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 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.

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.

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.