Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 5
1.1 .Физико-химические основы прочности асфальтобетона 5
1.1.1. Теория прочности битум-минеральный порошок 5
1.1.2. Активация минеральных материалов 15
1.2. Проблемы использования многотоннажных отходов промышленности в дорожном строительстве 25
1.2.1. Проблемы использования серы и ее производных в составах асфальтобетонов 25
1.2.2. Отходы промышленности в качестве заменителей минеральных порошков 31
1.3. Цель и задачи исследования 35
2. Характеристика исходных материалов и методы экспериментальных исследований 36
2.1. Исходные материалы 36
2.1.1. Минеральный наполнитель 36
2.1.2. Битумные вяжущие 39
2.1.3. Водные щелочные растворы механически активированной серы 40
2.2. Методы экспериментальных исследований 51
2.2.1. Методы исследования свойств битумных и битумоминеральных композитов 51
2.2.2. Методы механической обработки образцов 56
3. Изучение влияние минерального наполнителя на изменение свойств дорожных битумов 61
3.1. Влияние времени контакта на свойства битума в составе битумоминеральнои смеси 61
3.2.Влияние длительного термостатирования битума при 160С на его дальнейшее изменение при контакте с минеральным наполнителем 73
3.3.Влияние величины поверхности минерального наполнителя на изменение свойств битума в составе БМС 76
3.4.Влияние температуры термостатирования на изменение свойств битума 83
3.5.Изменение свойств битума при длительном выдерживании при комнатной температуре 89
Выводы по главе 3 93
4. Исследование влияния минеральных порошков различного состава на свойства асфальтобетонов 96
4.1. Определение оптимального состава асфальтобетонной смеси на активированном минеральном порошке из пиритных огарков 96
4.2..Влияние минерального порошка и ПАВ на свойства асфальтовяжущего вещества 101
4.3. Проверка устойчивости асфальтобетона к воздействию погодно-климатических факторов и транспортной нагрузки 108
Выводы по главе 4 118
5. Технико-экономическая эффективность использования пиритных огарков из отходов промышленности в качестве минеральных порошков 119
Общие выводы 129
Список литературы 131
- Проблемы использования серы и ее производных в составах асфальтобетонов
- Водные щелочные растворы механически активированной серы
- Влияние времени контакта на свойства битума в составе битумоминеральнои смеси
- Определение оптимального состава асфальтобетонной смеси на активированном минеральном порошке из пиритных огарков
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема повышения качества и долговечности дорожных покрытий является актуальной задачей, остро стоящей перед строительными и эксплуатирующими организациями дорожного комплекса. Как показывает практика, при нормативном сроке службы дорожных покрытий составляющим 10 и более лет первые ремонтные работы приходится производить через 2-3 года. Одной из основных причин существующего положения дел является несбалансированность применяемых асфальтобетонных смесей, как по составу минеральных компонентов, так и по качеству битума.
Применительно к Республике Башкортостан многие его районы вообще лишены собственного производства минерального порошка Минеральный карбонатный порошок производится лишь на ООО «Сода» и на базе Туймазинского ДРСУ, но эти мощности не обеспечивают и трети потребности, и, соответственно, для покрытия потребности в данном продукте дорожные организации используют отсевы мелких фракций (шебура), получаемые при дроблении щебня. Следовательно, получаемый без минерального порошка асфальтобетон не может соответствовать нормативным показателям. Получение же, подобным образом, современных эффективных типов асфальтобетона, таких как щебеночно-мастичный асфальтобетон и литой асфальт в принципе невозможно.
