На качество щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) существенно влияют вид применяемых стабилизирующих добавок (СД), которые способствуют повышению адсорбции и увеличению толщины битумного слоя на поверхности минеральной части асфальтобетона, предотвращая сегрегацию и расслоение смеси в процессе кратковременного хранения и транспортирования материала к месту укладки в покрытие автомобильной дороги [1–3].
Вид и свойства применяемых стабилизирующих добавок, а также модифицированного асфальтобетона должны соответствовать требованиям ГОСТ и национальным стандартам [4, 5]. В нормативных документах отсутствуют требования к исходному сырью для производства СД. В настоящее время на российском строительном рынке предлагается много разновидностей СД для ЩМА, предназначенных для предотвращения стекания вяжущего. Однако, данные добавки не оказывают существенного влияния на основные физико-механические свойства асфальтобетона. Кроме того, они имеют необоснованно высокую стоимость [6, 7], а структурированные ими смеси обладают расслоением [8–10].
В связи с этим целью данной работы является разработка научно обоснованных составов комплексной стабилизирующей добавки на основе целлюлозосодержащего сырья из макулатуры, модифицированного этой добавкой щебеночно-мастичного асфальтобетона повышенного качества, а также технологического комплекса для их производства. Кроме того, необходимо разработать нормативный документ, разрешающий использование разработанной добавки в производстве ЩМА. Вопросами переработки макулатуры для получения целлюлозных волокон и стабилизирующих добавок на их основе занимались М.В. Севостьянов, Т.Н. Ильина, И.А. Кузнецова, А.В. Осокин, И.Г. Мартакова, М.В. Ванчаков, А.В. Кулешов, Г.Н. Коновалов, В.В. Ядыкина [11–13].
Материалы и методы исследования
Исходным сырьём для производства комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки является макулатура группы А или группы Б по ГОСТ 10700 [14], резиновая крошка и битум. Добавка, изготовляемая из данного сырьевого материала, не должна содержать парафиновые углеводороды, а также полиэтилен, пластмассы, лаки, смолы. Поэтому поступающее на завод сырье проходит тщательный контроль на содержание вредных компонентов.
Технология производства комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона представлена на рисунке.
Технологический комплекс по производству комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона
Технологический комплекс по производству комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки состоит из трех основных блоков:
1) блок получения целлюлозных волокон необходимой длины и диаметра;
2) блок дозирования и смешения компонентов добавки;
3) блок гранулирования комплексной добавки.
Целлюлозосодержащее сырье (макулатура) проверяется по влажности, которая не должна превышать 8 %, а также из него вручную удаляется крупный мусор в виде плёнок, скотчей, пружин и т.д. Подготовленный к дальнейшей переработке материал отправляется на склад. Сырьё повышенной влажности направляется в сушильную камеру. Отсортированное сырьё вводится в шредер крупного помола 1, оборудованный магнитным сепаратором, который удерживает скрепки, булавки, пружины и т.д., сбрасывая их в бункер-накопитель металлических отходов 2, крупно измельчённый материал поступает на ленточный конвейер 3 и далее в рабочую камеру измельчения 4. В данной камере с помощью дисковой мельницы принудительного действия макулатура измельчается до волокон размером 0,8–2 мм. Полученное волокно пневматическим способом при помощи камерного компрессора 5 поднимается и загружается в бункер-накопитель 7, волокна размером менее 0,8 мм, потоком сжатого воздуха, поднимаются в циклон 6, где осаждаются и в дальнейшем утилизируются. Волокна размером свыше 2 мм продолжают разбиваться до необходимых размеров и распределяются аналогичным образом.
Из накопителя 7 целлюлозное волокно скребковым транспортёром 8 подаётся в смеситель 13. В смеситель же ленточным транспортёром 9 из расходного бункера 10 порционно дозируется резиновая крошка в количестве 5 % от массы целлюлозного волокна. Для непрерывной работы технологического комплекса, по окончании материала в расходном бункере, резиновая крошка подается из бункера-накопителя 11, параллельно загружается резиновой крошкой бункер 10. В качестве связующего применяется битум БНД 90/130 в количестве 5 %, разогретый до температуры 110 °С. Битум подаётся из емкости 12 насосом и через форсунки равномерно распределяется по поверхности волокна в момент перемешивания. В смесителе 13 все компоненты тщательно перемешиваются до однородного состояния в течение 2 мин. Готовая смесь выгружается на шнековый транспортёр закрытого типа 14, по которому поступает в аппарат гранулирования 15. В грануляторе волокно прессуется в цилиндрические гранулы диаметром 5 мм и длиной от 6 до 10 мм. Готовые гранулы в процессе приготовления разогреваются до 100 °С, поэтому далее они поступают в камеру термостабилизации 16, где с помощью вентиляторов охлаждаются до температуры 20 °С. Охлаждённые гранулы по лопастному элеватору 17 попадают в бункер-запасник 18, с роторным шлюзом-питателем. Готовая комплексная добавка порционно, через дозирующий шлюз выгружается на весы 19, где фасуется в мешки готовой продукции 20, массой по 500 кг.
