Армированный асфальтобетон с применением активных минеральных отходов и побочных продуктов промышленности

  Металлургическая промышленность производит большой объем побочных продуктов в виде шлаков, пемзы, а также отходов в виде шламов мокрой газоочистки доменного и конверторного производства, агломерационной пыли, отходов производства шлаковаты, которые в той или иной степени обладают гидравлическими вяжущими свойствами. Побочные продукты и отходы металлургической промышленности хранят в себе большой энергетический потенциал, который благодаря внешним воздействиям (воды, тепла, вибрации) способен изменить свое качественное состояние в нужном направлении. При анализе системы «битум – шлаковый материал» необходимо учитывать все структурные и физико-химические особенности как органического вяжущего, так и шлаковых компонентов.
   В отличие от природных минеральных материалов отходы и побочные продукты металлургической промышленности обладают химической и гидравлической активностью, хорошо взаимодействуют с водой и битумом. Поэтому теория формирования структуры в асфальтобетонах из шлаковых материалов и побочных продуктов отличается от структурной теории традиционно применяемых асфальтобетонов.
   Под активным взаимодействием битума и минерального материала следует понимать образование структурных связей, способных обеспечить прочное адгезионное соединение, устойчивое при различных внешних воздействиях. Именно такое взаимодействие характерно для системы «битум – шлаковые компоненты».
   Природа контактирующих фаз играет определенную роль в формировании адгезионного соединения и в обеспечении адгезионной прочности.
   Основным отличием межмолекулярного взаимодействия в асфальтобетонах с применением шлаковых компонентов от взаимодействия в асфальтобетонах из традиционных минеральных материалов являются процессы, вызываемые механическими эффектами. Экспериментально доказано наличие свободнорадикального механизма взаимодействия битума и минеральных материалов при одновременном действии механических усилий. Очевидно, более рационально обеспечить активацию компонентов без расходов дополнительной энергии, в условиях обычного хода технологического процесса по приготовлению, укладке и уплотнению асфальтобетонных смесей. Одним из таких путей является использование в асфальтовых бетонах шлаковых компонентов (рис. 1).
   В ходе приготовления и уплотнения смеси формируется коагуляционно-конденсационная структура асфальтобетона с применением шлаковых активных материалов (рис. 2).
   Конденсационные элементы структуры рассматриваемых систем сосредоточены в зонах контакта шлаковых компонентов с органическими вяжущими, поэтому на первых этапах структурообразования материал в целом сохраняет свойства, присущие системам с коагуляционным типом структуры.
  В то же время не следует отрицать возникновения некоторых элементов кристаллизационных структур. Шлаковые компоненты представляют собой капиллярно-пористые тела с сильно развитой и сложной структурой внутреннего порового пространства. При нагреве шлакового материала перед смешением с битумом влага частично сохраняется в глубоких порах сложной конфигурации. Пленка битума, перекрывающая систему пор, способствует возникновению специфических «пропарочных» микрокамер, что интенсифицирует процессы гидратации шлаковых компонентов. В результате последних процессов не только модифицируется поверхность зерен шлаковых компонентов, что само по себе изменяет условия взаимодействия битума и шлаков, но и создаются предпосылки для изменения строения порового пространства. Кристаллогидраты, возникающие во внутреннем поровом пространстве, как бы армируют «смеси» (рис. 3), благодаря чему прочность зерен шлаковых компонентов повышается, а следовательно, повышается водо- и морозоустойчивость асфальтобетона.
   В ходе экспериментов проведена оптимизация составов и свойств асфальтобетонов с применением шлаков, шламов мокрой газоочистки доменного и конверторного производства, отходов шлаковатного производства (корольков и обрезков шлаковаты), агломерационной пыли в качестве минеральных заполнителей и наполнителей.
   До настоящего времени шлак Старооскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) изучен плохо. Этому шлаку не определен рациональный путь применения в строительстве, поэтому он сбрасывается в отвал.
   Исследования, проведенные на кафедре строительства автомобильных дорог ВГАСА, показывают, что после трехсуточного увлажнения электрометаллургический шлак с размером зерен до 10 мм имеет гидравлическую активность 2,2 МПа. Это указывает на то, что рядовой шлак можно использовать в качестве песка (А.с. 1514736), а после небольшого домола и в качестве минерального порошка в асфальтобетоне.
