Исследование возможности применения пыли уноса асфальтосмесительных установок взамен традиционных порошков для строительства лесовозных дорог

В стратегии развития лесопромышленного комплекса России на период до 2015 года, рассмотренной и одобренной на VI Международном лесном форуме, обозначены основные направления — реализация проектов по комплексной переработке древесины, развитию инфраструктуры, лесного дорожного строительства. Как отметили участники форума — «факторами, ограничивающими развитие лесной отрасли, являются отсутствие централизованных капиталовложений в лесной сектор, незначительные иностранные инвестиции, низкая плотность существующей дорожной сети, нерентабельность перевозки круглого леса на расстояние свыше 1000 км и пиломатериалов свыше 2500 км из-за высоких железнодорожных тарифов». Для сохранения конкурентоспособности предприятий необходимо сокращать время от заготовки леса до его обработки. В этих условиях важно переходить к интенсивному ведению лесного хозяйства. Для этого необходимо создание густой сети лесных дорог и развитие транспортной логистики [7].

На долю перевозки древесины автомобильным транспортом приходится до 80−90% от общего объема транспорта леса. Строительство лесовозных автомобильных дорог связано со значительными затратами и отдельные предприятия не могут себе этого позволить. Однако в последнее время наметилось укрупнение предприятий, создаются лесопромышленные холдинги и группы, аккумулирующие значительные материальные и финансовые ресурсы. Как правило, магистральные лесовозные автомобильные дороги имеют выходы к сети региональных автодорог общего пользования. Это позволит в дальнейшем войти им в эту сеть и дополнительно связать не только предприятия отрасли, но многочисленные лесные поселки, что является значительным социальным фактором. Подключение крупных магистральных лесовозных автодорог в сеть дорог общего пользования приведет к строительству усовершенствованых покрытий из горячих и холодных асфальтобетонов, поверхностных обработок, холодных эмульсионно-минеральных смесей и других видов битумоминеральных смесей [35].

Это связано прежде всего с увеличением расходов дорожно-строительных материалов, обеспечение которыми ограничено высокой стоимостью их производства и значительными транспортными расходами.

Одним из наиболее дорогостоящих и дефицитных компонентов асфальтобетонной смеси является минеральный порошок.

Порошок образует с битумом асфальтовое вяжущее вещество, которое связывает более крупные зерна в монолит и в значительной степени обуславливает реологические и физико-механические свойства асфальтобетона.

Традиционными и наиболее высококачественными минеральными порошками в мировой практике дорожного строительства признаны карбонатные горные породы (известняки, доломиты и др.), содержащие не более 5% глины. Распространение карбонатных горных пород в природе ограничено. В ряде месторождений полезная толща выражена несколькими горизонтами. Верхние слои породы, как правило, обладают пониженной прочностью. В них наблюдаются слои, прослойки и линзы глин и песков, которые трудно удалить при добыче горной массы и количество которых доходит до 10−12%. Перспектива использования таких материалов в технологии асфальтобетона открывается при условии их модифицирования в целях улучшения взаимодействия с битумом.

Одним из путей модифицирования минеральных порошков является технология физико-химической активации их поверхности, осуществляемая поверхностно-активными веществами в процессе помола. Значительным этапом исследований в этой области явились работы Л. Б. Гезенцвея, Сотниковой В. Н. в направлении использования активированных минеральных порошков для совершенствования структурообразования асфальтобетона.

В Советском Союзе существовали производства по получению активированных минеральных порошков. В основном это был «Обидимский» завод п. Обидимо Тульская область, «Кикеринский» завод п. Волосово Ленинградская область, производства в Казахстане «Курдайский» завод, а также на производствах в Азербаджане и Эстонии.

Для активации минеральных порошков использовали в основном продукты и отходы нефтяной и обрабатывающей промышленности: второй жировой гудрон, производные высших карбоновых кислот: синтетические жирные кислоты (СЖК), кубовые остатки СЖК, окисленный петролатум, железные соли СЖК: ферроокисленные рисайклы и петролатумы и др., а также низкотемпературный каменноугольный деготь, буроугольную смолу, древесную газогенераторную смолу лиственных пород, сланцевое масло, кремнеорганическую жидкость ГКЖ-94, госсиполовую смолу (хлопковый гудрон), и др. [36,45,49,59].

