А. П. ЛУПАНОВ, д-р техн. наук, проф.; В. В. СИЛКИН, канд. техн. наук, проф.; И.Б. ИЛЬИН, аспир. (МАДИ, Москва),
А.В. СИЛКИН, инженер (ООО «АБЗ Капотня» Московская область)
Технологический процесс производства горячих асфальтобетонных смесей (АБС) на асфальтобетонном заводе (АБЗ) сопровождается значительным расходом топлива (газа, мазута, угля) и выделением вредных загрязняющих веществ в окружающую среду. При этом основным технологическим фактором, влияющим на расход топлива и объем вредных загрязняющих веществ, является температура производства АБС [1]. Рост цен на топливо и повышающиеся требования к АБЗ предопределяют снижение температуры приготовления и укладки АБС.
В целях обеспечения экологических требований к АБЗ в последнее время в мировой и отечественной практике все больше распространение получают теплые АБС. Название «теплые АБС» (Warm Asphalt Mixture) закрепилось за смесями, приготавливаемыми при низких температурах (обычно 105–125 °С).
Существенный вклад в изучение проблем производства теплых АБС внесли российские ученые И. В. Королев [2], Е. Н. Баринов [3], М.Н. Першин [4] и др. В их публикациях были разработаны, сформулированы и обоснованы основные положения по вспениванию битума, обобщен отечественный и зарубежный опыт применения вспененного битума в дорожном строительстве, приведены рекомендации по приготовлению теплых АБС при вспенивании вяжущего.
В нашей стране работы по производству и укладке теплых АБС впервые были выполнены в 1970–1980 гг. [4]. Однако по ряду организационных и технологических причин работы по приготовлению теплых АБС не получили широкого применения, в то время как материалы зарубежных исследователей широко внедряются в производственную практику. Наибольший прогресс по использованию теплых смесей наблюдается в США, где ежегодно выпускается 150 млн т теплых АБС при объеме производства 450 млн т асфальтобетона [5].
В настоящее время производство теплых АБС расширяется и в России. Их применение регламентируется ГОСТ Р 70396–2022 [8]: теплая АБС готовится при температуре ниже температуры смешивания более чем на 20 °С с применением теплых технологий (вспенивание битумного вяжущего, использование водосодержащих, химических и органических добавок). В настоящее время в России и за рубежом широкое распространение получили различные технологии производства теплых АБС, которые имеют ряд преимуществ:
- снижение потребления топлива на производство АБС;
- уменьшение вредного влияния на окружающую среду;
- повышение производительности АБЗ;
- увеличение дальности транспортирования АБС;
- продление строительного сезона за счет укладки АБС при более низких температурах;
- улучшение условий труда дорожных рабочих;
- уменьшение испарений при охлаждении слоя асфальтобетона;
- сокращение сроков открытия движения автотранспорта;
- замедление процессов старения битума при приготовлении, транспортировке и укладке АБС;
- возможность использования до 35–50% асфальтобетонного гранулята (АГ) в составе смеси.
При приготовлении и укладке теплых смесей заметно уменьшение синего дыма. На рис. 1 показано, что в бункере слева находится традиционная горячая АБС, а в правом бункере — смесь, произведенная при пониженной температуре. Уменьшение синего дыма и запаха от смеси наглядно показывает снижение выбросов вредных загрязняющих веществ.
В России и за рубежом широко применяется большое количество различных технологий производства теплых АБС. Наиболее популярны способы приготовления теплых АБС с использованием:
- вспенивания битума с помощью минеральных материалов или в специальных установках;
- органических добавок (парафинов или амидов жирных кислот);
- специальных химических добавок.
