CC BY
291
УДК 676.026.723.6
А. М. Мухаметханов, В. И. Гаврилов, О. К. Нугманов
СТАБИЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ ТРАВЯНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, полуцеллюлозное волокно, стабилизирующая добавка,
флотогудрон.
Основным отличием высококачественных дорожных покрытий на основе щебеночномастичного асфальтобетона, является наличие в его 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. Представлена энерго- и ресурсосберегающая технология получения стабилизирующей добавки.
Key words: stone mastic asphalt, 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. Energy- and resource saving technology of producing stabilizing additive is presented.
На сегодняшний день, дорожные покрытия на основе щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) являются одними из наиболее качественных в мире. Его 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 ЩМА 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 [1].
Таблица І - 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
В настоящее время на российском рынке представлены следующие стабилизирующие добавки, характеристики которых приведены в таблице 2 [2].
Производитель Торговая марка Описание стабилизатора
ООО «Фирма ГБЦ» ЗАО Фирма «Эмка» ООО «Хризотоп» ШегсЫшюа БКЬ «:Лп1хосе1а8», ЦЛВ СББ ОшЬЬ & со кБ I. Яейепше1ег& БоЬпе ОМВЫ & Со. (ЖБ ОшЬЬ & Со.) СД-1, СД-Супер Гасцел Хризотоп ІТЕКБІБКЛ Лпіхосеї- О/ОЛ Торсеї Уіаіор 66, Уіаіор Ргешіиш Волокна сульфатной целлюлозы (85%), органические связки (15%) 2 разновидности - гранулированное или не гранулированное целлюлозное волокно Гранулы из асбестового волокна Цилиндрические гранулы длиной 6-8 мм, составом: минеральные и натуральные волокна (соответственно 75% и 20%), и органическое вяжущее (5%) Гранулы целлюлозного волокна, полученного из макулатуры и отходов (70%), связанных битумом/ПАВ (20%) Масса длинно и мелковолокнистая. Содержание целлюлозы - 80+-5% У1а1;ор 66 - цилиндрические гранулы 2-10 мм из мелковолокнистой целлюлозы (66%), агломерированной дорожным битумом (34%). У1а1;ор 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 энерго- и ресурсосберегающей технологии получения стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, соответствующей ГОСТу на ЩМА [1], обладающей способностью сорбировать вяжущее в асфальтобетонных смесях, 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 [3] и отходов производства масложировых комбинатов [4,5,6].
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 полуцеллюлозу, полученную из травянистых растений (стебли льна, рапса, камыша) по оригинальной технологии ОАО «НИИнефтепромхим». 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 [7]. В ходе серии экспериментов по получению полуцеллюлозы из стеблей льна и рапса, был определен выход с единицы массы сырья, который составил 56,0 и 42,5% соответственно, учитывая площадь посевов и производительность линии получения полуцеллюлозы, ее выход составит 0,5 и 5,1 тонн с гектара пашни в год. Кроме того, рапс представляет большой практический интерес, 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.
Определение влажности и термостойкости волокон проводили по методикам, приведенным в ГОСТе на ЩМА [1].
Определение длины волокна проводили по методике, описанной Дж. Кларком [8]. Для этого было произведено 4 выборки полуцеллюлозных волокон (500-600 волокон в каждой), 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; 1,02,0.. .10-11 мм. Результаты измерений представлены на рисунке 1.
Из рисунка 1 видно, что критерию содержание волокна длиной 0,1-2,0 мм не менее 80%
удовлетворяет полуцел-люлоза, выделенная из рапса, с содержанием волокон указанной длины 92,2%. Однако стоит отметить, что стандарт допускает применение
волокон длиной от 0,1 до 10 мм, способные
сорбировать битум при технологических температурах. Этому условию отвечают также полуцеллюлоза льна, в которой волокон длиной от 0,1 до 4,0 мм содержится 89,4%, и камыша - 97,4%.
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 [1] (табл. 3).
Таблица 3 - Результаты испытаний волокон на соответствие стандарту
£
О 211]
3,9 3,1
30,9
17,3
*,7
0,7 1—■—| <№
0,0-11,1 0,М1,Э 113-113 и 3-' и 1Д-2,Й ао-э и 31Ыи 40-3 0
длина во л о вон, ш
Рис. 1 - Распределение по длине волокон
полуцеллюлозы, выделенной из рапса
Наименование показателей Требования ГОСТ Исходное сырье
31015-2002 Лен Рапс Камыш
Влажность, % по массе, не более 8,0 6,09 5,75 6,31
Термостойкость при температуре 220 °С по 7,0 5,3 6,5 6,9
изменению массы при прогреве, %, не более
Содержание волокон длиной от 0,1 мм до 2,0 мм, %, не менее 80 71,9 92,2 77,0
Данные таблицы 3 свидетельствуют, что волокна полуцеллюлозы указанных растений соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002, и рекомендуются в качестве стабилизирующей добавки для ЩМА, как в натуральном виде, так и в виде гранул в композиции со связующим, в качестве которого могут применяться кубовые остатки дистилляции жирных кислот.
Как уже отмечалось выше, технология получения полуцеллюлозы предусматривает измельчение целлюлозного волокна [7]. Полуцеллюлозу отбирали после стадии термомеханохимической активации, затем готовили эмульсию с одновременной пропиткой волокон. Благодаря этому, получали стабилизирующую добавку, минуя стадии характерные для процессов получения аналогов (измельчение и распушка волокна) [9,10].
Преимуществами получения стабилизирующей добавки таким способом являются следующие:
■ полуцеллюлозные волокна поступают на пропитку органической связкой уже размельченные и распушенные;
■ эмульгирование масложировой композиции и пропитка ею полуцеллюлозных волокон происходит одновременно в одном аппарате.
