НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ МАТЕРИАЛОВ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ УСТРОЙСТВА

НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ МАТЕРИАЛОВ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ УСТРОЙСТВА

В.А. Левков — главный конструктор ООО ГЖФ «Гидросила» (г. Краснодар);

Алебастрова Л.И. — генеральный директор ООО «Межрегиональный испытательный центр (МИЦ)», г. Москва

Современное строительство автодорог — это трудоёмкое и высоко затратное производство. При этом поверхность асфальтированных автодорог крайне не долговечна. Уже через год — полтора после устройства поверхности новых автодорог в условиях Российского резко континентального климата нуждаются в ремонтно-восстановительных работах. А через 3-4 года эти автодороги нуждаются в капитальном ремонте вплоть до полной замены верхнего асфальтового покрытия на больших протяженностях. Автодороги с покрытием из цементобетона более долговечны, но стоимость их производства, а также ремонта намного дороже, чем производство дорог с асфальтовым покрытием. Научно-технический прогресс не обходит стороной проблемы строительства автодорог. Разработаны и внедрены инновационные технологии, позволяющие достаточно эффективно увеличить долговечность дорожных покрытий, но при этом усложняется технологический процесс возведения их, а также увеличивается общая стоимость работ по строительству автодорог.

Одним из примеров инновационных технологий является устройство слоев покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Концепция, лежащая в основе технологии щебёночно-мастичного асфальта, заключается в прочности каркаса, заполненного вяжущим материалом, дроблеными фракциями и наполнителями. Щебёночно-мастичный асфальтобетон имеет высокое содержание фракционированного щебня (70% по массе) с улучшенной (кубовидной) формой зерен с целью создания максимально устойчивого минерального остова в уплотненном слое покрытия.

Щебёночно-мастичный асфальт идеален для дорог с существенным транспортным потоком и при особых требованиях:

—    движение по полосе большегрузных автомобилей;

—    ситуации с большим транспортным потоком и малой скоростью движения;

—  места частого торможения и ускорения;

—  постоянный транспортный поток;

—  действие повышенной температуры длительное время;

—  интенсивное солнечное излучение.

Еще одно важное преимущество щебёночно-мастичного асфальта в том, что он может быть уложен в качестве верхнего слоя на любую поверхность (например, на деформированную поверхность) без потери своей прочности, т.е. может использоваться не только при строительстве, но и при ремонте автомобильных дорог.

Другой пример — использование геосинтетических материалов. Основная цель применения этих материалов — обеспечение надежного функционирования автомобильной дороги в сложных условиях строительства и эксплуатации. Варианты использования этого материала разнообразны: для укрепления грунтов и откосов, для обеспечения дренажа земляного полотна и водоотвода, в качестве капилляр прерывающего слоя, армирующих прослоек и т.д. Его использование позволяет:

—  повысить эксплуатационную надежность и сроки службы дорожных конструкций;

—  предотвратить появление отраженных трещин;

—  упростить технологию строительства;

—  уменьшить расход традиционных дорожно-строительных материалов.

Широкое использование при защите асфальтобетонных покрытий методом пропитки получили пропитывающие, герметизирующие составы на основе органических растворителей, битумных эмульсий, модифицированные силиконом и другими специальными добавками. Такие составы позволяют произвести глубокую обработку асфальтобетона и придать ему гидрофобные свойства, герметизировать мелкие поверхностные трещины.

Дорожная одежда в процессе эксплуатации подвергается деформациям, приводящим в результате к появлению дефектов на асфальтобетонном покрытии. Наиболее распространенным видом дефектов являются трещины.

Известно, что сами по себе они не оказывают существенного влияния на транспортно-эксплуатациониые характеристики дороги. Но они ослабляют поверхность покрытия, нарушают его водонепроницаемость, что в свою очередь приводит к значительным разрушениям. Традиционный способ заливки трещин битумом не в полной мере защищает покрытие от   проникновения   воды. Трещины не прекращают   развитие, и   транспорт со временем превращает их в выбоины, которые не только доставляют неудобства, но и снижают безопасность дорожного движения. Ремонт трещин покрытия с применением битумных мастик имеет огромное значение при эксплуатации и содержании автодорог. Мастики обладают высокими гидроизолирующими свойствами, высокой температурной устойчивостью. Поэтому на дорогах используют комплекты машин ремонта трещин горячей битумно-полимерной мастикой.

