СПОСОБ ТЕПЛОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ АСФАЛЬТОБЕТОНА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR THERMAL REGENERATION OF ASPHALT CONCRETE (FOUR VERSIONS)

Изобретение относится к дорожно-строительной отрасли, а именно к способу теплой регенерации асфальтобетона, который может быть использован для ремонта существующих, устройства новых асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог I-V категории, технологических автодорог, площадок, взлетно-посадочных полос, рулежных дорожек и т.д.
В дорожной отрасли измельченный асфальтобетон, полученный в результате фрезерования или дробления асфальтобетонных покрытий, используют при производстве новых асфальтобетонных смесей, а также применяют его для устройства слоев оснований автодорог, отсыпки обочин автомобильных дорог или утилизируют на промышленных отвалах и хранилищах.
Использование измельченного асфальтобетона в качестве наполнителя в количестве до 25% от массы новой асфальтобетонной смеси снижает физико-механические показатели новой асфальтобетонной смеси, что в свою очередь отрицательно сказывается на качестве и сроках эксплуатации асфальтобетонных покрытий.
Применение измельченного асфальтобетона для устройства верхних слоев оснований автомобильных дорог отрицательно сказывается на показателе колееобразования асфальтобетона, а использование измельченного асфальтобетона для отсыпки и укрепления обочин отрицательно сказывается на экологической обстановке прилегающей к автомобильной дороге территории.
Известен способ приготовления регенерируемой асфальтобетонной смеси, заключающийся в измельчении асфальтобетона, увлажнении, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении (см. описание к патенту Российской Федерации №2164900, МПК С04В 26/26, Е01С 19/10 от 28.06.1999 г.).
В известном способе новые минеральные материалы (щебень и песок) нагревают в сушильном барабане до температуры 210…330°С, создавая избыточный запас тепла, необходимый для нагрева измельченного асфальтобетона и минерального порошка до температуры готовой смеси. В известном способе битум используют в качестве вяжущего, который нагревают до рабочей температуры. Затем дозируют все компоненты смеси и предварительно перемешивают (1 стадия) холодные и горячие компоненты. После этого смесь выдерживают в бункере-термосе, и измельченный асфальтобетон нагревается при термостатировании без ухудшения качества его битума за счет избыточного тепла минеральных материалов. При последующем перемешивании (2 стадия) нагретые зерна измельченного асфальтобетона разрушаются и распределяются вместе с добавкой нового битума в объеме смеси.
Известный способ позволяет использовать измельченный асфальтобетон в количестве не более 25% от массы новой асфальтобетонной смеси. Он длителен во времени и энергоемок. Применение способа затруднено тем, что требуется производить смешивание компонентов, имеющих разные температуры с большим диапазоном, от +20°С измельченный асфальтобетон и до +330°С минеральный порошок, что не обеспечивает однородности получаемой смеси, сказывающейся впоследствии на низких показателях физико-механических свойств асфальтобетонной смеси и в последующем асфальтобетонного покрытия, что является основными его недостатками.
Известен способ холодной регенерации слоев дорожной одежды, заключающийся в измельчении асфальтобетона, увлажнении, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении (см. описание к патенту Российской Федерации №2232841, МПК Е01С 7/18 от 29.01.2003 г.).
В качестве вяжущего в известном способе используют разогретый до рабочей температуры вязкий битум с пенетрацией от 70 до 200, который смешивают в отдельной установке с порошкообразным наполнителем и водой с получением вяжущего в виде пасты и затем вводят при перемешивании в холодную смесь измельченного асфальтобетона, при этом соотношение битум: наполнитель по массе составляет от 1:1 до 1:3, а количество битума и наполнителя составляет от 4 до 10% от массы измельченного асфальтобетона.
В известном способе используется комплексное вяжущее в виде смеси, полученной путем смешения битума, разогретого до рабочей температуры 130-170°С, и порошкообразного наполнителя, которое обволакивает частицы измельченного асфальтобетона и позволяет получать органоминеральную смесь, пригодную только для устройства слоев оснований автомобильных дорог, так как полученная смесь не имеет показателей физико-механических свойств, соответствующих требованиям, предъявляемым к асфальтобетонным смесям, пригодным для устройства слоев покрытия автомобильных дорог.
