Новые серосодержащие материалы для дорожного строительства

УДК 625.7

А.Ю. ФОМИН, канд. техн. наук, В.Г. ХОЗИН, д-р техн. наук

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Новые серосодержащие материалы для дорожного строительства

Актуальность работы обусловлена как задачей эффективной утилизации все возрастающих промышленных выходов серы, так и возможностью использования местных слабых каменных материалов, не нашедших широкого применения. Установлено, что импрегнация расплава серы в поры щебня и его кристаллизация способствуют образованию прочного градиентного слоя с измененными свойствами, выражающимися, в повышении твердости поверхности зерен и проявлении гидрофобности, что в свою очередь отражается и на изменении эксплуатационно-технических свойствах щебня. Так, показатель марки по дробимости обработанного щебня достигает значения 1200, а показатель водонасыщения снижается. Полученный материал может применяться в основаниях конструкций дорожных одежд, а также в составах горячих асфальтобетонных смесей. Так, асфальтобетоны на обработанном щебне по показателям прочности при сжатии и усталостной прочности превышают минимальные требования ГОСТ 9128-2013, предъявляемые к типу Б, в среднем в 1,5-2 раза.

Ключевые слова: сера, щебень, импрегнация, асфальтобетон, автомобильная дорога.

A.Yu. FOMIN, Candidate of Sciences

New Sulfur-Containing Materials for Road Construction

The relevance of the work is determined both by the problem of efficient utilization of increasing sulfur industrial discharges and the possibility of using local weak stone materials which are not widely used. It is established that the impregnation of sulfur melts into the pores of crushed stone facilitates the formation of a durable gradient layer with changed properties that resulting in increasing the hardness of grain surfaces and manifestation of hydrophobicity and that in its turn affect the change in operational-technical properties of crushed stone. This, the index of crushability of processed crushed stone reaches the value of 1200, and the water saturation index reduces. The produced material can be used in the bases of road pavement structures as well as in compositions of hot asphalt concrete mixes. Thus, asphalt concretes with processed crushed stone regarding the values of compressive strength and resistance to fatigue exceed the minimal requirements of GOST 9128-2013 set for B type by 1.5-2 times on the average.

Keywords: sulfur, crushed stone, impregnation, asphalt concrete, auto road.

Одним из потенциальных источников пополнения материальных ресурсов дорожно-строительной отрасли РФ являются серосодержащие материалы, разработка и промышленное освоение которых является задачей сегодняшнего дня. При этом речь идет не об использовании серы как балласта — в виде песка или грунта, а о материалах, в которых сера как основополагающий компонент обеспечивает высокий технический эффект— гидрофобность, сравнительно высокую прочность, морозостойкость, долговечность, присущие таким известным композиционным материалам, как серный бетон, сероасфальтобетон и др.

Высокое качество получаемых изделий, простота технологии их получения, а также низкая стоимость расходуемых компонентов позволяют серным материалам быть конкурентоспособными по отношению к традиционным строительным материалам на минеральных и иных вяжущих [1].

Перспективным направлением широкого применения серы может быть пропитка ее расплавом капиллярно-пористых малопрочных материалов с целью их гид-рофобизации и упрочнения. В практике уже известна пропитка серой цементного бетона, керамических материалов, древесины, в результате которой в разы увеличивается прочность и снижается водопоглощение. Материалы приобретают высокую коррозионную стойкость к растворам солей и кислот [2, 3, 4], что расширяет возможность их применения. Однако для обеспечения требуемого экономического эффекта технологией пропитки серой нужно охватить местные сырьевые материалы — слабые, некондиционные, не нашедшие широкого применения в дорожном строительстве, но имеющие при этом крупнотоннажный потенциал месторождений, а также структуру и поверхностные свойства, позволяющие обеспечить высокий синергетический эффект при объединении с серой.