Применение холодного фрезерования асфальтобетона-новое слово в технологии строительства и ремонта автомобильных дорог.

Технология применения холодного фрезерования будет развивагься по двум основным направлениям:

1. Использование трехмерной системы автоматизированного управления.

Большой проблемой являются длинноволновые неровности в продольном профиле дороги. Они снижают комфортность и безопасность движения.

Ликвидация таких неровностей крайне затруднительна и приводит к значительному перерасходу асфальтобетона при ремонте традиционными методами. Оптимальное решение проблемы — выравнивание поверхности до устройства слоя асфальтобетона.

Именно для таких случаев предназначена технология холодного фрезерования с использованием систем автоматизированного управления на дорожной фрезе. Применение ее позволит снизить материалоемкость ремонтных работ при ликвидации длинноволновых неровностей, идеально подготовить поверхность дороги или площадки для дальнейшего ремонта.

2. Глубокое фрезерование.

На некоторых участках существующих дорог толщина асфальта достигает сорока сантиметров. Это не только не увеличивает прочность дорог, но в некоторых случаях может быть опасным — например, на мостах, а в некоторых — неприемлемым, например, в населенных пунктах. На дорогах со слабым основанием устройство дополнительных слоев асфальтобетона просто не имеет смысла без переустройства нижележащих слоев.

При наличии признаков потери несущей способности дорожной одежды выравнивающее фрезерование и укладка слоя усиления будет малоэффективным, т.к. через некоторое время недостатки несущей способности проявятся снова.

В таком случае необходимо глубокое фрезерование на всю толщину пакета битумосвязных слоев с добавлением необходимых материалов или холодный ресайклинг. Полученный слой будет являться верхним слоем основания, по которому необходима укладка двухслойного асфальтобетонного покрытия.

Возрастающим требованиям интенсивного и безопасного движения, как показывает отечественный и мировой опыт, в наибольшей степени отвечают цементобетонные покрытия. Стабильные транспортно-эксплуатационные показатели, высокая долговечность дают им преимущества перед покрытиями, построенными с применением органических вяжущих.

Цементобетонные покрытия устраивают непосредственно на месте строительства из свежеуложенного бетона по конструктивным слоям основания. В зависимости от интенсивности движения, свойств земляного полотна плита из цементобетона может быть неармированной или содержать арматурную сетку, препятствующую раскрытию трещин в случае их возникновения.

В мировой практике используются две различные технологии строительства цементобетонных покрытий и оснований: с помощью рельс-форм и скользящей опалубки.

Рельс-формы, устанавливаемые с обязательным геодезическим контролем, строго в соответствии с проектом расположения покрытия в плане и профиле, служат рельсовым путем для колесных самоходных машин бетоноукладочного комплекта и одновременно опалубкой для бетона. В этот комплект кроме машин, осуществляющих распределение, уплотнение и отделку бетона, входят также машины для устройства деформационных швов, для нанесения пленкообразующих материалов с целью ухода за бетоном, для монтажа и демонтажа рельс-форм. При этом операции по уплотнению и отделке бетона выполняют специальные рабочие органы бетоноукладочной машины.

Безрельсовая укладка бетона в покрытия автомобильных дорог основана на применении специальных машин-бетоноукладчиков со скользящими формами, рабочие органы которых выполняют за один проход машины распределение и уплотнение бетонной смеси, отделку поверхности бетона, а также устройство продольного деформационного шва. Полная автоматизация основных процессов укладки, однопроходный режим работы, отказ от трудоемких операций по монтажу и демонтажу рельс — форм позволяют резко повысить эффективность строительных работ: улучшить ровность покрытия, увеличить производительность укладки, снизить стоимость и трудоемкость работ.