Известен способ регенерации слоев дорожной одежды, заключающийся в измельчении асфальтобетона, увлажнении, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении (см. описание к патенту Российской Федерации №2271415, МПК Е01С 7/18 от 01.07.2004 г.).
В известном способе сочетают технологические операции холодного и горячего способов.
Согласно этому известному способу растрескавшийся пакет асфальтобетонных слоев старой дорожной одежды фрезеруют дорожной фрезой, получая измельченный асфальтобетон, в который в качестве вяжущего вводят битумную эмульсию, перемешивают компоненты, распределяют смесь по проезжей части и уплотняют ее катками, получив АГБ-слой. Затем АГБ-слой разогревают на глубину 4 см при помощи асфальторазогревателя и доуплотняют катками, получая требуемый модуль упругости.
В известном способе при разогреве уже уплотненного АГБ-слоя на глубину 4 см происходит неравномерный его разогрев по всей толщине. Разогрев сопровождается выжиганием органического вяжущего в верхнем уплотненном АГБ-слое прежде, чем происходит его разогрев на глубину 4 см, вследствие чего нарушаются показатели физико-механических свойств данного слоя покрытия автомобильной дороги, что является основным недостатком известного способа.
Известен способ холодной регенерации асфальтобетона, принятый в качестве прототипа, заключающийся в измельчении асфальтобетона, увлажнении водным раствором комплексного органического препарата, включающего органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов, ферментных препаратов в виде комплексных композиций, получаемых при культивировании различных микроорганизмов, на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении (см. описание к патенту Российской Федерации №2408615, МПК C08J 11/00, С10С 3/16 от 04.05.2009 г.).
Полученная известным способом смесь, соответствующая требованиям ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства», может использоваться только для устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог с интенсивностью движения до 2000 ед./сут или для устройства нижних слоев покрытий и слоев оснований без ограничений.
Органоминеральная смесь, полученная в результате холодной регенерации асфальтобетона путем обработки измельченного асфальтобетона водным раствором комплексного органического препарата с добавлением вяжущего или без такового, не соответствует требованиям, предъявляемым ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» к показателям физико-механических свойств асфальтобетонных смесей, включая показатели, определяемые по схеме Маршалла: сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения и сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, а также трещиностойкости по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С и деформации 50 мм/мин, что является ее недостатком.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение материальных и энергетических затрат при получении регенерированного асфальтобетона из измельченного асфальтобетона старой дорожной одежды или утилизированного ранее на промышленных отвалах и хранилищах, а также решение экологической задачи за счет вторичного использования асфальтобетона.
Техническая задача решается тем, что способ теплой регенерации асфальтобетона (вариант 1) заключается в измельчении асфальтобетона, увлажнении водным раствором комплексного органического препарата, включающего органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов в виде комплексных композиций, получаемых при культивировании различных микроорганизмов, на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении, при этом измельченный асфальтобетон предварительно разогревают до температуры 70-110°С, а затем увлажняют при следующем соотношении компонентов, мас.%:
измельченный асфальтобетон
97-93
водный раствор комплексного органического препарата
3-7,
причем водный раствор комплексного органического препарата приготавливают с коэффициентом растворения с водой 1:100-1:1000 в зависимости от первоначальной концентрации комплексного органического препарата, температуры окружающей среды, временного периода приготовления асфальтовой смеси и окончанием процесса ее уплотнения.
Техническая задача решается тем, что способ теплой регенерации асфальтобетона (вариант 2) заключается в измельчении асфальтобетона, увлажнении водным раствором комплексного органического препарата, включающего органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов в виде комплексных композиций, получаемых при культивировании различных микроорганизмов, на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении, при этом измельченный асфальтобетон предварительно разогревают до температуры 70-110°С, затем увлажняют, а в качестве катализатора реакции дополнительно используют различные виды и марки цементов или минеральный порошок, применяемый для производства новых асфальтобетонных смесей, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
измельченный асфальтобетон
96,9-89
водный раствор комплексного органического препарата
3-7
катализатор реакции
0,1-4,
причем водный раствор комплексного органического препарата приготавливают с коэффициентом растворения с водой 1:100-1:1000 в зависимости от первоначальной концентрации комплексного органического препарата, температуры окружающей среды, временного периода приготовления асфальтовой смеси и окончанием процесса ее уплотнения.