   Наиболее распространенными отходами при производстве шлаковаты являются корольки и обрезки шлаковаты, измельченные до тонкости, определенной стандартом. Такие отходы можно применять в качестве минерального порошка для асфальтобетона (А.с. № 10000447). На Новолипецком заводе минераловатных изделий и строительных материалов количество корольков достигает 30 т в сутки.
   Наряду с минеральным порошком для приготовления асфальтобетонных смесей использовались обрезки шлаковаты в неизмельченном состоянии в количестве от 1 до 3%. В асфальтобетонных покрытиях добавка неизмельченных обрезков шлаковаты выполняет роль структурно-армирующего компонента.
   На НЛМК производятся тысячи тонн шлаков и шламов доменного и конверторного производства, которые являются побочными продуктами и отходами основного производства. Шлаки можно использовать в качестве щебня, песка и минерального порошка в асфальтобетоне.
   Шламы отличаются высокой дисперсностью и не требуют дополнительной переработки, кроме обезвоживания, при использовании их в качестве минерального порошка в асфальтобетоне. Асфальтобетонные смеси с применением шламов мокрой газоочистки доменного и конверторного производства защищены авторским свидетельством (А.с. №№ 727662, 101014857).
   Шламы агломерационного производства пока не использованы в строительстве. Однако, после обезвоживания и небольшого домалывания их можно применять в качестве минерального порошка битумоминеральных смесей (А.с. № 1390210).
   Продукт отсева кокса – коксовая пыль может выполнять роль структурирующей добавки в асфальтовых бетонах (А.с. № 715530). Она влияет на структуру битума, способствует переводу его из объемного в структурированное состояние, т.е. выполняет роль регулятора свойств битума, а следовательно и асфальтобетона.

   Метод электронно-парамагнитного резонанса дифференциального термического анализа и производственное внедрение показали, что оптимальная температура приготовления асфальтобетонных смесей с применением шлаковых компонентов находится в интервале от 110 до 130 °C. Оптимальная температура уплотнения асфальтобетонных смесей на шлаковых составляющих находится в пределах от 40 до 60 °C.
   Особенностью шлакового асфальтобетонного покрытия является то, что его формирование происходит во времени, и максимальные показатели достигаются в процессе эксплуатации за счет химической и гидравлической активности шлака, роста кристаллогидратов, армирования ими межпорового пространства и омоноличивания конгломерата. При укладке георешетки в шлаковое асфальтобетонное покрытие достигается продольно-поперечное армирование его с момента окончания уплотнения. В процессе эксплуатации и покрытия за счет образования кристаллогидратов у шлакового материала продольно-поперечное армирование переходит в пространственное армирование асфальтобетонного покрытия.
   Шлаковые компоненты представляют собой капиллярно-пористые тела с сильно развитой и сложной структурой внутреннего порового пространства. Кристаллогидраты, возникающие во внутреннем поровом пространстве, армируют его, благодаря чему прочность шлаковых конгломератов повышается.
   При армировании двухслойного шлакового асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации происходит омоноличивание верхнего и нижнего слоя покрытия благодаря образованию и прорастанию кристаллогидратов между частицами слоев в свободном пространстве георешетки Таким образом, в шлаковом асфальтобетонном покрытии с применением георешетки осуществляется пространственное армирование в трех направлениях: вдоль, поперек и перпендикулярно дороге, при этом создается конгломерат, способный воспринимать усилия на сдвиг, на изгиб и обеспечивать повышенную трещиностойкость покрытия.
   Исследованиями установлено, что армированный шлаковый асфальтобетон отличается повышенным сопротивлением ударным нагрузкам по сравнению с неармированным шлаковым асфальтобетоном (см. таблицу).
   Для лучшего сцепления георешетки из стекловолокнистых нитей с асфальтобетонной смесью нами предложен способ устройства дорожного покрытия с применением геосетки, предварительно обработанной отходами коксохимического производства (получен патент РФ № 2144106).