества магнетита в составе минерального порошка на прочность, коррозионную стойкость асфальтобетона, интенсивность старения битума. На основании этого обоснованы рациональные пределы содержания оксидов железа в минеральных материалах.

Обоснованы рациональные пределы содержания оксидов железа в минеральных материалах, приводящие к повышению прочности и долговечности органоминеральных композитов.

Практическое значение. Расширена номенклатура минеральных компонентов для производства асфальтобетона за счет использования железосодержащих горных пород и отходов промышленности зоны КМА.

Кварцитопесчаники Кварцитопесчаники - одна из скальных вскрышных пород, вмещающих железную толщу и расположенных по всей площади железорудных месторождений Курской магнитной аномалии. Кварцитопесчаники Лебединского ГОКа исследовались в работах [126,132,134,146,150].

Кварцитопесчаники представляют собой почти мономинеральную породу от серого до розовато-серого цвета, вследствие присутствия фуксита. Для них характерна массивная, реже нечетко выраженная грубополосчатая текстура. Структура, в основном, мелкозернистая с размером зерен 0,02.2,0 мм. По данным химического и гранулометрического анализа содержание кварца составляет 73,4.95 %. Остальные минеральные материалы представлены мусковитом, биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом, калиевым полевым шпатом. Их количество иногда достигает 10.20 %.

Рис.2.7 Кварцитопесчаник, х60 асфальтобетонной смеси в объеме 165 т. Асфальтобетонная смесь использовалась: при строительстве участка автомобильной дороги «Песчаный карьер - Нижний Олыданец»; при ремонте и реконструкции городских улиц. За опытными участками установлены систематические наблюдения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и получили одобрение: на Международной студенческой научно-технической конференции (Белгород, 2001); Международной интернет - конференции «Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков» (Белгород, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог» (Краснодар, 2002); Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003); Международная научно-практическая конференция «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, включающего 34 таблицы, 36 рисунков и фотографий, список литературы из 190 наименований, 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Высоцкий, Алексей Васильевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено активное взаимодействие железосодержащих минеральных материалов с органическим вяжущим, структурирующее влияние на битум, особенно отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов за счет: более разнообразного минералогического состава (кроме кварца, имеется большое количество полевых шпатов, слюд, рудных минералов); содержания кварца нескольких генераций с невысокой степенью кристалличности, что обуславливает его высокую реакционную способность; наибольшего, по сравнению с другими исследуемыми минеральными материалами, количества центров адсорбции на их поверхности; более развитой поверхности зерен.

Это позволило получить эффективный асфальтобетон с высокими физико-механическими характеристиками, и показало возможность расширения сырьевой базы минеральных материалов за счет использования техногенных отходов.

2. Содержащиеся в минеральных порошках оксиды железа не оказывают негативного влияния на коррозионную устойчивость органоминерального композита. Асфальтобетон с использованием минерального порошка из отходов ММС отличается повышенной устойчивостью при агрессивном воздействии водно-тепловых режимов, то есть характеризуется высокими показателями водо,- морозостойкости и теплоустойчивости.

3. Установлено ингибирующее влияние оксидов железа минеральных материалов на процессы старения битума в органоминеральных композитах за счет образование хемосорбционных связей на границе раздела фаз "битум -минеральный материал", блокирующих протекание окислительнополимеризационных процессов в вяжущем, и подтверждает возможность получения высококачественного асфальтобетона.

4. Определены рациональные пределы использования оксидов железа в минеральных материалах. Показано, что содержание магнетита в минеральном порошке в количестве 50-80% приводит к повышению коррозионной устойчивости асфальтобетона и снижению интенсивности старения битума за счет более активного взаимодействия поверхности минерального материала с компонентами битума. .

5. Разработаны составы эффективного асфальтобетона с использованием железосодержащего техногенного сырья КМА, отличающиеся высокими физико-механическими характеристиками и долговечностью.

6. Апробация результатов теоретических и лабораторных исследований в промышленных условиях, а также расчет экономического эффекта от внедрения минеральных материалов из техногенного сырья КМА подтверждает высокую эффективность их применения в асфальтобетоне.

160

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Высоцкий, Алексей Васильевич, 2004 год

1. Сахаров П.В. Способы проектирования асфальтобетонных смесей // Транспорт и дороги города. 1935. - №12. - С. 22-26

2. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: Уч. пособие / И.А. Рыбьев. М.: Высш. шк. 2003. - 700 с.

3. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. — М.: Высшая школа, 1978. — 309 с.

4. Михайлов В.В. Элементы теории структуры бетона. — M.-JL: Стройиздат, 1941. —226 с.

5. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, A.M. Богуславский, И.М. Королёв. Под ред. Л.Б. Гезенцвея. М.: Транспорт, 1985.-350 с.

6. Гезенцвей Л.Б. Активация песка для асфальтового бетона // Автомобильные дороги. 1961. - С. 17-19.

7. Богуславский A.M. Оценка сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий // Автомобильные дороги. 1973. - №9. - С. 10-12.

8. Богуславский A.M., Ефремов Л.Г. Асфальтобетонные покрытия. Учебн. пособие. -М.: МАДИ, 1981. 142 с.

9. Сюньи Г.К. Асфальтовый бетон. Киев: ГостехиздатУССР. - 1956. -206 с.

10. Руденская И.М., Руденский A.B. Реологические свойства битумов. — М.: Высшая школа, 1967. — 118с.

11. Руденская И.М. Нефтяные битумы. — М.: Росвузиздат, 1963. — 42 с.

12. Горелышев Н.В. Исследование асфальтобетона каркасной структуры и его эксплуатационных свойств в дорожных одеждах: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. — М.: МАДИ, 1978.—36 с.

13. Королев И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве. — М: Транспорт, 1986. — 149 с.

14. Волков М.И. Дорожно-строительные материалы — М.: Автотрансиздат, 1960.-261с.

15. Золотарёв В.А. Долговечность дорожных асфальтобетонов. Харьков, Изд-во при Харьковском гос. Университете издательского объединения «Вища школа», 1977. - 114с.

16. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. — М.: Знание, 1958. —64 с.

17. Ребиндер П.А. Вступительное слово // Матер, работ симпозиума по структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. — Балашиха, 1968. — С.5—9.

18. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур // Сб. статей АН СССР.-М.: Наука, 1966. С.3-16.

19. Колбановская A.C., Михайлов В.В. Дорожные битумы. — М.: Транспорт, 1973.—264с.

20. Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. — М.: Транспорт, 1980. — 191 с.

21. Бернштейн A.B., Барзам В.И. Электрокинетические свойства гранита и прилипание битумов // Автомобильные дороги. 1962. - №10. - С. 15-16.xL

22. Hair M.L. The molecular nature of adsorption on silica surface // Proc. 27 . Any Frequency Contr. Symp., Cherry Hill. 1973. - Washington D.C. - 1973. -P. 73-78.

23. Поваренных A.C. Об использовании электоотрицательности элементов в кристаллохимии и минералогии. // Теоретические и генетические вопросы минералогии и геохимии. Киев: Изд-во АН УССР, 1963. - С. 3-23.

24. Попов И.В. Значение кристаллической структуры минералов глинистых пород для формирования их свойств // Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения. -М. 1956. - Т.1. - С. 224-228.25.