Инновации в дорожной отрасли: проблемы и решения

Инновации в дорожной отрасли: проблемы и решения

Ольга Опанасенко,

завлабораторией химии дорожно-строительных материалов Института общей и неорганической химии НАН Беларуси, кандидат химических наук, доцент

Ольга Яукша,

старший научный сотрудник Института общей и неорганической химии НАН Беларуси, кандидат химических наук

Оксана Жигалова,

научный сотрудник Института общей и неорганической химии НАН Беларуси

Автомобильные дороги и улицы как важнейшая часть транспортной системы государства требуют не только усовершенствования, но и поддержания их в технически исправном состоянии.

Как показали результаты исследования, протяженность участков дорог с недостаточной прочностью и значительными дефектами составляет 6387 км, или 41%. Кроме того, требуют капитального ремонта свыше 11 тыс. км, или 75% республиканских трасс. Их низкое технико-эксплуатационное состояние значительно снижает скорость движения машин, что приводит к увеличению себестоимо-

сти перевозок на 25-30%. Это уменьшает производительность грузовых автоперевозок на 25-30%, пассажирских - на 35-40%. Неровность покрытий приводит к удорожанию перевозок на 30-40%, увеличению расхода горючего в 1,5 раза и сокращению срока службы автомобилей. Исходя из этого, важнейшее условие, позволяющее гарантировать нормальное функционирование дорожной сети, - применение современных материалов и технологий. Как свидетельствует мировой и отечественный опыт, один из наиболее прогрессивных путей решения проблемы - использование энерго- и ресурсосберегающих технологий на основе битумных эмульсий и модифицированных битумов. Применение горячего асфальтобетона, для получения которого сжигается огромное количество постоянно растущего в цене топлива, приводит к огромным затратам, неоправданным как с экономической, так и с экологической точки зрения. Эксплуатация асфальтобетонных заводов - прямой путь к загрязнению окружающей среды: в атмосферу выбрасываются продукты термического разложения битумов - диоксид углерода, углеводороды, кислотосодержащие соединения, канцерогенные вещества.

В дорожной отрасли республики применяются в основном химические реагенты - эмульгаторы, полимеры, адгезионные и стабилизирующие добавки, импортируемые из стран Западной Европы и Российской Федерации. Это снижает экономический эффект от внедрения новых технологий и ставит предприятия в полную зависимость от зарубежных поставок. Чтобы сократить импорт и сэкономить валютные ресурсы, предприятие «Химавтодорсервис» ГНПО «Химические

продукты и технологии» организовало промышленный выпуск отечественных эмульгаторов и адгезионных присадок на основе рапсового масла. Созданная продукция имеет такие же характеристики, что и зарубежная (табл. 1-4). Используя ее, только в 2006-2008 гг. в КПРСУП «Го-мельоблдорстрой» было выпущено более 3 тыс. т катионных битумных эмульсий и выполнено 440 км поверхностной обработки.

Технология поверхностной обработки дорожного покрытия эмульсиями, полученными с помощью полимермодифици-рованных битумов, - наиболее распространенная и востребованная. Эффект действия полимеров заключается в упрочнении коагуляционной структуры битума, улучшении его структурно-реологических, адгезионных свойств, повышении стабильности к процессам термоокислительной деструкции и, как следствие, обеспечении необходимых эксплуатационных характеристик защитных слоев покрытий на наиболее грузонапряженных участках дорог [1-3]. В то же время использование данного вида битумов для производства эмульсий сопряжено с рядом трудностей, возникающих вследствие недостаточной агрегативной устойчивости и высокой вязкости полимербитумных композиций (ПБК). В связи с этим битумные эмульсии на ПБК в Беларуси практически не выпускаются. Кроме того, поскольку нефть сейчас поставляется не только из России, но и из других стран, это приводит к изменению коллоидно-химических свойств битумов, производимых из них, а следовательно, и битумных эмульсий. Так, на Мозырском НПЗ в 2010 г. была выпущена опытная партия битума (600