Поэтому важной и актуальной задачей дорожного комплекса является использование в качестве минеральных порошков дисперсных крупнотоннажных отходов химической промышленности, значительные накопления которых имеются в нашей республике. К ним относятся, в первую очередь, твердый остаток содового производства, состоящий на 70-80% из СаСОз, с примесью хлоридов щелочных металлов. Несмотря на огромные запасы (более 20 млн.т), применение данного отхода проблематично, так как до настоящего времени не решена проблема его обезвоживания и сушки. Возможно также использование цементной пыли -отхода систем пылеудаления цементного производства. Хотя данный продукт, как минеральный порошок далеко не лучшего качества (высокая битумоемкость и наличие в нем клинкерных минералов, которые медленно гидратируют в асфальтобетоне и частично разрушают его структуру), но даже его ОАО «Сода» практически не отпускает даже за приемлемую цену (он используется как добавка при помоле цемента). В отличие от них, пиритные или колчеданные огарки - отход производства серной кислоты Мелеузовского ОАО «Минудобрения» - имеет ряд преимуществ: он абсолютно инертен и при высокой дисперсности не слипается даже во влажном состоянии. Несмотря на то, что в прошлом были попытки (в том числе успешные) его использования в качестве минерального порошка, до настоящего времени остается ряд нерешенных проблем - вопросы сцепления
4 с битумом и изменения свойств во времени. Также, не изучался вопрос о применении пиритных огарков в качестве минеральных порошков в современных асфальтобетонных композициях - щебеночно-мастичных асфальтобетонах и литом асфальте. Решение данных проблем потребовало проведения настоящей работы.
Цель работы.
Разработка составов и технологии получения асфальтобетонных композиций на основе минерального порошка из пиритных (колчеданных) огарков.
Задачи исследования.
изучение влияния вещественного состава и строения пиритных огарков на свойства асфальтовяжушего вещества;
разработка способов активации минеральных порошков при пониженных температурах композициями на основе полисульфидов щелочных металлов;
установление характера сравнительного влияния минеральных порошков различных типов на основные механические и технологические свойства асфальтобетонов: битумоемкость, прочность, водонасыщение, набухание и водостойкость;
разработка составов асфальтобетонных смесей и щебеночно-мастичного асфальта с использованием пиритных огарков;
подготовка нормативно-технической документации, регламентирующей технологические, экономические и экологаческие аспекты производства и применения асфальтобетонов с использованием пиритных огарков;
производственная апробация и внедрение результатов проведенных исследований.
Научная новизна работы.
-
Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования и улучшения свойств асфальтобетонных композиций за счет применения в их составах пиритных огарков.
-
Изучено влияние вещественного и количественного содержания пиритных огарков, их дисперсности, на изменение структурного и химического состава, а также свойств битумов в асфальтобетонных композициях.
-
Разработан способ активации минеральных порошков полисульфидами щелочных металлов в условиях пониженных температур.
-
Получены основные принципы рациональной технологии получения асфальтобетонных композиций различных типов с использованием действующего оборудования и дисперсных отходов химической промышленности.
5
Новизна технических решений, представленных в работе,
подтверждена патентом №2006611035 на программный комплекс для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая ценность работы заключается в расширении сырьевой базы производства асфальтобетонов различных типов за счет использования многотоннажного дисперсного отхода химической промышленности -пиритных (колчеданных) огарков и разработке упрощенной технологии его введения в асфальтобетонную смесь с использованием стандартного оборудования асфальтобетонных заводов.
Реализация данного способа получения асфальтобетонных композиций различных типов (стандартные асфальтобетоны марок II, III «Б», «В», «Г», щебеночно-мастичный и литой асфальтобетон) в рамках действующего производства позволят повысить качество и долговечность дорожных покрытий, а также сократить объем отходов, находящихся в отвалах, что в свою очередь поможет решить проблемы охраны окружающей среды.
Разработанный способ активации минеральных порошков композициями на основе полисульфидов щелочных металлов (водорастворимой серы) при пониженных температурах позволит существенно упростить технологию активации минеральных порошков за счет исключения из состава технологической линии узла по подогреву минеральных компонентов и, соответственно, значительно снизить стоимость получаемого порошка.
Разработанная технология производства асфальтобетонов с использованием пиритных огарков позволит существенно снизить расход дорогостоящих компонентов и, в целом, повысить ее технико-экономическую эффективность.
