Использование нефтешламов для активации минеральных порошков, входящих в состав асфальтобетонов

Минеральный порошок, несмотря на небольшую концентрацию в составе асфальтобетона, оказывает существенное влияние на структурообразование асфальтового бетона, так как по сравнению с другими компонентами, входящими в состав асфальтобетонов, минеральные порошки обладают развитой реагирующей поверхностью. В результате взаимодействия минерального порошка с битумом происходит образование асфальтовяжущего вещества, от свойств которого зависят основные характеристики асфальтобетона – прочность, плотность, водопоглощение и теплоустойчивость [1-4].

Минеральные порошки представляют собой тонкомолотые порошки различных горных пород, чаще всего в качестве исходной горной породы применяются известняки. В процессе тонкодисперсного измельчения порошков происходят образование большого количества новых поверхностей и, как следствие, резкое увеличение удельной поверхности, благодаря чему порошки переходят в высокоактивное состояние [5, 6]. Если такой порошок не использовать для приготовления асфальтобетона сразу, то свежеобразованные поверхности зерен минерального порошка начинают активную реакцию с каплями воды, содержащейся в воздухе, из-за чего происходит резкое снижение структурирующих свойств минерального порошка.

Одним из путей улучшения свойств асфальтовых бетонов является искусственное изменение свойств реагирующей поверхности минеральных материалов, входящих в их состав. Причем наиболее благоприятным для химической модификации минеральных частиц является момент возникновения новых поверхностей, поскольку в этом случае возможно использовать особое энергетическое состояние, присущее лишь свежеобразованным поверхностям, обладающим высоким энергетическим потенциалом. Таким образом, любой процесс дробления или тонкого измельчения минеральных материалов следует использовать одновременно и для соответствующей физико-химической обработки (активации) получаемых продуктов [7-10].

Модифицирование поверхности зерен минерального порошка путем их обработки поверхностно-активными веществами позволит сблизить молекулярные свойства адсорбционного слоя и среды, которую должен заполнять порошок. Тонкий слой ПАВ, образующийся на поверхности минеральных зерен в процессе активации, представляет собой структурно-механический барьер, одновременно выполняющий несколько функций: улучшает смачиваемость частиц минерального порошка битумом, препятствует образованию агрегатов в структуре асфальтобетона, препятствует избирательной фильтрации компонентов битума в поры зерен минерального порошка, придает поверхности зерен минерального порошка гидрофобные свойства, предотвращает накапливание влаги в минеральных зернах. Соответственно, применение активированных минеральных порошков в асфальтовых бетонах может существенно повлиять на важнейшие структурно-механические свойства последнего [2, 11].

В качестве поверхностно-активного вещества в исследовании были использованы нефтяные шламы - сложные физико-химические смеси, состоящие из нефтепродуктов, механических примесей (глины, окислов металлов, песка) и воды [12, 13].

При смешивании битума с частицами минерального порошка под действием сил межмолекулярного взаимодействия происходит расслоение битума на асфальтеновую и мальтено-вую части. Масла и смолы (мальтеновая часть битума) ввиду меньшего размера молекул проникают вглубь зерен минерального порошка, а асфальтены адсорбируются на их поверхности. Благодаря этому происходит переход битума из объемного состояния в состояние тонких пленок (структурированное состояние) [14].

Похожий механизм предполагается и при взаимодействии нефтяных шламов с частицами минерального порошка. Благодаря заполнению внутренних пор зерен минерального порошка маслами и смолами при приготовлении асфальтобетонных смесей возможно уменьшение количества используемого битума.

Исходя из этого, для определения возможной активирующей способности нефтяных шламов по отношению к минеральному порошку необходимо знать групповой состав активатора, т.е. содержание в нем асфальтенов, масел и смол (табл.).