т) из венесуэльской нефти. Изготовление опытной партии битумной эмульсии на этом битуме с использованием импортного эмульгатора марки «Редикот» (Швеция, «Акзо Нобель») показало, что она обладает высокой вязкостью, превышающей нормативные требования СТБ 1245, что не позволяет распределять ее на дорожное покрытие. В то же время в ДРСУ-186 в Мозыре выпуск битумных эмульсий на основе битума из той же нефти вкупе с отечественным эмульгатором «Белэм Б» продемонстрировал, что они полностью соответствуют требованиям СТБ 1245. Совместно с предприятием «Гомельоблдорстрой» Институтом общей и неорганической химии НАН Беларуси разработаны рецептуры модифицирования этого битума полимером (табл.5) и получена на его основе битумно-полимерная эмульсия с использованием эмульгатора «Белэм Б». В табл. 6 приведены ее коллоидно-химические характеристики. Получена агрегатив-но устойчивая битумная эмульсия, характеризующаяся низкой вязкостью, высокой дисперсностью и адгезионной прочностью тонкой битумной пленки к поверхности минерального материала, удовлетворяющая нормативным требованиям. Опытно-технологические работы по поверхностной обработке 19 тыс. м2 дорожного покрытия с ее использованием проведены на автомобильных дорогах предприятием «Гомельоблдорстрой» (рис. 1). Мониторинг состояния дорожного полотна показал перспективность применения таких полимермодифициро-ванных битумных эмульсий.

Особую актуальность во всем мире приобретает вовлечение в хозяйственный оборот минеральных материалов, ранее не использовавшихся в дорожно-строительных работах из-за сложного минералогического состава, низкой прочности и наличия примесей. Для их применения в промышленных масштабах необходима разработка специальных битумных эмульсий с регулируемым взаимодействием, что позволит достичь высоких прочностных показателей дорожных покрытий. Такая задача была поставлена перед лабораторией нашего

института руководством Минтранспорта Республики Татарстан.

Анализ минералогического состава и удельной поверхности тонкодисперсных фракций <0,071 мм минеральных материалов, предоставленных ОАО «Татавто-дор», показал, что присутствие большого количества карбонатных и глинистых компонентов способствует интенсивному их взаимодействию с катионными битумными эмульсиями. Образцы природной и

обогащенной песчано-гравийной смеси (ПГС) обладают более развитой удельной поверхностью по сравнению с тонкодисперсными фракциями дробленых минеральных материалов, в особенности с гранитным щебнем - основным дорожно-строительным материалом в нашей стране [8]. Поскольку адсорбция молекул эмульгатора должна происходить на поверхности минерального материала, любое увеличение ее площади влечет

Таблица 1. Сравнительный анализ коллоидно-химических характеристик битумных эмульсий с использованием импортных эмульгаторов и эмульгатора Белэм М

Эмульгатор/ страна-производитель Требования СТБ Ро1угат / Франция Redicote/ Швеция Азол / Россия Белэм-М/ Беларусь

Расход эмульгатора, кг/т эмульсии 1245-2007 8 8 8 8

Содержание вяжущего с эмульгатором, % 57,5-62,5 61 61 60 58

Однородность по остатку на сите 0,63, %, не более 0,1 0,03 0,04 0,043 0,014

Условная вязкость по визкозиме-тру СТВ, при 40 оС, сек, не более 8 3,5 3,5 3,5 3,5

Коэффициент распада, % >260 409 319 196 288

Адгезия к гранитному щебню, %, не менее - 60 95 85 95

Рис. 1. Участки автомобильной дороги «Подъезд к д. Малейки км 0,0 — км 0,1» до и после ремонта

Таблица 2. Сравнительный анализ коллоидно-химических характеристик битумных эмульсий с использованием импортных эмульгаторов и эмульгатора «Белэм Б»

Эмульгатор/ страна-производитель Требования СТБ1245-2007 Dinoram / Франция Redicote/ Швеция Asf¡er/ Испания Амдор/ Россия Дорос/ Россия Белэм-Б/ Беларусь

Расход эмульгатора, кг/т эмульсии 2 2 3 3 3 2

Содержание вяжушрго с эмульгатором, % 57,5-62,5 61 58 59 61 58 58

Однородность по остатку на сите 0,63, %, не более 0,1 0,019 0,03 0,047 0,02 0,079 0,03

Условная вязкость по

визкозиметру СТВ, при 40 оС, сек, не более 8 3,5 2,5 3,5 3,5 2,5 3

Коэффициент распада, % 60-160 140 135 130 110 117 150

Адгезия к гранитному щебню, %, не менее - 90 90 95 90 90 95

Таблица 3. Сравнительный анализ характеристик битумов, модифицированных импортными адгезионными присадками и адгезионной присадкой «Белэм Д»