Техническая задача решается тем, что способ теплой регенерации асфальтобетона (вариант 3) заключается в измельчении асфальтобетона, увлажнении водным раствором комплексного органического препарата, включающего органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов в виде комплексных композиций, получаемых при культивировании различных микроорганизмов, на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении, при этом измельченный асфальтобетон предварительно разогревают до температуры 70-110°С, затем увлажняют, в качестве катализатора реакции дополнительно используют различные виды и марки цементов или минеральный порошок, применяемый для производства новых асфальтобетонных смесей, и в случае содержания в асфальтобетонном грануляте органического вяжущего менее 3,5% от его массы в водный раствор комплексного органического препарата дополнительно вводят водно-битумную эмульсию катионную (ЭБК) или анионную (ЭБА) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
измельченный асфальтобетон
96,8-86
водный раствор комплексного органического препарата
3-7
катализатор реакции
0,1-4
органическое вяжущее
0,1-3,
причем водный раствор комплексного органического препарата приготавливают с коэффициентом растворения с водой 1:100-1:1000 в зависимости от первоначальной концентрации комплексного органического препарата, температуры окружающей среды, временного периода приготовления асфальтовой смеси и окончанием процесса ее уплотнения.
Техническая задача решается тем, что способ теплой регенерации асфальтобетона (вариант 4) в измельчении асфальтобетона, увлажнении водным раствором комплексного органического препарата, включающего органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов в виде комплексных композиций, получаемых при культивировании различных микроорганизмов, на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде, перемешивании компонентов, распределении смеси и ее уплотнении, при этом измельченный асфальтобетон предварительно разогревают до температуры 70-110°С, затем увлажняют и в случае содержания в асфальтобетонном грануляте органического вяжущего менее 3,5% в водный раствор комплексного органического препарата дополнительно вводят водный раствор органического вяжущего в виде водно-битумной эмульсии катионной (ЭБК) или анионной (ЭБА) при следующем соотношении компонентов, мас.%
измельченный асфальтобетон
96,9-90
водный раствор комплексного органического препарата
3-7
органическое вяжущее
0,1-3,
причем водный раствор комплексного органического препарата приготавливают с коэффициентом растворения с водой 1:100-1:1000 в зависимости от первоначальной концентрации комплексного органического препарата, температуры окружающей среды, временного периода приготовления асфальтовой смеси и окончанием процесса ее уплотнения.
Предлагаемый способ теплой регенерации асфальтобетонов позволяет использовать измельченный асфальтобетон в количестве до 97% от общей регенерируемой массы для получения асфальтобетонной смеси, соответствующей требованиям ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», обладающей сдвигоустойчивостью по коэффициенту внутреннего трения и сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, а также трещиностойкостью по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С и деформации 50 мм/мин, пригодной для ремонта существующих асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог I-V категории, или устройства новых слоев покрытий автомобильных дорог всех технических категорий, а также взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек аэродромов.
Использование водного раствора комплексного органического препарата в количестве 3-7% от массы измельченного асфальтобетона при осуществлении теплой регенерации асфальтобетонов позволяет:
- использовать измельченный асфальтобетон в количестве 86-97% от общей регенерируемой массы асфальтобетонной смеси;
- производить теплую регенерацию асфальтобетона, в том числе без использования различных органических вяжущих и неорганических вяжущих, требуемых для соединения частиц асфальтогранулята различной фракции между собой;
- использовать в качестве катализатора реакции различные виды и марки цемента или минеральный порошок, используемый для производства асфальтобетонных смесей с целью достижения высоких показателей физико-механических свойств регенерированных асфальтобетонных смесей;
- использовать в качестве добавки в водный раствор комплексного органического препарата водно-битумной эмульсии катионной (ЭБК) или анионной (ЭБА) для увеличения битумного составляющего в измельченном асфальтобетоне или при необходимости улучшения показателей сдвиговых свойств регенерированной асфальтобетонной смеси.
В предлагаемой технологии теплой регенерации асфальтобетонов энергопотребление снижено более чем на 70%, а сметная себестоимость производства асфальтобетонной смеси снижена более чем на 50% относительно производства новых асфальтобетонных смесей по ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон».
