CC BY
28
УДК 691.168
DOI: 10.14529/build170406
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВВЕДЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА ФИЗИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
П.И. Грехов, С.В. Заводов
Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева, г. Курган, Россия
Приведены результаты исследований влияния опоки в качестве минеральной добавки природного происхождения на водородный показатель рН асфальтобетонной смеси и тем самым на адгезионные свойства битума. Произведена оценка экономического эффекта от применения добавки (опоки) по сравнению со стандартной асфальтобетонной смесью с применением стандартной минеральной добавки МП1, изготавливаемой на МУП «Специализированное дорожное предприятие» г. Курган. Установлено, что за счет применения минеральной добавки из опоки, которая значительно дешевле минеральных добавок, применяемых на производстве асфальтобетона на данный момент, нам удалось снизить стоимость асфальтобетонной смеси, а также улучшить основные физико-механические свойства.
Ключевые слова: опока, минеральная добавка, адгезия, битум, асфальтобетонная смесь, показатель pH.
Проблема повышения качества строительства автомобильных дорог всегда была актуальной в Российской Федерации. В настоящее время эта проблема стоит особенно остро в связи с тем, что необходимость в строительстве и реконструкции асфальтобетонных покрытий непрерывно возрастает, а качество строительства не достигает мирового уровня. Одним из путей увеличения сроков службы покрытий автодорог является применение асфальтобетонных смесей с улучшенными физико-механическими свойствами. Причем именно на физико-механические свойства асфальтобетонов значительное влияние оказывает модифицирующая часть, особенно минеральная добавка.
В нашем случае в качестве минеральной добавки применяется тонкоизмельченная опока. В Далматовском районе Курганской области на карьере по добыче щебня опока является отходом производства (вскрышей). Ее запасы достаточно велики для использования в промышленных объемах. Опока представляет собой пористую кремнистую осадочную горную породу, состоящую в ос-
новном из микрозернистого гидратированного аморфного кремнезёма (до 75 %). Цвет от светлосерого до тёмно-серого, почти чёрного. Характеризуется большой однородностью и раковистым изломом, а также высокими адсорбционными свойствами [4].
При исследовании и построении математической модели в качестве варьируемых факторов были приняты:
- X! - битум в интервале от 5...7 %;
- Х2 - минеральная добавка (опока) в интервале от 5...7 % ;
- Х3 - песок (минеральный компонент) в интервале от 86...90 %.
Принята модель исследования по методу «черного ящика», по схеме «состав - свойство». В табл. 1 представлены процентное содержание факторных компонентов, кодировка положения составов на факторном пространстве, а также показатели рН составов [1, 2].
Отвешенную в соответствии с матрицей планирования эксперимента битумоминеральную
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента с результатами определения водородного показателя рН
№ состава Факторы Водородный показатель pH
Xi X2 X3
код % код % код %
1 1 7 0 5 0 88 5,25
2 2/3 6,32 0 5 1/3 88,6 5,5
3 1/3 5,66 0 5 2/3 89,34 5,15
4 2/3 6,32 1/3 5,66 0 88 5,35
5 1/3 5,66 2/3 6,32 0 88 5,2
6 0 5 1 7 0 88 5,45
7 0 5 2/3 6,32 1/3 88,68 4,85
8 0 5 0 5 1 90 4,9
9 0 5 1/3 5,66 2/3 89,34 5,9
10 1/3 5,66 1/3 5,66 1/3 88,68 4,9
40 Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture.
2017, vol. 17, no. 4, pp. 40-43
Грехов П.И., Заводов С.В.
Исследование влияния введения модифицирующих добавок на физические и экономические показатели асфальтобетонов
смесь нагревают до температуры 100 °С и перемешивают до получения однородной массы.
Действие рН-метра основано на измерении величины ЭДС электродной системы, показатели которой пропорциональны активности ионов водорода в растворе - рН (его водородному показателю). Измерительная схема по сути своей представляет собой не более чем получение и использование показаний вольтметра, преобразованных в иные эквивалентные, в данном случае, выраженные в единицах рН, а не в вольтах.
