Разработка жестких покрытий карьерных дорог с применением активированной резиновой крошки

Аннотация

А.А. Христофорова, С.Э. Филиппов, И.Н. Гоголев

Переход ряда месторождений в разряд сверхглубоких обуславливает необходимость вести добычу ниже проектного дна карьера с использованием крутонаклонных съездов. Одной из основных проблем при этом является создание прочной и долговечной основы дорожного покрытия и обеспечение его надежного сцепления с шинами автосамосвалов.
В статье представлены результаты разработки состава одежды карьерных дорог с применением в покрытии резиновой крошки из отходов шин. Показана перспективность применения резиновой крошки из отходов шин для создания дорожных покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами, что позволяет рекомендовать их составы для строительства наиболее ответственных технологических дорог, в т.ч. крутонаклонных, на горнодобывающих предприятиях.
Ключевые слова: карьерные дороги, крутонаклонные съезды, асфальтобетон, резиновая крошка, механоактивация, модификация

25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая, строительная)

По мере повышения материалоемкости производства большими темпами происходит истощение минерально-сырьевой базы полезных ископаемых. Для горнодобывающих предприятий наиболее остро встают проблемы увеличения глубины горных работ, вовлечения в разработку полезных ископаемых, залегающих в более сложных горногеологических и экономико-географических условиях и перехода некоторых карьеров в разряд сверхглубоких. Опыт открытой отработки коренных месторождений алмазов показывает, что глубину практически всех отрабатываемых карьеров неоднократно пересматривали в сторону ее увеличения. В ходе исследований было установлено, что предельная глубина открытых горных работ для крупных кимберлитовых карьеров может достигать 850 м. Максимально полно использовать геометрическое пространство карьера и увеличить глубину отработки месторождения возможно, если создать в нижней части карьера, приближающегося к проектной глубине, зону интенсивной углубки с близкими к предельным по устойчивости углами откоса рабочих и нерабочих бортов [1,2].
Одной из основных проблем при этом является создание прочной и долговечной основы дорожного покрытия и обеспечение его надежного сцепления с шинами автосамосвалов. В большей степени качество асфальтобетона определяется свойствами применяемого вяжущего – битума. Применяемые в настоящее время дорожные битумы не отвечают всем требованиям по качеству, по этой причине в стране поводятся исследовательские работы по модификации вяжущего разного рода добавками.
Резиновая крошка является перспективным модификатором дорожных битумов, что определяется органическим сродством с компонентами битума, так же ее применение позволяет предотвратить «выпотевания» битума из покрытия при высоких температурах воздуха. Эксплуатационные факторы, являющиеся основой для решения применять резину в асфальтобетонных покрытиях следующие: снижение затрат на содержание и ремонт дорожного полотна, повышение эксплуатационных характеристик за счет снижения пылеобразования и повышения сцепления шин с покрытием, и, что немаловажно, возможность утилизации и переработки отработанных покрышек (экологический фактор) [3,4].
Основной задачей настоящих исследований является разработка технологических принципов механоактивационного способа производства дорожно-строительных материалов, а также выявление возможности их применения при устройстве верхних конструктивных слоев дорожных одежд технологических дорог горнодобывающих предприятий, в т.ч. покрытий крутонаклонных дорог нижних горизонтов карьеров.
Для повышения структурной активности резиновой крошки в дорожном битуме была проведена предварительная (перед введением в битум) механоактивация резиновой крошки на планетарной мельнице АГО-2 (рис. 1) при соотношении «масса крошки» : «масса шаров» 1:15 в течение 2 минут. Режим выбран на основании ранее проведенных работ [5,6].
Планетарная мельница АГО-2 представляет собой машину типа барабанных шаровых мельниц (рис. 1).

Рис. 1. Схема планетарной мельницы АГО-2: 1 — корпус; 2 — направляющая; 3 — барабан; 4 — водило; 5 — крышка мельницы; 6 — сливной патрубок; 7 — шкив; 8 — уплотнительное устройство (манжета); 9, 13 — каналы; 10 — трубопровод; 11 — обойма; 12 —карман.

Основными составными элементами мельницы являются: 1- корпус, 2 -помольные барабаны, водила –3,  трубопровода –4, для подачи воды в карманы гидроподшипников. Внутри барабанов имеются стальные шары, которые играют роль своеобразных «ножей». При вращении барабанов вокруг общей и планетарной осей мельницы, возникает не только ударное воздействие, но и фрикционное взаимодействие между шарами и измельчаемым материалом, что приводит к высвобождению огромного количества механической энергии. Образованная  механическая энергия лишь частично расходуется на увеличение удельной поверхности диспергируемого материала и в большей степени приводит к   повышению внутренней энергии вещества.
Мельницы-активаторы такого типа, обеспечивают очень высокий уровень энергетического воздействия на материал (до 60g). В качестве воздействующих тел использованы стальные  шары диаметром 8 мм.  Использовались барабаны объемом ~150 см³, в которые на 1/3 объема загружались шары, на 1/3 исследуемый объект и оставшаяся 1/3 составляло свободное пространство. Такая загрузка соответствует ударно-истирающему режиму работы и обеспечивает максимальное воздействие мелющих тел на исследуемый объект [7].
В качестве минеральной части асфальтобетонной смеси были рассмотрены

• Щебень и отсев из плотных горных пород соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 3344. Фракционный состав минеральной части асфальтобетонной смеси для изготовления образцов представлен в таблице 1.