Основным элементом технологического процесса теплой регенерации асфальтобетона является водный раствор комплексного органического препарата, включающий органическую часть в виде комплекса ферментных препаратов. В качестве ферментных препаратов используют комплексные композиции, получаемые при культивировании различных микроорганизмов, таких как дрожжи рода Saccharomyces, почвенные бактерии Bacillus species и т.д., на сахаро- и фруктозосодержащей питательной среде.
3
2
2
3
Действие водного раствора комплексного органического препарата направлено на преобразование ослабленных углеводородных связей органического вяжущего, содержащегося в измельченном асфальтобетоне в виде различных модификаций битумов, в новые макросоединения, а также образование прочного минерального скелета из имеющихся в измельченном асфальтобетоне окислов СаСО, SiO, AlO и т.д., обеспечивающих достижение высоких показателей плотности регенерированного асфальтобетона, полученного после уплотнении асфальтобетонной смеси.
3
При введении водного раствора комплексного органического препарата в измельченный асфальтобетон углеводородные соединения органического вяжущего подвергаются воздействию молекулярного кислорода и под действием окислительной реакции происходит разрушение ослабленных связей между атомами углерода и водорода. Скорость окислительной реакции под действием водного раствора комплексного органического препарата при температуре измельченного асфальтобетона от 70°С до 110°С увеличивается более чем в 10 раз.
Высвободившиеся атомы водорода соединяются с атомами азота, содержащимися в воздухе, и образуют газообразные аммиачные соединения, которые впоследствии распадаются в воздушной среде на первоначальные составляющие - азот и водород. Высвободившиеся связи атомов углерода в углеводородных цепочках создают новые макрохимические соединения, связываясь друг с другом, а также окислами кальция, имеющимися в минеральном порошке, входящем в состав измельченного асфальтобетона, а также катализаторе реакции.
Битум, являющийся органическим вяжущим измельченного асфальтобетона, приобретает новые физические свойства петентрации и адгезии, что позволяет производить дальнейшее уплотнение теплой регенерированной смеси с использованием общепринятой техники, а именно самоходных дорожных катков или виброуплоняющих механизмов.
Регенерированный асфальтобетон, полученный в результате уплотнения теплой асфальтобетонной смеси, приобретает высокие показатели физико-механических свойств:
- прочность на сжатие в различных температурных режимах (0°С, 20°С, 70°С);
- водостойкость;
- сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения и сцепления при сдвиге при температуре 70°С;
- трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С и скорости деформирования 50 мм/мин.
Предлагаемый способ теплой регенерации асфальтобетона заключается во введении в подогретый до температуры 70-110°С измельченный асфальтобетон, получаемый путем фрезерования или дробления старых асфальтобетонных покрытий, в количестве 86-97%, водного раствора комплексного органического препарата в количестве 3-7% от массы измельченного асфальтобетона, с добавлением катализатора реакции и дополнительного органического вяжущего или без таковых, с последующим перемешиванием компонентов с получением однородной смеси, ее уплотнением и получением регенерированного асфальтобетона.
Предлагаемый способ реализуют следующим способом.
Водный раствор комплексного органического препарата приготавливают с коэффициентом растворения с водой 1:100-1:1000 в зависимости от первоначальной концентрации комплексного органического препарата, температуры окружающей среды, временного периода приготовления асфальтовой смеси и окончанием процесса ее уплотнения. Приготовление водного раствора комплексного органического препарата осуществляют путем смешивания расчетного количества воды и комплексного органического препарата с последующим тщательным перемешиванием любым доступным способом.
Измельченный асфальтобетон подают в барабан нагрева инертных материалов асфальтобетонного завода, где происходит разогрев материала до температуры 70-110°С. Далее разогретый измельченный асфальтобетон дозируют в бункер-смеситель или камеру смешения в зависимости от типа действия асфальтобетонного завода, куда затем в случае необходимости производят дозирование расчетного количества катализатора реакции в виде минерального порошка или различных видов и марок цемента в количестве 0,5-3% от массы регенерированной смеси (или без такового) и далее производят дозирование расчетного количества предварительно приготовленного водного раствора комплексного органического препарата, после чего осуществляют смешение компонентов до получения однородной смеси. Смешение компонентов асфальтобетонной смеси в бункере смесителе или камере смешения осуществляют в течение 10-300 секунд в зависимости от объема смеси и технических характеристик асфальтобетонного завода.
