Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

О ВЛИЯНИИ ДОБАВОК ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ТРЕБУЕМЫЙ РАСХОД ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ БЕТОНОВ

Салихов М.Г. 1 Иливанов В.Ю. 1 Малянова Л.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
В работе рассмотрены и анализируются методы экспериментального и аналитических методов расчета расхода вяжущего для приготовления классических щебеночных и щебеночно-мастичных асфальтобетонов с использованием отсевов дробления известняков для верхнего слоя покрытий автомобильных дорог. Рассмотрено влияние на процессы структурообразования добавок небольшого количества кубовых отходов местной химической промышленности, которые выступают в качестве поверхностно-активных веществ в нефтяных битумах и рассмотренных органических бетонах. На основе анализа известных теоретических представлений и изучения микроструктур образцов различного состава показана возможность сокращения в потребности битума для приготовления классических щебеночных и щебеночно-мастичных асфальтобетонов с отсевами дробления известняков и дана сравнительная оценка аналитическим методам расчета расхода битума для их приготовления.
отходы промышленности
поверхностно-активные вещества
щебеночно-мастичные асфальтобетоны
методы расчета
расход вяжущего
экономия битума
1. ГОСТ 31015-2003. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия. – М.: Госстрой России, ГУП ЦПП. – 23 с. (введен в действие с 01.05.2003 г. Постановлением Госстроя России от 5.04.2003, № 33).
2. ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2010. – 18 с. (введен в действие Пр. ФДА от 22.04.2010 г., № 62-ст.).
3. Вайнштейн, Е.В. Технология строительства лесовозных дорог из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с отсевами дробления известняков: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. – 16 с.
4. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев; под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.
5. Королев, И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве. – М.: Транспорт, 1986.– 149 с.
6. Салихов, М.Г., Вайнштейн, Е.В., Вайнштейн В.М. Способ получения щебеночно-мастичной асфальтобетонной меси с добавками отсевов дробления известняков М 400: патент РФ № 2426704, кл. B 26/26. Приоритет от 04.02.2009 г. (по заявке № 2009103715). Дата публ. 10.08.2010 г. Бюл. № 22.
7. Салихов М.Г., Иливанов В.Ю. Исследование длительного прогрева исходной смеси на прочностные показатели модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона / Сб. статей: Исследования. Технологии. Инновации // Ежегодная НТК ППС, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ (19.03-23.03.2012 г.). – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. – С. 154–155.
8. Салихов М.Г., Малянова Л.И. Изучение долговечности модифицированных мелкозернистых асфальтобетонов в условиях воздействия агрессивных сред / Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: материалы VII Всеросс. научн.-практ. конф. (с международным участием). – Омск: СИБАДИ, 2012. – Кн. 1. – С. 438–442.
9. Салихов М.Г., Малянова Л.И. Изучение влияния модифицированной добавки на некоторые свойства асфльтобетона с ОДИ для покрытий лесовозных дорог // Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Природопользование и экология». – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. – № 1 (17). – С. 64–71.
10. Салихов М.Г. Разработка научно-практических основ объемной пропитки малопрочных каменных материалов жидкими вяжущими для дорожного строительства: дис. … д-ра техн. наук. – М.: МАДИ (ГТУ), 1999. – Т. 1. – 329 с.; Т. 2. – 198 с.

В последние годы с целью снижения себестоимости одного из прогрессивных материалов для верхнего слоя покрытий автодорог – щебеночно-мастичных асфальтобетонов [2] и широко применяемых классических горячих щебеночных асфальтобетонов [2], в их составах взамен песка, минерального порошка и стабилизирующей добавки предложено использовать отсевы дробления малопрочных известняков [6, 9]. Однако при этом возрастает требуемое для их приготовления количество битума. Это, прежде всего, объясняется возрастанием в структуре асфальтового вяжущего доли более битумоемких карбонатных составляющих.

Работоспособность и повышенная битумоемкость предложенных составов теоретически обоснованы, подтверждены и реализованы экспериментально как в лаборатории, так и в полевых условиях [3].

С другой стороны, известно, что введение в асфальтобетонные смеси небольшого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ) может привести к снижению расхода вяжущего и к другим положительным эффектам [4, 5].

