Разработка асфальтобетонной смеси с использованием отходов производства

УДК 691.168

К.Г. Пугин, В.С. Юшков

ФГБОУВПО «ПНИПУ»

РАЗРАБОТКА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Представлен состав асфальтобетона с использованием отходов черной металлургии, позволяющий осуществлять разделение транспортного потока за счет цветовой гаммы, что в свою очередь приводит к снижению дорожно-транспортных происшествий. Приведены образцы, полученные в результате экспериментальных исследований, и химический состав смеси. Также рассмотрен зарубежный опыт создания цветного асфальтобетона в одном из Европейских технических университетов.

Ключевые слова: безопасность дорожного движения, цветной асфальтобетон, пыль, термопластик, краска, автомобильная дорога.

Интенсивный рост парка транспортных средств приводит к увеличению дорожно-транспортных происшествий. Существует множество технических средств организации дорожного движения, к которым относятся: светофоры, дорожные знаки, разметка, направляющие устройства и т.д., но, как показала практика, они не полностью справляются с обеспечением безопасности дорожного движения [1, 2].

В работе рассмотрен современный способ обеспечения безопасного движения транспортных средств с использованием цветного асфальтобетона, который является разновидностью горячего асфальтобетона, в состав которого входят красящие пигменты и поэтому он может иметь разнообразную окраску. Как правило асфальтобетонная смесь состоит из мелкозернистого щебня (фракция 5...10 мм), гранитной крошки, мраморного песка, известняка. Окрашивание асфальтобетонной смеси производится с помощью цветного щебня и пигментирующих составляющих [3—5]. Содержание битума в этом виде дорожного покрытия — минимально, потому что он может повлиять на равномерность окрашивания или сделать цвет более темным. Для светлых оттенков асфальтобетона в качестве связующего компонента используют канифоль, светлый битум или кумароновый полимер [6—8]. Цветной асфальт используют в виде покрытия обычного асфальтобетона толщиной 10 мм [9].

Исследованиями цветного асфальтобетона также занимаются в европейских технических университетах. Например, в итальянском университете в Сан-Марино учеными Маурицио Бочча, Андреа Гриллиб, Фабрицио Кардонеа, Амедео Вирджилиа были проведены опыты и предложена технология создания цветного асфальтобетона [10, 11].

Для изготовления асфальтобетонной смеси ими был использован в качестве крупного заполнителя диорит (40 % совокупного веса), в качестве мелкого — ракушечник (52 %) и специальный наполнитель (8 %), а также связующее (5 % от общего веса). В частности, наполнитель, состоящий из 97 % СаС03 и

0,2 % Fe2O3, был получен из мраморного карьера и характеризуется отчетливой белизной. Чтобы подчеркнуть белизну асфальтобетонной смеси дополнительно, был использован порошкообразный диоксид титана (1 %).

Связующее было получено с помощью измененной технологии производства битума, включающей систему последовательных этапов: добычу асфаль-тенов и смешение их с полимерами. Асфальтены, отвечающие за черный цвет битума, удаляют, добавляют связующий компонент, который в основном состоит из ароматических углеводородов и смол. Затем этот состав смешивают с полимерами, чтобы получить соответствующую консистенцию и механическую устойчивость асфальтобетонной смеси.

Экспериментальные исследования были направлены на оценку механических, объемных и фотометрических характеристик асфальтобетонов. Была доказана их хорошая устойчивость к истиранию, водостойкость и прочностные характеристики [12, 13]. Полученная асфальтобетонная смесь рекомендована к широкому использованию в туннелях в качестве дорожной разметки.

На кафедре автомобилей и технологических машин в ПНИПУ были проведены исследования по созданию цветной асфальтобетонной смеси на основе отходов производства черных металлов.

В качестве красящего пигмента была использована пыль системы газоочистки электропечи ДСП-60 завода «Камасталь» г. Перми. Состав пыли, отходящей от печи, состоит из оксидов металлов и силикатов. Пыль газоочистки представляет тонкодисперсный порошок с высокой удельной поверхностью (1,2...2,5 тыс. см2/г) и объемной массой 3,7...4,2 г/см3. Цвет порошка темно-коричневый [14].

