Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

Изобретение относится к области дорожного строительства, а именно к производству дорожно-строительных материалов, и может быть использовано при устройстве и ремонте покрытий автомобильных дорог.

Известна битумоминеральная композиция [пат. РФ №2324667, МПК С04В 26/26, С04В 14/12; опубл. 20.05.2008], включающая битумное вяжущее и пористый минеральный заполнитель - керамзитовый песок фракции 0,14-5,00 мм и минеральный наполнитель. В качестве минерального наполнителя содержит пористый минеральный наполнитель - керамзитовую пыль фракции менее 0,14 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: битумное вяжущее - нефтяной дорожный битум - 12,0-13,0; керамзитовый песок фракции 0,14-5,00 мм - 66,0-70,0; керамзитовая пыль - остальное.

Известна битумоминеральная композиция, включающая вяжущее - нефтяной дорожный битум, минеральный заполнитель - дробленый песок из плотных горных пород фракций 0,16-5,00 мм и минеральный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве минерального наполнителя содержит смесь отсевов дробления керамзита фракций менее 0,16 мм и известнякового минерального порошка при следующем соотношении компонентов, мас.%: битумное вяжущее - нефтяной дорожный битум 7,0-7,8; дробленый песок из плотных горных пород 73,7; минеральный наполнитель - отсевы дробления керамзита 7,3-7,5; известняковый минеральный порошок - остальное [заявка №2010121257 от 25.05.2012, МПК С04В 26/26; опубл. 27.11.2011].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ приготовления асфальтобетонной смеси [пат. РФ №2336240, МПК С04В 26/26; опубл. 20.10.2008], заключающийся в том, что в качестве вяжущего берут битумно-вермикулитовую композицию, которую получают путем обжига тонкомолотой породы из группы гидрослюд, отделением вспученного вермикулита фракции 0,6-1 мм, смешиванием с минеральным порошком, щебнем, кварцевым песком и разогретым битумом. Тонкомолотую породу из группы гидрослюд обжигают совместно с минеральным порошком, в качестве которого берут мелкодисперсный немолотый кварцевый песок - отход угледобычи с фракцией менее 0,315 мм и фракцией 0-0,07 мм после обжига - 70-72 мас.%, причем в его состав дополнительно вводят до недостающего примеси пылевидного известняка 2,5-3,5 мас.% (в пересчете на СаО) от массы обожженного кварцевого песка, щебень берут из известняка, вспученного вермикулита 1,4-1,6 мас.% от массы вяжущего и обожженного кварцевого песка 9,4-9,9 мас.%.

Общими недостатками данных технических решений является то, что они направлены на применение конкретных материалов и отходов промышленности, имеющих локальное распространение и ограниченные запасы и, кроме того, находящих широкое применение для производства других видов строительных материалов и в других отраслях промышленности в целом. Стоит отметить, что для получения керамзита и вспученного вермикулита требуются значительные затраты топлива для обеспечения температуры обжига ≥1000°С, необходимой для вспучивания, что значительно повышает стоимость минерального порошка на основе данных материалов.

К недостаткам последнего аналога (прототипа) также следует отнести применение дополнительных технологических операций при получении битумоминеральной композиции.

Заявляемое изобретение направлено на расширение номенклатуры сырьевых материалов для производства наполнителей асфальтовяжущего за счет применения широко распространенного сырья, к которому относятся алюмосиликатные породы осадочной толщи.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения минерального порошка для асфальтобетонной смеси термическую обработку нетрадиционного сырья, представляющего собой полиминеральные алюмосиликатные породы, осуществляют при температуре 500-600°С, а полученные продукты диспергируют для получения тонкодисперсных наполнителей.

Возможность получения наполнителей битумоминеральных композиций изучали на примере алюмосиликатных пород палеозойских, нижнемезозойских, верхнемеловых и кайнозойских отложений Южного Урала, приуроченных к угленосным пластам. Эти породы не удовлетворяют требованиям нормативных документов в качестве сырья для производства вяжущих и керамических материалов, и их не рассматривают как полезные ископаемые, запасы их не утверждены Государственной комиссией по запасам полезных ископаемых. Взятые образцы представляют собой преимущественно глинистые образования (пробы №6, 7), а также полиминеральные породы с включениями кремнистых органогенных остатков (проба №4, 5) и примесями углистого вещества (пробы №1-3) (табл.1).

Исходя из минерального и химического составов все пробы можно условно разделить на 2 группы, отличающиеся численным соотношением Al₂O₃/SiO₂. Учитывая состав и особенности исследуемых пород, можно выделить 4 подгруппы (см. табл.1): с высоким соотношением Al₂O₃/SiO₂ с примесями углистого вещества (пробы №1-3); с высоким соотношением Al₂O₃/SiO₂ преимущественно глинистого состава (№6, 7); с низким соотношением Al₂O₃/SiO₂ преимущественно глинистого состава (№4); с низким соотношением Al₂O₃/SiO₂ с высоким содержанием опала (№5).

Алюмосиликатное сырье представляет собой агрегаты из высокодисперсного вещества, имеющего высокую размолоспособность, которая зависит от минерального состава.

