CC BY
2УДК 622.331:691.168
Мисников О.С.
Мисников Олег Степанович, д. т. н., зав. кафедрой «Горное дело, природообустройство и промышленная экология» ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Тверь, Академическая, 12, oleg.misnikov@gmail.com
Перевалова О.С.
Перевалова Ольга Святославовна, магистрант кафедры «Горное дело, природообустройство и промышленная экология», ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Тверь, Академическая, 12, Olenka-perevalova@bk.ru
Шилова О.Г.
Шилова Ольга Геннадьевна, старший преподаватель кафедры иностранных языков, ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Тверь, Академическая, 12, shilovaolga71@yandex.ru
Башилова Е.В.
Башилова Екатерина Валерьевна, магистрант кафедры «Горное дело, природообустройство и промышленная экология», ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Тверь, Академическая, 12, baw_2711@bk.ru
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МОДИФИЦИРУЮЩИХ
ДОБАВОК НА ОСНОВЕ
ТОРФА В ЩЕБЕНОЧНО-
МАСТИЧНЫХ
АСФАЛЬТОБЕТОНАХ
Аннотация. В статье приведен анализ стабилизирующих и модифицирующих органических и минеральных добавок, используемых при производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонов. Их применение улучшает физико-механические свойства органического вяжущего (нефтебитума) и всего асфальтобетона в целом. Рассмотрен состав отечественных и зарубежных добавок основных торговых марок, представленных на рынке Российской Федерации. Проведено сравнение технико-экономических показателей при их использовании в промышленном производстве. Особое внимание
Misnikov O.S.
Misnikov Oleg S., Doctor of Engineering, Head of Mining, Nature Management and Industrial Ecology Department, Tver State Technical University, Tver, Akademi-cheskaya, 12, oleg.misnikov@gmail.com
Perevalova O.S.
Perevalova Olga S., Undergraduate of Mining, Nature Management and Industrial Ecology Department, Tver State Technical University, Tver, Akademicheskaya, 12, Olenka-perevalova@bk.ru
Shilova O.G.
Shilova Olga G., Senior Lecturer of Foreign Language Department, Tver State Technical University, Tver, Akademicheskaya, 12, shilovaolga71@yandex.ru
Bashilova E.V.
Bashilova Ekaterina V., Undergraduate of Mining, Nature Management and Industrial Ecology Department, Tver State Technical University, Tver, Akademicheskaya, 12, baw_2711@bk.ru
ANALYSIS OF PROSPECTS FOR THE USE OF MODIFYING ADDITIVES BASED ON PEAT IN CRUSHED STONE-MASTIC ASPHALT CONCRETE
Abstract. The article presents an analysis of stabilizing and modifying organic and mineral additives used in the production of crushed stone-mastic asphalt concrete. Their application improves physical and mechanical properties of organic binder (petroleum bitumen) and the asphalt concrete as a whole. The composition of domestic and foreign additives of the primary trademarks represented on the market of the Russian Federation is studied. The comparison of technical and economic performance when used in industrial production is made. Special attention is paid to scientific research on the development of new types of dispersed and granular
уделено научным исследованиям по разработке новых видов дисперсных и гранулированных модифицирующих добавок на основе торфяного сырья. Показана перспектива их использования в производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонов.
modifying additives based on peat raw materials. The prospect for their application in the production of crushed stone-mastic asphalt concrete is illustrated.
Ключевые слова: стабилизирующие и модифицирующие добавки, щебеночно-мастичный асфальтобетон, целлюлоза, модификаторы, битум, воск, торф, торфяная добавка, грануляция.
Keywords: stabilizing and modifying additives, crushed stone-mastic asphalt concrete, cellulose, modifiers, bitumen, wax, peat, peat additive, granulation.
