CC BY
195
А. М. Мухаметханов, О. К. Нугманов, В. И. Гаврилов
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ
ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ
Ключевые слова: смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные, полуцеллюлозное волокно, стабилизирующая добавка, флотогудрон.
Основным отличием высококачественных дорожных покрытий на основе щебеночно-мастичных асфальтобетоных смесей, является наличие в их составе стабилизирующей добавки на основе натуральных целлюлозных волокон.
В статье представлены результаты испытаний полуцеллюлозных волокон выделенных из травянистых растений и стабилизирующей добавки на их основе в соответствие требованиям ГОСТ 31015-2002. Приведены основные технологические операции ее получения, критерии выбора сырья, а также рекомендации к применению.
Key words: stone mastic concrete mix, semicellulose fiber, stabilizing additive, soap stock.
The main difference of high-quality road surfaces based on the stone mastic concrete mix is stabilizing additive made of natural cellulose fibers contained in it.
The article presents the results of GOST 31015-2002 standard adequacy tests of semicellulose fibers extracted from herbaceous plants and the stabilizing additive based on it. The basic technological processes for its production and the criteria for selection of raw materials are described, as well as the recommendations for its use.
На сегодняшний день, дорожные покрытия на основе щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМАС) являются одними из наиболее качественных в мире [1]. Ее используют при укладке дорожного покрытия транспортных магистралей с интенсивным движением, в частности, на автобанах и мостовых перекрытиях, в аэропортах, речных портах и автовокзалах в таких странах, как Россия, США, ЮАР, Китай, Норвегия, Финляндия, Швеция, Франция, Германия и множестве других.
Как известно, существенное отличие составов ЩМАС от обычного асфальтобетона - это применение специальных стабилизирующих добавок на основе натуральных целлюлозных волокон, позволяющих увеличить толщину битумного слоя на поверхности минеральной части дорожного покрытия.
Целлюлозное волокно должно иметь ленточную структуру нитей длиной от 0,1 мм до 2,0 мм. Волокно должно быть однородным и не содержать пучков, скоплений нераздробленного материала и посторонних включений. По физико-механическим свойствам целлюлозное волокно должно соответствовать значениям, указанным в таблице 1 [2].
В настоящее время на российском рынке представлены следующие стабилизирующие добавки, характеристики которых приведены в таблице 2 [3].
Таблица 1 - Физико-механические свойства целлюлозного волокна
Наименование показателя Значение показателя
Влажность, % по массе, не более 8,0
Термостойкость при температуре 220 °С по изменению массы при прогреве, %, не более 7,0
Содержание волокон длиной от 0,1 мм до 2,0 мм, %, не менее 80
Таблица 2 - Общая характеристика стабилизаторов ЩМАС
Производитель Торговая марка Описание стабилизатора
ООО «Фирма ГБЦ» СД-1, СД-Супер Волокна сульфатной целлюлозы (85%), органические связки (15%)
ЗАО Фирма «Эмка» Гасцел Две разновидности - гранулированное или не гранулированное целлюлозное волокно
ООО «Хризотоп» Хризотоп Гранулы из асбестового волокна
ШегсЫшюа БКЬ ІТЕКИВЯА Цилиндрические гранулы длиной 6-8 мм, составом: минеральные и натуральные волокна (соответственно 75% и 20%), и органическое вяжущее (5%)
«:Ап1хосе1а8», ЦАВ Апіхосеї-О/ОА Гранулы целлюлозного волокна, полученного из макулатуры и отходов (70%), связанных битумом/ПАВ (20%)
СББ ОшЬЬ & со Торсеї Масса длинно и мелковолокнистая. Содержание целлюлозы - 80+-5%
I. Яейепше1ег& БоЬпе ОМВЫ & Со. (ЖБ ОшЬЬ & Со.) Уіаіор 66, Уіаіор Ргешіиш У1а1ор 66 - цилиндрические гранулы 2-10 мм из мелковолокнистой целлюлозы (66%), агломерированной дорожным битумом (34%). У1а1ор Ргештиш - цилиндрические гранулы 4-8 мм (90%), агломерированные дорожным битумом (10%)
Обобщая известные способы получения стабилизирующих добавок, можно выделить следующие основные стадии их производства: измельчение волокна, распушка, пропитка волокон органическим вяжущим, гранулирование и сушка.