В качестве минеральной составляющей были применены песок, щебень и отсев дробления щебня Теплогорского карьера Пермского края при следующем соотношении компонентов, масс, доля, %: щебень — 40,5... 45,5; песок — 29,0...30,0; отсев дробления щебня — 15,0... 18,5; пыль системы газоочистки электропечи ДСП-60 производства стали 4,0...5,0. Полученная плотность образцов готового цветного асфальтобетона составляет 2,47...2,49 г/см2, а водонасыщение — 3,50...3,55 % (рис. 1). Графики зависимостей показаны на рис. 2—4.

Рис. 1. Образцы асфальтобетона

В качестве связующего применялся битум БНД 90/130. Содержание битума в смеси 6,5 % (сверх 100 %); предел прочности при сжатии: при температуре 20 °С — 3,44 МПа; при температуре 50 °С — 0,93 МПа [15], что соответствует типу Б марки III ГОСТ 9128—97.

Срок службы цветного асфальтобетона достигает 3.. .5 лет, что значительно снижает затраты на эксплуатацию автомобильной дороги и повышает безопасность дорожного движения.

Рис. 2. График зависимости водонасыщения асфальтобетонной смеси от процентного содержания пыли

Рис. 3. График зависимости прочности асфальтобетонной смеси от процентного содержания пыли при t = 20 °С

Прочность. МПа

3 4 5 6 7 Пыль, %

Рис. 4. График зависимости прочности асфальтобетонной смеси от процентного содержания пыли при t = 50 °С

Разработанная асфальтобетонная смесь позволяет визуально разделять полосы движения на автомобильной дороге, при этом обладает соответствующей нормативным требованиям прочностью и водостойкостью. Дополнительная эколого-социальная привлекательность представленной технологии заклю-

чается в использовании отходов черной металлургии как сырья для создания горизонтальной разметки на автомобильной дороге. При этом снижается негативная нагрузка металлургического предприятия на окружающую среду за счет утилизации отходов производства и исключения их размещения в окружающей среде. На данный состав асфальтобетонной смеси получен патент 2508261 от 01.10.2012 г.

Библиографический список

1. Ищенко И.С., Калашникова Т.Н., Семенов Д.А. Технология устройства и ремонта асфальтобетонных покрытий. М. : Аир Арт, 2001. 176 с.

2. Королев И.В., Финашин В.Н., Феднер Л.А. Дорожно-строительные материалы. М. : Транспорт, 1988. 303 с.

3. Лещицкая Т.П., Юрченко A.M., Пахомов В.А. Ремонт и восстановление асфальтобетонных покрытий способами регенерации. М. : МАДИ, 2001.

4. Устройство асфальтобетонных покрытий методом вибролитья / Ю.В. Чепурной,

C.Б. Шастик, М.С. Мелик-Багдасаров, К.А. Гиоев, В.Ф. Денисенко, О.А. Балабанов // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 3. С. 8—11.

5. ШестиковВ.П., ПермяковВ.Б., Ворожейкин В.М. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий. Омск : СИБАДИ, 1999. 239 с.

6. Васильев А.П., Шамбар П. Поверхностная обработка с синхронным распределением материалов. М. : Трансдорнаука, 1999. 80 с.

7. Илиополов С.К., Котов В.Л., Пронин В.В. Литой асфальтобетон с использованием полимерного модификатора // Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог : сб. материалов Всеросс. науч.-техн. конф. Краснодар, 2002. С. 68—71.

8. Истомин B.C. Практическое руководство по текущему ремонту асфальтобетонных покрытий городской дорожной сети. М. : Прима-Пресс, 2001. 58 с.

9. Пугин К.Г., Юшков В.С. Использование вторичных материалов для цементобе-тонных покрытий // Вестник ПНИПУ Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2013. № 1. С. 144—151.

10. Lee H., Kim Y. Laboratory Evaluation of Color Polymer Concrete Pavement with Synthetic Resin Binder for Exclusive Bus Lanes // Transportation Research Record. 2007. Vol. 1991. No. 1. Pp. 124—132.

11. Experimental testing of cool colored thin layer asphalt and estimation of its potential to improve the urban microclimate / A. Synnefa, T. Karlessi, N. Gaitani, M. Santamouris,

D.N. Assimakopoulos, C. Papakatsikas // Building and Environment. 2011. Vol. 46. Pp. 38—44.

12. Rheological characterization of synthetic binders and unmodified bitumens // P. Partal, F.J. Martinez-Boza, B. Conde, C. Gallegos. Fuel, 1999. Vol. 78. Pp. 1—10.