Речь идет о карбонатных породах (известняках и доломитах), месторождения и карьеры которых распространены в Европейской части Российской Федерации, и в частности на территории Республики Татарстан. Щебень, производимый из них, соответствует в основном маркам 200—400, реже 400—600, и не находит широкого применения в дорожном строительстве вследствие низкой долговечности. Более прочный щебень из изверженных пород (гранита, сиенита, габбро и др.) поставляется в основном с Урала. При этом потребность дорожно-строительной отрасли в щебне огромная — только в Республике Татарстан она составляет около 4 млн м3/г.

Для придания гидрофобности и водостойкости щебню из осадочных пород существуют способы их укрепления растворами лигносульфонатов [5], пропиткой битумами.

Перспективным промышленным способом укрепления щебня из слабых пород может стать пропитка его поверхности расплавом серы с последующей ее кристаллизацией в порах с образованием плотного градиентного слоя толщиной 3—5 мм, обеспечивающего эффект усиления. Для реализации этой технологии есть следующие благоприятные предпосылки.

Сера обладает низкими значениями температуры плавления (112,8—119,3оС) и вязкости расплава (6,5-10-3 Пас). В твердом, кристаллическом виде сера обладает достаточной механической прочностью, гид-рофобностью, водостойкостью [6]. Расплав серы способен глубоко проникать в капилляры материалов и в процессе кристаллизации при охлаждении прочно соединяться с матрицей, образуя новый материал с взаимопроникающей структурой (ВПС). В России ежегодно производится около 7 млн т технической серы, образующейся в результате нефте- и газоочистки, с ежегодным приростом в среднем на 0,2 млн т. Подавляющий объем выпуска такой «попутной» серы

научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf

декабрь 2016

Results of scientific research

Наименование характеристик Численные показатели

Марка по дробимости 300

Морозостойкость, циклов не менее 25

Марка по истираемости ИЗ

Водопоглощение, % 2-7,5

Пористость, % 9,5-27,5

приходится на газовую промышленность. В Республике Татарстан основным сырьевым источником серы являются высокосернистые нефти. Вместе с тем на ней имеется 340 месторождений карбонатных пород с общим запасом более 400 тыс м3, из них пригодного для производства малопрочного щебня — 180 тыс м3.

Учитывая вышеизложенное, авторы полагают, что разработка и организация технологии производства новых строительных материалов на основе малопрочного щебня из осадочных пород и серы может стать реальной перспективой. В этой связи в работе рассмотрено два направления исследований. Первое — получение высокопрочного и водостойкого щебня; второе — изготовление материалов, в составе которых традиционно до сих пор применяется щебень из прочных горных пород. Таковыми в первую очередь являются дорожные асфальтобетоны. В этом случае предполагается совместить в одном производственном цикле решение двух технических задач — пропитку серой щебня и производство из него асфальтобетонной смеси.

Объектом исследований был взят щебень из осадочных карбонатных пород Альдермышского месторождения Республики Татарстан. Его характеристики представлены в таблице.

Согласно требованиям действующего СП 34.13330.2012 и дорожно-строительной классификации, такой щебень не пригоден для дорожного строительства, в том числе для дорог низших IV и V технических категорий.

Для изучения эффективности пропитки щебня расплавом серы исследовали его фракции 5—10, 10—20 и 40—70 мм. В ходе эксперимента предварительно нагретый до рабочей температуры 155оС щебень смешивали с расплавом серы. Далее по завершении процессов охлаждения и кристаллизации серы в порах известняка исследовали структуру и определяли физико-механические показатели «серощебня».

Рентгенографические исследования показали, что сера, находящаяся в порах и капиллярах зерен щебня, имеет кристаллическую структуру, соответствующую аллотропной ромбической а-модификации серы.

Данные, представленные на кинетических зависимостях, отражают высокую эффективность укрепления щебня серой, выраженную в сравнительно высоких показателях марки по дробимости, достигающей значения 1200 (рис. 1). Основной особенностью пропитки известнякового щебня серой является низкий краевой угол смачивания его расплавом, обеспечивающий высокую адгезию. Заполнение капиллярных пор известняка серой превращает дефектные камни в монолитный композиционный материал типа ВПС с высокой механической прочностью и водонепроницаемостью.

