Органо-минеральный порошок из осадка сточных вод как модификатор вяжущего асфальтобетона
Автор: Дрозд Геннадий Яковлевич, Бизирка Ирина Ивановна
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Перспективные проекты
Статья в выпуске: 1 (10), 2016 года.
Бесплатный доступ
Приведены экспериментальные результаты по получению композитных вяжущих материалов на основе нефтяного битума и отходов очистки сточных вод - депонированных осадков сточных вод (ОСВ). Исследованы основные физико-механические свойства битума и асфальтобетонов, модифицированных добавками осадков сточных вод и их составляющих. Показано, что органо-минеральный порошок на основе ОСВ можно рассматривать как модификатор асфальтобетона, повышающий долговечность дорожного полотна в условиях повышенных летних температур.
Осадки сточных вод, утилизация, асфальтобетон
Короткий адрес: https://sciup.org/14770135
IDR: 14770135
Текст научной статьи Органо-минеральный порошок из осадка сточных вод как модификатор вяжущего асфальтобетона
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Для кардинального решения проблем экологии и снижения ресурсоемкости производства необходимо обеспечить кругооборот сырья, утилизировать вторичные ресурсы. Это обусловлено, прежде всего, огромными объемами накопленных (депонированных) отходов ОСВ (в Луганской области свыше 200 тыс.т., в Украине около 500 млн.т. [1]).
Такие отходы, будучи крупнотоннажными, характеризуются относительной однородностью химического и физического состава и одинаковым происхождением. Крупнотоннажным потребителем отходов может служить дорожно-строительная отрасль. Битум и минеральный порошок – основные структурообразующие компоненты асфальтобетона предопределяют его свойства и являются достаточно дефицитными материалами. Все дорожные покрытия подвергаются воздействию климатических и эксплуатационных факторов. В результате износа покрытий появляются выбоины, трещины, выкрашивания, колейность и т.п. На ремонт и содержание дорог в стране расходится более 60% всех потребляемых органических вяжущих и минеральных материалов. Поэтому задачей материаловедения является ресурсосбережение как основной источник материального обеспечения дорожного строительства и создание мощной отраслевой индустриальной базы по переработке и использованию техногенных отходов данного типа.
Такие органоминеральные смеси, достаточно сложные по составу, с успехом могут применяться в составах экологически чистых дорожных покрытий, характеризующихся повышенной стойкостью и долговечностью [2].
Анализ последних достижений и публикаций. Наиболее полно вопрос утилизации ОСВ в асфальтобетон освещен в работе [3]. В ней показана возможность использования этого органо-минерального отхода в качестве компонента (аналога минерального порошка) асфальтобетона. При замене минерального порошка на органо-минеральный порошок получается асфальтобетон с высокими физико-механическими свойствами. Остается открытым вопрос, за счет чего ОСВ, являющиеся органо-минеральным веществом конкурирует с чистым минеральным порошком? Ведь нарушаются материаловедческие каноны, предписывающие тщательную очистку минеральных составляющих от органических включений.
Цель работы. Изучить состав ОСВ и влияние его компонентов на свойства асфальтового вяжущего и асфальтобетон.
Материалы и методики исследований. Использовали: а) депонированный в течении 10 лет ОСВ Октябрьских очистных сооружений г. Луганска (соотношение: минеральная часть - 79%; органическая -21%) высушенный при температуре 1050С и измельченный до фракции минерального порошка (≈0,071мм); б) золу после сжигания ОСВ; в) минеральный порошок по ГОСТ Р52129-2003; г) имитатор органического загрязнения - высушенный и измельченный яичный белок; д) органическое вяжущее - битум дорожный БНД 60/90.
Исследовали: свойства асфальтового вяжущего на основе битума с добавками: минерального порошка, органо-минерального порошка (ОСВ), золы от сжигания ОСВ и белкового компонента. Количество добавки каждого компонента к битуму составляло 5, 10, 20, 40, 50%. Изучали пенетрацию по ГОСТ 11501; температуру размягчения по кольцу и шару (ГОСТ 11506) , растяжимость (дуктильность) по ГОСТ 11505, сцепление битума и асфальтового вяжущего со стеклом (ДСТУ Б.В.2.7.-81-98).
Результаты и их обсуждение. Все осадки сточных вод являются органо-минеральным комплексом, образующимся в процессе биологической очистки жидкости с последующим осаждением взвеси. В зависимости от времени хранения количество минеральной части может достигать 80%, а органическая часть представлена трудноокисляемой органикой.
