Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
Analysis of the current situation in the field of road construction showed that when building roads, in particular when preparing asphalt mixtures, it is necessary to use a large amount of high-quality mineral powder. The solution of this problem can lie in the plane of expanding the raw material resources through the use of carbonaceous waste (conversion carbonate chalk). Conversion of calcium carbonate is a by-product formed during the release of nitrogen fertilizers and can become a substitute for the traditionally used limestone mineral powder. It was noted that the investigated waste in terms of chemical and granulometric composition is similar to the traditional mineral powder. However, the surface of the grain of the conversion chalk sample has a much more complex surface relief, with a large number of depressions and depressions, which provides the grain with a larger specific surface compared to the same grain of the traditional material. This feature can lead to a higher structuring ability of such a mineral powder in relation to an organic astringent and phenomena of selective adsorption of bitumen components on its surface. Preliminary studies of the feedstock showed that for a combination of properties, conversion chalk can be used as a raw material of a suitable mineral powder for asphalt concrete.
mineral powder, conversion chalk, technogenic raw materials, asphaltic concrete
Введение. Производство асфальтобетонных смесей на местных сырьевых материалах с высокими эксплуатационными показателями является одной из важных проблем, решение которой позволит уменьшить себестоимость асфальтобетонных покрытий без ухудшения физико-механических показателей и долговечности покрытий.
Разработка асфальтобетона с использованием не традиционных компонентов представляет собой, по существу, процесс решения задачи формирования в материале системы контактов и силовых связей его структурных элементов, пространственного размещения этих контактов и связей в объеме композита по критериям наиболее эффективной, оптимальной их сопротивляемости эксплуатационным воздействиям [1]. Асфальтобетон является сложной многокомпонентной системой, в которой все составляющие выполняют определенную роль. Одной из составляющих асфальтобетона является тонкодисперсный порошок [2].
Методология. Химический состав горных пород, из которых получали наполнители, определен рентгенофлуоресцентным анализом, минеральный состав – рентгенофазовым анализом. Анализ образцов карбонатного сырья для производства минеральных порошков выполнен на спектрометре серии ARL 9900 WorkStation со встроенной системой дифракции («Thermo Fisher Scientific»).
Гранулометрический состав материала оценивали по распределению частиц по размерам. Определяли методом лазерной дифракции с помощью лазерного анализатора размеров частиц FRITSCH Analysette 22 NanoTec plus.
Микроструктурные особенности материалов изучались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU.
Основная часть. Минеральный порошок, обладая наибольшей удельной поверхностью среди минеральных материалов в составе асфальтобетонов, является одним из ключевых компонентов асфальтобетонной смеси, который, вступая во взаимодействие с битумом, переводит его в пленочное состояние. Таким образом, от химических и физических характеристик поверхности минерального порошка напрямую зависят такие важные характеристики асфальтобетона как теплостойкость, трещиностойкость, усталостная долговечность [3–4].
Традиционные минеральные порошки изготавливаются помолом известняка – сырья, не имеющего достаточного распространения во многих регионах России [5–8]. Поэтому, в целях расширения сырьевой базы, перевода производства на локальное сырье и решение вопросов утилизации отходов промышленности производится исследование нетрадиционных видов сырья для приготовления минеральных порошков, в частности, мел конверсионный (карбонат кальция).
Чтобы найти возможность применения подобных порошков в органоминеральных смесях без ухудшения их свойств, необходимо разобраться во взаимодействиях между минеральным порошком и органическим вяжущим [9]. В основном они происходят на поверхности раздела, фаз поэтому изучение свойств поверхностных слоев необходимо для понимания структуры и механизма образования смеси минерального порошка с органическим вяжущим [3].
Известно, что ориентация углеводородных цепей органического вяжущего может быть различной: часть цепи, содержащая активные функциональные группы, может быть ориентирована в сторону поверхности минерального порошка (типа кальцита) и от его поверхности (типа кварца) [9–10].
Порошки первого типа, имеющие положительный заряд поверхности, предложили называть активными по отношению к органическому вяжущему, второго типа – с отрицательным зарядом поверхности – инактивными. При этом активные функциональные группы органического вяжущего при взаимодействии с активными порошками расходуют химическую энергию на образование соединений, прочно удерживающих органические молекулы на поверхности порошка, и утрачивают свою первоначальную реакционную способность, т.е. минеральный порошок "блокирует" активные группы вяжущего. Компоненты вяжущего типа масел могут либо отчасти фильтроваться внутрь минеральных частиц (пористые порошки), либо адсорбироваться полностью на их поверхности (плотные порошки) [3].
Конверсионный мел является побочным продуктом, образующимся при выпуске азотсодержащих удобрений. Для предприятий, осуществляющих выпуск такой продукции серьезной проблемой является складирование и хранение конверсионного мела. Его объемы достаточно велики, а потребление другими предприятиями мало, что приводит к необходимости хранения данного материала в том числе на землях сельскохозяйственных угодьях.
