О компании

Продукция


Производство теплых асфальтобетонных смесей с добавлением вспененного битума

Источник - журнал «Дороги России XXI века» №1 2019

Авторы - Д-р техн. наук, проф. А.П. ЛУПАНОВ,
канд. техн. наук, проф. В.В. СИЛКИН,
канд. техн. наук, доц. В.В. РУДАКОВА (МАДИ),
инж., аспирант И.О. К03ИК0В,
инж., гл. экономист А.В. СИЛКИН (АО «АБЗ КАПОТНЯ», Москва)

Основной вид покрытий автомобильных дорог в России и за рубежом - это асфальтобетонные покрытия. Технологический процесс производства горячих асфальтобетонных смесей на АБЗ для строительства и ремонта автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием сопровождается значительным расходом топлива (газ, мазут, уголь) и выделением вредных загрязняющих веществ в окружающую среду. При этом основным технологическим фактором, влияющим на расход топлива и объем вредных выбросов, является температура производства асфальтобетонных смесей (140-160 °С).

Рост цен на топливо и ужесточеЕие экологических требований к АБЗ в свете последних документов экологического законодательства предопределяют снижение температуры приготовления и укладки асфальтобетонных смесей. За смесями, приготавливаемыми при более низких название WAM (Warm Asphalt Mixture - теплая асфальтобетонная смесь).

Существенный вклад в изучение проблем производства и применения теплых асфальтобетонных смесей внесли российские ученые И.В. Королёв [2], Е.Н. Баринов [З], М.Н. Першин [4] и др.

В их трудах были разработаны, сформулированы и обоснованы основные положения по вспениванию битума, обобщен отечественный и зарубежный опыт его применения в дорожном строительстве, приведены рекомен дащии по приготовлению асфальтобетонных смесей при вспенивании вяжущего.

Впервые в нашей стране работы по производству и укладке теплых смесей были выполнены в 1970-1980 годах с использованием жидких битумов [2].

Однако по ряду организационных и технологических причин работы по приготовлению вспененных битумов в России не rrолучили широкого вЕедрения, а теплые асфальтобетонные смеси были исключены из ГоСТ 9128-2009.

В определенной степеЕи это связано с тем, что ранее теплыми считались смеси, приготовленные с применением маловязких или жидких битумов, при использовании которых обеспечить требуемую плотность асфальтобетонов из таких смесей при пониженных температурах практически невозможно. ffоуплотнение в процессе эксплуатации под давлением колес транспортных средств часто приводило к образованию колей и наплывов.

По результатам исследований в США и Европе широко применяются различЕые технологии производства теплых смесей. На основании результатов, полученных в ходе выполненных в ряде стран исследований, установлено, что производство теплых асфальтобетонных смесей имеет ряд ожидаемых преимуществ по сравнению со смесями, приготавливаемыми по традиционной горячей технологии [5, 6, Z В]:

  • сниж€ние потребления топлива на производство асфальтобетонной смеси;
  • уменьшение вредного влияния на окружающую среду;
  • повышение производительностиАБЗ;
  • увеличение дальности транспортирования асфальтобетонной смеси;
  • возможность продления строительного сезона при укладке асфальтобетонных смесей при более низких температурах окружающей среды;
  • улучшение условий труда дорожных рабочих;
  • уменьшение испарений rrри охлаждении слоя асфальтобетона;
  • ускорение открытия движения транспортных средств;
  • замедление процессов старения битума при приготовлении, транспортировании и укдадке асфальтобетонных смесей;
  • возможность использования в составе смеси до З0-35 0/о асфальтового гранулята.

Следует отметить значительный прогресс в применении теплых асфальтобетонных смесей в США и Европе. По данным Европейской ассоциации асфальтобетонного покрытия (Еurореап Asphalt Рачеmепt Association (ЕАРА)), в США в 2О17 году было произведено 147,4 млн т теплой асфальтобетонной смеси, что составляет З9 % от общего объема производства. За последние восемь лет использование теплых асфальтобетонных смесей увеличилось на 777 %.

Во Франции было произведено в 2017 году 4 млн т теплых асфальтобетонных смесей, что составляет 12,7 % от общего объема производства. В Швеции - 0,7 млн т, 8,5 % от общего объема [5].

В настоящее время разработано большое количество различных технологий производства и укладки теплых смесей без ухудшения характеристик асфальтобетонного покрытия. При этом можно выделить два основных способа получения теплых смесей за счет применения различных добавок или вспененного битума в специальных установках.

Добавки зарубежного производства имеют высокую стоимость. Наиболее известная и широко применяемая добавка — Evotherm, стоимость которой составляет 1300 тыс. руб. за 1 т [7].

