CC BY
0Н.И. Шестаков, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: SHestakovNI@mgsu.ru НИУ Московский государственный строительный университет, г. Москва Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук, доц., e-mail: solbon230187@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.168
ПОЛУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
ПРИ ПРИМЕНЕНИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМОДИФИКАТОРОВ БИТУМА
Известен положительный опыт использования углеродных наномодификаторов при изготовлении дорожного асфальтобетона с улучшенными эксплуатационными свойствами. В данной статье рассматриваются вопросы выбора технологии производства наномодифицированных битумов для дальнейшего получения асфальтобетонных смесей на их основе. Представлены результаты апробации нанодобавки при реконструкции автомобильной дороги Р258 Байкал «Иркутск - Улан-Удэ -Чита» км 470-590. Установлено, что применение наномодифицированного битума позволяет получить асфальтобетонное покрытие с увеличением прочностных характеристик на 20-40% и показателя водостойкости до максимального значения.
Ключевые слова: модифицирование битума, фуллеренсодержащая сажа, углеродные наномо-дификаторы, нанодобавки, дорожная одежда, асфальтобетонный завод, эффективный асфальтобетон.
N.I. Shestakov, Cand. Sc. Engineering, Senior Lecturer L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.A. Lkhasaranov, Cand.Sc.Engineering, Senior Lecturer
OBTAINING AN EFFECTIVE ROAD PAVEMENT BY APPLYING CARBON NANOMODIFIERS OF BITUMEN
The positive experience of using carbon nanomodifiers in the manufacture of road asphalt concrete with improved performance properties is known. This article discusses the choice and manufacturing technology of nanomodified bitumen for the further production of asphalt-concrete mixtures based on them. The results of approbation of nanoadditives during the reconstruction of the P258 Baikal Irkutsk-Ulan-Ude-Chita highway are presented. It is established that the use of nanomodified bitumen allows obtaining asphalt-concrete coating with an increase in strength characteristics by 20-40% and the water resistance index to the maximum value.
Key words: bitumen modification, fullerene-containing carbon black, carbon nanomodifiers, nanoad-ditives, road clothes, asphalt plant, efficient asphalt concrete.
Введение
В условиях рыночной экономики развитие и обеспечение эффективной работы транспортного комплекса относится к приоритетным задачам социально-экономического развития региона. В свою очередь, эффективная реализация этого направления напрямую зависит от скорости строительства новых и реконструкции уже имеющихся автомобильных дорог. Для обеспечения эффективности и долговечности дорожных покрытий необходимо использование инновационных технологий создания новых асфальтобетонов, обладающих повышенной способностью сопротивления к старению.
Определяющее влияние на свойства асфальтобетона как термопластичного материала оказывают свойства битума, которые регулируются в широких пределах путем выбора исходного сырья, применения технологии переработки и введения модифицирующих добавок различного состава и характера. Известно [1-5], что введение углеродных наномодификаторов в
состав битума оказывает комплексное воздействие на показатели прочности, стойкости к пластичным деформациям, водо- и морозостойкости асфальтобетона, тем самым увеличивая его эффективность и долговечность в покрытиях автомобильных дорог.
Ранее были представлены исследования [6, 7], в которых в качестве модифицирующей добавки рассматривалось применение фуллеренсодержащей сажи (ФСС), полученной как сопутствующий продукт при комплексной плазменной переработке углей. В работах доказано, что при введении оптимального количества ФСС у асфальтобетона происходит увеличение прироста прочности при 50°С в среднем на 60% и увеличение сдвигоустойчивости на 30%. Дальнейшая стабилизация прироста прочности объясняется повышением количества элементов дисперсной фазы битума и высокими сорбционными качествами аморфного углерода, входящего в состав добавок, который сокращает объем пленочного битума в составе композита. Структура асфальтобетона с использованием модифицированного битума становится более плотной, что приводит к снижению скорости проникания воды к границе раздела фаз «вяжущее - поверхность минеральных материалов» сквозь пленку модифицированного битума по сравнению с асфальтобетоном без добавок. Увеличение водостойкости асфальтобетона благоприятно сказывается на долговечности дорожного покрытия с модифицированным ФСС битумом.