Уфимским государственным нефтяным техническим университетом и ГУП «Башкиравтодор» РБ с участием автора разработана нормативно-техническая и проектно-сметная документация на применение пиритных огарков в составах асфальтобетонов, в которых отражены технологические, экономические и санитарно-гигиенические аспекты их производства и применения. В производственных условиях (Мелеузовское ДРСУ) проведено испытание разработанных составов асфальтобетонов при укладке верхнего слоя дорожного покрытия на участке автомобильной дороги Западный обход города Мелеуза протяжённостью 3,5 км.
Апробация работы.
Основные положения докладывались и обсуждались на научно-техішческих конференциях профессорско-преподавательского состава Уфимского Государственного нефтяного технического университета (г.Уфа, 2004-2009 гг.) и Самарского государственного архитектурно-строительного университета (г.Самара, 2006-2008 гг.) на восьмых академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного
материаловедения» (г.Самара, 2004г.), на десятых академических чтениях РААСН «Достижение, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (г.Казань-Пенза, 2006г.)
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 статей и тезисов докладов (№№9, 10, 12 в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, по списку ВАК Минобрнауки РФ (отрасль - Строительство), разработана нормативно-техническая (технические условия и технологический регламент) и проектно-сметная документация, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, выпущены технические условия.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка из 107 наименований. Работа изложена на 143 страницах, содержит 32 рисунка, 38 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований ГУП «Башкиравтодор», в лице к.т.н. Аминова Ш.Х. и к.т.н. Струговца И.Б., а также сотрудникам производственной лаборатории и дорожно-строительных управлений.
Проблемы использования серы и ее производных в составах асфальтобетонов
Кристаллы серы имеют соломенно-желтый цвет, при наличии примесей приобретают зеленоватые, сероватые и красноватые оттенки. В твердом состоянии обычными являются две кристаллические модификации серы /107/[., Первая, ромбическая единственная форма устойчивая при комнатной температуре. Вторая, моноклинная, устойчива начиная с 95.5С. Сера и ромбическая, и моноклинная содержит циклические молекулы Se, имеющие форму короны. Обе формы относительно хорошо растворяются в сероуглероде, измерения молекулярных весов. в таких растворах показали, что при обычных температурах в них присутствуют кольца S8 и растворы имеют характерный для серы желтый соломенный цвет.
Физические и химические свойства серы зависят от ее молекулярной структуры, которая изменяется во времени по-разному в зависимости от температуры. Явление аллотропии объясняется двумя причинами: различием способов построения атомов в молекуле и различием способов образования из молекул серы надмолекулярной структуры (аморфной или кристаллической).
При построении в молекулы атомы серы образуют замкнутые циклы и неразветвленные цепи, причем число атомов может быть произвольным. Наряду с вышеупомянутой циклооктасерой Ss известно множество циклических молекул серы с числом атомов, равным 6, 7, 10, 12, 18, 20 и т. д., которые при определенных условиях достаточно стабильны /208/. Наименее напряженной и, следовательно, стабильной и распространенной среди них является упомянутая выше циклооктасера S8. Поэтому основной структурной единицей элементной серы в твердом состоянии является молекула Sg, шестнадцать молекул которой образуют орторомбическую элементарную ячейку, стабильную при комнатной температуре.