13. Raouf M.A., WilliamsR.C. General physical and chemical properties of bio-binders derived from fast pyrolysis Bio-oils. Proceedings of the 2010 Mid-Continent Transportation Research Forum, Madison (WI), USA. 2010.

14. Пугин К.Г., Юшков В.С. Отходы черной металлургии для дорожных одежд жесткого типа // Молодой ученый. 2012. № 6. С. 45—49.

15. Юшков Б.С., Пугин К.Г., Юшков В.С. Применение цветного асфальтобетона на основе отходов металлургии в качестве дорожной разметки // Вестник ПГТУ Урбанистика. 2011. № 1. С. 68—73.

Поступила в редакцию в апреле 2014 г.

Об авторах: Пугин Константин Георгиевич — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобилей и технологических машин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29, 8 (342) 219-80-67, 123zzz@rambler.ru;

Юшков Владимир Сергеевич — аспирант, старший преподаватель кафедры автомобилей и технологических машин, заведующий лабораторией УНЛ автодорожного факультета, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29, vova_84_07@mail.ru.

Для цитирования: Пугин К.Г., Юшков В.С. Разработка асфальтобетонной смеси с использованием отходов производства // Вестник МГСУ 2014. № 6. С. 99—104.

K.G. Pugin, V.S. Yushkov

DEVELOPMENT OF ASPHALTIC MIX WITH WASTE PRODUCTS USE

The trend of high growth of the vehicle fleet in Russia along with the positive impact on the socio-economic development of the country has a number of adverse consequences, one of which is the high accident rate on the roads. The paper considers modern way to provide the safe vehicles flow with the use of colored asphalt, which is a kind of hot asphalt and can have a variety of colors, which consists of coloring pigments. The conventional method of coloring the asphalt mix is produced by adding color rubble or pigmenting additives. The task, which was put forward, was the establishment of such road concrete mix, from which, without the use of primary materials and without increasing the consumption of bitumen, asphalt concrete road surfaces of acceptable strength could be obtained. As a pigment the dust of gas purification system of electrical furnace DSP - 60 of «Kamastal» plant, Perm, was used. The composition of the dust waste from the furnace consists of metal oxides and silicates. Dust-gas-cleaning is a fine powder with a high specific surface (1.2...2.5 thousand cm2/g) and bulk density of 3.7...4.2 g/cm3. The powder color is dark brown. The density of the ready colored asphalt samples is 2.47...2.49 g/cm2, and water saturation is 3.50.3.55 %. As a result of the research the diagrams of the dependence of road concrete mix's water saturation from dust percentage and a diagram of dependence of concrete mixes' durability from dust percentage at t = 20° and 50° C were built. After analyzing the obtained curves it can be concluded that the increase of the percentage of dust leads to increase of water saturation of road concrete mix and reduced strength.

Thus, the developed asphalt concrete mix allows visually separating the lanes on the road, it has the relevant regulatory requirements durability and water resistance. This mixture corresponds to the type B mark ill and can be used in regions I, II, and partly III of road-climatic zones, characterized by cold and humid climate.

Key words: road safety, colored asphalt, dust, thermoplastic, paint, road.

References

1. Ishchenko I.S., Kalashnikova T.N., Semenov D.A. Tekhnologiya ustroystva i remonta asfal'tobetonnykh pokrytiy [Technology of Construction and Repair of Asphalt Covering]. Moscow, Air Art Publ., 2001, 176 p.

2. Korolev I.V., Finashin V.N., Fedner L.A. Dorozhno-stroitel'nye materialy [Road-building Materials]. Moscow, Transport Publ., 1988, 303 p.

3. Leshchitskaya T.P., Yurchenko A.M., Pakhomov V.A. Remont i vosstanovlenie asfal'tobetonnykh pokrytiy sposobami regeneratsii [Repair and Restoration of Asphalt Coverings by Ways of Regeneration]. Moscow, MADI Publ., 2001.

4. Chepurnoy Yu.V., Shastik S.B., Melik-Bagdasarov M.S., Gioev K.A., Denisenko V.F., Balabanov O.A. Ustroystvo asfal'tobetonnykh pokrytiy metodom vibrolit'ya [Asphalt Covering Production by Vibratory Casting Method]. Nauka i tekhnika v dorozhnoy otrasli [Science and Technics in Road Industry]. 1997, no. 3, pp. 8—11.

5. Shestikov V.P., Permyakov V.B., Vorozheykin V.M. Tekhnologicheskoe obespechenie kachestva stroitel'stva asfal'tobetonnykh pokrytiy [Technological Support of Asphalt Covering Quality]. Omsk, SIBADI Publ., 1999, 239 p.

