АР15473081 «Разработка комплексной технологии производства дорожно-строительных материалов на основе отходов доменного производства»

Доменный шлак – отход, образующийся при выплавке чугуна. Часть жидкого доменного шлака подвергается грануляции и используется для производства шлакопортландцемента. Однако значительный объем доменного шлака (около 300 млн. тонн в год во всем мире) накапливается в отвалах, требующих утилизации. Отвальный доменный шлак применяется для производства дорожно-строительного шлакового щебня. Шлаковый щебень гораздо дешевле природного щебня, но отличается неоднородностью по прочности, высоким водопоглощением (6-8%) и низкой морозостойкостью.

Идея проекта состоит в повышении физико-механических характеристик шлакового щебня за счет обогащения (сортировки) по прочности зерен и пропитки более прочных зерен, пригодных для дорожного строительства, водоотталкивающим составом (гидрофобизации).

Комплексное использование шлакового щебня при возведении дорожных оснований и шлакопортландцемента для дорожных покрытий уменьшит себестоимость строительства автодорог, снизит экологическую нагрузку за счет утилизации шлаковых отвалов и сохранит запасы природных материалов.

1) Кунаев Вячеслав Александрович – PhD, директор Департамента науки, инноваций и международного сотрудничества, руководитель проекта.

Scopus ID: 57200448577  

ResearcherID: AAR-2188-2020 

https://orcid.org/0000-0001-8283-7186.

2) Базаров Бауржан Ануарханович – д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Строительство», научный консультант.

Scopus ID: 36913827300  

ResearcherID: IVS-8148-2023  

https://orcid.org/0000-0002-8535-5446

В рамках реализации проекта будут выполнены исследования взаимовлияния физико-механических характеристик щебня на основе доменного шлака (насыпной плотности, водопоглощения, морозостойкости), получены уравнения аппроксимации результатов экспериментов и оценена корреляционная связь данных параметров.

Будет установлен комплекс требований и разработаны технические задания на проектирование оборудования для гидрофобизации и обогащения по прочности дорожно-строительного щебня на основе доменного шлака.

Будет разработана технология повышения физико-механических характеристик щебня на основе доменного шлака путем комплексной обработки с применением методов гидрофобизации и обогащения по прочности зерен, изготовлена опытная партия образцов обогащенного щебня на основе доменного шлака, обладающего повышенной прочностью и морозостойкостью, а также проведены лабораторные испытания полученных образцов.

Будут опубликованы 2 статьи в журналах из первых трех квартилей с импакт-фактором в базе данных Web of Science или имеющем процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 и 4 статьи в рецензируемых зарубежных или отечественных изданиях, рекомендованных КОКСОН.

Будет получен 1 патент на полезную модель по результатам исследований.

Тезисы доклада по результатам исследований будут отправлены на международные конференции.

Результаты исследований будут внесены в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом.

1) По результатам проведенного критического анализа оборудования и перспективных технологий обогащения нерудных дорожно-строительных материалов на основе промышленных отходов установлено морфологическое множество средств механизации и технологических процессов сортировки дорожно-строительного щебня на основе промышленных отходов по прочности зерен.

2) Были подготовлены опытные пробы шлакового щебня с различной насыпной плотностью (от 1086,6 кг/м3 до 1426,9 кг/м3). Проведены испытания подготовленных проб шлакового щебня на водопоглощение, морозостойкость и прочность. Выполнена математическая обработка экспериментальных данных (с применением метода корреляционного анализа), позволившая оценить степень влияния насыпной плотности проб разнопрочных образцов шлакового щебня на их физико-механическая характеристики.

3) Получены уравнения аппроксимации, взаимосвязывающие физико-механические характеристики щебня на основе доменного шлака (водопоглощение, морозостойкость, прочность, насыпная плотность). На основе полученных уравнений аппроксимации построена математическая модель, описывающая взаимосвязь перечисленных параметров.

4) Для пропитки предложено использовать установку для гидрофобизации шлакового щебня. Установлены основные требования к конструкции лабораторной установки для гидрофобизации шлакового щебня. Определены основные этапы и подготовлена технологическая карта процесса гидрофобизации шлакового щебня.

5) Выполнена экспериментальная оценка влияния температуры, консистенции водоотталкивающего состава и времени пропитки шлакового щебня на его водопоглощение.

6) Выполнена математическая обработка экспериментальных данных (с применением методов аппроксимации и корреляционного анализа), позволившая оценить степень влияния параметров гидрофобизации (время пропитки и температура водоотталкивающего состава) на водопоглощение материала. Результаты обработки экспериментальных данных представлены в виде математической модели  технологического процесса гидрофобизации шлакового щебня.

7) Определен оптимальный состав и параметры оборудования для пропитки шлакового щебня водоотталкивающим составом. На основе этих данных разработано техническое задание на проектирование опытной установки для гидрофобизации щебня на основе металлургических отходов.

8) В программной среде КОМПАС-3D разработана 3D-модель опытной конструкции оборудования для гидрофобизации шлакового щебня.