Таблица 1- Фракционный состав минеральной части асфальтобетонной смеси

Для приготовления смесей применялся битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130 соответствующий ГОСТ 22245.
Резиновая крошка была получена измельчением отработанных шин на режущей мельнице фирмы «Fritch». Размер использованных сит составляют 0,25; 0,50 и 0,75мм.
В таблице 2 приведены результаты исследований основных физико-механических характеристик модифицированных асфальтобетонов.

Таблица 2- Зависимость физико-механических свойств асфальтобетона от дисперсности активированной (а) и неактивированной (на) резиновой крошки (РК)

где, p_m,- средняя плотность уплотненного материала, p^M_m – средняя плотность минеральной части, V^M –пористость минеральной части, V⁰ – остаточная пористость, W – водонасыщение, R_сж – предел прочности при сжатии, R_p – предел прочности на растяжение при расколе.

Видно, что средняя плотность уплотненной смеси и минеральной части при добавлении РК 0,25 мм повышается, при использовании активированной резиновой крошки происходит еще большее увеличение показателей. Для других вариантов наполнения происходит некоторое снижение плотности.
Пористость минеральной части, остаточная пористость и водонасыщение косвенно отражает морозостойкость материала. В порах происходит кристаллизация сорбированной или (и) удерживаемой капиллярными силами воды, чем меньше пористость и водонасыщение, тем больше циклов попеременного замораживания и оттаивания выдержит материал. Улучшение перечисленных показателей наблюдается для образцов, модифицированных резиновой крошкой дисперсностью 0,25 и 0, 5 мм. В случае механоактивированной резиновой крошкой улучшение показателей составляет 40%.
Для дорожно-строительных материалов важное значение имеют такие характеристики, как прочность и деформативность. Исследования зависимости влияния дисперсности резиновой крошки на прочностные характеристики показали, что при использования резиновой крошки, полученной с применением сита 0,75 мм, не происходит улучшения свойств, в случае применения крошки дисперсностью 0,5 мм повышение предела прочности при сжатии достигает 18%, дисперсностью 0.25 мм - 25%. Таким образом, с уменьшением размера крошки свойства модифицированных ею асфальтобетонов улучшаются.
Проведенные исследования позволяют заключить, что для модификации дорожных битумов следует применять резиновую крошку дисперсностью 0,25 мм, активированную при помощи планетарной мельницы.
Наиболее важной характеристикой материала для крутонаклонных дорог, является сцепление шин с поверхностью дорожного покрытия. Коэффициент сцепления определяли с помощью измерителя ИКСП-М [8], предназначенного для измерения показателя при строительстве и ремонте автомобильных дорог, периодическом и текущем контроле состояния дорожных покрытий. Видно, что коэффициент сцепления с дорогой на сухом и влажном асфальтобетоне, модифицированном резиновой крошкой, соответственно выше на 40% и 18% по сравнению с базовым асфальтобетоном.

Таблица 3 - Коэффициент сцепления дороги дорожных конструкций в зависимости от состава дорожного покрытия

На основании проведенных исследований показана перспективность применения резиновой крошки из отходов шин для создания дорожных покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами, что позволяет рекомендовать их составы для строительства наиболее ответственных технологических дорог на горнодобывающих предприятиях, в т.ч. крутонаклонных.

Литература

1. Заровняев Б.Н., Гоголев И.Н., Акише Н.А. Новые способы и методы формирования рабочей зоны глубоких карьеров [Текст] // Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: Сборник тезисов докладов Международной конференции; Институт «Якутнипроалмаз». Мирный, 2011. С.31-32.
2. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Лукичев С.В. / Новая концепция разработки месторождений глубокими карьерами [Текст] // Горный журнал. – 2009.-№11.-С.7-11.
3. Смирнов Н.В. Некоторые характеристики резиновой крошки, используемой в составе композиционных вяжущих для дорожных асфальтобетонов[Текст]  //Химическая техника. – 2003. - №3.
4. Лаврухин В.П., Калгин Ю.И. Свойства асфальтобетонов на модифицированных битумах[Текст]  //Наука и техника в дор. отрасли. -2002. -№ l. - С. 14-17.
5. Христофорова А.А., Соколова М.Д. Механоактивационный способ обработки измельченных вулканизатов [Текст] //Химия в интересах устойчивого развития 17 (2009), №4 С 435-438.
6. Христофорова А.А., Соколова М.Д., Попов С.Н. Влияние режима механоактивации резиновой крошки на важнейшие эксплуатационные свойства уплотнительных резин [Текст] //Материалы. Технологии. Инструменты. Т. 13 (2008), №1 С.73-76
7. Зеленков С.Ф. Изучение зависимости процесса измельчения от степени заполнения барабана мельницы шламом [Текст] // Энергосберегающие технологии в дорожной и строительной технике : Межвуз. сб. статей. - Белгород, 2002. - С. 76-78. РЖХ 02.22-19И.182.
8. Измеритель коэффициента сцепления портативный ИКСп-м [Электронный ресурс] – режим доступа:  http://www.rdt.ru/node/106/