О нетрадиционных технологиях производства и укладки дорожно-строительных материалов в лесной зоне

УДК 625.072:531.8

М. Г.Салихов, С. Я. Алибеков, Ю. Е. Щербаков, Е. В. Вайнштейн, В. П. Сапцин

О НЕТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОИЗВОДСТВА И УКЛАДКИ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В ЛЕСНОЙ ЗОНЕ

Рассмотрены примеры технологических карт при производстве и укладке некоторых дорожно-строительных материалов с учетом эффекта акад. П.А.Ребиндера при объединении щебня карбонатных пород с вяжущими.

Введение. Дорожная отрасль отличается от большинства других линейностью и сравнительно большой материалоёмкостью. Технологии приготовления с применением традиционных каменных материалов и вяжущих, таких как щебень, песок строительный, минеральный порошок, битумы и портландцементы, сводятся к подбору составов, нагреву, просушке или увлажнению компонентов, дозированию, перемешиванию и уплотнению различными способами. Конечная цель технологии - формирование оптимальной микро- и макроструктуры бетонов в дорожных сооружениях. Взаимные связи между элементами структуры достигаются за счет межмолекулярного сцепления и внутреннего трения частиц минеральных материалов, клеящих свойств пленки вяжущих, химических и физико-химических процессов на разделах фаз при достижении (плотной) оптимальной упаковки. Влияние физико-механических свойств компонентов, химических процессов между ними, однородности смесей и степени уплотнения изучены достаточно хорошо и технологически учитываются. Однако межфазные процессы до настоящего времени либо учитываются не в полной мере, либо не учитываются вовсе. Их учет, особенно при применении в смесях относительно малопрочных и неконденционных каменных материалов (например, щебня из малопрочных карбонатных пород и мелкозернистого песка), может явиться большим резервом повышения эффективности дорожного строительства.

Теоретическое обоснование и постановка задачи. Устойчивость конгломератных систем зависит и от прочности межфазных связей. Так, согласно уравнению Дюпре [1, 2], работа адгезии пленки вяжущего к поверхности твердого тела

^ =°ж-в •

где стж~в - свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз «жидкость -воздух», т.е. поверхностное натяжение жидкости;

в - краевой угол смачивания капли жидкости на поверхности твердого тела (камня).

Согласно эффекту академика П.А.Ребиндера [3], при контакте с активной жидкостью или дисперсными частицами у камня происходит снижение свободной поверхностной энергии Жсв, которая может быть найдена из выражения:

=ст-ж •Ж ,

где - суммарная площадь контактных зон;

ст-ж - свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз «твердое тело -жидкость».

При условии наступления равновесия в контактных зонах из уравнения Неймана можно записать:

<т_Ж = <т_в _ <ж_в . Со80 ,

где <т_ - свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз «твердое тело - воздух».

Подставив (3) в (2), получаем:

Ке =

Отсюда видно, что падение (снижение) свободной поверхностной энергии, и соответственно прочности межфазных связей, прямо пропорционально изменению свободной поверхностной энергии твердого тела, поверхностному натяжению жидкости, краевому углу смачивания жидкости и суммарной площади контактных зон. Известно, что чем мельче каменный материал, тем больше значение суммарной площади его поверхностей, тем больше его потенциальная активность. Соответственно, тем больше падение его свободной поверхностной энергии и работа адгезии. Это говорит о том, что при увеличении площади контактных зон пропорционально усиливаются межфазные связи и устойчивее получается система. При использовании в смесях щебня малопрочных карбонатных пород с развитой внутренней поверхностью обеспечение большего контакта с активной жидкостью происходит легче, чем у изверженных пород. Это связано с наличием на их поверхности большого количества открытых пор и трещин, по которым жидкости и активные дисперсные частицы проникают вглубь под действием фильтрационных и диффузионных процессов. Процесс движения жидкостей во внутренней структуре камня может быть облегчен действием избыточных давлений, нагрева, вакуумирования, воздействием ультразвукового и вибрационного поля и т.д. по отдельности или комплексно [4, 5]. Эти положения были проверены и подтверждены многочисленными экспериментами.

