Спросить
Войти
УДК 691.168:691.2.017
А.А. СОЛДАТОВ, инженер (soldatov85@mail.ru), Ю.Г. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук, ГОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет (Ставрополь)
Структуры поверхности пористых порошков на основе отсевов дробления керамзита и их адсорбционная активность
Дефицит минерального порошка для асфальтовых материалов и отсутствие сырьевой базы карбонатного сырья во многих регионах страны вынуждают искать альтернативное сырье. Перспективным направлением в решении этой задачи является применение пористых минеральных порошков, в том числе из отходов промышленного производства. Использование таких наполнителей способствует повышению сдвигоустойчи-вости, тепло- и трещиностойкости асфальтобетонов, а также снижению стоимости их производства и применения. При производстве дробленого песка из керамзитового гравия в результате его дробления образуются порошкообразные отходы — высокодисперсные отсевы дробления керамзита, которые, по мнению авторов, возможно эффективно применять в качестве минерального порошка для асфальтобетонов.
Выбор минерального порошка для асфальтобетонов определяется в первую очередь распределением его частиц по размерам (полидисперсностью), а также их формой и характером упаковки. Большинство традиционно используемых дисперсных наполнителей получают из минералов путем дробления, истирания и т. п. При этом дробление происходит неравномерно, частицы наполнителей имеют нерегулярную форму, которая для большинства порошковых наполнителей различается чрезвычайно сильно и не может быть строго охарактеризована.
Известно, что плотные и пористые порошки по-разному ведут себя в отношении органических связующих, в том числе битумов. Основными особенностями тонкопористых порошков являются избирательная диффузия компонентов битума в микропоры пористых частиц и их повышенная удельная поверхность. В процессе избирательной диффузии асфальтены адсорбируются на поверхности минеральных частиц, смолы — в мелких приповерхностных порах, а масла могут проникать по капиллярам внутрь частиц пористого материала.
Вследствие увеличения концентрации асфальтенов вязкость поверхностных слоев битума возрастает, что обеспечивает более жесткие связи между минеральными частицами. Повышенная удельная поверхность пористых минеральных порошков материалов должна обеспечивать соответственно и повышенную адсорбционную активность органического вяжущего.
Были проведены исследования возможности использования высокодисперсных отсевов дробления керамзита в качестве минерального порошка для асфальтобетонов. В качестве эталона для сравнения использовали стандартный активированный известняковый порошок. Исследовали отсевы дробления керамзита фракций менее 0,16 мм и сравнивали с требованиями ГОСТ Р 52129-2003 для порошков МП-2. Свойства отсевов дробления представлены в табл. 1.
Удельную поверхность исследуемых наполнителей определяли двумя методами. Наиболее распространенным является использование поверхностемеров, например типа Т-3 (Товарова), принцип работы которых основан на прохождении воздуха через уплотненный слой минерального порошка. Использование поверхностемеров не всегда корректно, в особенности для тонкопористых минеральных порошков. Поэтому наряду с Т-3 использовали анализатор дисперсного состава порошкообразных материалов МИКАН, позволяющий не только определять удельную поверхность, но и получать изображение поверхности исследуемого микрообъекта с высоким, до 500 нм пространственным разрешением, анализировать состав, строение, топографию поверхности и некоторые другие свойства приповерхностных слоев.
Значения показателей удельной поверхности порошковых материалов, полученные на поверхностемере Т-3, оказались практически равными и составили порядка 3100-3200 см2/г. Эти же показатели, определенные на анализаторе МИКАН, различаются, имеют боТаблица 1
Показатели Отсевы дробления керамзита Требования ГОСТ Р 52129-2003 для МП-2
Зерновой состав, мас. % мельче 1,25 мельче 0,315 мельче 0,071 100 100 89,8 не менее 95 80-95 не менее 60
Пористость, об. % 32 не более 40
Набухание образцов смеси минерального порошка с битумом, об. % 1,15 не более 3
Истинная плотность р, кг/м3 2470 Коэффициент водостойкости смеси керамзитовой пыли с битумом 0,87 не менее 0,7
Показатель битумоемкости, г 62,1 не более 80
Насыпная плотность рн, кг/м3 887 36
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
Таблица 2
Размерность класса, мкм Количество частиц в классе Распределение по поверхности частиц (выход класса,%) Распределение по объему частиц (выход класса,%)
Минеральный порошок на основе
известняка керамзита известняка керамзита известняка керамзита
лее высокие значения и составили соответственно 4080 см2/г для активированного минерального порошка и 6320 см2/г для отсевов дробления керамзита. Таким образом, удельная поверхность отсевов дробления керамзита в 1,5 раза выше, чем удельная поверхность активированного минерального порошка, что можно объяснить их более высокой дисперсностью, микропористостью и развитой поверхностью частиц. Это подтверждается определением зерновых составов исследуемых анализатором МИКАН порошков (табл. 2). Выявлено, что количество частиц, поверхностное и объемное распределение, особенно высокодисперсных фракций 2—0,5 и 5—0,2 мкм, отсевов дробления керамзита значительно превышает аналогичные показатели активированного минерального порошка.
По результатам проведенных исследований можно предположить, что отсевы дробления керамзита будут достаточно активно взаимодействовать с битумным вяжущим в силу высокой дисперсности и повышенной удельной поверхности.