Во избежание разрушения бетона от совместного действия транспортной     нагрузки     и     колебаний температуры, существенно увеличивающихся с ростом длины плит, в бетонных покрытиях устраивают деформационные швы различного назначения. В большинстве стран технология устройства поперечных деформационных швов характеризуется нарезкой их пазов в затвердевшем бетоне самоходными многодисковыми машинами — нарезчиками.

Продольные швы в ряде случаев устраивают в свежеуложенном бетоне диском, смонтированном на бетоноотделочной машине.

С появлением виброкатков, уплотняющих бетонную смесь до большей плотности и без раскрашивания крупного заполнителя, стало возможным использование бетонных смесей особо жесткой консистенции для строительства автомобильных дорог под тяжелые нагрузки. Отличительной особенностью применения таких смесей является меньший расход цемента по сравнению с традиционными смесями, широкое использование в их составе отходов производства, простота технологии строительства.

В России построено и успешно эксплуатируется более 6 тыс. км автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями. В США 60% межштатных дорог с интенсивным движением транспортных средств имеют бетонные покрытия.

Повышенный срок службы дорожных одежд с цементобетонными покрытиями при минимальных затратах на их содержание, высокие транспортно-эксплуатационные качества, ограниченные запасы нефти и низкое качество битума, поставляемого для изготовления асфальтобетона, являются важными обстоятельствами определяющими перспективу применения цементобетона в дорожном строительстве.

Расширение сферы применения цементобетонных покрытий, обеспечивающих повышение межремонтных сроков службы дорожных одежд,  предполагается  при  строительстве  и  реконструкции  федеральных автомобильных дорог, как дорог с наиболее высокой интенсивностью движения и по которым осуществляется основная доля грузоперевозок современным тяжеловесным транспортом.

Еще одним перспективным направлением в дорожном строительстве является использование нано технологий.

Так использование армирующих добавок к дорожным нефтяным битумам на основе дезагригированных углеродных нано трубок позволяет повысить:

—      прочностные и сдвиговые характеристик асфальтобетонных покрытий;

—      эксплуатационные свойства дорожного покрытия (прочность, надежность, стойкость);

—      способность битума к растяжению при отрицательных температурах,

—      способность битума к обратной деформации, а также его радиационную стойкость и время старения.

Перспективным является использование высококачественных наноструктурированных литых бетонов в мостостроении. А применение наноструктурированных композитных материалов, а именно: углепластиков и углестеклопластиков для изготовления элементов конструкций автодорожных мостов и эстакад позволяет снизить вес элементов и время монтажа в 10 раз по сравнению с железобетоном.

Разрабатываются технологии защиты мостовых конструкций и металлических дорожных ограждений полимерными нанопленками. Их практическое применение позволит повысить долговечность дорожных сооружений, а также увеличить межремонтные сроки.

В области защиты окружающей среды перспективным является применение фильтров на основе наноструктурированных пористых и наномембранных элементов дли очистки поверхностных сточных вод с проезжей части автодорог.

И вместе с нанотехнологиями появляются бетоны нового поколения, такие, как мелкозернистый бетон на основе модифицированной высококонцентрированной вяжущей суспензии кварцевого песка.

В настоящее время под термином «бетон» подразумевают не только строительные композиты с использованием цемента, но и материалы на основе различных вяжущих.

Развитие современных ресурсо- и энергосберегающих технологий и эффективных строительных материалов все чаще базируется на существующих в природе явлениях и процессах. Это относится и к разработкам связующих веществ, принцип создания которых подсказан генезисом силикатных горных пород. Связующим веществом в них служит амортизированный кварц. Его вяжущие свойства обусловлены коллоидным кремнеземом. Кремнезем — самое распространенное вещество в природе, стало основным сырьем при производстве силикатных строительных материалов по традиционным технологиям.