Предложения по практическому решению проблемы. Авторами разработаны нетрадиционные технологии производства работ. Примеры некоторых технологических карт представлены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Технологическая карта производства черного известнякового щебня методом объёмной пропитки нефтяным гудроном для конструктивного слоя дорожной одежды толщиной 10 см на 1000 м2

№ про-цесов Источник обоснования Описание рабочих процессов Ед. измере-рения Кол-во работ Производительность в смену Потребность в маш/см

1 ВНиР, В45-27 Транспортировка щебня к сушильному барабану бульдозером, питателем и ковшовым элеватором 3 м 1100 296,3 3,71

2 Расчет Просушка щебня(при 200-220 0С 3 м 1100 160 6,88

3 СниП 1У-3-84. Приложение Транспортировка щебня от суш. барабана передвижным ленточным транспортером на расстояние до 5 м 3 м 1100 480 2,29

4 ЕНиР, Е1-2 Транспортировка щебня от склада до установки для пропитки одноковшовым погрузчиком на расстояние до 50 м и его разгрузка в бадью 3 м 1100 109,1 10,1

Окончание табл. 1

№ про-цесов Источник обоснования Описание рабочих процессов Ед. измере-рения Кол-во работ Произво-дительнос ть в смену Потребность в маш/см

5 Расчет Транспортировка щебня в бадье кран -балкой от пункта загрузки до приямка гудронохранилища 3 м 1100 320 3,44

6 ЕНиР, Е-17-19 Нагрев гудрона до 90 0С 3 м 1100 4,21 4,58

7 Расчет Пропитка щебня 3 м 1100 80 13,75

8 Расчет Транспортировка бадьи до пункта загрузки щебнем 3 м 1100 - -

9 Расчет Вибрирование черного щебня и его укладка в склад 3 м 1100 400 2,75

10 ВНиР, Сб. В45 Погрузка черного щебня на автосамосвалы погрузчиком 1100 307,7 3,57

Таблица 2

Технологическая карта производства черного объёмно-силикатизированного щебня для конструктивного слоя толщиной 10 см дороги 3-й категории

№ процессов Источник обоснования Описание рабочих процессов Ед. измерения Кол-во работ Производитель-ность в смену Потребность в маш/см

1 ЕНиР, Е1-1 Погрузка известнякового щебня фр. 10 - 20 мм в кузов автосамосвала погрузчиком ТО-18 3 м 13,4 267 0,05

2 Расчет Подвоз щебня на АБЗ автосамосвалами КамАЗ-5511 на расстояние до 30 км 3 м 13,4 35,9 0,37

3 ЕНиР, Е2-1-22 Загрузка щебня в бункер-питатель погрузчиком ТО-18

4 Расчет Просушка щебня в сушильном агрегате 3 м 13,4 160 0,08

5 Расчет Выгрузка просушенного щебня в кузов автосамосвала и транспортирование на расстояние до 500 м 3 м 13,4

6 Е1-1 Погрузка просушенного щебня в перфорированные бочки (15 шт) погрузчиком ТО-18 3 м 3,0 267 0,01

7, 8 Е-2527 Снятие крышки с цистерны № 1 при помощи ручной лебедки и заполнение её натриевым жидким стеклом при помощи шестеренного насоса шт. 1 11 0,1

9 Е1-5 Подъём и опускание перфорированной бочки со щебнем в раствор жидкого стекла автокраном КС-2561 Е т 0,5 11 0,05

10 Е25-27 Снятие крышки с цистерны № 2 и заполнение её раствором хлористого кальция шт. 1 11 0,1

11 Е1-5 Подъём автокраном 1 -й бочки из цистерны № 1, опускание её в бак № 2 до погружения т 0,5 11 0,05

12 Е1-5 Подъём автокраном 1 -й бочки из цистерны № 2 и опускание на разгрузочную площадку т 0,5 11 0,05

13 Е25-27 Выгрузка пропитанного стабилизированного щебня из 1 -й бочки при помощи ручной лебедки шт. 1 11 0,1

14 Е1-5 Подъём автокраном 2-й бочки из цистерны № 1, опускание её в цистерну № 2 до погружения т 0,5 11 0,05

15 Е1-5 Подъём автокраном 2-й бочки из бака № 2 и опускание на разгрузочную площадку т 0,5 11 0,05

Окончание табл. 2

№ процессов Источник обоснования Описание рабочих процессов Ед. измерения Кол-во работ Производитель-ность в смену Потребность в маш/см

16 Е25-27 Выгрузка пропитанного и стабилизированного щебня из 2-й бочки при помощи ручной лебедки шт. 1 11 0,1