Целью настоящей работы являлось создание стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, соответствующей ГОСТу на ЩМАС [2], обладающей способностью сорбировать вяжущее в асфальтобетонных смесях на базе дешевых исходных компонентов, являясь одновременно армирующим и структурообразующим ингредиентом, получаемой в гранулированной форме, удобной при транспортировке и дозировании в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь при условии ее равномерного распределения в технологической массе.
Нами разработан способ получения стабилизирующей добавки из дешевой травяной полуцеллюлозы [4] и отходов производства масложировых комбинатов [5,6,7].
Стабилизирующая добавка представляет собой гранулы полуцеллюлозного волокна, пропитанные связующим, в качестве которого взяты кубовые остатки дистилляции жирных кислот производства масел, например, флотогудрон, соапсток или жировая масса, полученная при очистке сточных вод того же производства. Технология получения предлагаемой стабилизирующей добавки включает следующие операции:
1. рыхление полуцеллюлозного сырья;
2. приготовление эмульсии;
3. смешение полуцеллюлозных волокон с эмульсией, отжим;
4. гранулирование;
5. сушка.
В качестве основного компонента стабилизирующей добавки использовали полу-целлюлозу, полученную из травянистых растений (стебли льна, рапса, камыша) по оригинальной технологии ОАО «НИИнефтепромхим» [4].
Выбор и оценка сырьевой базы осуществлялась по двум критериям - выход целлюлозы с единицы массы сырья и выход целлюлозы с одного гектара пашни. Для этого исследовались травяные культуры, хорошо произрастающие в условиях климатических зон России. Дополнительными условиями при выборе основного вида сырья служили сложившаяся культура возделывания, материальная база и масштабы посевов [8]. Маркетинговые показатели приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Маркетинговые показатели сырья
Культура Посевы травянистых культур в РТ Выход зеленой биомассы с учетом влажности Выход целлюлозы
Площадь, га Урожай ц/га Масса, тыс.т Выход, % Масса, т Масса в год, т/га
Лен 300 20-40 6-12 56,0 0,75-1,5 0,23-0,5
Рапс 90000 300 -2700 42,5 -459 -5,1
Люцерна 25000 400 -1000 46,7 -186 -7,5
Донник 7000 370 -259 46,9 -48 -6,9
Из таблицы 3 видно, что наилучшими показателями в условиях средней полосы обладает рапс, как сырье двойного назначения, семена которого идут на получение рапсового масла и биодизеля, а солома, которая в настоящее время запахивается и сжигается на полях, является ценным источником для получения волокнистого материала. В основу технологии получения полуцеллюлозы заложен многофункциональный непрерывно действующий реактор, позволяющий одновременно осуществлять «варку» соломы, удаление древесной части стебля-костры (делигнификация) и измельчение целлюлозного волокна [8].
Определение влажности и термостойкости волокон проводили по методикам, приведенным в ГОСТе на ЩМАС [2].
Определение длины волокна проводили по методике, описанной Дж. Кларком [9]. Для этого было произведено 4 выборки полуцеллюлозных волокон (500-600 волокон в ка-
ждой), выделенных из указанных растений. Длину волокон распределили по классам от 0 до 0,1; 0,1-0,3; 0,3-0,5; 0,5-1,0; 1,0-2,0...10-11 мм. Результаты измерений представлены на рисунках 1, 2, 3.