В 1980-1990-х гг. была разработана технология производства строительных материалов на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС) кварцевого песка. Эта технология использует способности силоксановых связей внутри материала деструктироваться в результате механической обработки кварца в водной среде и образовывать силанольные связи, придающие материалу достаточную прочность. Однако недостатком таких материалов   является   значительная зависимость их физико-механических характеристик от количества в ВКВС связующего компонента — коллоидных частиц.

В те же годы были изучены возможности модификации ВКВС путем искусственного регулирования содержания коллоидного компонента, а также разработки технологии получения строительных материалов на основе модифицированных ВКВС кварцевого песка.

В качестве исходного материала использовали кварцевый песок одного из месторождений Белгородской обл. Модифицирующую добавку (МД) -гель кремниевой кислоты, получали в результате химического взаимодействия натриевого жидкого стекла и соляной кислоты. Добавки вводили при помоле в начальной стадии загрузки материала в количестве 2,5-10 мас. %. Исходную и модифицированные ВКВС готовили методом мокрого помола в шаровой мельнице (вместимость 100 л) с уралитовыми цильпебсами при постадийной загрузке.

При определении основных характеристик ВКВС было установлено, что введение МД способствует интенсификации помола ВКВС в 1,8 раза (при введении 5 % МД), и представляется возможным получение ВКВС с повышенной концентрацией твердой фазы. Увеличение содержания МД до 10 % существенно не сказывается на скорости помола.

Анализ дисперсного состава ВКВС, определенного на лазерном анализаторе частиц «MicroSizer 201», показывает, что в исходной суспензии количество коллоидного компонента не превышает 2,5 %. Модифицирование позволяет повысить в системе удельную концентрацию коллоидных частиц до 9-10 мас. %, снижающую вязкость ВКВС во всем диапазоне скорости сдвига. Максимальный эффект снижения вязкости наблюдается  при  содержании МД 5 % в дилатантной области течения.

Снижение дилатансии наряду со «смазывающим эффектом» способствует повышению интенсивности помола.

Образцы вяжущего на основе ВКВС изготовляли в гипсовых формах наливным способом. Было установлено, что уменьшение вязкости в области минимальных скоростей сдвига (до 10 стс) способствует снижению открытой пористости образцов вяжущего. Это связано с тем, что процесс структурообразования ВКВС происходит именно в этой области градиента скорости сдвига, поэтому снижение вязкости позволяет получать более плотную структуру образцов. Наблюдаемое при этом повышение прочности связано как с изменением пористости, так и с увеличением доли коллоидных частиц в системе.

Повышению физико-механических характеристик материалов па основе ВКВС способствует так называемое холодное спекание.

Полученные улучшенные физико-механические показатели позволили использовать модифицированные ВКВС в качестве вяжущего при изготовлении материалов строительного назначения методом виброформования.

В середине 60-х годов прошлого века Логвиненко Д.Д. было открыто явление и созданы промышленные аппараты ЛВС (аппараты вихревого слоя) по воздействию на вещество энергией вращающегося вихревого электромагнитного (ВЭМ) поля высокой удельной плотности в единице объёма рабочего пространства реактора. Производительность аппаратов ABC (аппараты вихревого слоя) в сотни и тысячи раз выше, чем у традиционного оборудования такого же назначения, при этом энерго -, материало-, трудо- и капитальные затраты меньше где в 5, а где и в 100 раз.

В конце 90-х годов 20 века и начале 21 века академик Вершинин Н.П. подвёл под открытие Логвиненко Д.Д. физико-теоретическую базу процессов, происходящих в реакторах ABC, доказав, что огромная производительность и проявившиеся в процессе работы ABC аномалии являются следствием высвобождения внутренней энергии системы «вещество-поле», а сами аппараты её генераторами. В активной зоне реактора на вещество воздействует вихревое электромагнитное (ВЭМ) поле высокой напряжённости (до 12 000 эрстед). Далее, вращающиеся с высокой скоростью иголки (как пропеллеры), ставшие в поле ВЭМ диполями, обрушивают на вещество в активной зоне за счет высокочастотной магнитострикции жесткие звуковые полны кавитационного характера, образуя жесткое акустическое поле и другие, пока трудно идентифицируемые эффекты. Все эти поля, совокупно воздействуя на вещество, изменяют его межмолекулярные связи, что приводит к разрушению исходного вещества до молекулярного уровня.