Целью данной работы является поиск эффективного метода экономии битума при приготовлении горячих асфальтобетонных и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей пониженной себестоимостью и расходом вяжущего, поиск отходов местного химического производства, пригодных к использованию в качестве поверхностно-активных веществ и разработка и оценка аналитических методов назначения расхода вяжущего при проектировании составов органических бетонов.

Как было сказано выше, что при введении в асфальтобетонные смеси небольшого количества катионо- или анионоактивных ПАВ достигается положительный эффект не только в экономии требуемого для приготовления смесей битума, но и проявляется улучшение некоторых свойств асфальтобетонов с их использованием. В данной работе в качестве ПАВ опробовано 2 вида отходов химического производства ОАО «Химпром» в г. Чебоксары – кубовые остатки производства анилина и Новантокса 8 ПФДА. В ходе лабораторных опытов исследовано влияние этих добавок в расплавленный нефтяной вязкий битум в количестве от 0,5 до 3,5 % по массе. Установлено, что при количестве 0,5…1,2 % они вполне могут выступать в качестве ПАВ.

Для экспериментов подобраны следующие составы:

а) щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) вида ЩМА-20 с отсевами дробления известняков (ОДИ), в % по массе: щебень М 1400 фр. 5…20 мм – 70,0…73,5; отсевы дробления известняков М 400 фр. 0…5 мм – 26,5…30,0; битум вязкий БНД 90/130 – 5,6…7,5 (сверх 100 %); кубовые остатки производства Новантокса 8 ПФДА в количестве 0,5…1,2 % (от массы битума);

б) горячий асфальтобетон (АБ) с ОДИ, в % по массе: щебень М 1400 фр. 5…20 мм – 46,0…48,0; отсевы дробления прочных пород (ОДЩ) фр. 0…5 мм – 38…50; ОДИ – 3…15: битума вязкого БНД 90/130 – 4,5…6,0 (сверх 100 %); добавки кубовых остатков производства анилина – 0,5…1,00 (от массы битума).

В результате проведения экспериментов установлено, что при добавлении в битум 0,6 % кубовых остатков производства Новантокса 8 ПФДА для приготовления ЩМА с ОДИ требуемый расход вяжущего составляет 5,8 % (сверх 100 % от массы минеральной части) и при приготовлении АБ типа Б с ОДИ при добавлении в битум кубовых остатков производства анилина в количестве 0,6 % (от массы битума), он составляет 4,8 % (сверх 100 % от массы минеральной части). В первом случае экономия битума по сравнению с ЩМА с ОДИ без ПАВ составила 22,6 %[6], во втором случае, по сравнению с классическим АБ без ПАВ – 3,5…29,5 % [2]. Эти данные, во-первых, подтверждают, что вышеуказанные отходы химического производства вполне могут выступить в качестве поверхностно-активных добавок в асфальтовые бетоны; во-вторых, позволяют сэкономить требуемое для приготовления смесей количество вяжущего – вязкого нефтяного битума при сохранении большинства и улучшении некоторых их свойств [7, 8, 9].

О возможности снижения расхода вяжущего при приготовлении асфальтобетонных смесей и регулирования физико-механических свойств и структуры битумов и смесей на их основе путем введения небольшого количества ПАВ указывали многие исследователи: например, Гезенцвей Л.Б., Гезенцвей А.Л., Кучма М.И., Михайлов В.В., Руденская И.М., Королев И.В. и другие [4, 5]. Влияние ПАВ в органических бетонах согласуется с известными представлениями об их влиянии на процесс смачивания и взаимодействия органических вяжущих с поверхностями минеральных материалов, на изменение (снижение) потенциала их поверхностной энергии (поверхностной активности) и структурообразование в органических смесях. В результате этого, вокруг минеральных зерен, особенно карбонатных пород, образуются пленки вяжущего меньшей толщины или в меньшей степени подверженные расслоению. При этом наблюдается также резкое уменьшение явления проникания вяжущего (пропитки) во внутреннюю структуру зерен минералов, уменьшения неоднородностей и сгустков вяжущего в асфальтовом вяжущем. Следствием этого является общее уменьшение в потребности битума для приготовления битумоминеральных и асфальтобетонных (щебеночно-мастичных) смесей. Данные утверждения авторами подтверждены путем изучения микроструктуры образцов органических бетонов при помощи сканирующего зондового микроскопа «NtegraPrima», установленного в Центре коллективного пользования ПГТУ.