Наряду с молекулой Ss и существующих при определенных обстоятельствах многочисленных молекулярных образований с числом атомов от 6-ти до/20-ти, при температурах, превышающих температуру плавления, наблюдается также полимерная сера. Жидкая сера в точке плавления представляет собой смесь циклооктасеры и восьмиатомных цепочек /208/. При повышении температуры появляются цепи с большим числом атомов, средняя длина которых составляет миллион атомов. После резкого охлаждения расплава все упомянутые молекулы могут существовать в твердом виде, при этом менее стабильные аллотропы переходят в более стабильное, и процесс этот может протекать в течение многих лет. Все получаемые твердые аллотропы всегда содержат три фракции в различном соотношении: кристаллическую часть, состоящую, в основном, из циклооктасеры, активных аллотропических разновидностей и нерастворимого полимера. Твердая полимерная сера встречается практически во всех формах этого элемента, она имеет очень сложный состав, во многом зависящий от способа получения. Характерно, что, все оценки степени полимеризации серы- были проведены косвенным путем, например, по результатам измерения электронного парамагнитного резонанса и статической магнитной восприимчивости расплавов серы. Прямых методов определения молекулярной массы полимерной серы не существует. ,. - Ромбическая кристаллическая модификация серы Sa при комнатной температуре мало реакционноспособна, однако при повышенных температурах сера непосредственно реагирует с кислородом, галогенами, фосфором, углеродом и т. п., образуя оксиды (сернистый газ S02), различные галогениды (S2CI2, SF4, SF6 и т. д.), пентасульфид фосфора P2Ss, сероуглерод /207-209/. Кроме того, взаимодействуя с водными растворами гидроксидов щелочных металлов, сера дает ионы S2"n при кипячении с водным раствором сульфата натрия получается тиосульфат натрия Na2S203. Теплота плавления элементной серы составляет 1.72 кДж / моль, при этом кольца Ss легко разрываются (расплавленная сера содержит линейные молекулы, образовавшиеся в результате разрыва циклов S8). Цепи молекул серы, подвергаясь нуклеофильной атаке ионов гидроксилсодержащих соединений, рвутся, образуя ионы S8 различной длины. По такому механизму происходит образование так называемого полисульфида аммония (NH Sn, который синтезируется в виде окрашенного в желтый цвет раствора при добавлении серы к водному раствору сульфида аммония (NR S (сера при этом легко переходит в раствор). Аналогично, при добавлении серы к водным растворам сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов, образуются полисульфиды соответствующих металлов MeSn. Образующиеся в щелочном растворе ионы S "з имеют V-образную форму (углы между валентными связями составляет 103), ионы S \ имеют спиральную форму (углы S-S-S 105), ионы S2"6 имеют также спиральную форму (углы S-S-S 109). Эти ионы имеют желто-красную окраску и в результате окисления распадаются на сероводород HbS и ромбическую серу /199/. Специфические свойства серы и ее соединений обуславливают и области ее применения. Многие соединения серы широко используются на протяжении многих лет в качестве известных материалов. Например, сульфат кальция гипс (CaS04 -2Н20) широко применяется в строительстве для изготовления штукатурки. Сульфат бария барит BaSC 4 - для приготовления литопона (смеси сульфатов бария и цинка), используемого в производстве красок. Большинство соединений серы в виде сульфидов, как уже отмечалось ранее, применяется в качестве сырья для добычи ценных металлов. Основная же часть добытой элементной серы использовалась для производства серной кислоты. В настоящее время сера находит широкое применение в промышленности в качестве вулканизирующего агента для превращения каучука в резину, для борьбы с болезнями и вредителями растений, для приготовления спичек, ультрамарина, сероуглерода, в технологии получения целлюлозы и др. Наряду с указанными способами применения серы были попытки использования гидрофобных свойств серы. Для этой цели изделия из бетона пропитывались расплавом серы /210/. В результате пропитки существенно снижалось водопоглощение, повышалась прочность и морозостойкость. Широкому распространению этого метода защиты строительных материалов мешали: сложность проведения процесса пропитки, относительно высокие энергетические затраты. Для перечисленных целей, начиная с 19-го века и до середины 20-го века, велась промышленная разработка месторождений самородной серы /211,212/. Но, начиная с 70-х годов прошлого века, в связи с нарастающей эксплуатацией месторождений серосодержащих нефтей и газа, появился новый источник серы. Количество ее в качестве продукта переработки нефти и газа на предприятиях нефтегазового комплекса стало стремительно возрастать. И в настоящее время количество этого продукта столь велико, что исторически сложившиеся направления применения элементной серы, как сырья для целлюлозно-бумажной промышленности, производства серной кислоты, растворителей и сераорганических соединений, не в полной мере соответствуют рыночной ситуации - значительные количества продукта высокого качества остаются невостребованными. Одним из перспективных направлений элементарной серы является дорожное строительство - чрезвычайно материалоемкая отрасль стройиндустрии. Здесь серу можно применять в качестве модификатора дорожных битумов для придания последним улучшенных эксплуатационных характеристик.
