Сергей Анатольевич Чернов — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобильных дорог
34400, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1
РИНЦ AuthorID: 649095, Scopus: 57204526095, ResearcherID: ADF-9841-2022
Sergey A. Chernov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Highways
1 Gagarin sq., Rostov-on-Don, 34400
RSCI AuthorID: 649095, Scopus: 57204526095, ResearcherID: ADF-9841-2022
Евгений Валерьевич Леконцев — кандидат технических наук, руководитель Центра инновационных компетенций
346780, г. Азов, ул. Южная, д. 7
РИНЦ AuthorID: 781914
Evgeny V. Lekontsev — Candidate of Technical Sciences, Head of the Center for Innovative Competencies
7 Yuzhnaya str., Azov, 346780
RSCI AuthorID: 781914
Виктория Сергеевна Шрейнер — ассистент кафедры автомобильных дорог
34400, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1
РИНЦ AuthorID: 1234101
Victoria S. Schreiner — Assistant of the Department of Highways
1 Gagarin sq., Rostov-on-Don, 34400
RSCI AuthorID: 1234101
Александр Владимирович Фукс — кандидат экономических наук, заместитель генерального директора
121205, г. Москва, б-р Большой (Инновационного Центра Сколково), д. 42, стр. 1, эт. 0, пом. 327 РАБ 2
Alexander V. Fuchs — Candidate of Economic Sciences, Deputy General Director
42 Bolshoy Boulevard (Skolkovo Innovation Center), 1 floor, 0 room, 327 ROOM 2, Moscow, 121205
Алексей Игоревич Пискунов — начальник отдела развития продаж и технической поддержки
398040, г. Липецк, пл. Металлургов, д. 2
Alexey I. Piskunov — Head of Sales Development and Technical Support Department
2 Metallurgov sq., 2 Lipetsk, 398040
Введение. Представлены результаты исследования характеристик металлургических шлаков, рассмотрена возможность их применения в органоминеральных смесях для слоев основания дорожной одежды с учетом технологических особенностей их приготовления и показателей эксплуатационных свойств. Тема исследования является актуальной как для отдельных регионов, так и для страны в целом. Количество отходов металлургического производства ежегодно увеличивается и исчисляется сотнями миллионов тонн. Главным направлением снижения отходов производства является их утилизация. Еще большую актуальность данная проблема приобретает на фоне постоянно снижающихся запасов природных материалов, увеличение потребности которых обусловлено высокими темпами развития материального производства и ускорением научно-технического прогресса. Таким образом, применение шлаковых материалов в дорожном строительстве не только поспособствует утилизации отходов, но и позволит решить ряд экологических и экономических задач. Целью исследования является комплексное изучение влияния шлаков черной металлургии на показатели физико-механических и эксплуатационных свойств органоминеральных смесей слоев основания дорожной одежды и обоснование их эффективного применения в дорожном строительстве. Для реализации поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: 1) определить химический анализ исследуемых шлаков и изучить механизм взаимодействия шлаковых материалов с вяжущими; 2) оценить степень влияния шлаковых материалов на физико-механические и эксплуатационные свойства органоминеральных смесей; 3) разработать методику определения накопления остаточных деформаций в органоминеральных смесях и установить закономерности их изменения во времени; 4) определить модуль жесткости и количество циклов до отказа в исследуемых органоминеральных смесях в зависимости от природы происхождения материала. Сталеплавильные шлаки черной металлургии могут способствовать получению органоминеральных смесей, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными показателями свойств, за счет повышенного содержания кальциевых соединений, микропористых сложений кристаллической структуры и активных процессов гидратации, что может оказать благоприятное влияние на долговечность конструктивного слоя дорожной одежды при их применении.