Технология вспенивания битума с помощью минеральных материалов основана на применении гидрофильных материалов семейства цеолитов. Цеолит — кристаллический гидратированный материал, содержащий примерно 20% воды, высвободившейся после кристаллизации при температуре свыше 100 °С. Наиболее известный применяемый для приготовления теплых смесей синтетический цеолит Asphamin поставляется в виде шарообразных белых гранул диаметром 0,3 мм в мешках по 25 или 30 кг. Цеолит в количестве 0,3–0,4% от массы смеси вводится непосредственно в смеситель одновременно с битумом, обеспечивая высвобождение воды и эффект контролируемого вспенивания битума с целью улучшить рабочие свойства смеси, что в дальнейшем позволяет снизить ее температуру примерно на 30 °С при соответствующем качестве уплотнения. Технологии с использованием органических добавок (парафинов или амидов жирных кислот). Органические добавки можно вводить в смеситель или битум. В технологии с использованием парафиновых восков добавка способствует снижению вязкости битума при его нагреве до температуры выше точки плавления воска (100 °С). В настоящее время для приготовления теплых АБС довольно широко используются добавки Sasobit и Asphaltan B. Добавка Sasobit — это синтетический парафиновый воск, получаемый путем газификации угля или природного газа (метана). Sasobit поставляется в виде гранул или порошка в мешках по 2,5 или 20 кг. При температуре выше 120 °С Sasobit полностью растворяется в битуме. С применением добавки Sasobit в количестве от 1 до 3% от массы битума снижается его вязкость, обеспечивая снижение температуры приготовления АБС. Asphaltan В – это очищенный горный воск, смешанный с амидом жирной кислоты. Точка плавления присадки — от 82 до 95 °С. Добавка Asphaltan В вводится в количестве 2,5% от массы битума. По результатам исследований, выполненных в Германии, установлено, что органические добавки обеспечивают снижение температуры АБС на 20–30 °С при одновременном улучшении стойкости асфальтобетона к деформирующим нагрузкам. В настоящее время кроме Asphaltan В и Sasobit в мировой практике используется большое количество других добавок. В России компания «Селена» начала производство воско-парафиносодержащих добавок «Вискодор». Свойства этих добавок активно изучаются в России и за рубежом.
Технологии с использованием химических добавок не изменяют вязкость битума. Благодаря своим поверхностно-активным свойствам они действуют в микроскопическом масштабе на границе раздела между агрегатами и битумом. Они регулируют и уменьшают силы трения на этой границе в диапазоне температур, как правило, между 140 и 85 °С. Тем самым становится возможным смешивание битума и агрегатов, уплотнение смеси при более низкой температуре. Химические добавки могут снижать температуру, при которой осуществляются смешивание и уплотнение, примерно на 20–30 °С.
Технологии с применением химических добавок нашли широкое применение в Германии и США. В России компания «Селена» начала промышленную апробацию добавок «ДАД-ТА» и «ДАД-ТА2».
Добавки Evotherm вводятся в вяжущее до этапа перемешивания или непосредственно в смесительный узел. Испытания, проведенные в США, показали, что использованная добавка в количестве 0,3% от массы битума обеспечивает приготовление теплых АБС, не уступающих по своим характеристикам горячим АБС. Применение Evotherm 3G обеспечивает снижение температуры приготовления АБС на 50 °С, экономию ресурсов до 55%, позволяет использовать до 45% АГ.
В зарубежной практике расширяется производство теплых АБС с добавлением АГ. Такая технология является экологически, экономически и технически оптимальным решением.
В настоящее время в России и за рубежом повышенное внимание уделяется совместному использованию АГ и теплых АБС. При этом считается, что совместное применение больших объемов АГ и технологии производства теплых АБС является экономическим, экологическим и технически оптимальным решением, обеспечивающим повышение эффективности каждой из этих технологий [5].
Производство АБС с добавлением АГ сопровождается увеличением объема загрязняющих веществ. Анализ отечественного и зарубежного опыта производства теплых смесей позволяет сделать вывод, что их применение обеспечивает снижение расходов топлива, уменьшение выбросов опасных загрязняющих веществ, а также продление строительного сезона [6,7].
Введение АГ, свойства которого нормируются стандартом [9], в состав АБС может привести к снижению водостойкости и ухудшению технологических свойств асфальтобетонов, что связано со старением вяжущего, содержащегося в АГ. Улучшение технологических свойств асфальтобетонов, снижение температуры приготовления и укладки АБС возможны за счет применения добавок ПАВ.