Вершининым Н.П. разработаны усовершенствованные аналоги ABC -установки активации процессов (УАП), которые используются в широком круге производств промышленности и сельского хозяйства.

Главным конструктором ООО «Гидросила» (г. Краснодар) Левковым В.А. на основе теории вихревого электромагнитного (ВЭМ) поля разработана оригинальная конструкция магнитно-вихревой мельницы (МВМ), лишенной недостатков аппаратов ABC и УАП.

В аппаратах ABC и УАП генератором ВЭМ поля является статор 3-х фазного электродвигателя. Электромагнитное поле в статоре имеет максимальную плотность, следовательно, и магнитодвижущую силу (МДС) непосредственно у полюсов, и падает до нуля на оси статора, отчего возникает радиальная(градиентная) неоднородность электромагнитного поля, приводящая к неоднородности помола исходного вещества по объёму активной камеры. Это приводит к тому, что исходные материалы необходимо пропускать через аппараты УАП несколько раз. Но всё равно при этом разброс по размерам частиц составляет несколько порядков, и довести размол ниже нескольких сотен нанометров невозможно.

В аппаратах МВМ ВЭМ поле формируется по другому принципу. Конфигурацию ВЭМ поля формирует микроконтроллер. Конструктивно камера активации процессов выполнена так, что ВЭМ поле в активной зоне МВМ имеет радиальную однородность, т.е. МДС радиально однородна. В результате разброс по размерам частиц составляет несколько единиц, а также возможно доведение помола исходного материала до десятков нанометров и менее. Это делает аппараты МВМ более эффективными в технологиях широкого круга промышленной деятельности.

В качестве примера приводим расчёты по применению МВМ в производстве кремневяжущих смесей (КВС), применимых в производстве наливных (самовыравнивающихся) полов, а также новых строительных материалов (кирпичей, блоков, панелей, плит дорожных покрытий и многих других).

Существующая технология наливных (самовыравнивающихся) полов в своей основе содержит кварцевый песок, размолотый до размера 20÷60 мкм, смешанный с небольшим количеством жидкого стекла (Na2 О х nSiCО2). При этом идёт реакция:

(Na2 О х SiO2) + ЗН2О = 2NaOH + (SiO2 х 2Н2О),

где (SiO2 х 2Н2О) — гель кремневой кислоты, является вяжущим. Наполнителем к гелю кремневой кислоты берется кварцевый песок, при этом на выходе из рабочей МВМ зоны пойдёт реакция:

SiO2 + (SiO2 х 2Н2О) = 2SiO2 + 2Н2О

Эта реакция дает толчок процессу кристаллизации (затвердевания) SiO2 по всему объему суспензии.

Существующая технология помола кварцевого песка на шаровых мельницах имеет следующие характеристики:

—  процесс размола кварцевого песка в шаровых мельницах объемом до 1м3 идет 12÷18 часов;

—  величина помола в пределах 30÷60 мкм;

—  активная поверхность составляет на 1 см3 не более Saк <= 1500 см2/см3.

Аппарат магнитно-вихревой мельницы (МВМ), разработанный ООО «Гидросила», осуществляет уникальный принцип помола сыпучих, жидких и вязких материалов. Помол влажного кварцевого песка на аппаратах МВМ имеет следующие характеристики:

— производительность аппарата — 20 м3/час;

— величина зерен помола регулируется от 10÷20 до сотен нанометров;

— при размере частиц 100 нанометров активная поверхность возрастает до 6 х 105 см23.

При этом в силу явления специфической возбуждающей среды реакция идет без применения жидкого стекла по следующей схеме:

(SiO2 x 2H2O)=>Si(OH)4,

т.е.   получаем гель кремневой кислоты (вяжущее). Процесс дальнейшей кристаллизации идет на более глубоком молекулярном уровне.