Таким образом, асфальтобетон, модифицированный углеродными нанодобавками, обладает лучшими структурно-механическими свойствами по сравнению с асфальтобетоном на традиционном битуме. Положительные результаты позволили продолжить исследования по применению ФСС для получения эффективных асфальтобетонов.
Объект и методы исследований
Внедрение технологии получения модифицированного асфальтобетона с применением наномодификатора в промышленных условиях осуществлялось на предприятии ООО «Дорстройсервис», г. Улан-Удэ, Республика Бурятия. Модифицированный асфальтобетон использовался для устройства верхнего слоя покрытия на участке протяженностью 100 м при реконструкции автомобильной дороги Р-258 «Байкал» Иркутск - Улан-Удэ - Чита км 464+550 - км 470+590, Республика Бурятия.
До проведения реконструкции дорожная одежда на рассматриваемом участке находилась в удовлетворительном состоянии. По результатам лабораторных испытаний асфальтобетон не соответствовал требованиям ГОСТ 9128-2013, поэтому были приняты меры по переустройству конструкции дорожной одежды.
Статистическая нагрузка на ось для расчета конструкции дорожной одежды принята А11.5 (115 кН). Конструирование и расчет дорожной одежды выполнены согласно ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» применительно к типовым проектным решениям серии 3.503-71/88 «Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования». Требуемый модуль упругости дорожной конструкции назначен 200 МПа по п. 3.26 ОДН 218.046-01.
На основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов дорожных одежд, с учетом дисконтированных затрат на содержание, текущий и капитальный ремонт, наиболее целесообразным являются нежесткие типы конструкций. В связи с этим в качестве дорожной одежды принята следующая конструкция: однослойное покрытие из горячей плотной мелкозернистой асфальтобетонной смеси на БНД 90/130 по ГОСТ 9128-2013 толщиной 4 см на двухслойном основании: верхний слой из горячей пористой крупнозернистой асфальтобетонной смеси марки II толщиной 7 см, нижний слой из щебеночно-песчаной смеси С4 по ГОСТ 25607-2009 толщиной 16 см, по дополнительному основанию из щебеночно-песчаной смеси С4 по ГОСТ 25607-2009 толщиной 16 см с использованием геосетки. Таким образом, общая толщина конструкции дорожной одежды составляет 43 см.
Для исследования влияния ФСС на структурно-механические свойства асфальтобетона и их изменения во времени был выбран мелкозернистый асфальтобетон на основе гранитного
щебня, гранитного отсева дробления, доломитового минерального порошка и битума марки БНД 90/130.
Результаты и их обсуждение
Известно, что в дорожном строительстве все вводимые добавки, в зависимости от их агрегатного состояния, вводятся в состав органического вяжущего путем объемного или массового дозирования на специальных дозаторах. Для работы с наноразмерными добавками возможно применение типовой установки для производства модифицированных битумов, в которой добавки обычно вводятся в смесь путем дозирования на весовых дозаторах и дальнейшего перемешивания кавитационными диспергаторами или лопастными мешалками.
Общая схема получения наномодифицированного битума имеет следующий вид (рис. 1): перекачанный из битумохранилища в котел битум разогревается до температуры 140°С и предварительно перемешивается лопастными мешалками в течение 5 мин, без выключения мешалок постепенно через загрузочный люк вводится 0,1 мас.% нанодобавки и подвергается перемешиванию мешалками для равномерного распределения в битуме. В дальнейшем модифицированный битум поступает в рабочий котел, в котором находится до момента приготовления асфальтобетонной смеси.
1 - узел ввода нанодобавки;
2 - битумный котел;
3 - котел нагрева термомасла;
4 - лопастная мешалка;
5 - фильтр;
6 - насос;
7 - диспергатор
Рисунок 1 - Схема установки для модификации битума
Дальнейшее приготовление асфальтобетонной смеси на асфальтобетонном заводе происходило по стандартной технологии. Асфальтобетонный завод (АБЗ) представляет собой сложный комплекс технологического, энергетического и вспомогательного оборудования, которое предназначено для производства асфальтобетонных смесей. Общая схема измененной линии АБЗ представлена на рисунке 2.
На АБЗ осуществляются следующие технологические операции: прием и хранение материалов для приготовления асфальтобетонной смеси; дробление (при необходимости) и сортировка инертных материалов; дозировка и подача в бункер материалов (а для минеральных материалов - нагрев и сушка); складирование, хранение (кратковременное) и отгрузка готовой продукции.