За величину параметра рН принимают среднее арифметическое результатов испытания трех образцов; расхождение между ними не должно превышать 5 % [6, 7, 11].
После обработки результатов были получены поверхности отклика (рис. 1, 2) и уравнение регрессии зависимости параметра рН от факторов (Х1 - битум, Х2 - опока, Х3 - песок):
Y=5,31429Х1 +5,24286Х2 +5,04286Х3 --0,0160708 Х1Х2 ++0,658928Х1Х3 + +1,04464Х2Х3-13,1624Х1Х2Х3 .
(1)
В результате проведенных исследований по определению водородного показателя рН введение опоки в качестве минеральной добавки повлияло на его увеличение (до 5,9 рН), при котором в битумно-минеральных смесях наблюдает-
ся улучшенное взаимодействие с крупным заполнителем. Изменение водородного показателя говорит о снижении потенциала смеси, то есть уменьшении величины заряда поверхности, характеризующего сгущение электрической энергии около межфазной границы, и формировании устойчивых полярных связей, что способствует адсорбции битума на поверхности зерен крупного заполнителя (щебня). Это практически весьма важно, поскольку поверхность многих дорожно-строительных минеральных материалов заряжена отрицательно и битумы, тоже обладающие отрицательным зарядом, плохо к ней прилипают [3, 5, 8-10].
При расчете стоимости экспериментальных составов в стоимость минеральной добавки (опоки) входят только затраты на погрузку ^погр), доставку породы на асфальтобетонный завод ^дост) и ее помол ^пом):
- стоимость погрузки 1 тонны погрузчиком: Sпогр = 41 руб./т;
- стоимость доставки 1 тонны груза на расстояние 200 км: SдOCГ = 600 руб./т;
- затраты на помол складываются из двух составляющих: затрат на электроэнергию и топочный газ сушильной камеры и затрат на электроэнергию для мельницы тонкого помола (мощность мельницы Wм = 105 кВт, производительность
Битум = 1,0
Песок = 0,0
Опока = 0,0
рН
Ш 4,9-4,96 ^ 4,96-5,0 ш 5,0-5,07 ^ 5,07-5,12 5,12-5,18 5,18-5,23 _ 5,23-5,29 5,29-5,34 5,34-5,4
Опока = 1,0 Битум = 0,0 Песок = 1,0
Рис. 1. Контуры предполагаемой поверхности отклика водородного показателя рН
Битум = 1,0
5,5 5,4 5,3 5,2 5,1 5,0 4,9
Опока = 1,0
рн
4,9-4,96
4,96-5,0
5,0-5,07
5,07-5,13
5,13-5,18
5,18-5,24 5,24-5,29 5,29-5,35 5,35-5,41
Песок = 1,0
Рис. 2. Расчетная поверхность отклика водородного показателя рН
Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2017. Т. 17, № 4. С. 40-43
Строительные материалы и изделия
Таблица 2
Расчет себестоимости изготовления 1 т асфальтобетонной смеси с применением опоки
в качестве минеральной добавки
№ состава Расход компонентов, т Стоимость компонентов, руб. Стоимость смешивания компонентов, руб. Итого с НДС (18 %)
Битум Опока Песок Щебень Битум Опока Песок Щебень
1 0,07 0,05 0,28 665,86 106,94 206,77 3010,84
2 0,063 0,05 0,287 601,17 106,94 211,79 2940,43
3 0,057 0,05 0,293 538,39 106,94 216,66 2872,1
4 0,063 0,057 0,28 601,17 121,06 206,77 2951,17
5 0,057 0,063 0,28 0,6 538,39 135,17 206,77 443,08 1128,91 2893,74
6 0,05 0,07 0,28 475,61 149,72 206,77 2836,83
7 0,05 0,063 0,287 475,61 135,17 211,79 2825,58
8 0,05 0,05 0,3 475,61 106,94 221,54 2803,77
9 0,05 0,057 0,293 475,61 121,06 216,66 2814,68
10 0,057 0,057 0,287 538,39 121,06 211,79 2883,01
Р = 6 т/ч; мощность двигателей сушильной камеры Wд = 10,5 кВт, расход газа г = 1000 нм3/ч) и определяется по формуле:
Sпом = Wм•сэ/P+Wд -сэ/Р+гсг/Р. (2)
Стоимость природного газа для промышленности в Курганской области составляет сг = 6 руб./нм3 [12]. Стоимость электроэнергии для промышленности в Курганской области составляет сэ = 4,31 руб./кВт ч [13]. Подсчет стоимости помола 1 т опоки по формуле (2) дает: Sпом=1497,8 руб./т.