Одной из основных причин сокращения сроков эксплуатации асфальтобетонных п окрытий автомобильных дорог, переездов, путепроводов и других транспортных коммуникаций является появление и развитие различных видов повреждений. К ним относятся: появление колеи на проезжей части, пластические деформации, выбоины, трещины и другие дефекты дорожного полотна. В случае использования для формирования дорожных покрытий щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) эти проблемы возникают вследствие применения низкокачественных нефтяных битумов. В то же время ЩМА должен обладать высокими прочностными характеристиками, стойкостью к износу при колебании температур в различное время года, стабильностью своих свойств, высокой устойчивостью к пластической деформации (колея, наплыв, сдвиг), повышенным звукопоглощением, а также оптимальным коэффициентом трения (шероховатостью).
С каждым годом наблюдается тенденция к ужесточению требований к физико-механическим свойствам органических вяжущих (битумов). В связи с этим специалистам, работающим в области строительства дорог, постоянно ставятся задачи, связанные с проблемой разработки и модификации битумов для достижения основной цели - повышения физико-механических свойств ЩМА. Одним из путей решения этой проблемы является использование в составе битумного вяжущего и (или) рецептуре ЩМА различного рода добавок и модификаторов [1-5]. Увеличение концентрации активированного битума в составе ЩМА по сравнению с обычным асфальтобетоном (при незначительном увеличении стоимости) позволяет полностью компенсировать производителям затраты за счет надежности и долговечности качественного дорожного покрытия.
Таким образом, целью работы является анализ основных видов добавок и модификаторов, применяемых совместно с битумным вяжущим в щебеночно-мастичных асфальтобетонах, а также оценка перспектив применения в этом качестве торфяных модифицирующих компонентов.
Наиболее распространенной в настоящее время стабилизирующей добавкой в структуре битумного вяжущего ЩМА является целлюлоза. Волокна этого полисахарида способствуют увеличению адгезионного сцепления между минеральными (песок и щебень) и органическим (битум) компонентами. Теоретически возможен дополнительный эффект - связывание воды, попадающей в асфальт, и снижение тем самым негативного воздействия ее замерзания и последующего расширения льда.
Целлюлоза вносится в виде целлюлозного волокна или специальных гранул на его основе. Наилучшие результаты достигаются, если целлюлозное волокно имеет ленточную структуру нитей (длина от 0,1 до 2,0 мм), является однородным и не содержит пучков и скоплений нераздробленного материала (посторонних включений). Допускается применение полимерных и других волокон длиной от 0,1 до 10,0 мм, способных сорбировать битумное вяжущее в температурных режимах производства ЩМА. Однако они не должны оказывать отрицательное воздействие на вяжущее и минеральные смеси.
Добавки на основе целлюлозы отличаются друг от друга по содержанию чистой целлюлозы (рис. 1), а также используемого для ее гидрофобной обработки органического компонента: воска или битума (табл. 1).
В связи со сравнительно небольшим ассортиментом модифицирующих добавок, применяемых на производстве, возникает необходимость увеличения их ассортимента.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
| Viatop 66 Щ Viatop premium Щ Topcel Щ СД-3 ГБЦ
Рис. 1. Процентное содержание целлюлозы в добавках различных торговых марок Fig. 1. Percentage of cellulose in additives of various trademarks
Таблица 1. Классификация стабилизирующих добавок в щебеночно-мастичные асфальтобетоны Table 1. Classification of stabilizing additives in crushed stone-mastic asphalt concrete
Основные составляющие компоненты Наименование добавки (торговая марка) Страна-производитель
Целлюлоза Гранулы из обработанных битумом целлюлозных волокон СД-3 ГБЦ Россия, г. Екатеринбург
VIATOP Германия
Гранулы из обработанных воском целлюлозных волокон TOPCEL Германия
Асбест Гранулы на основе природного волокнистого материала ХРИЗОТОП Россия, г. Екатеринбург
Смесь асбеста и базальта Гранулы на основе природного волокнистого материала СТИЛОБИТ Россия, г. Екатеринбург
Резина Гранулы или порошок на основе девулканизированной резины УНИРЕМ Россия, г. Подольск
Полимеры Высокопрочные акриловые волокна DOLANIT Испания
Здесь необходимо принять во внимание, что кроме улучшения свойств ЩМА определенной перспективой по использованию в качестве добавок (или сырья для их получения) к органическому вяжущему обладают и трудно утилизируемые промышленные отходы (нефтяные шламы, каменноугольные флюсы, шлаки).