Добавляя в процессе помола к кварцевому песку органику (древесные опилки,   шелуху   от   переработки риса, злаковых и т.д.), на выходе после затвердевания продукта получим нанопористые строительные материалы (блоки, кирпичи, панели и др.). По прочности они не уступают, а даже превосходят по ее показателям строительные материалы из бетона высоких марок, но в 2 раза легче по удельному объему. При этом нанопористые силикатные материалы обладают очень низкими  звуко- и теплопроводностью.

Финансовые расчеты стоимости продукции на выходе на единицу объема её представляют следующее.

Расходная составляющая:

—    производительность аппарата МВМ (Q)     ‘                                   — 20 м3/час;

—  потребляемая суммарная мощность всего оборудования (N)                   — 150 Квт;

—  доля кварцевого песка в единице обрабатываемого объема (Q)    — 0,5;

—  стоимость кварцевого песка                                                            — 700 руб./т;

—  расходы на вспомогательные и расходные материалы                             — 80 000 руб./мес;

—  расходы на обслуживающий персонал (4 человека)                                  — 150 000 руб./мес.

Расчет удельной стоимости продукта на выходе при односменной работе:

—  удельная стоимость кварцевого песка                                            — 0,7 руб./кг;

—  удельные затраты на электроэнергию                                            — 0,0469 руб./кг;

—    удельные затраты на персонал и расходные материалы              — 0,0933 руб. /кг.

Итого:   себестоимость выхода продукции                                         — 0,84 руб./кг.

Расчет стоимости мобильного передвижного комплекса (МВК):

стоимость изготовления МВМ                                — 2 250 000 руб.;

стоимость вспомогательного оборудования к МВМ:     —     850 000 руб.,

в которое входят:

—  бункер для песка V-5m3;

—  шнековая подача песка в бункер;

—  шнековая подача в МВМ с системой дозирования;

—  водяной напорный насос для охлаждения МВМ с электроприводом;

—  радиатор с электровентилятором для охлаждения воды;

—  приёмник КВНС с системой стабилизации КВНС;

—  шнековая подача КВНС для смешивания с грунтом;

стоимость дизель генератора на 150 ктв                  — 550 000 руб.;

стоимость   блока контейнера                                   —  80 000 руб.;

стоимость автотранспорта (МАЗ, КАМАЗ)             — 2 500 000 руб.;

монтаж оборудования и электрики                            — 280 000 руб.;

составление проектно-сметной документации                     — 650 000 руб.;

общенакладные расходы (12%)                                 — 860 000 руб.

Итого:                                                                          — 8 020 000 руб.

Чтобы окупить затраты на изготовление мобильного передвижного комплекса (МВК) при стоимости кремнийвяжущей наносуспензии  (КВНС) 3 200 руб./м3 и производительностимагнитновихревой   мельницы   (МВМ) 10м3/час необходимо выработать объем КВНС:

Vkbhc = суммарные затраты:(стоимость — уд. стоимость) = 8020000 руб.:(3200 руб./м3-1930 руб./м3) = 6315 мЗ кремнийвяжущей наносуспензии (КВНС)

Количество времени, необходимое для производства этого объёма КВНС, составит:

Vkbhc : Qmbm = 6315м3 : 10 м3/час = 631,5 часа, что в пересчёте на рабочие смены равно:

631,5 часов:8часов ~= 79 (смен)

При условии 2-х сменной работы и 6-ти дневной  неделе (т.е. 24-25   рабочих дней в месяц) количество необходимого времени составит:

79/2×24.5~=1,6 месяца

Т.е. при постоянной рабочей загрузке оборудование окупается за 1,6 месяца.

Изготовление оборудования можетзанять 9÷42 месяцев.

Остается только привлечь заинтересованных во внедрении новых технологий строительные предприятия, чтобы с помощью их специалистов и при возможности финансирования изготовления необходимого оборудования и введения в практику выпуска кремнийвяжущей наносуспезии, внести свою лепту для решения проблемы возведения долговечных дорожных сооружений.

 

 
Помощь в подборе добавки для бетона