Испытания, проведенные в США, показали, что эта добавка в количестве 0,3 % от массы битума обеспечивает приготовление теплых смесей, не уступающих по характеристикам горячим асфальтобетонным смесям. Применение добавки Evotherm снижает температуру приготовления смеси на 50 °С, экономит ресурсы в объеме до 55 %, позволяет использовать до 45 % асфальтового гранулята [5].

Исследованиями, выполненными ООО «Дорэксперт» на АО «АБЗ КАПОТНЯ», установлено, что уменьшение температуры приготовляемой асфальтобетонной смеси на 30-40 °С снижает удельный расход газа на 4-5 м3, что удешевляет производство 1 т смеси на 20-30 руб. При использовании в качестве топлива мазута или дизельного топлива экономия увеличивается на 110-150 руб. за 1 т выпускаемой асфальтобетонной смеси. Но снижение себестоимости приготовления асфальтобетонной смеси за счет сокращения затрат на топливо не компенсирует дополнительной стоимости добавки Evotherm при работе асфальтосмесительной установки как на газе, так и на мазуте [9].

Использование для приготовления теплых асфальтобетонных смесей специальных добавок отечественного производства ДАД-1, ДАД ТА-1 и др. позволит обеспечить экономический эффект от их применения. Однако необходимо проведение исследований по определению их оптимальной дозировки в состав используемого битума.

В настоящее время за рубежом при приготовлении теплых смесей широкое применение находит механическое вспенивание битума, получаемого в специальной установке, которое занимает в США примерно 65 % рынка [5].

При приготовлении теплых асфальтобетонных смесей очень важен правильный выбор оборудования для вспенивания битума, от которого зависят производительность труда, качество и стоимость дорожно-строительных работ. В связи с увеличением объемов производства теплых асфальтобетонных смесей ведущие производители асфальтосмесительного оборудования — Ammann, Astec, Amomatic, Intrame и др. — уделяют большое внимание выпуску и реализации оборудования для вспенивания битума.

Для приготовления теплых асфальтобетонных смесей с температурой в диапазоне 110-130 °С компания Ammann предлагает систему вспененного битума Ammann Foam (рис. 1), которая позволяет подготавливать и добавлять при производстве асфальтобетонной смеси вспененный битум. Технологический процесс основывается на вспенивании битума с добавлением воды и используется при установке парогенератора в асфальтосмесительных установках непрерывного и периодического (Batch) действия. По данным компании Ammann, используются обычные сорта битума. Система Ammann Foam применима без использования химических добавок и может быть достаточно легко установлена на существующие асфальтосмесительные установки.

Определенный интерес представляет технология Double Barrel Green, позволяющая, по данным компании Astec (США), избежать использования специальных добавок и битума путем смешивания небольшого количества воды и обычного горячего битума до появления микроскопических пузырьков, которые понижают вязкость слоя битума при создании смеси, позволяя работать с ней при пониженных температурах.

Для реализации предложенной технологии компанией произведена модернизация сушильно-смесительного барабана Double Barrel, обеспечивающая реализацию технологии Double Barrel Green (рис. 2).

Дозирование горячего битума в асфальтобетонную смесь происходит через ряд специальных форсунок, в которые также подается и вода (рис. 3). Каждая форсунка установки обеспечивает достаточное количество смеси битумного вяжущего с водой для получения готовой асфальтобетонной смеси. В установке Astec Multi Device предусмотрено десять форсунок, производящих пену для изготовления асфальтобетонной смеси.

В зависимости от нормы выработки готовой асфальтобетонной смеси предусмотрена система компьютерного контроля открывания и закрывания электромагнитных клапанов, обеспечивающая работу каждого комплексного блока и форсунок с ограниченным потоком битума при ограниченном обратном давлении, что способствует получению постоянного количества вспененного битума в камере пенообразования. Кроме десяти основных блоков для производства вспененного битума, система предусматривает одиннадцатый дополнительный клапан, расположенный в коллекторе для извлечения проб битума.

Подача воды в систему осуществляется через поршневый насос прямого вытеснения, подающий воду под давлением более 10 бар. При этом скорость водяного насоса настроена соответственно насосу, закачивающему жидкий битум, чтобы в блок форсунки-клапаны поступало строго необходимое количество воды. Причем каждый водяной электрический клапан управляется индивидуально, обеспечивая контроль каждого водяного потока в каждой форсунке, а водяные клапаны открываются одновременно с открытием клапанов, подающих горячий битум.