Материалы и методы. Все материалы, используемые в рамках данного исследования, подвергались испытаниям по определению их физико-механических параметров, а материалы, представляющие собой побочные промышленные продукты, дополнительно подвергались химическому анализу. Такой подход позволил оценить соответствие инертных материалов требованиям, предъявляемым в Российской Федерации к исходным материалам для применения их в составе органоминеральных смесей, и выявить критические характеристики материалов, которые могут повлиять на показатели прочностных и эксплуатационных свойств. Применение отходов металлургической промышленности имеет ряд преимуществ перед обычными природными материалами, среди которых низкая экономическая и экологическая стоимость. В качестве отходов металлургической промышленности использовались конверторные и доменные шлаки различной гранулометрии. Для оценки химического состава сталеплавильных шлаков был проведен рентгенофлуоресцентный тест. Определение содержания серы производилось на элементном анализаторе путем сжигания навески образца при температуре 1350 °С. Определение содержания углерода производилось на анализаторе общего органического углерода путем сжигания навески образца при температуре 950 °С. Анализ прочих компонентов проводился на атомно-эмиссионном спектрометре c индуктивно-связанной плазмой после разложения образца пробы смесью неорганических кислот. Для подбора составов органоминеральных смесей на комплексном вяжущем были выполнены исследования по изучению характера взаимодействия органического вяжущего со шлаками. Для оценки эффективности применения исследуемых шлаковых материалов были подобраны оптимальные составы органоминеральных смесей в соответствии с ГОСТ 30491–2012, из которых были изготовлены и испытаны образцы цилиндрической формы для показателей физико-механических свойств, а также образцы-плиты и образцы-балочки для показателей эксплуатационных свойств. При проведении экспериментальных исследований применялось универсальное устройство для испытания на сжатие и изгиб Unifame 70-ТО108E и пресс испытательный. Оценка степени устойчивости образцов из органоминеральных смесей к накоплению остаточных деформаций осуществлялась на приборе динамических испытаний (патент № RU 152287 U1) в соответствии с разработанной для этих целей методикой испытаний. Для оценки показателей эксплуатационных свойств по модулю жесткости и количеству циклов до отказа и водостойкости выполнена адаптация методологии испытаний, применяемой для оценки качества свойств асфальтобетонов, с учетом технологических условий, характерных для органоминеральных смесей. Для этих целей использовался прибор CRT-RC-H2, имитирующий работу катка, и прибор СRT-SA4PT-BB, представляющий собой серво-пневматическую систему, подающую на образец-балочку синусоидальную нагрузку с постоянной деформацией и частотой.
Результаты исследования. Проанализирован химический и элементный состав шлаковых материалов, на основании которого определены основные направления возможности применения отходов металлургической промышленности в дорожной отрасли. Изучен механизм взаимодействия шлакового щебня и песка с вяжущими. Установлено, что применение сталеплавильных шлаков позволяет повысить показатели прочностных и эксплуатационных свойств органоминеральных смесей. Разработаны условия испытаний и апробирована методика оценки водостойкости образцов из органоминеральной смеси по пределу прочности при непрямом растяжении, модулю жесткости и количеству циклов до отказа. Предложен метод оценки устойчивости органоминеральных смесей к накоплению остаточных деформаций на приборе динамических испытаний и установлена зависимость изменения показателя во времени. По результатам экспериментальных исследований подтверждена целесообразность, экономическая и экологическая эффективность применения отходов металлургической промышленности в слоях основания конструкции дорожной одежды.
Выводы. Выполнен химический анализ сталеплавильных шлаков, отмечены их положительные стороны и изучен механизм их взаимодействия с вяжущими. Сталеплавильные шлаки черной металлургии позволили получить органоминеральные смеси с повышенными показателями физико-механических и эксплуатационных свойств относительно аналогичных смесей из природных минеральных материалов. Впервые в рамках экспериментальных исследований получены фактические значения эксплуатационных свойств по показателям «остаточные деформации», «модуль жесткости» и «количество циклов до отказа» в органоминеральных смесях из природных и шлаковых материалов, что может быть использовано при принятии проектных решений. Применение органоминеральных смесей из шлаковых материалов в слоях основания на 30–35 % замедляет процессы накопления остаточных деформаций относительно аналогичных смесей из природных минеральных материалов, что позволяет продлить срок службы конструктивного слоя дорожной одежды.