Керамзит относят к кислым породам (содержание SiO2 60—75%); согласно имеющимся данным исследований кислые породы не рекомендуется применять для минеральных порошков, так как такие породы при взаимодействии с битумом не образуют хемосорбционных соединений. В настоящее время имеется и другая точка зрения. В исследованиях [1], а также в некоторых других указывается, что адсорбционная активность минерального материала не всегда определяется его химическим составом, а существенно зависит от наличия активных адсорбционных центров на его поверхности, так как контакт между битумным вяжущим и минеральным материалом осуществляется не по всей площади поверх16
I с? СС О
г*& 1111 1 1 1 | 1 1 | 1
Содержание битума в растворе толуола, кг/м3
Рис. 1. Адсорбция-десорбция битума из раствора толуола на поверхности минеральных порошков:--первоначальная адсорбция;
-----после десорбции; 1 - керамзит; 2 - известняк
ности, а в отдельных активных точках: центры Льюиса и Брендстеда. В работе [1] указывается на достаточно высокую адсорбционную способность по отношению к битуму таких кислых пород, как кварцитопесчаник или отходы ММС.
Адсорбционную активность исследуемых материалов определяли фотоколориметрическим методом и оценивали по количеству адсорбированного битума из раствора толуола. В качестве вяжущего использовали вязкий нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90. Количество битума, химически связанного с поверхностью порошков, определяли по разности величин адсорбции и десорбции (рис. 1).
Из результатов исследований установлено, что адсорбционная активность высокодисперсных отсевов дробления керамзита несколько ниже адсорбционной активности известнякового порошка.
Одним из основных признаков, отличающих процессы физической адсорбции от хемосорбционных взаимодействий, является термодинамическая обратимость адсорбированного слоя. Исследование десорбции битума с поверхности порошков показало, что часть битума отслаивается растворителем. Это указывает на то, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности наполнителя состоит из прочно химически и обратимо физически связанного битума. Большая величина десорбции адсорбированного слоя вяжущего отмечается на поверхности отсевов дробления керамзита. В количественном отношении после десорбции на поверхности отсевов дробления удерживается большее количество битума, чем на поверхности известняка. После десорбции количество органического вяжущего, оставшегося на поверхности керамзита, составило 6,84х10-3 кгбит/кгпор, на поверхности известняка — 6х10-3 кгбит/кгпор.
Результаты, выявившие неполную десорбцию битума с поверхности минеральных материалов, указывают на происходящие между наполнителем и органическим вяжущим хемосорбционные процессы. Эти взаимодействия могут быть обусловлены наличием активных бренстедовских кислотных центров, представляющих собой поверхностные гидроксильные группы. На указанных центрах могут образовываться водородные связи при участии атомов водорода поверхности, проявляющие электронно-акцепторные свойства. В качестве доноров при образовании этих связей могут быть я-связи, то есть электроны толуольных ядер и кратных связей, органических соединений битума, а также непо-деленные электронные пары гетероатомов. Кроме того, в битумах содержатся также азотистые основания и соединения, включающие гидроксильные, карбонильные, сложноэфирные и другие группы, образующиеся при окислении нефтяных остатков, которые являются брен-стедовскими основаниями и могут взаимодействовать с кислотными центрами Бренстеда поверхности [1].
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® июнь 2011 37"
Это подтверждается результатами ИК-спектроско-пических исследований. Активное взаимодействие компонентов битума с поверхностью исследуемого наполнителя из высокодисперсных отсевов дробления керамзита наблюдается на ИК-спектрограмме. ИК-спектры образцов битума после взаимодействия с образцами отсевов дробления керамзита характеризуются снижением интенсивности соответствующих пиков, что свидетельствует об уменьшении количества нафтеновых (875, 675 см-1) и ароматических (1600 см-1) соединений, а также парафино-нафтено-вых углеводородов (2850-2930 см-1). Взаимодействие компонентов битума с поверхностью частиц известнякового минерального порошка происходит аналогичным образом.
Результаты исследований адсорбции и десорбции битума на поверхности высокодисперсного отсева дробления керамзита и результаты ИК-спектрограмм исследований хорошо согласуются с исследованиями применения минеральных наполнителей на основе кислых пород (перлит, кварцитопесчаник и т. п.) других авторов [1].
Таким образом, на основе проведенных исследований выявлена достаточно высокая интенсивность взаимодействия битумного вяжущего с поверхностью частиц высокодисперсных отсевов дробления керамзита, имеющих кислую химическую природу, и подтверждена возможность их применения в качестве минерального порошка для асфальтобетонов.
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено:
позволяющих учитывать и оценивать зерновой состав, форму и топографию поверхности наполнителей.
ПЯТАЯ МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
ДИМ,КОТТЕДЖ,КВАРТИРА я—--г.Якутска.
> АРХИТЕКТУРА, ДИЗАЙН ИНТЕРЬЕРОВ И ЛАНДШАФТОВ; Союза архитекторов Якутии,
> СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ;
> ВОДА, КЛИМАТИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, ТЕПЛО, ГАЗ, СВЕТ, ВЕНТИЛЯЦИЯ;
> ФАСАДЫ, КРОВЛИ, ОКНА, ДВЕРИ, САНТЕХНИКА; сибэкспосервис
> "УМНЫЙ ДОМ", СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ; iBG^EWICE
> МЕБЕЛЬ, БЫТОВАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ; новосибирск
> БАНИ, САУНЫ, БАССЕЙНЫ; Тел./факс: (383) 335-63-50
> ИПОТЕКА, ЖИЛИЩНОЕ СТРАХОВАНИЕ; E-mail: ses@avmail.ru
> жилая и коммерческая недвижимость. www.ses.net.ru
научно-технический и производственный журнал Q&fffjyTf S JJbrlbJ" 38 июнь 2011 Ы *