В результате распада СССР, связи с предприятиями оказались нарушены — поставки продукции прекратились. Новые, жесткие экологические требования заставили предприятия, выпускавшие данные реагенты, или закрыться или перейти на безотходное производство. Круг материалов пригодных для активирования значительно сократился.

Из производителей активированного минерального порошка в РФ остался, в основном «Кикеринский завод» — Ленинградская обл., который с активатора — второго жирового гудрона перешел на кубовые остатки СЖК, поставляемые, с центральных регионов страны за 1500−2000 км.

Северные и Северо-Западные регионы страны удалены от основных центров глубокой переработки нефти. Доставка в эти регионы химических реагентов, пригодных для активирования минерального сырья, приводит к значительному удорожанию конечной продукции.

В связи с этим мы приходим к тому, что необходимо увеличить количество материалов, применяемых в качестве минеральных порошков. С этой целью еще в СССР, а затем и в России, и за рубежом проводят исследования порошковых отходов промышленности различного происхождения.

Такого рода исследования проводились в СССР еще в довоенные годы. Однако широкого практического применения такие материалы не получили (кроме опытных работ).

В настоящее время наибольшее внимание было уделено таким материалам, как золы уноса ТЭЦ, золы от сжигания различных материалов, самораспадающиеся шлаки, а также пыли уноса цементных заводов и камнедробильных установок.

В связи с этим актуальным так же является использование пыли уноса асфальтосмесительных установок, широкому применению которой мешает ее недостаточная изученность как минерального порошка.

Целью работы является снижение стоимости строительства асфальтосмесительных покрытий лесовозных автомобильных дорог при сохранении качества и долговечности за счет использования пыли уноса. Расширить сырьевую базу производства минеральных порошков.

Задачи исследований:

— исследовать влияние пыли уноса, исследуемой в качестве минерального порошка, на свойства асфальтобетона;

— изучить особенности структурообразования асфальтовяжущего на пыли уноса;

— определить дозировку пыли уноса в минеральной добавке для производства асфальтобетона;

Объектом исследования является прочность и долговечность покрытий лесовозных дорог из асфальтобетонных смесей;

Предметомисследования являются пыли уноса асфальтосмесительных установок, используемых в качестве минерального порошка для получения асфальтовяжущего.

Методы исследования. Лабораторные и производственные исследования в соответствии с действующими ГОСТ с планированием экспериментов.

Научная новизна:

— теоретически обоснована возможность использования ПУ (отдельно или совместно с МП) в качестве МП для производства асфальтобетона;

— исследовано влияние ПУ на структурообразование асфальтовяжущего и асфальтобетона;

— установлено влияние пыли уноса на свойства асфальтобетона;

— подобрано оптимальное соотношение ПУ и МП в минеральной добавке для производства асфальтобетона.

Практическая значимость работы:

— расширение сырьевой базы производства МП для строительства лесовозных автодорог;

— снижение стоимости строительства лесовозных дорог с покрытиями из асфальтобетона.

На защиту выносятся:

— теоретическое обоснование возможности использования ПУ для производства асфальтобетона.

— методика и результаты исследования физико-механических свойств порошков различного генезиса;

— методика и результаты исследования физико-механических и деформативных свойств асфальтовяжущего и асфальтобетона;

— методика и результаты исследования влияния процентного содержания пыли уноса на свойства асфальтобетона.

Реализация работы. Применение асфальтобетона, с оптимальным соотношением ПУ и МП в минеральной добавке, для благоустройства территории комплекса складских и вспомогательных зданий низкотемпературного холодильного терминала по адресу Санкт-Петербург, ул. Якорная 17.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на: научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (Санкт-Петербург, ЛТА) 2006, 2007, 2008, г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы, две из которых в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 71 наименований, 4 приложений. Основное содержание работы изложено на 118 страницах машинописного текста без приложений и содержит 16 таблиц, 33 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Определением гранулометрического состава и физических свойств пыли уноса и активированного минерального порошка показало, что пыль уноса не уступает по этим показателям минеральному порошку и соответствует требованиям ГОСТ Р 52 129−2003.

2. По своим физико-химическим свойствам пыль уноса сопоставима с традиционными минеральными порошками.