9) Проведены экспериментальные исследования по обогащению шлакового щебня по плотности зерен разными способами: методом избирательного дробления и методом разделения по фрикционным характеристикам. На основании установленных эмпирических зависимостей разработана математическая модель, описывающая корреляционную взаимосвязь параметров технологического процесса обогащения щебня на основе доменного шлака с его физико-механических характеристиками.

10) Эмпирически установлены требования к параметрам технологического процесса и оборудования (лабораторной шаровой мельницы) для обогащения шлакового щебня методом избирательного дробления. На основе этих данных разработано техническое задание на проектирование оборудования для обогащения по плотности (прочности) дорожно-строительного щебня на основе доменного шлака.

11) Разработана 3D-модель опытной конструкции оборудования (фрикционного сепаратора) для обогащения шлакового щебня по плотности зерен. По 3D-модели изготовлена и испытана опытная конструкция лабораторного фрикционного сепаратора.

12) Разработан и запатентован способ повышения физико-механических характеристик щебня на основе доменного шлака путем комплексной обработки с применением методов гидрофобизации и обогащения по прочности зерен.

13) Подготовлена опытная партия образцов обогащенного щебня на основе доменного шлака, обладающего повышенной прочностью и морозостойкостью.

1) Kunaev V., Bazarov B., Tavshanov I., Kadyrov A., Abdugaliyeva G., Kydyrbayeva S. Evaluation of the effect of enrichment of slag aggregate for pavement subbase by grains density on its physical and mechanical characteristics // Results in Engingeering. – 2023. – 18. – 101181. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101181 (Web of Science, Q1, Scopus, 82-й процентиль);

2) Kunaev V., Tavshanov I., Asanov R. Laboratory evaluation of a complex treatment technology for reducing water absorption of the pavement subbase aggregate from the blast-furnace slag // Engineering Research Express. – 2024. – 6 (1). – 015048. https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad1e16 (Web of Science, Q2, Scopus, 53-й процентиль);

3) Kunaev V., Bazarov B., Kadyrov A., Konakbaeva A. Selective crushing, enrichment by friction properties and hydrophobization for obtaining the sustainable blast furnace slag aggregate for road subbase. — 2024. — 102928. https://doi.org/10.1016/j.asej.2024.102928   (Web of Science, Q1, Scopus, 93-й процентиль);

4) Кунаев В.А., Тавшанов И.С., Четын А. Анализ оборудования и технологий обогащения щебня из промышленных отходов для строительства объектов транспортной инфраструктуры // Труды университета. – Караганда: КарТУ. – 2023. – № 2. – С. 206-211. URL: http://tu.kstu.kz/publication/publication/download/528 (журнал рекомендован КОКНВО);

5) Кунаев В.А., Тавшанов И.С., Тимухина Е.Н. Применение фрикционного сепаратора для повышения прочности и снижения водопоглощения дорожно-строительного шлакового щебня // Труды университета. – Караганда: КарТУ. – 2023. – № 3(92). – С. 271-277. URL: http://tu.kstu.kz/publication/publication/download/602 (журнал рекомендован КОКНВО);

6) Кунаев В.А., Тимухина Е.Н. Проект технологической линии для избирательного дробления и гидрофобизации дорожно-строительного щебня из доменного шлака // Труды университета. – Караганда: КарТУ. – 2023. – № 4(93). – С. 241-246. URL: http://tu.kstu.kz/issue/issue/download/100 (журнал рекомендован КОКНВО);

7) Кунаев В.А. Патент на полезную модель № 8677 «Способ повышения физико-механических характеристик щебня из доменного шлака». Бюл. № 48 ­от 01.12.2023.URL: https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/Details?docNumber=382664;

8) Кунаев В.А., Кадыров А.С. Современные технологии и материалы из промышленных отходов в дорожном строительстве (Монография). — Темиртау: Карагандинский индустриальный университет, 2024. — 195 с.

9) Кунаев В.А. Лабораторная оценка влияния обогащения шлакового щебня для дорожного строительства по пористости зерен на его физико-механические характеристики. Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом № 31583 от «5» января 2023 года;

10) Кунаев В.А. Математическая модель технологического процесса гидрофобизации предварительного обогащенного шлакового щебня. Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом № 40471 от «15» ноября 2023 года;

11) Кунаев В.А. Проект разработки комплексной технологии производства гидрофобизированного обогащенного шлакового щебня: текущие результаты // Сб. трудов межд. научн.-практ. конф. ««Инновационные технологии и инжиниринг», посвященной 60-летию Карагандинского индустриального университета». – Темиртау: КарИУ, 2023. – С. 600-604.

12) Кунаев В.А. Экспериментальная оценка эффективности технологии обработки дорожностроительного шлакового щебня в целях экономии минерального сырья // Сб. трудов межд. научн.-практ. конф. «Ресурсосберегающие технологии в минерально-индустриальном мегакомплексе в условиях устойчивого развития экономики». – Алматы: КазНИТУ, 2024. – C. 144-148.