С другой стороны, 1 км асфальтобетонного покрытия на магистральной многополосной автомобильной дороге шириной 21м, толщина слоя покрытия 18 см - потребует до 700т минерального порошка. С учетом темпов строительства в одной только Белгородской области сезонная потребность в минеральном порошке составляет до 35000 т.
Таким образом, анализ возможности применения конверсионного мела и разработка технологии производства минерального порошка на его основе позволит решить сразу две важные задачи: утилизация побочного продукта производства и локализация производства компонентов асфальтобетона в пределах одного региона с минимизацией транспортно-логистических расходов. Что в свою очередь позволит снизить себестоимость производства асфальтобетона без потерь качества материала.
Химический состав горных пород, из которых получали наполнители, определен рентгенофлуоресцентным анализом, минеральный
состав – рентгенофазовым анализом (табл. 1). Анализ образцов карбонатного сырья для производства минеральных порошков выполнен на спектрометре серии ARL 9900 WorkStation со встроенной системой дифракции («Thermo Fisher Scientific»).
Таблица 1
Химический состав конверсионного карбоната кальция
|
Материал |
Содержание оксидов, вес.% |
||||||||
|
CaO |
MgO |
CO2 |
SrO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
P2O5 |
Другие |
|
|
Карбонат кальция для сельского хозяйства Сорт1 |
54,60 |
– |
42,81 |
1,70 |
0,25 |
0,03 |
0,07 |
0,36 |
0,18 |
|
Мел конверсионный Марка А |
54,57 |
– |
42,79 |
1,73 |
0,25 |
0,03 |
0,07 |
0,36 |
0,20 |
|
Известняк |
48,98 |
1,31 |
39,85 |
0,03 |
6,84 |
1,32 |
0,67 |
– |
1,00 |
|
Примечание: CO2 рассчитан только для оксидов кальция и магния. |
|||||||||
По данным РФА, приведенным в таблице 1, конверсионный мел состоит из минерала кальцита CaCO3. Присутствие в химическом составе оксида стронция (SrO) может объяснить изоморфным замещением атома кальция на атом стронция в структуре кальцита, поскольку эти два элемента находятся в одной группе Периодической системы, но для стронция характерен немного больший атомный радиус. Необходимо отметить общность химического состава различных сырьевых компонентов: известнякового минерального порошка, карбоната кальция для сельского хозяйства и конверсионного мела. Так же как и в известняке основным компонентом является карбонат кальция - химическое соединение, характеризующееся эффективным взаимодействием с компонентами нефтяного битума.
Известно, что пленки из органического вяжущего более интенсивно притягиваются к поверхности минеральных частиц с большим количеством положительных электрических центров. При этом, чем сильнее выражены положительные заряды поверхности минерала, тем выше адгезия к ним органических вяжущих. К тому же адгезионные силы увеличиваются по сравнению с когезионными с увеличением смачивания поверхности минеральных частиц органической жидкостью. При объединении минерального порошка с органическим вяжущим на поверхности раздела протекают процессы физической адсорбции и хемсорбционные. Последние обусловливают высокие показатели вязкости и прочности смеси. Наиболее характерным порошком с большим количеством положительных адсорбционных центров и высокой структурирующей ролью является известняковый. При насыщении смеси этого порошка с органическим вяжущим водой некоторая часть пленок вяжущего смещается с тех участков порошка, где имелось лишь избирательное смачивание и протекали процессы физической адсорбции. Однако в этой системе таких участков немного и, в основном, они проявляются на более крупных частицах, особенно при малоактивном вяжущем, имеющем незначительное количество соединений, в состав которых входит группа -С00Н- [9, 11–12].
Гранулометрический состав материала оценивали по распределению частиц по размерам (рис. 1). Определяли методом лазерной дифракции с помощью лазерного анализатора размеров частиц FRITSCH Analysette 22 NanoTec plus.
Рис. 1. Кривые распределения частиц конверсионного карбоната кальция и минерального
порошка из известняка
Как видно из рис. 1, конверсионный карбонат кальция крупноват для минерального порошка, преобладающий размер частиц (пик распределения частиц по размерам) в районе 70–80 мкм. При этом существенных явлений растворения вещества в воде и распада агрегатов под действием ультразвука не обнаружено.
Таким образом, в отличии от минерального порошка, конверсионный мел по гранулометрическому составу является менее однородным и содержащим более крупные частицы. Данная особенность не позволит использовать материал без предварительного размола. С другой стороны дополнительный размол не только улучшит гранулометрический состав и удельную поверхность, но и позволит провести механическую, а, при необходимости, механо-химическую, активацию.
По результатам СЭМ видна необычная структура зерна порошка конверсионного мела, нехарактерная для кальцита (рис. 2). Микроструктурные особенности материалов изучались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU.
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 2. Микрофотографии карбонатного минерального порошка (а) и конверсионного мела (б)
Приведенные микрофотографии показывают значительные различия между традиционным карбонатным порошком (рис. 2 а) и конверсионным мелом (рис 2 б). Поверхность зерна образца конверсионного мела имеет значительно более сложный микрорельеф, с большим количеством углублений и впадин, что обеспечивает зерну большую удельную поверхность по сравнению с таким же зерном традиционного материала. Данная особенность может привести к более высокой структурирующей способности такого минерального порошка по отношению к органическому вяжущему и явлениям избирательной адсорбции компонентов битума на его поверхности.