Присадка (0,5%), страна-производитель Требования СТБ 1463-2004 Ро1угат / Франция ШйАх / Швеция Азол / Россия Дорос/ Россия Белэм-Д/ Беларусь

1. Массовая доля нелетучих веществ, %, не менее 60 60 94,67 98,32 71,5 87,1 97,8

2. Активность (повышение сцепления битума с песком), %, не менее 10 10 16,75 16,75 18,25 18,25 18,75

З.Термостабильность при температуре (160±5)оС в течение 8 ч. %, не менее 95 95 94 102 94 98 102

4. Влияние присадки на устойчивость битума к термоокислительному старению: повышение изменения температуры размягчения битума после прогрева, оС, не более снижение изменения температуры размягчения битума после прогрева, оС, не менее 3,0 3 -1,3 -1,2 -1,5 -2,2 3

5. Марка присадки АП АПС АП АП АП АП АПС

АП - присадки, не повышающие устойчивость битума к термоокислительному старению; АПС - присадки, повышающие устойчивость битума к термоокислительному старению.

за собой быстрый расход имеющихся в наличии молекул ПАВ (эмульгатора) и преждевременное разрушение битумной эмульсии. Для предотвращения этого следует усовершенствовать характеристики битумных эмульсий.

В соответствии с разработанными ИОНХ рецептурами проведены опытно-промышленные испытания по укреплению битумной эмульсией грунтоми-неральной смеси на опытном участке автомобильной дороги предприятием «Татавтодор». Выпуск медленно распадающейся битумной эмульсии с использованием эмульгатора «Белэм М» и битума марки БНД 60/90 Нижнекамского НПЗ, модифицированного адгезионной добавкой «Белад» («Химавтодорсервис»), произведен на заводе Арского филиала предприятия ОАО «Татавтодор». Общий объем выпущенной эмульсии составил 137,4 т. Максимальный набор прочности

через 14 и 28 суток (рис. 2 ) эмульсионно-минеральной смеси достигается при использовании эмульсии на основе эмульгатора «Белэм М», что способствует долговечности покрытия (рис. 3). Согласно расчетам специалистов ОАО «Тат-автодор», стоимость строительства 1 км автомобильной дороги IV - V технических категорий позволяет сэкономить до 70% бюджетных средств: 1 км полотна дешевеет с 12—15 до 3—5 млн рос. руб.

Накопленный опыт применения отечественных химических реагентов для битумов и битумно-эмульсионных технологий убедительно доказывает их эффективность. С 2005 по 2010 г. наша продукция поставлялась дорожникам Брянской области, Санкт-Петербурга, Курска, Казани и других регионов. Однако реальное продвижение отечественной инновационной продукции связано с большими трудностями не только материального

плана, а с отсутствием должного внимания потенциальных потребителей и их нежеланием использовать имеющийся научно-производственный потенциал. Дорожно-строительные организации республики не всегда приобретают отечественные реагенты. Хотя исследования, выполненные отраслевым «БелдорНИИ» и аккредитованными лабораториями дорожных организаций Беларуси и России, подтверждают соответствие качества материалов, выпускаемых с использованием белорусских химических реагентов, требованиям ТНПА. Следует отметить, что, несмотря на общемировое лидерство фирм СЕКА (Франция) и «Акзо Нобель» (Швеция), практически все европейские страны и США имеют свои производства химических реагентов для дорожной отрасли. По этому же пути пошла и Россия, отдавая приоритет отечественному производителю.

Таблица 4. Коллоидно-химические характеристики битумной эмульсии с использованием эмульгаторов «Белэм Б» и «Белэм М»

Эмульгатор «Белэм Б» «Белэм М»

Расход эмульгатора, кг/т эмульсии Требования СТБ 1245-2007 1,8 2 2 1,8 2 8 10

Содержание вяжущего с эмульгатором, % 57,5-62,5 62,6-67,5 67,6-72,5 57,5-62,5 61 58 65 71,7 70 58 59

Однородность по остатку на сите 0,63, %, не более 0,1 0,15 0,2 0,1 0,013 0,03 0,08 0,043 0,01 0,014 0,005

Условная вязкость по визкозиметру СТВ, при 40оС, сек, не более 8 12 60 8 11,1 9,3