Анализ современных литературных и патентных источников [3, 6-8] показывает наиболее перспективные направления в науке и технике по разработке и производству добавок-модификаторов, которые применяются в производстве материалов для дорожных покрытий или находятся на стадии опытно-конструкторских разработок (таблица 1). К ним кроме целлюлозы относятся модификаторы
на основе асбеста, смеси асбеста и базальта, резины и полимеров.
Асбест является минералом с тонковолокнистой структурой (агрегаты состоят из тончайших гибких волокон), принадлежащим к классу силикатов. Этот минерал отличается высокой огнестойкостью, сопротивлением растяжению. Его структура не впитывает капельножидкую влагу, поэтому материал относится к классу влагостойких, его свойства не изменяются при колебании температур (в том числе высоких), и на него не оказывают влияния другие параметры окружающей среды. Благодаря этим положительным характеристикам он нашел широкое применение в производстве строительных материалов. Однако асбест не является экологически безопасным,
поэтому в странах, входящих в Европейский союз, он был запрещен в 2005 году.
Базальт - негорючая каменная порода вулканического происхождения. Он в отличие от асбеста является экологически безопасным и имеет высокую прочность. Базальтовый шнур при термическом воздействии не выделяет токсичных веществ, а также не содержит канцерогенов и смол. Есть сведения о вытеснении асбеста с рынка базальтом [8].
Поскольку на рынке представлен достаточно широкий ассортимент стабилизирующих добавок и модификаторов (табл. 1), которые различаются по форме выпуска и физико-химическому составу, актуальной является задача по комплексной оценке их основных характеристик [8-10]. Во-первых, это касается показателя экономичности при расходе стабилизатора, а во-вторых, сравнения по средней стоимости добавок в расчете на одну тонну асфальтобетона (табл. 2).
Из анализа данных, приведенных в таблице 2, следует, что минимальные концентрации в смеси ЩМА имеют добавки хризотоп и стилобит, а максимальные значения у модификатора viatop 66. Добавки других торговых марок имеют промежуточные значения концентраций, что, в принципе, соответствует заданным параметрам технических требований к таким видам продукции.
С учетом средней стоимости модификаторов на рынке и требуемых концентраций необходимо в первую очередь выделить образцы отечественной продукции, актуальность применения которых в настоящее время приобретает все большее значение. Это в первую очередь связано с постоянно нарастающим санкцион-ным давлением недружественных стран. А главное - необходимость модернизации и развития промышленности Российской Федерации.
В этой связи хочется особо отметить перспективы использования гидрофобно-моди-фицирующих добавок на основе торфяного сырья, поскольку это позволяет не только получать высококачественный щебеночно-мастичный асфальтобетон, но и расширить ассортимент продукции, выпускаемой отечественной торфоперерабатывающей промышленностью.
Использование торфа в качестве модифицирующей и активирующей добавки в асфальтобетоне было предложено в работах ученых Белорусского национального технического университета [11-14]. Теоретической основой такой возможности является процесс низкотемпературной термической деструкции торфяного сырья с получением твердых, жидких и газообразных продуктов. Более точным здесь является трактование этого процесса как предпиролизного, поскольку температурный режим в данных работах варьировал в диапазоне 190-210 °С. В результате этого газообразная фаза удалялась из смесителя, твердая выполняла функцию активирующего адсорбента, а жидкая фаза оседала на зернах минеральных наполнителей. При этом, в частности, создавались дополнительные условия для гидрофобной модификации минеральных наполнителей и в целом всей асфальтобетонной смеси. Необходимо отметить, что научное обоснование этого процесса достаточно подробно было ранее проведено в работе [15] при изучении процесса гидрофобной модификации минеральных вяжущих материалов добавками из торфяного сырья.