Суммарные затраты на приготовление 1 т минеральной добавки из опоки с учетом доставки составят:
S = Sпогр + SдоCT + Sпом = 2138,81 руб./т. (3)
Благодаря использованию минеральной добавки из опоки при производстве асфальтобетона, по результатам расчета стоимости составов (табл. 2) и сравнения их со стоимостью стандартной асфальтобетонной смеси (с применением минеральной добавки МП1), которая составляет 3113,39 руб./т (с учетом НДС 18 %), достигается снижение цены единицы продукции на 102,55309,62 руб./т. Расчеты выполнены в ценах 1 квартала 2017 года.
Литература
1. Абомелик, Т.П. Методология планирования эксперимента / Т.П. Абомелик. - УлГТУ, 2011. - 38 с.
2. Абайдуллина, Т.Н. Проектирование состава асфальтобетона / Т.Н. Абайдуллина, М.В. Кудоманов, ИА. Пахомов. - Тюмень: ТюмГАСУ, 2015. - 34 с.
3. Вакула, В.Л. Физическая химия адгезии полимеров / В.Л. Вакула, Л.М. Притыкин. - М.: Химия, 1984. - 222 с.
4. Грехов, П.И. Влияние активных минеральных добавок на структуру и физико-механические характеристики известково-кремнезёмистых изделий: дис. ... канд. техн. наук /П.И. Грехов. - Челябинск, 1997. -124 с.
5. Грехов, П.И. Улучшение параметра укры-вистости битумов при введении модифицирующих добавок природного происхождения / П.И. Грехов, С.В. Заводов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2016. - Т. 16, № 4. - С. 33-37.
6. ГОСТ 22245-90*. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. - Введ. 1991-01-01.
- М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.
7. ГОСТ ЕЫ 12850-2013. Межгосударственный стандарт. Битумы и битуминозные вяжущие. Определение значения рН битумных эмульсий
- Введ. 2014-07-01. -М.: Стандартинформ, 2014.
8. Золотарев, В.А. Особенности смачивания битумом поверхности каменных материалов / В.А. Золотарев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1991. - № 8. - С. 68-70.
9. Колбановская, А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. - М.: Транспорт, 1973. - 264 с.
10. Кучма, М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве / М.И. Кучма.
- М.: Транспорт, 1980. - С. 22-36.
11. Руководство по эксплуатации рН-метра. г. Нижний Новгород, 2008. - 43 с.
12. Тарифы на природный газ. [Электронный ресурс]. - http://www.kurgangrc.ru (20.03.2017)
13. Тарифы на электроэнергию. [Электронный ресурс]. - http://energo-24.ru/tariffs/electro (20.03.2017)
Грехов Павел Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства, Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева (Курган), grehov-pgs@yandex.ru
Заводов Сергей Вадимович, аспирант кафедры промышленного и гражданского строительства, Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева (Курган), zavodov.sergey45@gmail.com,
Поступила в редакцию 9 сентября 2017 г.
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture.
2017, vol. 17, no. 4, pp. 40-43
Грехов П.И., Заводов С.В.
Исследование влияния введения модифицирующих добавок на физические и экономические показатели асфальтобетонов
DOI: 10.14529/build170406
THE STUDY OF INFLUENCE THAT INTRODUCTION OF MODIFYING ADDITIVES HAVE ON PHYSICAL AND ECONOMIC PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETES
P.I. Grekhov, grehov-pgs@yandex.ru S.V. Zavodov, zavodov.sergey45@gmail.com
Kurgan State Agricultural Academy by T.S. Maltsev, Kurgan, Russian Federation
The results of studying the influence of silica clay as a mineral additive of natural origin on the pH value of asphalt-concrete mixture and on the adhesive properties of bitumen correspondingly are presented. An assessment of economic effect from using the additive (silica clay) in comparison with standard asphalt-concrete mixture with the use of the MP1 standard mineral additive produced at the MUP "Specialized Road Enterprise" of the city of Kurgan is carried out. It is determined that due to the use of the mineral additive made of silica clay, which is much cheaper than the mineral additives used in production of asphalt concrete at the moment, we managed to reduce the cost of the asphalt concrete mixture and improve the basic physical and mechanical properties.