В системе предусмотрен логический контроллер для обеспечения ровной и слаженной работы всех клапанов в зависимости от увеличения или уменьшения нормы выработки асфальтобетонной смеси. Кроме того, программируемый логический контроллер позволяет проверять давление воды в каждой форсунке в том неблагоприятном случае, если какая-либо форсунка окажется засоренной. Вода подается в систему из специального резервуара вместимостью 2 000 л, в котором смешивается под давлением с битумом для создания микроскопических пузырьков, снижающих вязкость подаваемой смеси. Автоматический впускной клапан поддерживает резервуар постоянно наполненным. Если вода вовремя не поступила, то система подает звуковой сигнал обслуживающему установку персоналу, обращая внимание на возможные проблемы без риска порчи асфальтобетонной смеси.

По данным компании Astec, использование системы оборудования для вспенивания битума позволит сократить расход топлива для разогревания каменных материалов на 17-30 % в зависимости от их влажности. Это обеспечивает экономию порядка 60 руб. на 1 т асфальтобетонной смеси.

Компания Astec предлагает вспениватель Green System третьего поколения (рис. 4), обеспечивающий эффективное вспенивание битума благодаря более высокому давлению воды (520-1 500 кПа). Вспениватель оборудован индивидуально смоделированными водными форсунками (инжекторами), которые поддерживают давление. Форсунки открываются сразу после запуска насоса, что позволяет несколько повысить давление воды перед впрыскиванием, предотвращая попадание в них битумного вяжущего сразу после открытия. Система имеет предохранительный клапан с датчиком потока, который уменьшает давление в случае засорения водопроводов, информируя пользователя о возникших проблемах для их незамедлительного решения.

Компанией Intrame (Испания) предлагается установка для вспененного битума (система Bitfoam), предназначенная специально для АБЗ циклического действия. Установка включает в себя пеногенератор, водяной насос высокого давления с электронным изменением скорости (частотный инвертор), водомер, резервуар для воды и систему контроля (рис. 5).

Центральная часть установки Bitfoam — пеногенератор, в котором происходит впрыск воды через сжатие битумного потока. В форсунке в результате испарения воды происходит интенсивное расширение. Полученный в результате двух фаз поток направляется по трубе в статический смеситель, где он смешивается до однородного состояния. Такая конструкция позволяет вводить жидкие добавки в битум. Она также оснащена двумя резисторами мощностью 400 Вт, контролируемыми двумя датчиками температуры так, что точки впрыска воды не засоряются холодным битумом. Помимо этого, каждая линия впрыска имеет обратный клапан: битумный поток отсутствует в системе циркуляции оборотной воды. Все элементы герметичны, чтобы выдерживать перепады давления в результате закупоривания (засорения) впрыском высокого давления.

Система управления контролирует, насколько освобождаются весы для битума, что способствует оптимальному сочетанию впрысков воды и битума. Установка способна увеличить объем воды на основе битума до 4 %, в то время как нормальный рабочий диапазон составляет 1,0-2,5 %.

К достоинству установки компании следует отнести ее универсальность. Она может быть использована для вспенивания битума различными химическими добавками или поверхностно-активными веществами, используемыми для снижения температуры асфальтобетонной смеси. Асфальтобетонные смеси на вспененных битумах производят в асфальтобетонных установках циклического и непрерывного действия, оснащенных дополнительным оборудованием для вспенивания битума.

В настоящее время Росавтодором утверждены методические рекомендации по применению теплых асфальтобетонных смесей с добавлением вспененного битума [10], в которых даны практические рекомендации по осуществлению процессов его вспенивания, последовательность подачи исходных материалов в асфальтосмесительные установки циклического и непрерывного действия.

Для приготовления теплой асфальтобетонной смеси определено требуемое процентное содержание щебня, песка и минерального порошка. Щебень и песок в необходимом количестве в соответствии с рекомендациями [10] нагревают до температуры, указанной в табл. 1 и 2. После добавления ненагретого минерального порошка и процесса перемешивания производят подачу требуемого количества вспененного битума. Температура исходного битума должна соответствовать значениям, приведенным в табл. 1 и 2. Температура воды в количестве 1-4 % от массы битума должна быть в пределах 5-50 °С.

Количество исходного битума для теплых асфальтобетонных смесей примерно такое же, как и для горячих смесей того же вида, типа и зернового состава. Продолжительность перемешивания должна определяться опытным путем и продолжаться до тех пор, пока все минеральные материалы не будут покрыты вяжущим и в готовой смеси не останется его сгустков.