Для упрощения задачи минеральные зерна в уплотненных смесях представлены ввиде шаров, соприкасающихся друг с другом в трех точках, т.е. как прерывисто подобранный грансостав с коэффициентом сбега 0,43…0,50. При этом межзерновые пустоты заполняются зернами меньшего класса по размерам. Для анализа взяты варианты:

а) ЩМА с ОДИ без добавок ПАВ;

б) ЩМА с ОДИ с добавками ПАВ;

в) АБ типа Б с ОДИ без ПАВ;

г) АБ типа Б с ОДИ и с добавками ПАВ.

Количество битума, необходимое для заполнения межзернового пространства или битумоемкость по Гезенцвею Л.Б. [5], тогда будет

Eqn73.wmf (1)

где Π – межзерновая пустотность в органических бетонах (рис. 1); no– остаточная смесей в уплотненном состоянии: для ЩМА по [1] no = 1,5…4,5 %, для АБ типа Б по [2] nо = 2,5…5,0 %; δо – средняя плотность уплотненной смеси, г/см3.

pic_13.tif

Рис. 1. Схемы микроструктуры смесей с ОДИ: а – без ПАВ; б – при присутствии ПАВ:1 – минеральное зерно; 2 – пропитанная в минеральные зерна на глубину hпр часть битума; 3 – прочносвязанная часть пленки битума; 4 – рыхлосвязанная часть пленки битума толщиной hр.св.; 5 – неориентированная часть пленки битума; 6 – остаточная пора; 7 – слой ПАВ; 8 – не расслоившаяся (неориентированная) часть пленки битума толщиной hпл.1

Рассчитанные по данной формуле значения битумоемкости для различных пород приведены в табл. 1.20 ист. [3].

В ЩМА (АБ) классических составов карбонатные составляющие представлены чаще всего минеральным порошком, у ЩМА (АБ) с ОДИ – отсевами дробления известняков. Последние в процессе взаимодействия между собой впитывают (пропитывают) часть битума в свою структуру, поэтому формулу (1) нужно записать так:

Eqn74.wmf (2)

где Qпр.– доля пропитанной в зерна минеральных составляющих части битума: по формуле (3.27) ист. [10]:

Eqn75.wmf (3)

где hпр – глубина пропитки битума в пористые карбонатные зерна; dк.ч – поперечный размер карбонатной части смеси.

С учетом разнофракционности минеральной части смесей можно записать:

Eqn76.wmf (4)

где i = 1...n –количество классов фракций минеральной части смесей; Бi – их значения приведены в табл. 1.20 ист. [5]; mi – масса отдельных классов минеральной части смесей.

Если известен фракционный состав минеральной части асфальтобетонов, то необходимый расход битума, в % от массы минеральной части, можно записать так:

Eqn77.wmf (5)

где hпл – средняя толщина пленки битума; ρб – плотность битума; mм.ч – масса минеральной частицыЩМА (АБ); mк.ч – масса карбонатной части минеральных составляющих; Si – площадь внешней поверхностей минеральной части.

Как показывают результаты экспериментов [5], вышеописанная модель для разнофракционной минеральной части не корректна из-за неодинакового распределения битумов в смесях во всем объеме.

При введении в ЩМА (АБ) с ОДИ поверхностно-активных веществ можно принять два допущения:

1. Обеспечивается равномерное обволакивание битумом всей внешней поверхности зерен минеральных составляющих смесей;

2. Из-за накопления на границах разделов фаз «карбонатный камень-вяжущее» монослоя ПАВ пропитки во внутреннюю структуру зерен битума не происходит (см. рис. 1, б и рис. 2 и 3).