17 Повторить с п. 7 по п. 11 ещё 13 раз т 0,5 12,4

18 Е25-27 Подъём и установка крышки на цистерну № 1 ручной лебедкой шт. 1 11 0,1

19 Подъём и установка крышки на цистерну № 2 ручной лебедкой шт. 1 11 0,1

20 Повторить с п. 6 по п. 17 включительно ещё 3 раза (II, III, IV циклы 45 бочек или 9 м3 щебня), итого: -автокран -ручная лебедка -погрузчик т шт. 3 м 0,5 1 12 0,32 37,2 48,0

21 Е1-1 Погрузка просушенного щебня в бочки (15 шт) погрузчиком ТО-18

22 Е25-27 Снятие крышки с цистерны при помощи ручной лебедки и заполнение жидким стеклом (№ 1) шт. 1 11 0,1

23 Е1-5 Подъём и опускание бочек с щебнем (7 шт) в раствор жидкого стекла (в цистерну № 1) автокраном КС 2561 Е т 0,5 11 0,05

24 Е1-5 Подъём автокраном 61-й бочки из цистерны №1, опускание её в цистерну № 2 до погружения т 0,5 11 0,05

25 Е1-5 Подъём автокраном 62-й бочки из цистерны № 2 и опускание на разгрузочную площадку т 0,5 11 0,05

26 Е25-27 Выгрузка пропитанного и стабилизированного щебня из 61-й бочки при помощи ручной лебедки шт. 1 11 0,1

27 Повторить с п. 22 по п. 24 ещё раз т 0,5 6,0

28 Е2527 Подъём и установка крышки на цистерну № 1 ручной лебедкой т. 1 11 0,1

29 Итого для пропитки 13,4 м3 щебня (67 бочек по 0,2 м3) требуется: -автокран -ручная лебедка -погрузчик т шт. 3 м 0,5 1 12 43,2 56,8 0,36

30 Расчет Подвоз пропитанного щебня к агрегату питания фронтальным погрузчиком 3 м 13,4

31 Е1-1 Загрузка щебня в бункер-питатель погрузчиком ТО-18 3 м 13,4 267 0,05

32 Просушка объёмно-силикатизированного щебня в сушильном агрегате

33 Перемешивание объёмно-силикатизированного щебня с битумом (3 % от массы щебня) в смесителе в течение 1 мин.

34 Выпуск черного объёмно-силикатизированного щебня из смесителя в кузов автосамосвала

Часть предложенных нами технологий, основанных на принципах использования потенциала свободной поверхностной энергии внутренних поверхностей малопрочных каменных материалов, принята производственниками и реализована на практике.

Так, например, объёмная пропитка известнякового щебня путем создания избыточных давлений столбом пропитываемых жидкостей - нефтяным гудроном

осуществлена на Фомичевском АБЗ Куженерского ДРС ГУП Республики Марий Эл в августе 1997 года и натриевым жидким стеклом - в Балтасинском ДУ Республики Татарстан в сентябре 2001 года.

В связи с обострением проблемы дорожно-транспортных происшествий на дорогах в зимний период из-за резкого повышения интенсивности движения и образования на покрытиях льда и снежного наката авторами в 2006 году разработаны и переданы в производство (заказчик - ГУ «Марийскавтодор») составы антигололедных асфальтобетонов с пониженной адгезией льда длительного действия [6]. Разработаны соответствующие технологии их производства и укладки (табл. 3).

В настоящее время идет процесс их производственной проверки в Килемарском ДРС ГУП РМЭ. Суть одной из предложенных технологий состоит в замене некоторой части песчаной фракции асфальтобетонных смесей для верхнего слоя покрытия кристаллической противоморозной солью. В качестве последней используется хлористый натрий. Соль №С1 можно вносить в процессе приготовления, в процессе укладки асфальтобетонной смеси в покрытие или в виде заранее приготовленной песчано-соляной смеси.

Резкое возрастание интенсивности движения и подвижных нагрузок на автомобильных дорогах России и во всем мире, особенно за последние 10 - 15 лет, побудило создание многощебеночных асфальтобетонных смесей на прочном щебне с повышенной сдвигоустойчивостью, известных под названием щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА) [7]. Однако они обладают сравнительно высокой себестоимостью, требуют переоборудования технологических линий по выпуску традиционных смесей, перерасхода битума и дорогостоящих импортных связующих добавок.