В случае необходимости использования дополнительного органического вяжущего в виде водно-битумной эмульсии катионной (ЭБК) или анионной (ЭБА) производят введение расчетного количества органического вяжущего в количестве 0,5-3% от массы асфальтобетонной смеси в водный раствор комплексного органического препарата и перемешивают любым доступным способом.
После смешения готовую теплую асфальтобетонную смесь выгружают из бункера-смесителя или камеры смешения и транспортируют на объект производства дорожно-строительных работ.
Транспортировку, распределение и уплотнение теплой асфальтобетонной смеси осуществляют в течение не более 5 часов с момента приготовления при температуре смеси не ниже 50°С.
упл
Уплотнение теплой асфальтобетонной смеси осуществляют до коэффициента уплотнения К>0,98 с использованием дорожных катков или виброуплоняющих механизмов.
Из приготовленных теплых асфальтобетонных смесей различного состава были изготовлены образцы диаметром 71,4 и высотой 70,0 мм для проведения лабораторных работ в соответствии с, требованиями ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства». Разогрев измельченного асфальтобетона осуществляли до температуры 100°С путем воздействия на материал открытым пламенем. Последующее поддержание температуры асфальтобетонной смеси осуществляли с использованием термошкафа. Уплотнение теплой асфальтобетонной смеси осуществляли при нагрузке 30 МПа с периодом выдерживания при заданной нагрузке 3 минуты, что на 25% ниже требований, предъявляемых ГОСТ 12801-98 к уплотнению горячих асфальтобетонных смесей (нагрузка 40 МПа и выдерживание под давлением в течение 3 минут). Разогрев пресс-форм не производился. Хранение образцов из регенерированного асфальтобетона осуществляли в течение 7 суток при температуре 21°С плюс/минус 3°С и относительной влажности 75% плюс/минус 5%. Затем были проведены испытания образцов регенерированного асфальтобетона с определением показателей физико-механических свойств согласно требованиям, предъявляемым к горячим асфальтобетонным смесям по ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» и ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства».
Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице 1.
В таблице 2 приведен сравнительный анализ видов работ и затрат на работы по ремонту асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог при использовании теплой регенерации асфальтобетонов и при использовании общепринятой технологии ремонта.
Таблица 2
Технология теплой регенерации асфальтобетонов
Общепринятая технология ремонта асфальтобетонных покрытий
Фрезерование слоя покрытия - 5 см
Фрезерование слоя покрытия - 5 см
Устройство слоя покрытия из теплой регенерированной асфальтобетонной смеси - 5 см
Устройство слоя покрытия из мелкозернистой асфальтобетонной смеси - 5 см
Себестоимость производства теплой регенерированной асфальтобетонной смеси с учетом всех затрат (цены 2011 г.) - <800 руб./т
Себестоимость производства мелкозернистой асфальтобетонной смеси с учетом всех затрат (цены 2011 г.) - >1400 руб./т
Норма расхода теплой регенерированной асфальтобетонной смеси на 1000 м<sup>2</sup> покрытия при толщине слоя 5 см - 121 т
Норма расхода мелкозернистой асфальтобетонной смеси на 1000 м<sup>2</sup> покрытия при толщине слоя 5 см - 121 т
Утилизация отходов производства отсутствует
Утилизация 121 т асфальтобетонного гранулята
Себестоимость производства всего комплекса работ, включая все расходы, менее 176 руб./м<sup>2</sup>, из которых:
Себестоимость производства всего комплекса работ, включая все расходы, более 250 руб./м<sup>2</sup>, из которых:
- фрезерование слоя покрытия 30 руб./м<sup>2</sup>
- фрезерование слоя покрытия 30 руб./м<sup>2</sup>
- производство регенерированной смеси 96 руб./м<sup>2</sup>
- производство мелкозернистой смеси 170 руб./м<sup>2</sup>
- механизмы и трудозатраты по устройству асфальтобетонного покрытия 50 руб./м<sup>2</sup>
- механизмы и трудозатраты по устройству асфальтобетонного покрытия 50 руб./м<sup>2</sup>