Основным результатом научных исследований в данном направлении является разработка технологии одновременной активации асфальтобетонной смеси, в состав которой вводится торфяная добавка. Однако при анализе
Стабилизирующая добавка Средний расход, кг/т Средняя стоимость (на 01.05.23 г.), руб./кг Стоимость на тонну ЩМА, руб.
Viatop 66 4,5 62 279
Viatop premium 3 75 225
Topcel 2,8-3,2 92 258-294
Хризотоп 2-5 (3*) 57 114-285 (171)
Стилобит 2-5 (3*) 56 112-280 (168)
СД-3ГБЦ 3-4 61 183-244
Таблица 2. Средняя стоимость добавки, необходимой для приготовления одной тонны
смеси щебеночно-мастичного асфальтобетона
Table 2. The average cost of the additive required to prepare one ton of a mixture
of crushed stone-mastic asphalt concrete
проведенных исследований [11-14] выявлено достаточно большое количество недостатков, связанных с поверхностным отношением к сырьевой базе торфа. В исследованиях не учитывались виды торфа (низинный и верховой типы торфа были определены как виды [16]), степень их разложения, зольность и фракционный состав. При этом степень разложения во многом будет определять групповой химический состав органического вещества, зольность будет влиять на точность дозировки, а дисперсность - на сорбционные свойства твердой фазы - основной показатель эффективности модифицирующей добавки.
Кроме того, вызывает обоснованные сомнения предложенная авторами физическая модель процессов, протекающих в сушильно-нагревательном барабане. Вполне возможно допустить повышение температуры торфа по сравнению с минеральными материалами. Однако это может относиться только к мелкодисперсным частицам торфа, находящимся в потоке горячих газов, и не имеет отношения к более крупным частицам, находящимся в смеси с минеральными материалами. А их количественной оценки не проводилось.
Далее, при температуре 200-300 °С действительно происходит возгорание торфа, однако его полное сжигание с образованием минерального остатка (золы) будет происходить только при достаточном объеме кислорода в зоне горения. Вероятнее всего, таких условий в барабане создаваться не будет и основную массу твердой фракции будет составлять компонент, близкий по своим свойствам к торфяному бертинату. Авторы [14] сделали предположение, что диспергирование торфа при перемешивании будет способствовать ускорению процессов горения и окончания его температурной деструкции, но все же окислительный фактор здесь будет определяющим. В связи с этим тезис о полной замене функций минерального порошка торфяной золой также дискуссионен.
И наконец, частичная конденсация (адсорбция) ингредиентов продуктов термолиза на поверхностях минеральных компонентов ЩМА возможна только до температуры 200 °С. А при дальнейшем увеличении температуры до 300 °С эффективность гидрофобизации минеральных частиц за счет адсорбции торфяных битумов будет минимальной [15].
Тем не менее позитивный эффект применения торфяных наполнителей при производ-
стве ЩМА не вызывает сомнения. Здесь, по всей вероятности, основную роль будет играть сорбционная емкость торфяных частиц различной степени термоактивации, которые сами будут удерживать битум и способствовать его удержанию на поверхности минеральных компонентов ЩМА. В этой связи необходимо отдавать предпочтение низкораз-ложившимся видам верхового торфа с получением из него сыпучего волокнистого материала либо сферических или цилиндрических гранул. Верховой торф с высокой и средней степенью разложения, как правило, отличается достаточно высоким содержанием битумных компонентов в составе органического вещества. Это также является позитивным фактором, однако объемы добычи такого торфа в нашей стране и за рубежом относительно невысоки. Тем не менее предварительные расчеты показывают ожидаемую стоимость модифицирующих добавок из торфа в диапазоне 15-25 руб. за килограмм, что в 2-6 раз ниже представленных на рынке.