II 1 1 1—1
и и -и 1 и '-из и и-и ь и 3-8 и ■ и-*'и и-з и З.й-йЛ -чи-ь и ь и ч и уи-г и ги-ли а и-и и ии-'ии пй,й-ая,й
■* - л ■ ■: - и и
Рис. 1 - Распределение по длине волокон полуцеллюлозы, выделенной из льна
п
дл и и а соло № н. мм
Рис. 2 - Распределение по длине волокон полуцеллюлозы, выделенной из рапса
Из рисунка 2 видно, что критерию содержание волокна длиной 0,1-2,0 мм 80% удовлетворяет полуцеллюлоза, выделенная из рапса. Однако стоит отметить, что стандарт допускает применение волокон длиной от 0,1 до 10 мм, способные сорбировать битум при технологических температурах [2]. Этому показателю отвечает также лен, в котором волокон длиной от 0,1 до 4,0 мм содержится 89,4%, и камыш - 97,4% (рис.1, 3).
Также проводилось определение сорбционной способности стабилизирующей добавки к битуму в зависимости от различных условий процесса сушки. Для этого, полуцел-люлозные волокна льна пропитывали связующим, и подсушивали до влажности удовлетворяющей требованиям ГОСТ 31015-2002 [2]. Сушку проводили тремя способами: в сушильном шкафу, в печи СВЧ и на воздухе. После чего, готовую стабилизирующую добавку сформованную в шары диаметром около 10 мм, погружали на 30 мин в разогретый примерно до 130°С битум марки БНД 90/130. По истечении этого времени, шары вынима-
ли и взвешивали, сравнивая с их массой до контакта с битумом. Результаты эксперимента приведены в таблице 4.
дли на ьлюн. мм
Рис. 3 - Распределение по длине волокон полуцеллюлозы, выделенной из камыша
Таблица 4 - Сорбционная способность стабилизирующей добавки
Способ сушки Сушильный шкаф СВЧ печь На воздухе
Адсорбция, битум, кг волокно, кг 78,00 82,4 83,5
Как видно из таблицы 4, способ сушки стабилизирующей добавки практически не влияет на количество адсорбированного битума.
Как уже отмечалось выше, технология получения полуцеллюлозы предусматривает измельчение целлюлозного волокна [8]. Полуцеллюлозу отбирали после стадии термомеха-нохимической активации, затем готовили эмульсию с одновременной пропиткой волокон. Благодаря этому, получали стабилизирующую добавку, минуя стадии характерные для процессов получения аналогов (измельчение и распушка волокна) [10,11].
Таким образом, к преимуществам этого способа получения можно отнести следующее:
1. полуцеллюлозные волокна поступают на пропитку органическим вяжущим уже размельченные и распушенные;
2. снижается расход реагентов на приготовление эмульсии органической связки за счет их присутствия в самом волокне.
Кроме того, с целью повышения эффективности технологии производства проводился рецикл отжатой эмульсии, которая после «доукрепления» использовалась затем многократно.
К достоинствам получаемой таким образом стабилизирующей добавки можно отнести:
1. снижение температуры процесса пропитки в 2 раза, в сравнении с аналогами [10,11].
2. применение в качестве сырья полуцеллюлозного волокна травянистых культур и отходов производства масложировых комбинатов снижают себестоимость продукта в 1,8 раз.
В работе представлены результаты проведенных нами испытаний стабилизирующей добавки на основе волокон полуцеллюлозы травянистых культур, пропитанные органической связкой. Образцы волокон полуцеллюлозы выделенных из льна, рапса и камыша были проанализированы на соответствие ГОСТ 31015-2002 [2]. Результаты испытаний приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Результаты испытаний волокон на соответствие стандарту
Наименование показателей Требования ГОСТ 31015-2002 Исходное сырье
Лен Рапс Камыш
Влажность, % по массе, не более 8,0 6,09 5,75 6,31
Термостойкость при температуре 220 °С по изменению массы при прогреве, %, не более 7,0 5,3 6,5 6,9
Содержание волокон длиной от 0,1 мм до 2,0 мм, %, не менее 80 71,9 92,1 77,0
Адсорбционная способность, битум, кг волокно, кг 81,3
Данные таблицы 5 свидетельствуют, что волокна полуцеллюлозы указанных растений соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002, и рекомендуются в качестве стабилизирующей добавки для ЩМАС, как в натуральном виде, так и в виде гранул в композиции со связующим, в качестве которого могут применяться кубовые остатки дистилляции жирных кислот. На ООО «Фирма ГБЦ», г. Асбест выпущена партия стабилизирующей добавки типа «СД-1 Дороцелл» массой ~1,5 тонны на основе травяной (льняной) целлюлозы для строительства дорожного полотна повышенной износоустойчивости. По данному направлению получено 2 патента РФ [12,13].