Образующийся в результате пропитки известнякового щебня расплавом серы градиентный приповерхностный слой с более плотной структурой препятствует проникновению воды в поровое пространство срединного «ядра» и обеспечивает его надежное капсулирова-ние. Как видно из представленных данных, водопогло-щение пропитанного щебня монотонно убывает в зависимости от времени пропитки (рис. 2).

1400

s 1200 I-

§ 1000

§ 800 CL

о 600 с

сс

400

сс

2 200 0

Фр. 5-10 мм Фр. 10-20 мм 1000

1200

1200

1200 12001200 12001200

15 30 60 120 Время пропитки щебня, мин

180

Рис. 1. Кинетическая зависимость марки укрепленного щебня по дробимости

55 75 95 115 135

Время пропитки щебня, мин

Рис. 2. Концентрационная зависимость водопоглощения укрепленного щебня фракции: 1 - 5-10 мм; 2 - 10-20 мм

Показатель истираемости обработанного серой щебня в среднем ниже, чем у исходного, на 18,5 % и соответствует марке И1; марка по морозостойкости достигает F300.

Установлено основное требование к исходному сырью: для получения высокой эффективности импрегни-рования поверхность зерен щебня должна быть сухой и чистой, без наличия глинистых частиц в структуре. Гидрофильная глина не полностью пропитывается серой, склонна к набуханию в воде, что снижает эффект упрочнения в среднем на 30%.

Анализируя полученные результаты, авторы полагают, что полученный «серощебень» может применяться в дорожном строительстве в качестве материала для устройства оснований автомобильных дорог, подстилающих дренирующих слоев, покрытий переходного типа, а также в качестве крупного заполнителя в составе асфальтобетонных смесей.

В практике дорожного строительства известно применение серосодержащих асфальтобетонных смесей, производимых на основе вяжущего серобитума — материала, включающего 20—40 мас. % серы. В проведенных авторами исследованиях установлено, что введение серы в битум способствует некоторому повышению прочности и теплостойкости вяжущих и асфальтобетонов на их основе, что, безусловно, позволяет сократить расход битума. Вместе с тем сера термодинамически несовместима с битумом и поэтому при охлаждении совместного расплава выделяется в отдельную фазу, играя роль дисперсного наполнителя, снижающего его пластичность, что проявляется в уменьшении показателя растяжимости в 7—8 раз, повышении температуры хрупкости в среднем в два раза, снижении деформативности вяжущего. Структура серобитума в твердом состоянии является наполненной двухфазной системой, а введение наполнителей или полимеров в битум, как известно [7, 8],

0

5

'Ч'.-: > ^  Г;-' научно-технический и производственный журнал

декабрь 2016 81

4,84 5 5,17 5,34

Содержание битума, мас. %

Рис. 3. Концентрационная зависимость прочности асфальтобетонов. Асфальтобетон на щебне, обработанном: 1 - 10 мас. % серы; 2 - 20 мас. % серы; 3 - 30 мас. % серы

2,5

1

0,5

4,84 5 5,17

Содержание битума, мас. %

Рис. 4. Концентрационная зависимость водонасыщения асфальтобетонов. Асфальтобетон на щебне, обработанном: 1 - 10 мас. % серы; 2 - 20 мас. % серы; 3 - 30 мас. % серы

снижает способность к деформированию, и в тем большей степени, чем выше концентрация.

По мнению авторов, применение «серощебня», укрепленного серой, в составе асфальтобетонной смеси позволит сохранить реологические свойства битума, обеспечить высокую когезионную прочность материала и получить новые эффективные составы серосодержащих асфальтобетонов.

С применением методов математического планирования эксперимента была разработана матрица, учитывающая два переменных параметра: содержание вяжущего и массовое соотношение щебня фракций 5—10, 10—20 мм в составе минеральной части смеси.

На основе полученных рецептур минеральной части были приготовлены составы асфальтобетонов типа Б, марки II и исследованы их свойства. Количество вводимой в смесь щебня серы варьировали в пределах 10—30 мас. %. Анализ физико-механических показателей свойств полученных асфальтобетонов показал, что они находятся на сравнительно высоком уровне и превышают минимальные требования ГОСТ 9128—2013. Так, предел прочности при сжатии при 20 и 50оС выше нормативных требований в 2 и 1,5 раза соответственно (рис. 3).