1 - силос минерального порошка;
2 - система пылеулавливания;
3 - бункер накопления пыли;
4 - установка для модификации битума;
5 - битумный бак-цистерна;
6 - бункеры-дозаторы инертных материалов;
7 - сушильный барабан и смесительная зона;
8 - накопительный бункер;
9 - кабина управления
Рисунок 2 - Схема асфальтобетонного завода непрерывного действия
Для приготовления модифицированных асфальтобетонов с применением нанодобавок технологическая линия АБЗ будет отличаться от стандартной лишь введением дополнительного узла по получению модифицированного битума. Общая схема следующая: после предварительного дозирования холодные и влажные минеральные материалы поступают в барабан сушильного агрегата, где они высушиваются и нагреваются до температуры 150-160°С. Из сушильного барабана щебень и песок подаются в сортировочно-дозирующее устройство, где горячий минеральный материал разделяется по фракциям, которые размещаются в отдельных отсеках горячего бункера. Из бункеров, в которых накапливаются определенные фракции минерального материала, они поступают в весовой бункер-дозатор. Дозирование фракционированных горячих материалов осуществляется по весу. Минеральный порошок дозируется отдельно в холодном состоянии. Модифицированный битум поступает в асфальтосмеситель через весовое дозирующее устройство. Время перемешивания смеси устанавливают опытным путем в зависимости от вида, технических параметров, конструктивных и технологических возможностей асфальтосмесительной установки.
Асфальтобетонный завод располагался около участка реконструкции, что исключало перевозки готовой смеси на расстояния более 50 км, а следовательно, охлаждение и расслоение смеси за время транспортировки. С асфальтобетонного завода смесь выпускалась с температурой в пределах 120-150°С. К местам укладки смесь привозилась автосамосвалами Foton 25 т. Асфальтобетонная смесь укладывалась укладчиком Volvo 7672 на подготовленный верхний слой основания из крупнозернистого асфальтобетона при положительных температурах наружного воздуха. Температура смеси в самосвале перед выгрузкой была в пределах 125135 °С. По прибытии на линию смесь сразу разгружалась в бункер укладчика (рис. 3) и раскладывалась в покрытие ровным слоем толщиной 5-6 см (с учетом уплотнения). Укатка смеси 10-тонными катками начиналась сразу, согласно нормативной документации и проекту производства работ. Для обеспечения качественного уплотнения асфальтобетонной смеси, укладываемой в однослойное покрытие толщиной 4 см (в плотном теле), требовалось 12-15 проходов 10-тонных катков по одному следу (рис. 4). Смесь с температурой ниже 120 °С на линию не отправлялась. Постоянно контролировались ровность покрытия и степень его уплотнения (рис. 5). Все обнаруженные дефекты (неровности более 5 мм под 3-метровой рейкой и др.) немедленно устранялись.
После устройства верхнего асфальтобетонного покрытия, а также в момент производства работ были отобраны материалы асфальтобетонной смеси для установления показателей качества и получения сравнительных характеристик наномодифицированного асфальтобетона.
Рисунок 3 - Укладка асфальтобетонных смесей асфальтоукладчиком, оборудованным автоматической системой обеспечения заданных высотных отметок и уклона
Рисунок 4 - Уплотнение асфальтобетонного покрытия гладковальцовыми катками
а б
Рисунок 5 - Укладка асфальтобетонной смеси: а - асфальтобетонное покрытие в момент уплотнения; б - соблюдение температурного режима уплотнения
асфальтобетонных смесей
Результаты испытания асфальтобетонных образцов бездобавочного состава и состава на модифицированном битуме приведены в таблицах 1 и 2. Анализ результатов исследований показал, что модифицирование битума добавками ФСС, приводящее к изменению структуры вяжущего, обусловливает изменение свойств асфальтобетона.