Водные щелочные растворы механически активированной серы
Как уже отмечалось ранее, трудности расширения областей применения элементной серы, в основном, связаны с ограниченной ее растворимостью в наиболее распространенных и доступных растворителях и в водных растворах щелочноземельных металлов. Для преодоления этого препятствия, т. е. для увеличения растворимости серы была использована механическая обработка в дезинтеграторе. Для экспериментов использовалась сера Новоуфимского НПЗ. В результате механической обработки были получены образцы с различной продолжительностью обработки. Четыре механически активированных образца были использованы для анализа рентгеновских и седиментационных характеристик, а также для анализа растворимости серы в водных растворах и в органических растворителях.
В качестве исходного материала использовалась элементная сера ручного помола, с размерами частиц от 0.1 мм до 2.2 мм. Седиментометрический анализ показал, что интенсивное измельчение происходит во время первой обработки -размер частиц перемещается в интервал от 0.1 мкм до 12 мкм. После второй обработки размер частиц перемещается в интервал от 0.1 до 8 мкм, с (максимумом в точке соответствующей 5 мкм). Процесс измельчения завершился после двукратной обработки в дезинтеграторе, и в дальнейшем размеры частиц практически не менялись. Наблюдаемые особенности измельчения серы согласуются с общими тенденциями измельчения материалов в дезинтеграторах /19/, а - . также с результатами, согласно которым интенсивное измельчение порошков происходит на ранних стадиях обработки, частицы порошка измельчаются до определенного размера и в дальнейшем измельчение прекращается.
На рентгенограммах исходных, и механически обработанных # образцов наблюдались рентгеновские: пики, соответствующие только орторомбической фазе элементной серы, но параметры этих пиков, (ширина и положение) менялись в процессе механической обработки. Сравнение параметров элементарной ячейки исходного образца (а=1.0453(15) нм; Ь=1.2812(15) нм; с=2.4599(45) нм) с соответствующими данными из библиотеки рентгеновских данных JGPDS (а= 1.0437 нм; Ь=1.2845 нм; с=2.4369 нм) показывает, что они находятся в хорошем согласии. Как уже отмечалось ранее, основным параметром, характеризующим отклонения кристаллической решетки от идеального порядка, является интегральная ширина линий. На рис. 2Л приведены зависимости интегральных ширины линий (313), (135), (026) от продолжительности обработки. Необходимо отметить, что образец 2 соответствует стадии двукратной обработки, на которой завершается процесс измельчения. Следует отметить, что кратность обработки N (номер образца) и продолжительность обработки связаны соотношением т = 0.0 IN. Из рисунка видно, что, несмотря на завершение этапа измельчения, по мере увеличения продолжительности обработки ширина линий растет вплоть до третьей обработки, для 4-го образца ширина линий незначительно снижается. Таким образом, зависимости на рис. 2.1 указывают, так же как и для кристаллов рассмотренных в главе 6, на изменение уровня структурных нарушений внутри частиц (образцы 3 и 4) и в отсутствии измельчения. Зависимость ширины линий: И - для отражения (313), ж - для отражения (135), - для отражения (026) от кратности механической обработки. В качестве объектов для изучения влияния механической обработки на растворимость серы выбраны четыре широко распространенных и доступных растворителя: толуол, этиловый спирт, эфир и ацетон. Для каждого растворителя была изучена растворимость образцов от продолжительности механической обработки. Установлено, что растворимость в толуоле и спирте механически обработанных образцов серы существенно (4-5 раз) возрастает и сильно зависит от продолжительности механической обработки. В то же время механическая обработки не меняет растворимость серы в эфире и ацетоне. Результаты для всех четырех растворителей приведены на рис.2.2. Зависимости для ширины линий, приведенные на рис. 2.1, коррелируют с данными по растворимости для толуола и спирта на рис. 2.2. Кривые на рис. 2.2 указывают на факт, что одна и та же