К достоинствам получаемой таким образом стабилизирующей добавки можно отнести:
■ снижение температуры процесса пропитки в 2 раза, в сравнении с аналогами [9,10];
■ применение в качестве сырья полуцеллюлозных волокон травянистых культур и флотогудрона снижает себестоимость продукта в 1,8 раз, а также позволяет до 100% утилизировать отходы производства масел и жирных кислот;
■ с целью повышения энерго- и ресурсосбережения, технология производства стабилизирующей добавки включает многократный рецикл эмульсии, и практически безотходна.
С целью экспериментального подтверждения эффективности предлагаемого стабилизатора на основе травяной целлюлозы (СТЦ) были проведены лабораторные испытания щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси. Асфальтобетон марки ЩМА-15 состава:
Щебень карьера «Сангалыкский-габрро» 10-15 мм 42%
Щебень карьера «Сангалыкский-габрро» 5-10 мм 27%
Отсев Сангалыкский-габрро фракция 0-5 мм 19%
Минеральный порошок активированный МП 12%
Битум сверх мин. части БНД 60/90 «Сызранский НПЗ+0.8 Адгезол» 5,9 %
испытывали в соответствии с методиками ГОСТ 31015-2002 в присутствии предлагаемого стабилизатора, а так же, в сравнение, известных стабилизаторов ГБЦ СД-2 и Хризотоп. Стабилизаторы добавляли в виде гранул при смешении в разогретые щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси, которые готовили смешением щебня, минерального порошка, отсевов дробления и битума. Результаты испытаний приведены в таблице 4.
Из данных таблицы 4 видно, что ЩМА с использованием предлагаемого стабилизатора СТЦ превосходит аналогичные по показателю предела прочности при сжатии при +500С, равный 1,25 МПа против 1.05 и 1,0 МПа у СД-2 ГБЦ и Хризотоп соответственно. А также по показателю сцепления при сдвиге при +500С, который равен 0,25 МПа для ЩМА в присутствии СТЦ, и 0,21 и 0,22 МПа соответственно при СД-2 ГБЦ и Хризотоп. Из чего следует улучшение теплостойкости ЩМА при сохранении высокой трещиностойкости при 00С и соответственно увеличении эксплуатационного интервала в области высоких температур при применении стабилизатора СТЦ.
Наименование показателей Стабилизатор Норма в соответствии с ГОСТ 31015
СТЦ СД-2 ГБЦ Хризотоп
Содержание стабилизатора в АБС, % 0,44% 0,35% 0,3%
Водонасыщение, % по объему 2,82 3,28 2,47 От 1,0 до 4,0
Предел прочности при сжатии, МПа при + 200С, не менее 2,85 3,6 3,58 2,2
Предел прочности при сжатии, МПа при + 500С, не менее 1,25 1,05 1,0 0,65
Коэффициент внутреннего трения, МПа, не менее 0,93 0,90 0,92 0,93
Сцепление при сдвиге при + 500С, МПа, не менее 0,25 0,21 0,22 0,20
Трещиностойкость при 00С не менее не более 5,7 5,7 5,6 От 2,5 до 6,0
Стекание вяжущего, %, не более 0,16 0,32 0,26 0,2
Данные таблицы 4 по важнейшему показателю стекания вяжущего так же свидетельствуют о высокой эффективности применения СТЦ в ЩМА, который равен 0,16% и не превышает нормированный ГОСТом. Из чего следует, что стабилизатор на основе травяной целлюлозы может рекомендоваться к применению в составах ЩМА.
По данному направлению получено 2 патента РФ [11, 12].
Литература
1. ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия [текст]. - 2003-05-01. - М.: МНТКС, 2003. - 32с.
2.Мухаметханов, А.М. Способ получения стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси / А.М.Мухаметханов, О.К. Нугманов, В.И. Гаврилов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №6. - С. 204-210.
3.Нугманов, О.К. Целлюлоза. Начало нашей эры / О.К.Нугманов, Н.А.Лебедев // Химический журнал. -2009. - №12 С.30-33.
4.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. 111-й межрегиональной науч.-практич. конф. Чебоксары, апрель 2009 г. - Чебоксары : Волжский филиал МАДИ (ГТУ), 2009. - С 54-56.
5.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. студентческой. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Йошкар-Ола, апрель 2008 г. : ч.1. - Йошкар-Ола : МарГТУ, 2008. - С 119-120.
6.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 всероссийской 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.
7. Способ получения полуцеллюлозы [текст] : пат. 2343240 Рос. Федерация : МПК7 Б 21 С 5/00, Б 21 С 1/06, Б21 В 1/16, Б01 С 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. : ил
8.Кларк, Дж. Технология целлюлозы / Дж. Кларк. - Москва: Лесная промышленность, 1983. - С. 221222.
9. 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.
10. Стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона [пат] пат. 2348662 Рос. Федерация, МКП7 С 08 Ь 1 / 02, С 08 Ь 23 / 12, С 04 В 16 / 02, С 04 В 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. : ил
11. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси и способ ее получения [пат] пат. 2312116 Рос. Федерация, МКП7 С 08 Ь 95 / 00, С 04 В 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.
12. Способ армирования асфальтобетонной смеси[пат] пат. 2310622 Рос. Федерация, МКП7 С 04 В 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, [email protected]; В. И. Гаврилов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КГТУ, [email protected]; О. К. Нугманов - канд. хим. наук, зав. техническим отделом ОАО "Научно-исследовательский институт по нефтепромысловой химии" (ОАО «НИИнефтепромхим»), [email protected].