Особенности минерального состава пород осадочной толщи, заключающиеся в значительном содержании слоистых алюмосиликатов, отрицательным образом влияют на физико-механические характеристики асфальтовых вяжущих, наполненных исходными минеральными порошками (табл.2). В частности прочность при насыщении водой снижается на 39-55%. Наличие гидрофильной глинистой составляющей также объясняет высокие значения набухания образцов (от 9,3 до 19,4%). Таким образом, установлены численные значения физико-механических характеристик асфальтовяжущего на минеральных порошках из исходного алюмосиликатного сырья осадочной толщи, которое, как известно, оказывает негативное влияние на свойства. Наличие органических примесей в виде углистого вещества значительно повышает водостойкость асфальтовяжущего, однако несколько ухудшает показатели набухания.

В связи с вышеизложенным, задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования алюмосиликатных пород осадочной толщи в качестве минеральных порошков для асфальтовяжущих путем снижения гидрофильности глинистых минералов и увеличения адсорбционной активности за счет термической обработки. Ожидается, что такая модификация позволит перевести слоистые алюмосиликаты различного состава и степени гипергенного преобразования в гомогенизированные по составу и строению сырьевые материалы, обладающие постоянством физико-механических свойств при воздействии воды.

Согласно имеющимся представлениям, при термической обработке материалов должна происходить активация материала, заключающаяся в увеличении, в том числе, его адсорбционной активности. В частности, ранее проведенными исследованиями по изучению процессов адсорбции на гидравлически активных горелых породах Кузбасса и модельных системах с известными химико-минералогическим составом и температурой обжига установлено, что наибольшая величина адсорбции наблюдается у глинистых материалов, обработанных при температуре 500°С, при повышении температуры обжига с 500 до 1000°С она снижается [Книгина Г.И. Строительные материалы из горелых пород / Г.И.Книгина. - М., Стройиздат, 1966. - 208 с.] [1].

В связи с вышеизложенным был выбран интервал обработки 400-600°С и изучались свойства наполнителей, полученных из сырья, обработанного при температурах 400, 500 и 600°С.

Согласно полученным данным, термическая обработка сырьевых материалов вызывает изменение минерального состава и, как следствие, характера поверхности и распределения центров адсорбции. По данным рентгенофазового и ИК-спектроскопического анализов после обработки при температурах 500-600°С происходит трансформация кристаллической структуры слоистых алюмосиликатов, преимущественно каолинита, в каркасные минералы группы цеолитов, в частности фоязита. Это подтверждается тем фактом, что после термического воздействия на данный алюмосиликатный материал происходит существенное уменьшение, вплоть до полного исчезновения, каолинитовой составляющей. За счет этого происходит рост количества скрытокристаллических фаз, значительную часть которых составляют мелкодисперсные каркасные алюмосиликаты.

Таким образом, предложен способ модифицирования некондиционного алюмосиликатного сырья осадочной толщи для получения качественных асфальтовых вяжущих, заключающийся в термической обработке исходных материалов и их последующей механической активации. Изучение состава и характеристик минеральных порошков после разной степени температурного воздействия позволило в качестве оптимальной выбрать температуру 500-600°С. В результате образуются гомогенизированные по составу и строению сырьевые материалы, обладающие структурной стабильностью в присутствии воды.

При меньшей температуре обработки не достигается необходимый эффект по получению продуктов с постоянными физико-механическими свойствами при воздействии воды. Модификация при большей температуре приведет к дополнительным затратам на электроэнергию и топливо, а также появлению других минералов, которые исходя из литературных данных вызывают снижение адсорбционной активности [1].

Перестройка структуры слоистых алюмосиликатов приводит к положительному изменению в показателях физико-механических свойств асфальтовых вяжущих. Максимальный эффект от обработки наблюдается на показателях водостойкости и набухания - коэффициент водостойкости на образцах глинистых материалов возрастает в 1,5-2 раза (рис.1, пробы №4, 6, 7, отношение Al₂O₃/SiO₂=0,14-0,34), а набухание снижается в 3,9-8,8 раз (рис.2). Это становится возможным за счет, во-первых, трансформации глинистых минералов, во-вторых, более высокого сцепления битума с минеральной подложкой, достигаемого благодаря наличию на поверхности модифицированных наполнителей активных центров Льюиса.

В результате термической обработки различногое по минеральному и химическому составам сырья в интервале температур 500-600°С формируются продукты с близкими свойствами, на поверхности которых имеется значительное количество высокореакционных центров. Данное положение подтверждается полученными данными определения физико-механических свойств асфальтовяжущих с применением минеральных порошков из алюмосиликатного сырья, согласно которым показатели водостойкости для всех термически модифицированных наполнителей находится в интервале 0,9-1, а набухание - в интервале 2-3% (рис.1, 2). Описанные характеристики при этом удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 52129-2003.

Необходимо отметить, что термическая обработка ведет к увеличению удельной поверхности минеральных порошков и пористости за счет постепенной дегидратации глинистых минералов, перестройки их структуры и появления высокодисперсных новообразований.

Высокая дисперсность и развитая морфология поверхности частиц минерального порошка из алюмосиликатного сырья, объясняющие в том числе большие показатели битумоемкости и расхода битума, способствуют высокой структурообразующей способности полученных наполнителей. Большое количество контактов между частицами минерального порошка и органического вяжущего способствует переводу битума в структурированное состояние.