Таблица

Групповой состав нефтяного шлама

Асфальтены	Масла	Смолы
2,53 %	57,17%	40,30%

Из теории структурообразования в асфальтобетоне [15-17] следует, что наличие большого количества масел в поверхностно-активном веществе позволит заполнить маслами внутренние поры зерен минерального порошка, что в конечном счете приведет к сокращению количества необходимого для приготовления асфальтобетонной смеси битума. При этом наличие на поверхности зерен минерального порошка небольшого количества асфальтенов увеличит силы адгезии битума к активированному минеральному порошку.

Для активации поверхности зерен минерального порошка применялся метод совместного помола минерального порошка и поверхностно-активного вещества в шаровой мельнице. Минеральный порошок предварительно высушивался до постоянной массы, поверхностно-активные вещества подвергались обезвоживанию. Для лучшего взаимодействия минерального порошка и поверхностно-активного вещества перед загрузкой в помольный барабан производился их нагрев до 100°С, также подвергались нагреву и шары, используемые в процессе помола. На рисунке 1 представлены образцы исходного минерального порошка и порошков, подвергнутых физико-химической активации.

а                                                   б

Рисунок 1 - Образцы минеральных порошков: а - исходный минеральный порошок; б - минеральный порошок, активированный нефтешламом

Анализ микрофотографий минеральных порошков (рис. 2) показал, что частицы порошков имеют неправильную форму с большим количеством углов и граней. Известно, что при прочих равных условиях в порошках с частицами кубовидной формы по сравнению с шаровидными частицами, удельная поверхность смеси возрастает на 40%, а с частицами тетраэдрической формы - на 140% [17]. Кроме того, сравнение микрофотографий минеральных порошков при увеличении в 5000 раз показало наличие ПАВ на поверхности частиц минеральных порошков, подвергнутых активации: практически отсутствуют мелкоагрегированные частицы, поверхность частиц гладкая. Также во время изучения поверхности частиц минеральных порошков на электронном микроскопе наблюдался эффект расплавления ПАВ под действием пучка электронов.

а

б

Рисунок 2 - Образцы минеральных порошков: а - исходный минеральный порошок; б - минеральный порошок, активированный нефтешламом

ИК-спектры, представленные на рисунке 3, свидетельствуют о том, что в спектрах активированных минеральных порошков появляется полоса поглощения в диапазоне от 2800 до

3000 см-1 с двумя максимумами в точках 2840 и 2920 см-1. Данная область поглощения соответствует С-Н валентным колебаниям и свидетельствует об адсорбции молекул поверхностноактивных веществ на поверхность зерен минерального порошка, т.е. о хемосорбционных процессах, происходящих на поверхности зерен минеральных порошков.

Отсутствие на ИК-спектрах полос поглощения воды (3450-1, 1640 см-1) свидетельствует о правильно выбранном способе подготовки исходных материалов и их последующей активации.

Уменьшение интенсивности полосы поглощения в интервале 2280-2400 см-1 после взаимодействия битума с минеральными порошками из местного минерального сырья указывает на колебания диоксида углерода (как примеси из атмосферы) [18, 19]. Поэтому нет оснований рассматривать данную полосу как доказательство образования химических связей.

Рисунок 3 - ИК-спектры минеральных порошков:

1 - исходный минеральный порошок; 2 - минеральный порошок, активированный нефтешламом

Заключение

Таким образом, доказано, что минеральные порошки, подвергнутые физико-химической активации путем совместного помола с поверхностно-активными веществами, будут оказывать лучшее структурирующее воздействие на битум по сравнению с неактивированными порошками. В результате активации мальтеновая часть нефтяных шламов заполнит полости и поры зерен минерального порошка, благодаря чему их поверхность приобретет гидрофобные свойства, а асфальтеновая часть позволит улучшить силы межмолекулярного взаимодействия между каменным материалом и битумом. Из анализа микрофотографий следует, что поверхность зерен минерального порошка полностью покрыта поверхностно-активным веществом, а ИК-спектры доказывают наличие хемосорбционных процессов на поверхности зерен минерального порошка.