Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН СО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕЙ ДОБАВКОЙ

Ястремский Д.А. 1 Абайдуллина Т.Н. 1 Кудяков А.И. 2
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
2 ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
В данной статье рассмотрено повышение физико-механических свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) за счёт введения комплексной стабилизирующей добавки на основе целлюлозы, оказывающей полифункциональный эффект на асфальтобетонную смесь. Показана целесообразность её разработки. Разработана комплексная стабилизирующая добавка для ЩМА, включающая целлюлозосодержащие волокна из макулатуры. Приведены результаты лабораторных исследований по подбору оптимального состава стабилизирующей добавки. Установлено, что добавка, состоящая из волокон длиной 0,8–2 мм в количестве 90 %, резиновой крошки диаметром 0,5 мм в количестве 5 % и битума БНД 90/130 – 5 %, позволяет получить щебеночно-мастичный асфальтобетон с улучшенными физико-механическими свойствами по пределу прочности при сжатии при 50 °С (на 12 %) и водонасыщению. Представлена технологическая схема и описание процессов производства комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавки и ЩМА на ее основе. Выполнена технико-экономическая оценка стоимости ЩМА-20 с разработанной добавкой на 1 т смеси. Установлено, что стоимость 1 т ЩМА с разработанной добавкой снижается на 5,4 %, что составляет 111,21 руб. на каждую тонну асфальтобетона в текущем уровне цен.
щебеночно-мастичный асфальтобетон
целлюлозосодержащее сырье
состав и свойства стабилизирующей добавки
технология добавки
технология ЩМА с добавкой
технико-экономическая эффективность
1. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. Нижний Новгород: НГАСУ, 2009. 67 с.
2. Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона. М.: ООО «Издательство «Элит»», 2009. 176 с.
3. Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Чепур П.В., Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути её решения // Современные наукоёмкие технологии. 2016. № 3–2. С. 307–310.
4. ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетоны щебеночно-мастичные. Технические условия. 2003-05-01. М.: МНТКС, 2003. 32 с.
5. ПНСТ 183-2016. Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетоны щебеночно-мастичные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2016. 17 с.
6. Ядыкина В.В., Тоболенко С.С., Траутвайн А.И. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона на основе отходов целлюлозно-бумажной промышленности // Известия вузов. Строительство. 2015. № 2. С. 31–36.
7. Ядыкина В.В., Гридчин А.М., Траутвайн А.И. Влияние стабилизирующих добавок из отходов целлюлозно-бумажной промышленности на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 7–11.
8. Кудяков А.И., Эфа А.К., Трофимов И.Н., Базилевич А.Л. Новые подходы в нормировании свойств компонентов и технологии приготовления асфальтобетона // Наука и техника в дорожной отрасли. 2009. № 1 (48). С. 18–21.
9. Базилевич А.Л., Кудяков А.И. Температурная сегрегация асфальтобетонных смесей при строительстве дорожных покрытий // Вестник ТГАСУ. 2009. № 1. С. 116–122.
10. Кудяков А.И., Смирнов А.Г., Петров Г.Г. Проектирование и использование заполнителей с оптимальной межзерновой пустотностью // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. 1987. № 7. С. 135–138.
11. Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Чепур П.В., Гладких В.А. Исследование долговечности асфальтобетона с добавкой «Армидон» // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2017. № 2 (49). С. 63–70.
12. Мухаметханов А.М., Нугманов О.К., Гаврилов В.И. Способ получения стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 6. С. 204–210.
13. Севостьянов М.В., Ильина Т.Н., Кузнецова И.А., Осокин А.В., Мартакова И.Г. Ресурсосберегающий технологический комплекс для производства гранулированных стабилизирующих добавок щебеночно-мастичного асфальтобетона // Вестник ТГТУ. 2016. Т. 22. № 2. С. 272–279.
14. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная. Технические условия. М.: Стандартинформ, 1997. 7 с.
15. Хасанов Н.М., Сайрахмонов Р.Х., Сулейманова М.А. Применение природного волластонита в качестве армирующей и стабилизирующей добавки в составе ЩМА // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 3. С. 181–186.

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.

jstrems1.tif

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.


Библиографическая ссылка

Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Кудяков А.И. ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН СО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕЙ ДОБАВКОЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 2. – С. 158-162;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37427 (дата обращения: 30.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074