Минеральная составляющая осадков сравнительно хорошо изучена и может быть охарактеризована химическим составом, представленным в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав минеральной части осадков сточных вод [1,4].
|
Хим. состав |
Содержание, % масс. |
|||||
|
Украина |
Россия |
|||||
|
Луганск |
Донецк |
Артемовск |
Новосибирск |
Омск |
Москва |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
SiO 2 |
46,3 |
33,8 |
54,2 |
56,2 |
54,6 |
55,3 |
|
Al 2 O 3 |
10,05 |
8,9 |
9,1 |
12,4 |
9,6 |
12,1 |
|
Na 2 O |
0,8 |
1,8 |
1,5 |
- |
1,7 |
1,2 |
|
K 2 O |
0,95 |
1,0 |
- |
- |
1,75 |
1,3 |
|
CaO |
6,1 |
12,5 |
7,3 |
6,4 |
13,2 |
7,6 |
|
MgO |
1,94 |
3,6 |
4,5 |
4,5 |
3,4 |
3,9 |
|
TiO 4 |
0,4 |
- |
- |
1,8 |
0,7 |
1,7 |
|
MnO |
- |
- |
- |
0,3 |
0,1 |
0,2 |
|
Fe 2 O 3 |
9,25 |
7,2 |
5,7 |
6,0 |
6,8 |
6,5 |
|
SO 3 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,7 |
- |
1,7 |
|
P 2 O 5 |
1,84 |
- |
- |
4,5 |
- |
2,2 |
|
Содержание органических |
21,1 |
47,0 |
41,2 |
60,1 |
60,5 |
59,8 |
|
веществ, (п.п.п.) % |
||||||
Минеральная часть осадков представлена преимущественно алюмосиликатами – монтмориллонитом – (Ca, Mn, Na …)(Al, Mg)2*(OH)2[(Si, Al)4xO10]*n*H2O, каолинитом – Al4(OH)8[Si4*O10], иллитом – (Ca, Mg…)(Mg,Fe2+)*(OH) 2 *[(Si, Al) 4 O 10 ]*4H 2 O; карбонатами – кальцитом CaCO3; кварцем, кремнеземом – SiO2 [3].
Таблица 2 - Физико-механические свойства битумного вяжущего, модифицированного различными добавками
|
Вид добавки |
Температура размягчения, 0 С по кольцу и шару следующих составов: |
|||||
|
Исход-ный битум БНД 60/90 |
Битум + 5% |
Битум + 10% |
Битум + 20% |
Битум + 40% |
Битум + 50% |
|
|
Минераль-ный порошок |
47,5 |
47,5 |
48 |
48 |
54 |
58 |
|
Органо-минеральный порошок (ОСВ) |
47,5 |
48 |
49 |
50,5 |
55 |
59,5 |
|
Зола ОСВ |
47,5 |
48 |
48 |
51 |
54 |
60 |
|
Белок |
47,5 |
49,5 |
50 |
52 |
55 |
61 |
Органическая часть осадка изучена очень слабо ввиду большого разнообразия органических составляющих и по современным представлениям состоит из белково-, жиро-, углеводоподобных веществ в сумме 80-85% и лигнино-гумусового комплекса соединений - 15-20% [5]. Оценим влияние каждого из компонентов осадка на температуру размягчения в сравнении с битумом и минеральным порошком (табл. 2, рис. 1).
В таблице 3 и 4, рис. 2, приведены данные по растяжимости (диктулометрия) и пенетрации модифицированных добавками асфальтовых вяжущих.
Рисунок 2 - Определение растяжимости
Рисунок 1 - Определение температуры размягчения (кольцо и шар)
Таблица 3 - Растяжимость (см) битума и битума, модифицированного добавками при 250С
|
Вид добавки |
Исход-ный битум БНД 60/90 |
Битум + 5% |
Битум + 10% |
Битум + 20% |
Битум + 40% |
Битум + 50% |
|
Минеральный порошок |
94 |
40 |
37 |
27,5 |
22,5 |
14,5 |
|
Органо-минеральный порошок (ОСВ) |
94 |
44 |
40 |
27 |
22 |
14 |
|
Зола ОСВ |
94 |
26 |
22 |
19,5 |
11 |
6 |
|
Белок |
94 |
26 |
13 |
5 |
3 |
2 |
Таблица 4 - Глубина проникновения иглы при пенетрации, *0,1мм при 250С
|
Вид добавки |
Исход-ный битум БНД 60/90 |
Битум + 5% |
Битум + 10% |
Битум + 20% |
Битум + 40% |
Битум + 50% |
|
Минеральный порошок |
59 |
55 |
51 |
47,5 |
40 |
31 |
|
Органо-минеральный порошок (ОСВ) |
59 |
56 |
53 |
47,5 |
38 |
30 |
|
Зола ОСВ |
59 |
51 |
50 |
45 |
34 |
28 |
|
Белок |
59 |
56 |
53 |
46 |
37 |
29 |
Исследование модифицированного асфальтового вяжущего с добавками ОСВ, а также его минеральной и органической составляющей в пределах от 5 до 50% по массе показали, что во всех случаях введение этих добавок независимо от качественного состава уменьшает пенетрацию и растяжимость при 250С и заметно повышает температуру размягчения вяжущего (таблица 2-4). Органическая составляющая ОСВ не ухудшает качество асфальтового вяжущего, вероятно, из сродства к органическому вяжущему – битуму.