механическая обработка для различных растворителей может привести к различным результатам /21, 22/. В то же время необходимо отметить, что все растворы серы в органических растворителях имели желтый цвет с зеленым оттенком, который характерен и для элементной орторомбической серы в твердом состоянии и указывает на присутствие серы в растворах в молекулярной форме Sg. Следует указать, что исследованию поведения серы в органических средах посвящено много работ и эта область в настоящее время, представляет обширную самостоятельную область исследований /20,21,26/. Известно /20/, что элементная сера гидрофобна и не растворима в воде в температурном интервале вплоть до 100С. При температурах кипения серы реакция между серой и водой даёт Н2, что было отмечено много лет назад /21/. Для того, чтобы растворить серу в водном растворе, необходимо создать Щелочную среду /19/. Для растворов полисульфидов щелочных и щелочноземельных металлов характерен красный цвет. Согласно /20/ интенсивная окраска расплава серы в коричнево-красный цвет обусловлена присутствием наряду с полимерной серой в расплаве молекул S32" и S42". Проблема получения стабильной; во времена полимерной серы в.настоящее время является весьма актуальной/21/.
Влияние времени контакта на свойства битума в составе битумоминеральнои смеси
В настоящее время элементарные физические процессы, происходящие в твердых веществах в результате интенсивной механической обработки, становятся все более распространенным объектом экспериментальных и теоретических исследований, проводимых специалистами из разных областей: j . физики, химии, механики. Аспекты теоретических исследований в этой области были представлены ранее. В данной главе представлены экспериментальные методы, необходимые для изучения изменений, происшедших в механически обработанных материалах. Для получения механически обработанных образцов использованы дезинтегратор и центробежная мельница. Определение размеров частиц в процессе механической обработки проводилось с помощью седиментационного анализа. Для анализа возможных структурных изменений по ходу механической обработки использован метод дифракции рентгеновских лучей, с помощью которого проведен анализ параметров решетки, уширения линий, величин микродеформаций и размеров блоков. Наряду с вышеприведенными характеристиками важнейшей величиной, определяющей состояние механически обработанных материалов, является энергосодержание показатель характеризующий величину энергии, аккумулированной в процессе механической обработки. Для измерения этой характеристики механически обработанных твердых веществ в работе использован метод дифференциального термического анализа. Для достижения высокой степени дисперсности вещества применяется оборудование, в котором измельчение материала происходит до образования большой поверхности. Для этой цели хорошо зарекомендовали себя мельницы, дающие тонкий помол, шаровая, вибрационная, струйная, планетарная, дезинтегратор /1,2/. Как уже отмечалось ранее, механические напряжения в шаровых, вибрационных и планетарных мельницах создаются по механизму 2.2.1, а в дезинтеграторе, в центробежной и струйной мельницах по типу 2.2.П. Каждая из вышеперечисленных мельниц обладает своими параметрами, возможностями и характером механического воздействия и, соответственно, используется для обработки различных материалов. Наиболее распространенным устройством, в котором соударения происходят в режиме свободного удара, является дезинтегратор, в большинстве случаев он используется в качестве скоростного измельчителя. Дезинтегратор /19/ состоит из двух вращающихся во взаимно противоположные стороны дисков с пальцами (билами), которые расположены на каждом диске по кругу в несколько рядов перпендикулярно плоскости вращения, образуя корзины (см. рис. 2.6.). Пальцы одной корзины располагаются между двумя рядами пальцев другой, пальцы могут иметь различную форму:, круглую, прямоугольную, либо другой сложной формы. Диски корзин надеты на валы, расположенные на одной геометрической оси, каждый с самостоятельным приводом в виде электродвигателя.