Предварительные исследования исходного сырья показали, что по совокупности свойств конверсионный мел может быть использован в качестве пригодного сырьевого материала для производства минерального порошка для асфальтобетона. По химическому составу материал близок к традиционными известняковым минеральным порошкам, а гранулометрический состав и свойства поверхности могут быть исправлены путем дополнительного измельчения. Применение современных технологий измельчения позволит не только достичь нужных показателей крупности и однородности, но и произвести механическую или механохимическую активацию для достижения необходимых свойств поверхности [13–15].
Выводы. В ходе выполнения работы были проведены предварительные исследования нетрадиционных видов сырья для приготовления минеральных порошков, в частности, мела конверсионного.
Конверсионный карбоната кальция является побочным продуктом, образующимся при выпуске азотсодержащих удобрений и может стать заменой традиционно используемому известняковому минеральному порошку. Было отмечено, что исследуемый отход по химическому и гранулометрическому составу близок к традиционному минеральному порошку. Однако, поверхность зерна образца конверсионного мела имеет значительно более сложный микрорельеф, с большим количеством углублений и впадин, что обеспечивает зерну большую удельную поверхность по сравнению с таким же зерном традиционного материала. Данная особенность может привести к более высокой структурирующей способности такого минерального порошка по отношению к органическому вяжущему и явлениям избирательной адсорбции компонентов битума на его поверхности.
1. Chernyshov E.M. Some results of the development of scientific research in the field of structural structural materials science and high technologies (on the occasion of the 70th anniversary of the opening of the specialty of the engineer-constructor-technologist at the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering). Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering . Series: Physicochemical problems and high technologies of building materials science. Voronezh, 2014, no. 2, pp. 3-17.
2. Burtan S. T., Mustafin S. Principles of quality control of asphalt concrete on the basis of optimization of composition and combination of components of bituminous mineral mixtures. Automobile roads, 2013, no. 7, pp. 980.
3. Likomaskina M.A. Investigation of the in-fluence of mineral powders of various chemical and mineralogical composition on the properties of asphalt-concrete mixture. Regional architecture and construction, 2017, no. 2, pp. 53-63.
4. Afinogenov O. P., Vaidurov S.S. Application in asphalt mixtures of mineral powder from perlite of the Khasyn deposit. Young scientist, 2014, no. 2, pp. 104-107.
5. Khitrov K. A. Investigation of the possibility of using dust asphyxiation of asphalt mixing plants in place of traditional powders for the construction of logging roads: Abstract. dis. Cand. tech. sciences. St. Petersburg, 2010, 18 p.
6. Cherikov S.T., Erbaeva R.S., Batkibekova M.B. Use of calcareous waste of sugar production as a mineral powder in the manufacture of asphalt-concrete mixtures. Izvestiya Kyrgyz State Technical University name I. Razzakova, 2012, vol. 26, pp. 226-230.
7. Sergutkina O.R. A complex of studies for the scientifically-based use of technogenic products in the production of building composites. Scientific Herald of the Voronezh State Agricultural Academy. Ser.: Physical and chemical problems and high technologies of building materials science, 2013, no. 6, pp. 105.
8. Chernyshov E.M., Potamoshneva N.D. Problems of development of scientific foundations and applied solutions in the tasks of building and technological utilization of man-made waste. Building materials, equipment, technologies of the XXI century, 2014, no. 6, pp. 21-26.
9. Kiselev V.P. Organic component of asphalt-concrete mixtures. Bulletin of Tomsk State Architectural and Construction University, 2012, no. 3, pp. 207-218.
10. Podolsky V.P., Erokhin A.V. Corrosion stability of asphalt concrete using mineral powder from carbon-containing materials. Scientific herald of the Voronezh State Architectural and Construction University. Construction and architecture, 2008, no 1, pp. 149-152.
11. Kuznetsov D.A., Vysotskaya M.A., Ba-rabash D.E. Influence of adhesion additives on the intensity of degradation processes of road bitumen. Building Materials, 2012, no. 10, pp. 24-27.
12. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Trautvain A.I., Tobolenko S. S. Influence of the Type of the Fiber Component of the Stabilizing Additive for Stone Mastic Asphalt Concrete on the Structure of an Organic Binder. Applied Mechanics and Materials, 2016, vol. 835, pp. 494-500. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.835.494.
13. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Trautvain A.I., Khoroshikh A.S. Increasing the Reactivity of the Mineral Powders by Modifying. Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 749, pp. 348-352 DOIhttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.749.348.
14. Trautvain A., Yadykina V., Gridchin A., Pashkova Ch. Evaluating the effectiveness of preparing activated mineral powders from technogenic raw materials for asphalt mixtures. Procedia Engineering. 2015, vol. 117, pp. 355-361.
15. Yadikina V.V., Gridchin A.M., Trautvain A.I. The method of obtaining a mineral powder for an asphalt-concrete mixture, no. 2450991, 2012.