Как видно из рис. 2, в случае объединения микрочастицы с расплавленным битумом произошло проникновение последнего на определенную глубину этой частички, а при введении ПАВ (рис. 3) такого проникновения не наблюдается.

pic_14.tif

Рис. 2. Микрофотография одиночного зерна ОДИ в ЩМА без введения ПАВ с 750-кратным увеличением

pic_15.tif

Рис. 3. Микрофотография одиночного зерна ОДИ в ЩМА при введении ПАВ с 750-кратным увеличением

В этом случае для подсчета требуемого количества битума можно воспользоваться формулой (6):

Eqn78.wmf (6)

Для проверки и оценки адекватности рассмотренных моделей с экспериментальными данными выполнены расчеты для четырех составов органических бетонов, составы которых показаны в табл. 1: в них у составов № 1, 2 и 3, 4 минеральная часть соответственно идентичная, однако в состав 2 добавлен 0,5 % от массы битума отход производства анилина, а в состав № 4 – кубовый остаток производства 8 ПФДА соответственно.

Таблица 1

Зерновой состав ЩМА (АБ) смесей (частные остатки на ситах)

Номер состава

Минеральный материал в составе ЩМА (АБ)

Размеры сит, мм

20

15

10

5

2,5

1,25

0,63

0,315

0,16

0,071

менее 0,071

1

ЩМА:

щебень М1400 фр. 5–20 мм (72,7 %)

4,0

26,3

32,57

9,82

 

ОДИ фр. 0–5 мм (27,3 %)

0,55

0,68

5,33

1,77

3,96

3,27

2,73

0,96

8,05

2

ЩМА:

щебень М1400 фр. 5-20 мм (72,7 %)

4,0

26,3

32,57

9,82

 

ОДИ фр. 0–5 мм (27,3 %)

0,55

0,68

5,33

1,77

3,96

3,27

2,73

0,96

8,05

3

АБ типа Б:

щебень М 1400 фр. 5–20 мм (47,0 %)

0,66

11,04

10,72

22,65

0,93

 

песок дробленый (43,0 %)

0,47

5,14

11,88

10,89

2,78

5,21

2,38

4,25

 

ОДИ фр. 0–5 мм (10,0 %)

1,15

1,95

1,55

1,68

1,97

1,72

1,96

4

АБ типа Б:

щебень М 1400 фр. 5–20 мм (47,0 %)

0,66

11,04

10,72

22,65

0,93

 

песок дробленый (43,0 %)

0,47

5,14

11,88

10,89

2,78

5,21

2,38

4,25

 

ОДИ фр. 0–5 мм (10,0 %)

1,15

1,95

1,55

1,68

1,97

1,72

1,96

Далее в табл. 2 и 3 приведены результаты расчетов значений площадей внешних поверхностей минеральных частиц смеси четырех составов с массой по 1 кг и их значения битумоемкости, рассчитанные по формулам (3)–(5).

Таблица 2

Значения площадей внешних поверхностей 1 кг минеральных частиц и их битумоемкость

Номера составов и название смесей

Название материала и фракционный состав минеральной части, мм

Содержание минеральных частиц по классам, г

Значения удельной площади внешних поверхностей минеральных составляющих по [10], кг/м2

Значения внешних поверхностей Sф, ∙104, см2

Толщина битумных пленок hпл, ∙10-4 см по [10]

Битумоемкость отдельных классов фракций минеральных частиц, %, по [10]

Битумоемкость смеси, % по формуле (4)

1, 2 ЩМА

Известняк:

           

Менее 0,071

79,7

340

27,098

0,26

16,0

1,275

0,071–0,14

9,45

70

0,6615

1,86

9,40

0,089

0,14–0,315

27,0

25

0,6750

3,60

7,30

0,197

0,315–0,63

32,4

13

0,4212

4,40

7,00

0,227

0,63–1,25

39,15

6

0,2349

9,00

6,00

0,237

1,25–3,00

17,55

3,5

0,0614

14,00

5,30

0,093

3–5

52,65

1,6

0,0642

33,00

4,60

0,242

5–10

6,75

0,71

0,0048

54,00

3,20

0,022

10–15

5,40

0,40

0,0022

66,00

3,00

0,016

Гранит:

           

5–10

98,55

1,70

0,1675

64,00

5,20

0,512

10–15

327,04

0,74

0,2518

78,00

4,70

1,537

15–20

264,26

0,44

0,1163

82,00

4,50

1,189

20–25

40,15

0,28

0,0114

83,00

4,50

0,181

Итого:

         

5,817

3, 4 АБ

Известняк:

           

0,071–0,14

19,60

340

1,3720

1,86

9,40

0,184

0,14–0,315

17,20

70

0,430

3,60

7,30

0,126

0,315–0,63

19,70

25

0,256

4,40

7,00

0,138

0,63–1,25

16,80

13

0,1001

9,00

6,00

0,101

1,25–3,00

15,50

6

0,0543

14,00

5,30

0,082

3–5

19,50

3,5

0,0312

33,00

4,60

0,090

5–10

10,50

1,6

0,0117

54,00

3,20

0,034

Гранит:

           

3–5

127,1

1,7

0,2116

39,0

5,60

0,712

5–10

276,9

0,74

0,2049

64,00

5,20

1,440

10–15

110,9

0,44

0,0488

78,00

4,70

0,521

15–20

109,4

0,28

0,0306

82,00

4,50

0,492

20–25

6,4

0,28

0,0018

83,00

4,50

0,003

0,071–0,14

41,5

67

2,7805

1,84

4,50

0,349

0,14–0,315

22,8

28

0,6384

3,40

8,40

0,169

0,315–0,63

51,1

14

0,7154

4,30

7,40

0,327

0,63–1,25

26,8

5,8

0,1554

6,70

6,40

0,158

1,25–3,00

107,9

2,5

0,2698

16,00

5,90

0,615

Итого:

       

5,70

5,511

Как видно из табл. 3, значения расхода вяжущего для смесей с добавками ПАВ, рассчитанные по формуле (6), достаточно близко совпадают с экспериментальными величинами. Для смесей без добавок ПАВ расчетные значения расхода вяжущего, рассчитанные по формулам (4), (5) и найденные экспериментально, отличаются между собой. Это можно объяснить не учетом в этих формулах пропитанной в минеральные зерна части и присутствием сгустков вяжущего и неоднородностей в структуре смесей.

Таблица 3

Сопоставительные значения расхода вяжущего для различных смесей

Номера составов

Название и количество добавки ПАВ, % от массы битума

Расход битума, % от массы минеральной части (сверх 100 %)

по эксперименту

пропитанной в минеральные зерна части по формуле (3)

по формуле (4)

по формуле (5)

по формуле (6)

1

Без ПАВ

7,5

2,97

5,82

8,91

2

Кубовые остатки производства Новантокса 8ПФДА – 0,5

5,8

0

5,82

5,94

3

Без ПАВ

5,8

1,32

5,51

6,52

-

4

Кубовые остатки производства анилина – 0,5

4,8

0

5,51

5,20

Выводы

1. Отходы местной химической промышленности ОАО «Химпром» – кубовые остатки производства Новантокса 8ПФДА и анилина, могут применяться в качестве модифицирующих добавок (ПАВ) в вязкие битумы для производства асфальтобетонных и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей с ОДИ в количестве 0,5–1,2 % от массы вязкого битума.

2. Подтверждено, что использование кубовых отходов производства Новантокса 8ПФДА и анилинав количестве 0,5–1,2 % от массы вязкого битума позволяет снизить расход битума на 17,3–22,6 %. Соответственно это позволит более широко применять асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетоны с отсевами дробления известняков уменьшенной себестоимости в качестве конструкционного материала покрытий автомобильных дорог общего пользования и магистральных ведомственных, в частности, дорог. Одновременно решается вопрос эффективной утилизации отходов местной химической промышленности.

3. Предложенные формулы (4)–(6) и методики расчета расхода вяжущего позволят специалистам запроектировать и принимать обоснованные решения по назначению требуемого расхода вяжущего для приготовления органических бетонов.

Рецензенты:

Мазуркин П.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Природообустройство», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;

Савельев В.В., д.т.н., профессор кафедры строительного производства Чебоксарского политехнического института (филиала Московского государственного открытого университета им. В.С. Черномырдина), г. Чебоксары.

Работа поступила в редакцию 18.06.2013.


Библиографическая ссылка

Салихов М.Г., Иливанов В.Ю., Малянова Л.И. О ВЛИЯНИИ ДОБАВОК ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ТРЕБУЕМЫЙ РАСХОД ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ БЕТОНОВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-1. – С. 53-59;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31869 (дата обращения: 09.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074