Экспериментальный образец дисперсной комплексной стабилизирующей гидрофоб-но-модифицирующей добавки обладает следующими характеристиками: относительная влажность - не более 12%, термостойкость при температуре 220 °С - не более 10%, суммарное содержание волокнистой части (целлюлоза, лигнин и т. п.) длиной от 0,1 до 5,0 мм - не менее 70%. Волокнистая часть (рис. 2) обладает ленточной структурой, однородна, не содер-
Рис. 2. Фото дисперсной комплексной стабилизирующей гидрофобно-модифицирующей добавки на основе торфа в ЩМА
Fig. 2. Photo of a dispersed complex stabilizing hydrophobic-modifying additive based on peat in SMA
Рис. 3. Фото гранулированных комплексных стабилизирующих гидрофобно-модифицирующих добавок на основе торфа в ЩМА: цилиндрические гранулы (слева); сферические гранулы (справа)
Fig. 3. Photos of granular complex stabilizing hydrophobic modifying additives based on peat in the SMA: cylindrical granules (left); spherical granules (right)
жит посторонних конгломератов и других включений.
Комплексная торфяная стабилизирующая гидрофобно-модифицирующая добавка способна сорбировать и удерживать битум в технологическом температурном диапазоне, используемом при производстве асфальта. Она оказывает положительное воздействие на вяжущие и другие компоненты асфальтной смеси. Кроме того, гидрофобно-модифицирующая добавка обеспечивает активацию вяжущего за счет присутствия в ее составе поверхностно-активных веществ. Повышенное содержание активированного битума в составе щебеноч-но-мастичных асфальтобетонов по сравнению с обычным асфальтобетоном позволяет при незначительном увеличении стоимости полностью компенсировать издержки за счет надежности и долговечности качественного дорожного покрытия.
В работе [17] приведено описание технологической схемы по комплексной переработке торфяного сырья с получением широкого спектра гидрофобно-модифицирующих добавок. В ней достаточно большое внимание уделено использованию в ЩМА отходов промышленного производства. Такой подход вызван тем, что их образуется более 50% от общего количества исходного торфяного сырья. Получаемые отходы являются высококачественной модифицирующей добавкой в ЩМА, поскольку в них преобладают частицы с большой целлюлозной и лигнинной составляющей.
Экспериментальные образцы (рис. 3) гранулированных гидрофобно-модифицирую-
щих добавок представляют собой цилиндрические или сферические гранулы диаметром до 5 мм, получаемые методом экструзии или окатывания. Они обладают всеми вышеуказанными физико-техническими характеристиками и таким же групповым химическим составом.
Применение того или иного способа грануляции определяется технико-экономическими показателями, а также прочностными характеристиками частиц добавки. Как правило, сферические гранулы, получаемые методом окатывания, имеют более низкую прочность, поэтому они достаточно легко разрушаются в сушильно-нагревательном барабане при физическом контакте с минеральными компонентами ЩМА и распределяются в объеме материала. Разрушение цилиндрических гранул будет происходить при более высоких нагрузках, и это надо учитывать при оптимизации дозировки компонентов и выборе их размеров (гранулометрического состава).
Таким образом, основная часть представленных на рынке стабилизирующих добавок производится на основе целлюлозных волокон и модифицированного битума. Доля других видов модификаторов из резины, полимеров, асбеста и базальта относительно невелика. Перспективным является научно-техническое направление по получению гидрофобно-мо-дифицирующих добавок и использованию их в рецептурах щебеночно-мастичных асфальтобетонов по сочетанию факторов «цена - качество».
Библиографический список
1. Мухаметханов А.М. Способ получения стабилизирующей добавки для щебеноч-но-мастичной асфальтобетонной смеси / А.М. Мухаметханов, О.К. Нугманов, В.И. Гав-рилов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - № 6. - С. 204-210.
2. Нугманов О.К. Целлюлоза. Начало нашей эры / О.К. Нугманов, Н.А.Лебедев // Химический журнал. - 2009. - № 12. - С. 30-33.