Таблица 3

Технологическая карта устройства верхнего слоя покрытия автомобильной дороги толщиной 5 см и шириной 8,0 м со скоростью потока 250 м/см из антигололедной асфальтобетонной смеси

№ процессов Источник обоснования Описание рабочих процессов Единица измерения Количество работ Производительность в смену Потребность в маш/см

1 ЕНиР, Е17-5 Разбивочные работы. Подгрунтовка основания розливом жидкого битума в количестве 0,8 л/м2 автогрудронатором при дальности возки 20 км т 6,40 8,51 0,76

2 Расчет Подвозка асфальтобетонной смеси на 20 км автосамосвалами (10 т) с разгрузкой в бункер асфальтоукладчика т 249,3 24,4 10,2

3 ЕНиР, Е17-6 Укладка асфальтобетонной смеси асфальтоукладчиком слоем 5 см 2 м 2000 4705,8 0,42

4 ЕНиР, Е17-7 Подкатка асфальтобетонной смеси катком с массой 6 т при 5 проходах по одному следу 2 м 2000 2580,7 0,77

5 ЕНиР, Е17-7 Укатка асфальтобетонной смеси тяжелым катком с массой свыше 10 т при 10 проходах по одному следу 2 м 2000 1269,8 1,57

С целью снижения себестоимости ЩМА в Чувашской Республике в качестве стабилизирующей добавки опробованы отходы и побочные продукты местной промышленности, в частности целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности, после обработки их огнестойким антипиреном [8]. Исследования опытных участков, проведенные сотрудниками УПРДОР «Волга» совместно с ППС Волжского филиала МАДИ (ГТУ), показали работоспособность и эффективность ЩМА с использованием вышеуказанных добавок. На кафедре автомобильных дорог МарГТУ подобраны составы ЩМА и испытаны их образцы с использованием отсевов дробления известнякового камня Новоторъяльского КДЗ без добавления стабилизирующей добавки [9]. Получены также обнадёживающие результаты. Исследования в этом направлении продолжаются.

Вывод. Широко используемые традиционные технологии производства и укладки различных дорожно-строительных материалов исчерпали свои возможности в плане дальнейшего улучшения эксплуатационных свойств дорожных конструкций. В связи с этим нетрадиционные технологии производства и укладки могут дать новый импульс в развитие дорожной отрасли и явиться резервом повышения эффективности и качества дорожно-строительных работ в целом.

Список литературы

1. Битумные материалы (асфальты, смолы, пеки) / под ред. А.Дж. Хойберга; пер. с англ. С.Ш. Абрамовича. - М.: Химия, 1974.- 247 с.

2.Королев, И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве / И.В. Королев. - М.: Транспорт, 1986. - 149 с.

3. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных средах / П. А. Ребиндер // Избр. труды. - М.: Наука, 1979. - С. 31 - 32.

4. Салихов, М.Г. Разработка научно-практических основ объёмной пропитки малопрочных каменных материалов жидкими вяжущими для дорожного строительства: автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. - М.: МАДИ (ГТУ), 1999. - 37 с.

5.Баронова, Л.Г. Разработка технологии строительства одежд лесовозных дорог с использованием черного объёмно -силикатизированного щебня: автореф. дисс. .канд. техн. наук. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 19 с.

6. Салихов, М.Г. О разработке составов, производстве и укладке асфальтобетонов с пониженной адгезией льда / М.Г.Салихов, М.Х.Хамзин, Ю.Е.Щербаков и др. // Современные научно-технические проблемы транспортного строительства: сб. науч. трудов Всеросс. науч.-практической конф. - Казань: КазГАСУ, 2007. - С. 104 - 106.

7. ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия: Принят Межгос. НТК по стандартизации и сертификации в строительстве и ЖКХ Госстроя России 17.10.2002. - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2003. - 22 с. (Введен в действие с 01.05.2003 г.).

8. Салихов, М.Г. Опытно-промышленная апробация асфальтобетонной смеси с использованием местных стабилизирующих добавок / М. Г. Салихов, И. В. Лотков //Наука в условиях современности: сб. статей студентов, аспирантов, докторантов и профессорско-преподавательского состава по итогам науч.-техн. конф. МарГТУ в 2006 году. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - С. 159 - 161.

9. Вайнштейн, Е.В. Проектирование состава минеральной части щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси с заполнителем из отсевов дробления известняков без стабилизирующей добавки ^айр-66 / Е. В. Вайнштейн //Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов Всерос. науч. студ. конф. по естественно-научным и техническим дисциплинам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. - С. 275.

Поступила в редакцию 01.08.07.