В табл. 5 и рис. 3 приведены данные исследований по сцеплению асфальтового вяжущего со стеклом.
Таблица 5 - Сцепление асфальтового вяжущего со стеклом
|
№п/ п |
Состав асфальтового вяжущего |
Ср. значение сцепления вяжущего со стеклом, % (по ДСТУ Б.В.2.7-81-98) |
|
1 |
Битум БНД 60/90 (100%) |
90,17 |
|
2 |
Битум (80%)+ОСВ (20%) |
91,57 |
|
3 |
Битум (50%)+ОСВ (50%) |
92,28 |
|
4 |
Битум (80%)+мин. пор. (20%) |
97,18 |
|
5 |
Битум (50%)+мин. пор. (50%) |
92,67 |
Данные таблицы свидетельствуют о том, что наличие в составе битума порошкового компонента увеличивает степень адгезии асфальтового вяжущего к стеклу, а ОСВ является конкурентом минерального порошка по этому показателю.
Рисунок 3 - Определение сцепления со стеклом
На основе битума БНД 60/90 с добавками минерального порошка и ОСВ с содержанием добавок по 6% масс. были изготовлены и испытаны образцы асфальтобетона (таблица 6).
Таблица 6 - Физико-механические свойства асфальтобетона с различным видом добавок
|
№ п/п |
Состав асфальтобетона (плотный, тип Б) |
>S СП m ^ 2 У o' О m |
1 gm о v m a |
s и к |
Предел прочности, МПа при темпера-туре |
S tr У О S Ё i ^ к |
|
|
20 0 С |
50 0 С |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
1 |
Щебень -35% Отсев дробле-ния щебня – 59% Минеральный порошок – 6% |
2,29 |
1,71 |
0,8 |
6,6 |
2,2 |
0,85 |
|
2 |
Щебень –35% Отсев дробле-ния щебня -59% ОСВ – 6% |
2,28 |
2,93 |
0,13 |
5,6 |
2,9 |
0,91 |
|
Требования ДСТУ Б В.2.7 -119-2003 |
1,5 3,5 |
Не более 0,85 |
2,4 |
1,2 |
Не менее 0,85 |
||
Как следует из таблицы 6, образцы с добавкой 6% ОСВ вместо традиционного минерального порошка соответствуют требованиям ДСТУ и имеют лучшие в сравнении с контрольным составом (с минеральным порошком) прочность при 500С, меньшее набухание и более высокий коэффициент водостойкости.
Выводы.
-
1. Осадки сточных вод можно рассматривать как сырьевой ресурс и заменитель традиционного минерального порошка в дорожностроительной отрасли.
-
2. Органо-минеральный порошок на основе ОСВ можно рассматривать как модификатор асфальтобетона, повышающий долговечность дорожного полотна в условиях повышенных летних температур.
-
3. В структурообразовании такого строительного материала как асфальтобетон, эффективную роль играет, вероятно, наряду с минеральной и органическая составляющая органо-минеральной добавки ОСВ.
Сжигание осадков сточных вод коммунального хозяйства в псевдоожижоном слое каталізатора: Альтернативная энергетика и экология. №6 (86), 2010. – стр. 61-66.
Адрес: 91021, г. Луганск, ул. Андрея Линева, д. 79, кв. 76
Бизирка Ирина Ивановна, ассистент,
Адрес: 91484, г. Луганск, ул. Новая, д. 65
LNR, Lugansk, Institute of building, architecture and dwelling and communal economy
GOU VPO LNR the “Lugansk state university the name of V. Dalya”
LNR, Lugansk, Institute of building, architecture and dwelling and communal economy
GOU VPO LNR the “Lugansk state university the name of V. Dalya”
Список литературы Органо-минеральный порошок из осадка сточных вод как модификатор вяжущего асфальтобетона
- Дрозд Г.Я. Предложения по вовлечению депонированных осадков сточных вод в хозяйственный оборот: Материалы Международного конгресса "ЭТЭВК -2009", -Ялта, 2009. -стр. 230-242.
- Дрозд Г.Я., Бреус Р.В. Утилизация осадков сточных вод в дорожном строительстве: Вiстi автомобiльно-дорожнього iнституту. №1 (8), 2009. -Горлiвка: ДНТУ. -стр. 186-193.
- Бреус Р.В. Зниження об'ємiв накопичених вiдходiв водоочищення -осадiв стiчних вод, шляхом їх утилiзацiї в асфальтобетон: Автореф. дис. к.т.н., Харкiв: УНДIЕП, 2007. -21с.
- Симонов А.Д., Языков Н.А., Трачук А.В., Яковлев В.А. Сжигание осадков сточных вод коммунального хозяйства в псевдоожижоном слое каталiзатора: Альтернативная энергетика и экология. №6 (86), 2010. -стр. 61-66.
- Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. -Москва: АСВ, 2004. -704стр.