На АО «АБЗ КАПОТНЯ» накоплен опыт применения технологии вспененного битума с использованием оборудования компании Amomatic в течение пяти лет. Опыт применения технологии вспененного битума на АО «АБЗ КАПОТНЯ» показал, что за счет лучшего перемешивания можно получить асфальтобетонные смеси без существенных изменений свойств при меньшем содержании битума. Экономия битума составляет 2,6 кг для пористых смесей и 1,8 кг для плотных смесей [11].

Система AmoFoam компании Amomatic (рис. 6) для теплых асфальтобетонных смесей включает в себя водяной насос высокого давления и реактор для смешивания малого количества воды с потоком битума, движущегося из резервуара к смесителю асфальтосмесительной установки.

Распыленный водяной пар формирует битумную пену с пониженной вязкостью и улучшенными характеристиками обволакивания минеральных материалов, позволяющими понизить температуру асфальтобетонной смеси при приготовлении и укладке.

Стоимость оборудования зарубежных компаний для вспенивания битума находится в пределах 4-7 млн руб. Установлено, что, исходя из средней стоимости оборудования зарубежного производства, возможно окупить его использование приблизительно: при работе на мазуте — при выпуске 120 тыс. т, при работе на дизельном топливе — 60 тыс. т, при работе на газе —140 тыс. т [11].

Анализ отечественного и зарубежного опыта использования теплых смесей позволяет сделать вывод, что их применение обладает рядом неоспоримых преимуществ, главные из которых — снижение расхода топлива и сокращение объема выбросов в окружающую среду, а также возможность укладки теплых смесей при продлении строительного сезона. Экологический фактор особенно важен в связи с последними Указами Президента России и нормативными документами экологического законодательства Российской Федерации.

Отмечая важность утвержденных Росавтодо-ром рекомендаций [10], следует сказать, что для успешного внедрения и увеличения объемов производства теплых смесей в дорожной отрасли по результатам выполненных научных исследований и опытно-экспериментальных работ на производственных объектах следует разработать и вооружить строителей необходимыми нормативными документами (государственными стандартами, технологическими регламентами, стандартами, руководствами и др.).

Список литературы

  1. Приготовление асфальтобетонных и бетонных смесей [Текст]: учебное пособие / Под общ. ред. В.В. Силкина, А.П. Лупанова. — М.: Эконинформ, 2015. — 493 с.
  2. Королёв И.В. Дорожный теплый асфальтобетон [Текст] / И.В. Королёв, В.А. Головко, Г.Р. Фоменко. — Киев: Высш. шк., Головное изд-во, 1984.-200 с.
  3. Баринов Е.Н. Основы теории и технологии применения асфальтобетонов на вспененных битумах [Текст] / Е.Н. Баринов. — Л.: ЛГУ, 1990. — 175 с.
  4. Першин М.Н. Вспененные битумы в дорожном строительстве [Текст] / М.Н. Першин, Е.Н. Баринов, Г.В. Кореневский. — М.: Транспорт, 1989. — 78 с.
  5. Крупин Н.В. Теплый асфальтобетон и РАП сегодня. Экскурс в развитие технологии [Текст]//Ав-томоб. дороги. — 2018. — № 10. — С. 45-47.
  6. Силкин В.В. Приготовление теплых асфальтобетонных смесей [Текст] / В.В. Силкин, А.П. Лу-панов, Э.Ю. Васильев и др. // Строит, техника и технологии. — 2013. — № 7. — С. 62-64.
  7. Траутваин А.И. Влияние добавок Evotherm, АЗОЛ 1007 и АДГЕЗОЛ 3-ТД на свойства битума [Текст] / А.И. Траутваин, В.В. Языкина, Д.В. Землякова. // Дороги и мосты. - 2014. - № 1. - С. 225-238.
  8. Лупанов А.П. Теплые асфальтобетонные смеси с добавлением асфальтового гранулята [Текст] / А.П. Лупанов, Н.В. Гладышев, В.В. Силкин и др. // Дороги и мосты. - 2018. — № 1. - С. 291-307.
  9. Гладышев Н.В. Совершенствование технологии приготовления и укладки асфальтобетонных смесей с добавлением гранулята старого асфальтобетона: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М.: МАДИ, 2015. — 22 с.
  10. Теплые смеси. Рекомендации по применению [Текст]: ОДМ 218.2.042-2014 / Федер. дор. агентство. — М.: ФГУП «Информавтодор», 2013.-20 с.
  11. Лупанов А.П. Эффективность производства асфальтобетонных смесей на вспененном битуме [Текст] / В.В. Силкин, А.С. Суханов, Н.В. Гладышев. // Автомоб. дороги. — 2017. — № 9.-С. 89-91. ■