Размалываемый материал поступает в центр дезинтегратора через специальное отверстие. Зерно порошка, коснувшись пальцев первого от центра ряда пальцев, получает соответствующую этому ряду скорость и центробежной силой выбрасывается с траектории этого ряда пальцев. Частица, имея одно направление с вектором скорости того пальца, с которого она ушла, пересекает траекторию второго ряда пальцев, движущегося в противоположном направлении. Получая удар о палец второго ряда, она отскакивает от него, меняя вектор скорости, и выбрасывается с траектории второго ряда пальцев Дальше, пересекая траекторию третьего ряда. Такое переменно-противоположное движение частиц порошка и их размельчение продолжается до тех пор, пока частицы не покинут дезинтегратор. В современных конструкциях дезинтеграторов достигаются высокие относительные скорости (порядка 200-450 м/с) движения пальцев из соседних рядов в результате в дезинтеграторе реализуются высокие интенсивности механической обработки.
В сконструированном Хинтом /19/ дезинтеграторе пальцы расположены таким образом, что частицы не могут проскочить (теоретически) через траекторию следующего ряда, не ударившись о какой-нибудь палец этого ряда. Им впервые обнаружено, что при высоких скоростях вращения роторов можно добиться измельчения вещества до микронных размеров. Вращающиеся в противоположных направлениях корзины образуют интенсивные воздушные потоки и вихри, способствующие гомогенизации смесей, если через дезинтегратор пропускаются одновременно все компоненты смеси. Детальные расчеты параметров дезинтегратора (скоростей соударений частиц, величин локальных давлений, возникающих в приконтактной области соударяющихся частиц, скоростей вращения роторов, оптимального расположения пальцев и др.) проведены в работе /109,110/.
Обработка материалов проводилась на установке дезинтеграторной лабораторной D - 109ВМ и в центробежной мельнице Alpine Z-160.
Особенностью обработки материалов в дезинтеграторе является то, что очень быстро в. результате однократной обработки достигаются размеры частиц порядка микрона, но дальнейшее измельчение практически-прекращается Следует отметить,. что в экспериментах по обработке в дезинтеграторах с радиусом ротора Я интенсивность обработки можно регулировать, варьируя интенсивность обработки (скорость соударения), путем изменения скорости вращения роторов п рот:
В центробежной мельнице вращается только один ротор и (2.1.) записывается в виде Усоудар 2 Кпрог При проведении процесса механической обработки исходили из следующего. Так как скорость вращения в центробежной мельнице Alpin Z-160 фиксирована и равна 18000 об/мин, то при радиусе внешнего ряда зубьев R.=0,08 м максимальная скорость соударений реализуемая на этой мельнице будет равна 300 м/с. Для удобства сопоставления результатов механическая обработка веществ с различным типом химической связи (NaCl, КС1, ВаОг, СаОг, Si) была проведена в одном и том же режиме при Усоудар 300 м/с, а для Si было выбрано Усоудар-370 м/с. Так как для всех перечисленных веществ кроме Si, VKpHT 300 м/с для всех них согласно данным главы 4 обработка в дезинтеграторе должна быть эффективной.