Introduction. The results of research of metallurgical slags characteristics are presented, the possibility of their application in organomineral mixtures for pavement base layers is considered, taking into account technological features of their preparation and indicators of operational properties. The research topic is relevant both for individual regions and for the country as a whole. The amount of waste from metallurgical production increases annually and is estimated in hundreds of millions of tons. The main direction of reducing production waste is their disposal. This problem is becoming even more urgent against the background of constantly decreasing reserves of natural materials, the increase in demand for which is due to the high rates of development of material production and the acceleration of scientific and technological progress. Thus, the use of slag materials in road construction will not only contribute to waste disposal, but will also solve a number of environmental and economic problems. The aim of the research is a comprehensive study of the influence of ferrous metallurgy slags on the physical, mechanical and operational properties of organomineral mixtures of pavement base layers and substantiation of their effective application in road construction. To achieve this goal, it is necessary to perform the following tasks: 1) to determine the chemical analysis of the studied slags and to study the mechanism of interaction of slag materials with binders; 2) to assess the degree of influence of slag materials on the physical, mechanical and operational properties of organomineral mixtures; 3) to develop a methodology for determining the accumulation of residual deformations in organomineral mixtures and to establish patterns of their change over time; 4) to determine the modulus of stiffness and the number of cycles to failure in the studied organomineral mixtures, depending on the nature of the origin of the material. Steelmaking slags of ferrous metallurgy can contribute to the production of organomineral mixtures with increased physical, mechanical and operational properties due to the increased content of calcium compounds, microporous additions of the crystal structure and active hydration processes, which can have a beneficial effect on the durability of the structural layer of the pavement when used.
Materials and methods. All materials used in this study were subjected to tests to determine their physical and mechanical parameters, and materials representing industrial by-products were additionally subjected to chemical analysis. This approach made it possible to assess the compliance of inert materials with the requirements imposed in the Russian Federation for starting materials for their use in organomineral mixtures, and to identify critical characteristics of materials that can affect the strength and performance properties. The use of waste from the metallurgical industry has a number of advantages over conventional natural materials, including low economic and environmental costs. Converter and blast furnace slags of various granulometry were used as waste products of the metallurgical industry. An X-ray fluorescence test was performed to assess the chemical composition of steelmaking slags. The sulfur content was determined on an elemental analyzer by burning a specimen at a temperature of 1350 °C. Carbon content was determined on a total organic carbon analyzer by burning a specimen at a temperature of 950 °C. The analysis of other components was carried out on an atomic emission spectrometer with inductively coupled plasma after decomposition of the specimen with a mixture of inorganic acids. To select the compositions of organomineral mixtures based on a complex binder, studies were carried out to study the nature of the interaction of an organic binder with slags. To assess the effectiveness of the use of the studied slag materials, optimal compositions of organomineral mixtures were selected in accordance with GOST 30491–2012, from which cylindrical specimens were made and tested for indicators of physical and mechanical properties, as well as plate specimens and beam specimens for performance properties. During the experimental studies, a universal device for compression and bending testing, Unifame 70-TO108E, and a test press were used. The degree of stability of specimens from organomineral mixtures to the accumulation of residual deformations was assessed using a dynamic testing device (patent No. RU 152287 U1), in accordance with the test procedure developed for this purpose. To assess the performance parameters in terms of modulus of rigidity and the number of cycles to failure and water resistance, the test methodology used to assess the quality of asphalt concrete properties was adapted, taking into account the technological conditions characteristic of organomineral mixtures. For these purposes, the CRT-RC-H2 device was used, simulating the operation of a roller, and the CRT-SA4PT-BB device, which is a servo-pneumatic system that supplies a sinusoidal load with constant deformation and frequency to the specimen beam.
Research results. The chemical and elemental composition of slag materials is analyzed, on the basis of which the main directions of the possibility of using metallurgical industry waste in the road industry are determined. The mechanism of interaction of slag gravel and sand with binders was studied. It was established that the use of steelmaking slags makes it possible to increase the strength and performance properties of organomineral mixtures. Test conditions were developed and a method for evaluating the water resistance of specimens from an organomineral mixture according to the tensile strength under indirect tension and resistance to the accumulation of residual deformations was tested. A method for assessing the stability of organomineral mixtures to the accumulation of residual deformations on a dynamic test device is proposed and the dependence of the change in the indicator over time is established. According to the results of experimental studies, the expediency, economic and environmental efficiency of using waste from the metallurgical industry in the layers of the base of the pavement structure was confirmed.
Conclusions. A chemical analysis of steelmaking slags was performed, their positive sides were noted and the mechanism of their interaction with binders was studied. Steelmaking slags of ferrous metallurgy made it possible to obtain organomineral mixtures with increased physical, mechanical and operational properties relative to similar mixtures of natural mineral materials. For the first time, within the framework of experimental studies, the actual values of operational properties were obtained in terms of “residual deformations”, “modulus of rigidity” and “number of cycles to failure” in organomineral mixtures of natural and slag materials, which can be used in making design decisions. The use of organomineral mixtures of slag materials in the base layers slows down the accumulation of residual deformations by 30–35 % relative to similar mixtures of natural mineral materials, which makes it possible to extend the service life of the structural layer of the pavement.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.