6. Vasil'ev A.P., Shambar P. Poverkhnostnaya obrabotka s sinkhronnym raspredeleniem materialov [Surface Treatment with Synchronous Distribution of Materials]. Moscow, Trans-dornauka Publ., 1999, 80 p.

7. Iliopolov S.K., Kotov V.L., Pronin V.V. Litoy asfal'tobeton s ispol'zovaniem polimer-nogo modifikatora [Mastic Asphalt with the Use of Polymeric Modifier]. Novye tekhnologii, konstruktsii i materialy v stroitel'stve, rekonstruktsii i remonte avtomobil'nykh dorog: sbornik materialov Vserossiyskoynauchno-tekhnicheskoykonferentsii [New Technologies, Structures and Materials in Construction, Reconstruction and Repair of Auto-Roads: Collection of Works of All-Russian Scientific and Technical Conference]. Krasnodar, 2002, pp. 68—71.

8. Istomin B.C. Prakticheskoe rukovodstvo po tekushchemu remontu asfal'tobetonnykh pokrytiy gorodskoy dorozhnoy seti [Practical Guidelines on Current Repair of Asphalt Covering of the City Road System]. Moscow, Prima-Press Publ., 2001, 58 p.

9. Pugin K.G., Yushkov V.S. Ispol'zovanie vtorichnykh materialov dlya tsementobeton-nykh pokrytiy [Use of Recycled Materials for Cement Concrete Coverings]. Vestnik PNIPU. Okhrana okruzhayushchey sredy, transport, bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti [Proceedings of Perm National Research Polytechnic University. Environment Protection, Transport, Life Safety]. 2013, no. 1, pp. 144—151.

10. Lee H., Kim Y. Laboratory Evaluation of Color Polymer Concrete Pavement with Synthetic Resin Binder for Exclusive Bus Lanes. Transportation Research Record. 2007, vol. 1991, no. 1, pp. 124—132. DOI: http://dx.doi.org/10.3141/1991-15.

11. Synnefa A., Karlessi T., Gaitani N., Santamouris M., Assimakopoulos D.N., Pa-pakatsikas C. Experimental Testing of Cool Colored Thin Layer Asphalt and Estimation of its Potential to Improve the Urban Microclimate. Building and Environment. 2011, vol. 46, pp. 38—44. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2010.06.014.

12. Partal P., Martinez-Boza F.J., Conde B., Gallegos C. Rheological Characterization of Synthetic Binders and Unmodified Bitumens. Fuel, 1999, vol. 78, pp. 1—10. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/S0016-2361(98)00121-5.

13. Raouf M.A., Williams R.C. General Physical and Chemical Properties of Bio-binders Derived from Fast Pyrolysis Bio-oils. Proceedings of the 2010 Mid-Continent Transportation Research Forum, Madison (WI), USA 2010.

14. Pugin K.G., Yushkov V.S. Otkhody chernoy metallurgii dlya dorozhnykh odezhd zhestkogo tipa [Iron Industry Waste for Rigid Type Road Pavement]. Molodoy uchenyy [Young Scientist]. 2012, no. 6, pp. 45—49.

11. Yushkov B.S., Pugin K.G., Yushkov V.S. Primenenie tsvetnogo asfal'tobetona na osnove otkhodov metallurgii v kachestve dorozhnoy razmetki [Application of Coloured Asphalt Based on Metal Industry Waste as Road Marking]. Vestnik PGTU. Urbanistika [Proceedings of Perm National Research Polytechnic University.Urban Planning]. 2011, no. 1, pp. 68—73.

About the authors: Pugin Konstantin Georgievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, chair, Department of Automobiles and Technological Machines, Perm national Research Polytechnic University (PSTU SNRPUP), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm', 614990, Russian Federation; +7 (342) 219-80-67; 123zzz@rambler.ru;

Yushkov Vladimir Sergeevich — post-graduate student, Senior Lecturer, Department of Automobiles and Technological Machines, Perm national Research Polytechnic University (PSTU SNRPUP), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm', 614990, Russian Federation; vova_84_07@mail.ru.

For citation: Pugin K.G., Yushkov V.S. Razrabotka asfal'tobetonnoy smesi s ispol'zovaniem otkhodov proizvodstva [Development of Asphaltic Mix with Waste Products Use]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 6, pp. 99—104.