Результаты исследования и их обсуждение
Для определения оптимального соотношения компонентов комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки, обеспечивающей максимальное повышение качества ЩМА, готовили смесь различных составов, формовали стандартные образцы-цилиндры [15]. Для приготовленной ЩМАС определяли показатель стекания вяжущего, а у изготовленных стандартных образцов – среднюю плотность, водонасыщение и прочность при сжатии при 50 °С. Состав добавки и результаты определения физико-механических свойств ЩМА представлены в табл. 1.
Таблица 1
Состав комплексной добавки на основе целлюлозы и свойства ЩМА
|
№ п/п |
Целлюлозосодержащий компонент, % |
Резиновая крошка, % |
Битум, % |
Стекание, % |
Средняя плотность, г/см3 |
Водонасыщение, % |
Прочность образцов при 50 °С, МПа |
|
1 |
97,0 |
3 |
0 |
0,09 |
2,41 |
2,45 |
0,99 |
|
2 |
96,0 |
4 |
0 |
0,09 |
2,42 |
2,45 |
1,10 |
|
3 |
95,0 |
5 |
0 |
0,10 |
2,42 |
2,41 |
1,30 |
|
4 |
94,0 |
6 |
0 |
0,10 |
2,42 |
2,41 |
1,40 |
|
5 |
97,0 |
0 |
3,0 |
0,09 |
2,40 |
2,17 |
0,98 |
|
6 |
96,5 |
0 |
3,5 |
0,09 |
2,40 |
2,09 |
1,00 |
|
7 |
96,0 |
0 |
4,0 |
0,09 |
2,40 |
2,01 |
1,01 |
|
8 |
95,5 |
0 |
4,5 |
0,09 |
2,40 |
1,89 |
1,04 |
|
9 |
95,0 |
0 |
5,0 |
0,10 |
2,40 |
1,83 |
1,04 |
|
10 |
94,5 |
0 |
5,5 |
0,10 |
2,40 |
1,74 |
1,09 |
|
11 |
94,0 |
0 |
6,0 |
0,12 |
2,40 |
1,69 |
1,08 |
|
12 |
94,0 |
3 |
3,0 |
0,11 |
2,41 |
1,94 |
1,28 |
|
13 |
93,5 |
3 |
3,5 |
0,11 |
2,41 |
1,92 |
1,28 |
|
14 |
93,0 |
3 |
4,0 |
0,12 |
2,41 |
1,9 |
1,36 |
|
15 |
92,5 |
3 |
4,5 |
0,12 |
2,41 |
1,85 |
1,48 |
|
16 |
92,0 |
3 |
5,0 |
0,13 |
2,41 |
1,81 |
1,52 |
|
17 |
91,5 |
3 |
5,5 |
0,13 |
2,41 |
1,79 |
1,53 |
|
18 |
91,0 |
3 |
6,0 |
0,15 |
2,41 |
1,72 |
1,53 |
|
19 |
93,0 |
4 |
3,0 |
0,10 |
2,42 |
1,78 |
1,52 |
|
20 |
92,5 |
4 |
3,5 |
0,10 |
2,42 |
1,73 |
1,60 |
|
21 |
92,0 |
4 |
4,0 |
0,11 |
2,42 |
1,66 |
1,66 |
|
22 |
91,5 |
4 |
4,5 |
0,11 |
2,42 |
1,65 |
1,68 |
|
23 |
91,0 |
4 |
5,0 |
0,11 |
2,42 |
1,64 |
1,70 |
|
24 |
90,5 |
4 |
5,5 |
0,12 |
2,42 |
1,64 |
1,70 |
|
25 |
90,0 |
4 |
6,0 |
0,13 |
2,42 |
1,62 |
1,69 |
|
26 |
92,0 |
5 |
3,0 |
0,11 |
2,42 |
1,71 |
1,68 |
|
27 |
91,5 |
5 |
3,5 |
0,11 |
2,42 |
1,67 |
1,70 |
|
28 |
91,0 |
5 |
4,0 |
0,11 |
2,42 |
1,67 |
1,70 |
|
29 |
90,5 |
5 |
4,5 |
0,12 |
2,42 |
1,65 |
1,71 |
|
30 |
90,0 |
5 |
5,0 |
0,12 |
2,42 |
1,64 |
1,73 |
|
31 |
89,5 |
5 |
5,5 |
0,13 |
2,42 |
1,64 |
1,72 |
|
32 |
89,0 |
5 |
6,0 |
0,13 |
2,42 |
1,59 |
1,71 |
|
33 |
91,0 |
6 |
3,0 |
0,12 |
2,42 |
1,81 |
1,65 |
|
34 |
90,5 |
6 |
3,5 |
0,13 |
2,42 |
1,81 |
1,66 |
|
35 |
90,0 |
6 |
4,0 |
0,13 |
2,42 |
1,77 |
1,68 |
|
36 |
89,5 |
6 |
4,5 |
0,14 |
2,42 |
1,76 |
1,69 |
|
37 |
89,0 |
6 |
5,0 |
0,14 |
2,42 |
1,71 |
1,69 |
|
38 |
88,5 |
6 |
5,5 |
0,14 |
2,42 |
1,71 |
1,70 |
|
39 |
88,0 |
6 |
6,0 |
0,14 |
2,42 |
1,69 |
1,70 |
Из табл. 1 следует, что оптимальным является следующий состав стабилизирующей добавки: волокна целлюлозосодержащего компонента длиной от 0,8 до 2 мм – 90 %, резиновая крошка диаметром 0,5 мм – 5 %, вязкий нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130 – 5 %. Установлено, что прочность образцов ЩМА с разработанной комплексной стабилизирующей добавкой при температуре 50 0С выше на 12 %, по сравнению с аналогичными образцами, содержащими традиционную добавку на целлюлозной основе. Также отмечается снижение водонасыщения образцов ЩМА с разработанной комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавкой. Возможно, это объясняется уменьшением остаточной пористости и образованием новых пространственных связей в структуре асфальтобетона.