3. Мухаметханов А.М. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и способ ее получения на основе травяной полуцеллюлозы / А.М. Мухаметханов, О.К. Нугманов // Дорожно-транспортный комплекс: состояние и перспективы развития: сбор. докл. и со-общ. III межрегиональной науч.-практич. конф. Чебоксары, апрель 2009 г. - Чебоксары: Волжский филиал МАДИ (ГТУ), 2009. -С. 54-56.
4. Мухаметханов А.М. Отработка способа получения полуцеллюлозы на основе льняного сырья / А.М. Мухаметханов, О.К. Нугманов // Научному прогрессу - творчество молодых: сбор. докл. и сообщ. международной науч. студенческой. конф. по естественно-научным и техническим дисциплинам. Йошкар-Ола, апрель 2008 г.: ч. 1. - Йошкар-Ола: МарГТУ 2008. - С. 119-120.
5. Stone Mastic Asphalt URL: https://www.bree-dongroup.com/products-and-services/ie/ our-products/asphalt/stone-mastic-asphalt (дата обращения: 03.05.2023).
6. Способ получения полуцеллюлозы [текст]: пат. 2343240 Рос. Федерация: МПК7 D 21 C 5/00, D 21 C 1/06, D 21 B 1/16, D 01 C 1/02 / Нугманов О.К.; заявитель и патентообладатель ООО «НПО «Нефтепром-хим». - № 2007115320/12; заявл. 12.04.07; опубл. 10.01.09. Бюл. № 14 (II ч.). - 3 с.: ил.
7. Кларк Дж. Технология целлюлозы / Дж. Кларк. - М.: Лесная промышленность, 1983. - С. 221-222.
8. Стабилизатор для щебеночно-мастич-ного асфальтобетона [пат]: пат. 2348662 Рос. Федерация, МКП7 C 08 L 1/02, C 08 L 23/12, C 04 B 16/02, C 04 B 16/06 / Кисе-
лев М.А.; заявитель и патентообладатель ООО «Фирма «ГБЦ». - № 2007107626/04; заявл. 28.02.07; опубл. 10.03.09. Бюл. № 14 (II ч.). - 3 с.
9. Integrating Cellulose Fibers to Asphalt Pavement Mixtures // South Dakota State University URL: https://www.newswise.com/ articles/integrating-cellulose-fibers-to-as-phalt-pavement-mixtures (дата обращения: 03.05.2023).
10. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. - М.: Высш. шк., 1978. - 310 с.
11. Будниченко С.С. Применение торфа как активирующей добавки в асфальтобетоне / С.С. Будниченко, Я.Н. Ковалев // Строительная наука и техника. - 2009. - № 3. -С. 12-16.
12. Будниченко С.С. Применение торфа в асфальтобетоне / С.С. Будниченко, Я.Н. Ковалев // Автомобильные дороги и мосты. -2010. - № 1. - С. 59-66.
13. Будниченко С.С. Активация минеральных материалов при производстве асфальтобетонных смесей / С.С. Будниченко, Я.Н. Ковалев // Автомобильные дороги и мосты. -2010. - № 2. - С. 31-38.
14. Будниченко С.С. Новые методы активации минеральных заполнителей асфальтобетона / С.С. Будниченко, Я.Н. Ковалев // Наука и техника. - 2012. - № 5. - С. 55-58.
15. Мисников О.С. Физико-химические основы гидрофобизации минеральных вяжущих материалов добавками из торфяного сырья // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - Т. 40. - № 4. - С. 455464.
16. Будниченко С.С. Дорожный асфальтобетон на основе торфоактивированных минеральных заполнителей и стабилизирующей торфодобавки: автореф. дис. ... канд. тех. наук. - Минск, 2015. - 25 с.
17. Misnikov O.S. Technological Scheme of Complex Peat Processing for Obtaining Multifunctional Hydrophobic and Hydrophilic Powders // E3S Web of Conferences «Vth International Innovative Mining Symposium». - 2020. - Vol. 174. -P. 01024.