Таблица 1
Сравнительные результаты испытаний асфальтобетона
№ Состав Средняя плотность, г/см3 Прочность, МПа, при температуре
20°С 50°С
1 Контрольный бездобавочный состав 2,37 3,4 1,1
2 На модифицированном ФСС битуме (отбор смеси из смесителя) 2,38 6,4 2,1
3 На модифицированном ФСС битуме (отбор образцов из покрытия) 2,33 4,8 1,4
Требования ГОСТ 9128-2013 не норм. >2,2 >0,9
Таблица 2
Гидрофизические свойства асфальтобетона
№ Показатель Состав Фактические показатели Требования ГОСТ 9128-2013
1 Водонасыщение образцов, отформованных из смеси, % Бездобавочный 1,5 от 1,5 до 4,0
+ 0,1% ФСС 1,6
2 Водонасыщение вырубок и кернов готового покрытия, % Бездобавочный 3,7 не более 4,5
+ 0,1% ФСС 4,0
3 Водостойкость образцов, отформованных из смеси Бездобавочный 0,94 0,90
+ 0,1% ФСС 1,10
4 Водостойкость вырубок и кернов готового покрытия, % Бездобавочный 0,93
+ 0,1% ФСС 0,98
Применение ФСС в составе асфальтобетона позволяет получать композиты с заметным увеличением прочности при 20°С в среднем на 50% и при 50°С - на 60%. Введение наномо-дификатора приводит к снижению скорости проникания воды к границе раздела фаз «вяжущее
- поверхность минеральных материалов» сквозь пленку модифицированного битума по сравнению с бездобавочным асфальтобетоном. Повышение водостойкости наномодифицирован-ного асфальтобетона до максимального значения приводит к гарантированному увеличению долговечности дорожного покрытия. При анализе изменений основных механических и гидрофизических свойств асфальтобетонов очевидно, что введение ФСС в состав битума и дальнейшее производство асфальтобетона на его основе позволяют получать эффективные асфальтобетонные покрытия с увеличенным сроком эксплуатации.
Библиография
1. Высоцкая М.А., Кузнецов Д.А., Русина С.Ю. Тенденции развития наномодификации композитов на органических вяжущих в дорожно-строительной отрасли // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2013. - № 6. - С. 17-20.
2. Сапожникова В.А., Михалишина Е.А., Василовская Г.В. Исследование влияния резиновой крошки «Унирем» на свойства нефтяного дорожного битума. - URL: http://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/4898
3. Королев Е.В. Нанамодификаторы и наномодифицированные строительные материалы. Электрон. текстовые дан. - URL: https://www.allbeton.ru/wiki
4. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы: производство, свойства, применение.
- М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.
5. Запороцкова И.В. Углеродные наноматериалы для дорожного строительства // Вестник Волгоградского гос. ун-та. - 2009. - С. 103-108.
6. Урханова Л.А., Шестаков Н.И., Могнонов Д.М. и др. Влияние нанодисперсных добавок на физико-механические и гидрофизические свойства асфальтобетона // Вопросы материаловедения. -2015. - № 2 (82). - С. 54-59.
7. Шестаков Н.И., Урханова Л.А., Буянтуев С.Л. и др. Асфальтобетон с использованием углеродных наномодификаторов // Вестник Белгородского гос. технолог. ун-та им. В.Г. Шухова. - 2015. -№ 6. - С. 21 -24.
Bibliography
1. Vysotskaya M.A., Kuznetsov D.A., Rusina S.Yu. Trends in the development of nanomodification of composites on organic binders in the road construction industry // Bulletin of the BSTU named after Shukhov.
- 2013. - N 6. - P. 17-20.
2. Sapozhnikova V.A., Mikhalishina E.A., Vasilovskaya G. V. Investigation of the effect of rubber crumb "Unirem" on the properties of petroleum road bitumen. - URL: http://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/4898
23
3. Korolev E.V. Nanomodifiers and nanomodified building materials. Electron. text data. - URL: https://www.allbeton.ru/wiki
4. Mishchenko S.V., Tkachev A.G. Carbon nanomaterials: production, properties, application. - M., 2008. - 320 p.
5. Zaporotskova I. V. Carbon nanomaterials for road construction // Bulletin of Volgograd State University. - 2009. - P. 103-108.
6. Urkhanova L.A., Shestakov N.I., Mognonov D.M. et al. Influence of nanodispersed additives on the physicomechanical and hydrophysical properties of asphalt concrete // Problems of Materials Science. - 2015. - N 2 (82). - P. 54-59.
7. Shestakov N.I., Urkhanova L.A., Buyantuev S.L. et al. Asphalt concrete using carbon nanomodifiers // Bulletin of the Belgorod State Technological University. - 2015. - N 6. - P. 21-24.