Keywords: silica clay, mineral supplement, adhesion, bitumen, asphalt concrete mixture, pH value.
References
1. Abomelik T.P. Metodologija planirovanija jeksperimenta [Methodology of Experiment Planning]. USTU Publ., 2011. 38 p.
2. Abajdullina T.N., Kudomanov M. V., Pahomov I. A. Proektirovanie sostava asfal'tobetona [Designing the Composition of Asphalt Concrete]. Tjumen', TjumGASU Publ., 2015. 34 p.
3. Vakula V.L., Pritykin L.M. Fizicheskaja himija adgezii polimerov [Physical Chemistry of Polymer Adhesion]. Moscow, Chemistry Publ., 1984. 222 p.
4. Grehov P.I. Vlijanie aktivnyh mineral'nyh dobavok na strukturu i fiziko - mehanicheskie harakteristiki iz-vestkovo - kremnezjomistyh izdelij Avtoref. doct. diss. [Effect of Active Mineral Additives on the Structure and Physico-Mechanical Characteristics of Calcareous-Siliceous Products. Abstract of cand. sci. diss.]. Chelyabinsk, 1997. 124 p.
5. Grehov P.I., Zavodov S.V. [Improvement of the Bitumen Opacity Parameter with the Introduction of Modifying Additives of Natural Origin]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction and Architecture, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 33-37 (in Russ.).
6. GOST 22245-90*. Bitumy neftjanye dorozhnye vjazkie. Tehnicheskie uslovija [Bitumens Petroleum Viscous for Road Building. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 1996.
7. GOST EN 12850-2013. Mezhgosudarstvennyj standart. Bitumy i bituminoznye vjazhushhie. Opredelenie znachenija pH bitumnyh jemul'sij [Interstate Standard. Bitumen and Bituminous Binders. Determination of Ph Value of Bitumen Emulsions]. Moscow, Standartinform Publ., 2014.
8. Zolotarev V.A. [Features of Bitumen Wetting of the Surface of Stone Materials]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo i arhitektura [News of High Schools. Construction and Architecture], 1991, no. 8, pp. 68-70 (in Russ.).
9. Kolbanovskaja A.S., Mihajlov V.V. Dorozhnye bitumy [Road Bitumen]. Moscow, Transport Publ., 1973. 264 p.
10. Kuchma M.I. [Surface-Active Agents in Road Building]. Moscow, Transport Publ., 1980, pp. 22-36 (in Russ.).
11. Rukovodstvopo jekspluataciipH-metra. g. Nizhnij Novgorod [Operating Instructions pH Meter], 2008. 43 p.
12. Tarify na prirodnyj gaz [Tariffs for Natural Gas]. Available at: http://www.kurgangrc.ru (accessed 20.03.2017).
13. Tarify na jelektrojenergiju [Tariffs for Electricity]. Available at: http://energo-24.ru/tariffs/electro (accessed 20.03.2017).
Received 9 September 2017
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Грехов, П.И. Исследование влияния введения модифицирующих добавок на физические и экономические показатели асфальтобетонов / П.И. Грехов, С.В. Заводов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». -2017. - Т. 17, № 4. - С. 40-43. Ш1: 10.14529/ЬшШ70406
FOR CITATION
Grekhov P.I., Zavodov S.V. The Study of Influence That Introduction of Modifying Additives Have on Physical and Economic Properties of Asphalt Concretes. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2017, vol. 17, no. 4, pp. 40-43. (in Russ.). DOI: 10.14529/build170406
Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2017. Т. 17, № 4. С. 40-43