Технология приготовления щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси приведена в табл. 2.
Таблица 2
Технологические процессы приготовления ЩМА с комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавкой
|
Щебень, песок из отсева дробления |
15 сек |
|||||
|
Минеральный порошок |
20 сек |
Время смешения |
||||
|
Стабилизирующая добавка |
5 сек |
>53 сек |
||||
|
Битум |
15 сек |
|||||
|
«Мокрое» перемешивание |
10 сек |
|||||
|
Выгрузка |
8 сек |
|||||
Комплексная целлюлозосодержащая стабилизирующая добавка вводится в смеситель асфальтосмесительной установки на разогретый каменный материал вместе с минеральным порошком, производится «сухое» перемешивание в смесителях принудительного действия в течение 20 с. За 5 с гранулы добавки контактируют с разогретым инертным материалом и лопастями смесителя, за счёт чего распускаются на отдельные волокна и равномерно распределяются в объеме смеси. После «сухого» перемешивания вводится органическое вяжущее, которое в течение 10 с интенсивно перемешивается до полного обволакивания минеральной части битумом.
Технико-экономическая оценка разработанной комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки в сравнении с традиционно применяемым импортным аналогом в базисном уровне цен 2001 г. приведена на примере расчета стоимости 1 т ЩМА.
Как следует из расчётов, приведённых в табл. 3, стоимость 1 т ЩМАС-20 с применением комплексной стабилизирующей добавки в базисном уровне цен (по состоянию на 01.01.2001) по сравнению с традиционно применяемой добавкой на основе целлюлозы ниже на 5,4 % или на 13,73 руб. В текущем уровне цен (по состоянию на 4-й квартал 2018 г.) для юга Тюменской области экономия составит 111,21 руб. за каждую тонну асфальтобетона.
Таблица 3
Технико-экономическая оценка ЩМА с различными СД
|
Наименование компонента |
Содержание компонентов в ЩМА-20, % |
Объём по массе, кг |
Стоимость, руб. |
|
|
Viatop |
КСД |
|||
|
Щебень |
73 |
690 |
93,78 |
93,78 |
|
Песок из отсева дробления |
16 |
151 |
25,98 |
25,98 |
|
Минеральный порошок |
11 |
103 |
13,70 |
13,70 |
|
Стабилизирующая добавка |
0,4 |
4 |
26,22 |
12,49 |
|
Битум |
5,5 |
52 |
93,05 |
93,05 |
|
ИТОГО |
105,9 |
1000 |
252,73 |
239,0 |
Выводы
1. При введении в ЩМА комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки, состоящей на 90 % из целлюлозного волокна размером 0,8–2 мм, 5 % резиновой крошки диаметром 0,5 мм и 5 % битума БНД 90/130, повышается предел прочности на сжатие при 50 °С на 12 %, снижается водонасыщение на 11 % и стекание битума с зерен заполнителя минеральной части на 20 %.
2. Себестоимость 1 т щебеночно-мастичного асфальтобетона с разработанной комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавкой снижается на 5,4 %, что составляет 111,21 руб. с каждой тонны выпущенной щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси в текущем уровне цен (по состоянию на 4-й квартал 2018 г.), без учёта экономии за счёт увеличения срока службы дорожного покрытия и межремонтных сроков.