Литература
1. Щебеночно-мастичный асфальтобетон // http://informavtodor.ru/media/price_2.doc, свободный.
2. ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия [текст]. - 2003-05-01. - М.: МНТКС, 2003. - 32с.
3. СТАБИЛИЗАТОРЫ ЩМАС: виды и технология производства [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.newchemistry .ru/printletter.php?n_id=6268
4. Нугманов, О.К. Целлюлоза. Начало нашей эры / О.К.Нугманов, Н.А.Лебедев // Химический журнал. - 2009. - №12. - С.30-33.
5. 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 сообщ. III-й межрегиональной науч.-практич. конф. Чебоксары, апрель 2009 г. - Чебоксары : Волжский филиал МАДИ (ГТУ), 2009. - С 54-56.
6. Мухаметханов, А.М. Отработка способа получения полуцеллюлозы на основе льняного сырья / А.М. Мухаметханов, О.К. Нугманов // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. докл. и со-
общ. международной науч. студентческой. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Йошкар-Ола, апрель 2008 г.: ч.1. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. - С 119-120.
7. Мухаметханов, А.М. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и способ ее получения на основе травяной полуцеллюлозы / А.М. Мухаметханов // Теоретические знания - в практические дела : сбор. материалов XI всерос. науч.-иннов. конф. асп., студ. и молодых ученых с элементами научной школы. Омск, май 2010 г. ч.1. - Омск: Филиал ГОУ ВПО «РосЗ» в г.Омске, 2010. - С 202-204.
8. 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 "Нефтепромхим". - № 2007115320/12 ; завял. 12.04.07 ; опубл. 10.01.09 Бюл. № 14 (II ч.). - 3 с.
9. Кларк, Дж. Технология целлюлозы / Дж. Кларк. - М.: Лесная промышленность, 1983. - С. 221222.
10. Способ армирования асфальтобетонной смеси [текст] пат. 2262491 Рос. Федерация, МКП7 С 04 В 26/26 / Телюфанова О.П.; заявитель и патентообладатель ФГУП СНПЦ «РОСДОРНИИ» -№2003103141/03. заявл. 10.08.04.; опубл. 20.10.05 Бюл. № 29. - 5с.
11. Стабилизатор для щебеночно-мастичного 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 / Киселев М.А. ; заявитель и патентообладатель ООО "Фирма "ГБЦ". - № 2007107626/04. заявл. 28.02.07; опубл. 10.03.09 Бюл. № 14 (II ч.). - 3 с.
12. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и способ ее получения [пат] пат. 2312116 Рос. Федерация, МКП7 С 08 L 95 / 00, C 04 B 26 / 26 / Нугманов О.К. , заявитель т патентообладатель ООО «НПО «Нефтепромхим». - № 2006142423/04 заявл. 24.11.06 , опубл. 10.12.07 Бюл. № 14 (II ч.). - 4 с.
13. Способ армирования асфальтобетонной смеси[пат] пат. 2310622 Рос. Федерация, МКП7 C 04 B 26 / 26 / Нугманов О.К. , заявитель т патентообладатель ОАО «НИИнефтепромхим». - № 2006142424/03 заявл. 24.11.06 , опубл. 20.11.07 Бюл. № 14 (II ч.). - 4 с.
© А. М. Мухаметханов - асп. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КГТУ, goir@rambler.ru; О. К. Нугманов - канд. хим. наук, зав. техн. отд. ОАО «НИИнефтепромхим», nugmanovok@rambler.ru; В. И. Гаврилов - д-р хим. наук, проф. зав. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КГТУ, gavrilov_vi@kstu.ru.