3. Изучение физико-механических свойств асфальтовяжущего на пыли уноса и активированном минеральном порошке показали, что асфальтовяжущее на пыли уноса не значительно уступает значениям асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке, но при этом требуется большая дозировка битума. В частности, предел прочности на сжатие при 60 °C у асфальтовяжущего на пыли уноса равен 1,17 МПа, а у асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке — 1,16 МПа. Но при этом дозировка битума в первом случае 16%, а во втором 12%. Это говорит о меньшем взаимодействии с битумом.

4. Исследование деформативных свойств асфальтовяжущего, по методике определения коэффициента пластичности, показало, что асфальтовяжущее на пыли уноса имеет довольно высокие показатели, но уступающие показателям асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке, то есть обладает большей жесткостью и хрупкостью. Так, при 60 °C коэффициент пластичность асфальтовяжущего на пыли уноса меньше в среднем на 40%, аналогичного показателя асфальтовяжущего на активированном минеральном порошке.

5. Пыль уноса обладает высокой структурирующей способностью, но не значительно уступает по этому показатель традиционному минеральному порошку, что было доказано исследованиями физико-механических и деформативных свойств асфальтобетона. Например, предел прочности на сжатие при 20 °C асфальтобетона на пыли уноса меньше аналогичного показателя асфальтобетона на минеральном порошке и составляет 5,19 МПа против 6,40 МПа.

6. В ходе испытаний было доказано, что асфальтобетон на пыли уноса полностью соответствует всем требованиям ГОСТ 9128–97 по водонасыщению, водостойкости и прочности.

7. По начальной и длительной водостойкости асфальтобетон на пыли уноса, как минимум, не уступает асфальтобетону на активированном минеральном порошке. Так, начальный коэффициент водостойкости асфальтобетона на пыли уноса равен 0,946, а асфальтобетона на активированном минеральном порошке — 0,912.

По прочности асфальтобетон на пыли уноса уступает асфальтобетону на активированном минеральном порошке в среднем на 25%, но при этом обладает меньшей интенсивностью снижения прочности — 48% против 51%.

Асфальтобетон на пыли уноса обладает меньше пластичностью по сравнению с асфальтобетоном на активированном минеральном порошке. Так, коэффициент пластичности асфальтобетона на пыли уноса при 0 °C равен 1,210, что на 10% выше, чем у асфальтобетона на активированном минеральном порошке. В связи с этим возможно использование в качестве минерального порошка смеси пыли уноса и активированного минерального порошка.

8. Плотность асфальтобетона, при изменении процентного содержания пыли уноса в минеральной добавке, возрастает для габбро-диабазовой ПУ и практически не меняется для гранитной ПУ. Возрастание плотности асфальтобетона на габбро-диабазовой ПУ объясняется более высокой истинной плотностью и большей основностью данного материала.

9. Водонасыщения асфальтобетона, при изменении процентного содержания пыли уноса в минеральной добавке, увеличивается. Это объясняется более высокой пористостью пыли уноса по сравнению с минеральным порошком.

10. Изучение влияния процентного содержания пыли уноса в минеральной добавке на прочностные характеристики асфальтобетона (предел прочности на сжатие при 20°С) показало, что изменение предела прочности выражается уравнением регрессии четвертой степени. Максимальная прочность получена при соотношении пыли и минерального порошка 20% - 80%. Величина этой прочности почти в 1,5 раза выше прочности асфальтобетона на одном минеральном порошке.

11. Сравнение экономических характеристик, показало эффективность применения пыли уноса асфальтосмесительных установок в смеси с традиционными минеральными порошками в качестве минерального порошка для производства асфальтобетона.

12. Изучение физико-механических свойств пыли уноса и минерального порошка, асфальтовяжущего и асфальтобетона доказали возможность практического использования пыли уноса асфальтосмесительных установок (отдельно или в смеси с традиционными минеральными порошками) в качестве минерального порошка для производства асфальтобетона.

13. Применение смеси пыли уноса и активированного минерального порошка позволит значительно снизить стоимость асфальтобетона. Асфальтобетон на минеральной добавке 80% ПУ + 20% АМП имеет наибольшую экономическую эффективность.

14. На основании результатов лабораторных исследований, в 2009 г. был построен опытный участок асфальтобетонного покрытия для благоустройства территории комплекса складских и вспомогательных зданий низкотемпературного холодильного терминала по адресу Санкт-Петербург, ул. Якорная 17.