Коэффициент распада, % 60-160 60-200 60-180 > 260 135 156 186 144 152 288 356

Адгезия к гранитному щебню, %, не менее - 75 75 - 95 95 95 95 95 95 95

Марка эмульсии ЭБКД-Б-60 ЭБКД-Б-65 ЭБКД-Б-70 ЭБКД-М-60 ЭБКД-Б-60 ЭБКД-Б-65 ЭБКД-Б-70 ЭБКД-М-60

1 Таблица 5. Значения физико-химических характеристик битума и ПБК

Образцы ПенетпРраиц2и5я ьС'1 мм Температура размягчения поКиШ, 0С

Битум БНД 90/130 101,1 44,7

ПБК (1,5% полимера) 85,3 48,2

ПБК (3% полимера) ,6 7 64,8

ПБК (1,5% полимера, 4% пластификатора) 96,4 45,5

ПБК (3% полимера, 4% пластификатора) ,9 8 56,2

Таблица 6. Коллоидно-химические характеристики битумной эмульсии для поверхностной обработки с использованием полимермодифицированного битума и эмульгатора «Белэм Б»

Эмульгатор «Белэм Б»

Характеристики эмульсии Нормируемые показатели СТБ 1245-2007 Фактические показатели

Расход, кг/т 4

* Однородность по остатку на сите № 063,%, не более 0,2 0,108

Коэффициент распада эмульсии при контакте с минеральным материалом 60-160 133

Условная вязкость, с, не более 15 7

Содержание вяжущего, % 62,5-67,5 ,9 6

* Однородность по остатку на сите № 063 при хранении свыше 7 суток, %, не более 0,2 0,092

Степень покрытия поверхности минерального материала битумным вяжущим, %, не менее 75 95

* Содержание частиц проэмульгированного битума - более 630 мкм

«Белэм Мг»

Redicote 44

«Белэм Мг»

Redicote 44

Р 0

2,1

1,9

1,7

1,6

7 суток

14 суток

14 суток

28 суток

Рис. 2. Диаграммы изменения набора прочности образцов ЭМС во времени, отобранных с участка автомобильной дороги: а - щебень карьера «Селенгушский», б - обогащенная ПГС

Рис. 3. Участки автомобильной дороги «М-7-Волга» - Ильинское»

б

а

2

Отличительная особенность белорусской технологии - химический синтез при более низких температурных режимах, а также использование возобновляемого растительного сырья (технического рапсового масла), что дает возможность значительно снизить цену выпускаемых химических реагентов. Их широкое применение позволило бы не только уменьшить финансовые затраты при выполнении дорожно-строительных работ, но и получить экономический эффект за счет уменьшения оттока валютных средств в результате закупки импортных реагентов, что составляет более 1 млн долл. в год. Кроме того, заинтересованность дорожной отрасли в отечественных реагентах создала бы условия для разработки и внедрения новых технологий и материалов. Пока политика наибольшего благоприятствования распространяется на импортные реагенты: финансируются работы по их адаптации и использованию в дорожных технологиях, их применение регламентируется нормативно-техническими правовыми актами республики.

Литература

1. Опанасенко О.Н. Влияние добавок на устойчивость битума к термоокислению / О.Н. Опанасенко, О.В. Лук-ша // Автомобильные дороги. 2008, №6. С. 122-125.

2. Лукша О.В. Модифицирование окисленного битума стирол-бутадиен-стирольными сополимерами различного строения / Лукша [и др.] // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. Вып. 6. С. 1030-1034.

3. Влияние этиленбутилацетатных и этиленбутила-крилатных сополимеров на структурно-реологические свойства окисленных битумов / О.В. Лукша [и др.] // Весц НАН Беларусг Сер. хiм. навук. 2005, №3. С. 12-17.

4.Опанасенко О.Н. Регулирование коллоидно-химических свойств смесей катионных ПАВ низкомолекулярными спиртами / О.Н. Опанасенко, О.Л. Жигалова, Н.П. Крутько, Е.Ф. Островская // Доклады Нац. акад. наук Беларуси. 2010. Т. 54, №3. С. 71-76.

5. Крутько Н.П. Особенности взаимодействия битумных эмульсий с минеральными материалами / Н.П. Крутько, О.Н. Опанасенко, Е.Ф.Островская // 80 лет белорусской дорожной науке: Материалы юбилейной науч.-техн. конф., Мн., 30-31 окт. 2008 г. / Министерство транспорта и коммуникаций Республики Беларусь, Департамент «Белавтодор». - Мн., 2008. С. 165-176.