Определение оптимального состава асфальтобетонной смеси на активированном минеральном порошке из пиритных огарков
Как можно заметить, имеется довольно высокая сходимость расчетных и экспериментальных значений параметров оптимизации. Недостатком полученного асфальтобетона оптимального состава является низкая его прочность при температуре +50 С (0,84 МПа). Однако, основываясь на законе прочности оптимальных структур /68/ , можно добиться повышения прочности асфальтобетона путем оптимизации вязкости применяемого битума. Это положение нашло свое подтверждение в экспериментальных исследованиях (70, 71) и может быть использовано в нашем случае. В связи с этим было изучено влияние вязкости битума на прочность асфальтобетонных образцов при температуре +50С. Из приведенных результатов следует, что асфальтобетон оптимального состава удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128 по пределу прочности при сжатии при температуре +50с в том случае, если глубина проникания иглы применяемого битума ниже 6,1 мм, т.е. прочность образцов выше 1,0 МПа. В дальнейших исследованиях для приготовления образцов асфальтобетона применялся битум с пенетрацией 6,0 мм. После подбора требуемой вязкости битума были экспериментально определены откорректированные значения параметров оптимизации: полидисперсный материал, является важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона. На его долю приходится 90-95% суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетонной смеси, хотя по массе это составляет не более 10%. Основное назначение минерального порошка, как наполнителя битума, по современным представлениям, состоит в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние. В таком состоянии повышается вязкость и прочность. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая и выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне. Другое назначение минерального порошка - заполнение мелких пор между более крупными частицами. Особая роль минерального порошка в асфальтобетоне обусловила большое количество исследований, посвященных этому компоненту. Длительное время многие исследователи полагали, что назначение минерального порошка в асфальтобетоне сводится лишь к заполнению межзерновых пустот, т.е. к обеспечению подлежащей плотности. П.В. Сахаров /12/ впервые определил назначение минерального порошка как структурной составляющей, образующей совместно с битумом "асфальтовяжущее вещество", сцепляющее минеральные зерна. По мере развития исследований в области асфальтобетона все больше выявляется роль минерального порошка как микронаполнителя, оказывающего структурирующее влияние на битум /97, 98/. Подчеркивается большое значение дисперсности минерального порошка и влияние на свойства асфальтобетона физико-химического взаимодействия минеральных зерен с битумом. i., , Дальнейшие работы развиваются в направлении исследования физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии минеральных порошков с органическими вяжущими материалами и структурообразующей роли минерального порошка в асфальтобетоне. Установлено, что при определенном соотношении битум - минеральный порошок, достигается наивысшая прочность структурированной дисперсной системы, образуемой этими материалами. При определенной концентрации минеральное порошка резко уменьшается толщина битумных слоев на поверхности минеральных частиц, что приводит к высокой степени структурирования битума, а следовательно, и к упрочнению контактов между зернами. Таким образом, присутствие необходимого количества минерального порошка способствует повышению плотности и прочности асфальтобетона. Согласно ГОСТ Р 52129 /99/ минеральный порошок для асфальтобетонных смесей получают размолом известняков, доломитов (прочностью не менее 102 МПа), битуминозных известняков и других карбонатных пород. Тонкость помола порошков должна быть такой, чтобы при мокром рассеве сквозь сито с отверстиями 1,25 мм проходило 100%, 0,315 мм - не менее 90% и 0,071 мм - не менее 70% порошка. При этом пустотность при их уплотнении в специальной форме нагрузкой 40 МПа должна быть не более 35%. Карбонатные горные породы, используемые для производства минеральных порошков, не должны содержать глинистых примесей более 5%. В раде случаев в качестве минеральных порошков применяют, местные материалы и порошкообразные отходы промышленности: цементную пыль, металлургические шлаки, отходы асбестоцементного производства, фильтр прессные отходы сахарных заводов и др. Качество этих порошков различное, поэтому в каждом случае необходимо проверять свойства порошков и приготовленных смесей. Важно установить расход битума, технологические свойства смеси и влияние порошка на долговечность асфальтобетона. Приготовление асфальтовяжущего вещества осуществлялась следующим образом. Смесительная камера лабораторного смесителя- (объемом 2,5 л, одновального, лопастного) прогревалась при помощи системы обогрева смесителя до температуры 80-100С. Нагретый до 130-140С минеральный порошок засыпался в смесительную камеру. Испытания асфальтовяжущего вещества проводились по ГОСТ Р 52129, ГОСТ 12801, а также по методике определения оптимального количества битума и битумоемкости минеральных материалов, предложенной И.В. Королевым /100/. Результаты испытаний асфальтовяжущего вещества на активированном минеральном порошке из пиритных огарков приведены на рис. 4.1., 4.2. и в табл. 4.14. При 12%о битума в асфальтовяжущем веществе достигается максимальная прочность при 20С. в водонасыщенном состоянии, при 50С, а также максимальная средняя плотность, т.е. это оптимальное количество битума в асфальтовяжущем веществе (рис. 4.1.).