Водонасыщение асфальтобетона на «серощебне» в 4,5 раза ниже, чем на исходном известняке, и сильно уменьшается с ростом концентрации серы в щебне (рис. 4).

Количество циклов нагружения асфальтобетона на «серощебне» при испытании на усталость в сравнении с асфальтобетоном на гранитном заполнителе возрастало в два раза, что косвенно свидетельствует об эксплуатационной долговечности. Установлено, что оптимальное

содержание «серощебня» фракций 5—10 мм в составе асфальтобетонной смеси составляет 16 и 26 мас. % фракций 10—20 мм соответственно.

Целью дальнейших исследований является изучение прочих параметров долговечности асфальтобетонов на «серощебне», таких как колееобразование, истираемость, морозостойкость.

Список литературы

1. Королев Е.В. Серные композиционные материалы специального назначения. Дисс... д-ра техн. наук. Пенза, 2005. 476 с.

2. Mehta H.C., Chen W.F. Structural use of Sulfur for Impregnation of Building Materials. Fritz Engineering Laboratory. Length University. 1974.

3. Циак Н. Анализ влияния состава жидких агрессивных сред на коррозионную стойкость цементных бетонов, пропитанных расплавом серы // Строительство и техногенная безопасность: Сборник трудов международной конференции. Симферополь, 2007. С. 50-52.

4. Фомин А.Ю., Хозин В.Г., Козлов В.С. К вопросу об эффективности серосодержащих дорожно-строительных материалов: Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции. Казань, 2008. С. 332-335.

5. Патент РФ 2408550. Способ приготовления известнякового строительного щебня / Глинянова И.Ю., Фомичёв В.Т., Романов С.И. Заявл. 28.09.2009. Опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1.

6. Бусев А.И., Симонова Л.Н. Аналитическая химия серы. М.: Наука, 1975. 271 с.

7. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 256 с.

8. Урьев Н.Б., Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. 136 с.

References

1. Korolev E.V. Sulfur-based special purposed composite materials. Doct... Diss (Engineering). Penza. 2005. 476 p. (In Russian).

2. Mehta, H.C., Chen, W.F. Structural use of Sulfur for Impregnation of Building Materials. Fritz Engineering Laboratory. Length University. 1974.

3. Tsiak N. Influence analysis of aggressive solutions on resistance of cement concretes impregnated with melted sulfur. Construction and technological safety: Proceedings of International conference. Simferopol. 2007, pp. 50-52. (In Russian).

4. Fomin A.Yu., Khozin V.G., Kozlov V.S. To a question of efficiency of sulfur-containing materials for road construction. Proceedings of All-Russia scientific and technical conference. Kazan. 2008, pp. 332-335. (In Russian).

5. Patent RF 2408550. Sposobprigotovleniya izvestnyakovogo stroitelnogo shchebnya [Method of preparation of limestone building macadam]. Glinyanova I.U., Fomi-chev V.T., Romanov S.I.; Declared 28.09.2009. Published 10.01.2011. Bulletin No. 1. (In Russian).

6. Busev, A.I., Simonova, L.N. Analiticheskaya khimiya sery [Analytical chemistry of sulfur]. Moscow: Nauka. 1975. 275 p.

7. Uriev N.B. Fiziko-khimicheskie osnovy tekhnologii dis-persnykh system I materialov [Physical and chemical basics of dispersion systems and materials technology]. Moscow: Khimiya.1988. 256 p.

8. Uriev N.B., Rebinder P.A. Poverkhnostnye yavleniya d dispersnykh sistemakh. Fiziko-khimicheskaya mekhani-ka [Surface phenomena in dispersion systems. Physical and chemical mechanics]. Moscow: Nauka. 1979. 136 p.

научно-технический и производственный журнал ii/ VUJji I'SJliiil^l-' 82 декабрь 2016