ООО «Дорэксперт» выполнило экспериментальные исследования по оценке влияния различных ПАВ на свойства асфальтобетона с добавлением АГ. Использовались ПАВ отечественного и зарубежного производства. Информация о применяемых добавках приведена в таблице.
Испытания проводились на АБС типа «Б» по СТО 87582433-01–2023 при содержании АГ в количестве 30%. Добавки вводили в смесь после введения битума. Результаты выполненных исследований представлены на рис. 2 и 3.
Проведенные испытания показали, что за счет модификации вяжущего добавками Evoterm J-1, CCBit 113-AD, «ДАД», Sylvaroad RP1000» водостойкость асфальтобетонных образцов повысилась на 7,8; 12,1; 5,6 и 12,2% соответственно по сравнению с контрольными.
Применение ПАВ в составе АБС способствует улучшению физико-механических и технологических свойств асфальтобетона, что, в свою очередь, позволяет уменьшить температуру приготовления смеси, сократить количество загрязняющих веществ и обеспечить при этом требуемое качество уплотнения.
В качестве объекта исследования для экспериментальной оценки влияния ПАВ на свойства асфальтобетонов с добавлением АГ были приняты АБС по СТО 87582433-01–2023 и смеси с добавлением АГ по ГОСТ Р 59118.1–2020 [9].
Важным показателем, позволяющим косвенно судить об эксплуатационных качествах асфальтобетона, является его прочность. Применение добавок ПАВ снижает вязкость битума и улучшает условия смачивания поверхности минеральных материалов. Использование различных ПАВ с АГ позволило снизить на 15–20% значения избыточной прочности при 0 °С, на 10–12% повысить водостойкость асфальтобетона, а также получить необходимую плотность контрольных образцов при снижении температуры уплотнения смеси на 30–40 ºС.
Как показали ранее выполненные исследования [6, 7], объем выбросов загрязняющих веществ сокращается до 10% за счет снижения температуры приготовления АБС.
Технологические свойства АБС с добавлением АГ оценивались по ее уплотняемости при различных нагрузках. Полученные данные (рис. 4) показывают, что введение добавок ПАВ в состав мелкозернистой смеси с добавлением АГ до 30% позволяет достичь требуемой остаточной пористости при снижении температуры приготовления и уплотнения смеси на 30–40 °C.
Литература
- Силкин, В.В., Лупанов А.П. Оборудование и технологии для производства асфальтобетонных смесей. Монография/ В.В. Силкин, А.П. Лупанов. — М.: Изд-во «Экон-Информ», 2021. — 299 с.
- Королев И.В. Дорожный теплый асфальтобетон / И.В. Королев, В.А. Головко, Г.Р. Фоменко. — Киев: Высшая школа. Головное издательство, 1984. – 200 с.
- Баринов Е.Н. Основы теории и технологии применения асфальтобетонов на вспененных битумах / Е.Н. Баранов. — Л.: ЛГУ, 1990. — 175 с.
- Першин М.Н. Вспененные битумы в дорожном строительстве / М.Н. Першин, Е.Н. Баранов, Г.В. Кореневский. — М.: Транспорт, 1989. — 80 с.
- Крупин Н.В. «Теплый асфальтобетон. Экскурс в развитие технологии» / Н.В. Крупин // «Технический вестник дорожного хозяйства». — 2012. — № 3. — С. 64-74.
- Гладышев Н.В. Совершенствование технологии приготовления и укладки асфальтобетонных смесей с добавлением гранулята старого асфальтобетона. Автореферат, дисс. канд. техн. наук. М., 2015, 22 с.
- Лупанов А.П., Моисеева Н.Г., Гладышев Н.В. Выбросы загрязняющих веществ при производстве асфальтобетонных смесей и пути их снижения. «Наука и техника в дорожной отрасли», №4, 2017, с.36-38.
- ГОСТ Р 70396-2022 Дороги автомобильные общего пользования. Смеси теплые асфальтобетонные и асфальтобетон. Общие технические условия – М.: Российский институт стандартизации, 2022. – 12 с.
- ГОСТ Р 59118.1-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Переработанный асфальтобетон (RAP). Технические условия – М.: Стандартинформ, 2020. – 9 с.
