Исследование влияния введения модифицирующих добавок на физические и экономические показатели асфальтобетонов

Проблема повышения качества строительства автомобильных дорог всегда была актуальной в Российской Федерации. В настоящее время эта проблема стоит особенно остро в связи с тем, что необходимость в строительстве и реконструкции асфальтобетонных покрытий непрерывно возрастает, а качество строительства не достигает мирового уровня. Одним из путей увеличения сроков службы покрытий автодорог является применение асфальтобетонных смесей с улучшенными физикомеханическими свойствами. Причем именно на физико-механические свойства асфальтобетонов значительное влияние оказывает модифицирующая часть, особенно минеральная добавка.

В нашем случае в качестве минеральной добавки применяется тонкоизмельченная опока. В Далматовском районе Курганской области на карьере по добыче щебня опока является отходом производства (вскрышей). Ее запасы достаточно велики для использования в промышленных объемах. Опока представляет собой пористую кремнистую осадочную горную породу, состоящую в ос- новном из микрозернистого гидратированного аморфного кремнезёма (до 75 %). Цвет от светлосерого до тёмно-серого, почти чёрного. Характеризуется большой однородностью и раковистым изломом, а также высокими адсорбционными свойствами [4].

При исследовании и построении математической модели в качестве варьируемых факторов были приняты:

• –    X₁ – битум в интервале от 5...7 %;

• –    Х₂ – минеральная добавка (опока) в интервале от 5...7 % ;

• –    Х₃ – песок (минеральный компонент) в интервале от 86...90 %.

Принята модель исследования по методу «черного ящика», по схеме «состав – свойство». В табл. 1 представлены процентное содержание факторных компонентов, кодировка положения составов на факторном пространстве, а также показатели pH составов [1, 2].

Отвешенную в соответствии с матрицей планирования эксперимента битумоминеральную

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента с результатами определения водородного показателя pH

№ состава Факторы Водородный показатель pH X1 X2 X3 код % код % код % 1 1 7 0 5 0 88 5,25 2 2/3 6,32 0 5 1/3 88,6 5,5 3 1/3 5,66 0 5 2/3 89,34 5,15 4 2/3 6,32 1/3 5,66 0 88 5,35 5 1/3 5,66 2/3 6,32 0 88 5,2 6 0 5 1 7 0 88 5,45 7 0 5 2/3 6,32 1/3 88,68 4,85 8 0 5 0 5 1 90 4,9 9 0 5 1/3 5,66 2/3 89,34 5,9 10 1/3 5,66 1/3 5,66 1/3 88,68 4,9 смесь нагревают до температуры 100 °С и перемешивают до получения однородной массы.

Действие pH-метра основано на измерении величины ЭДС электродной системы, показатели которой пропорциональны активности ионов водорода в растворе – pH (его водородному показателю). Измерительная схема по сути своей представляет собой не более чем получение и использование показаний вольтметра, преобразованных в иные эквивалентные, в данном случае, выраженные в единицах pH, а не в вольтах.

За величину параметра pH принимают среднее арифметическое результатов испытания трех образцов; расхождение между ними не должно превышать 5 % [6, 7, 11].

После обработки результатов были получены поверхности отклика (рис. 1, 2) и уравнение регрессии зависимости параметра pH (Y) от факторов (Х 1 – битум, Х 2 – опока, Х 3 – песок):

Y=5,31429Х1+5,24286Х2+5,04286Х3 –

–0,0160708Х1Х2++0,658928Х1Х3+

+1,04464Х2Х3–13,1624Х1Х2Х3 . (1)

В результате проведенных исследований по определению водородного показателя pH введение опоки в качестве минеральной добавки повлияло на его увеличение (до 5,9 pH), при котором в битумно-минеральных смесях наблюдает- ся улучшенное взаимодействие с крупным заполнителем. Изменение водородного показателя говорит о снижении потенциала смеси, то есть уменьшении величины заряда поверхности, характеризующего сгущение электрической энергии около межфазной границы, и формировании устойчивых полярных связей, что способствует адсорбции битума на поверхности зерен крупного заполнителя (щебня). Это практически весьма важно, поскольку поверхность многих дорожностроительных минеральных материалов заряжена отрицательно и битумы, тоже обладающие отрицательным зарядом, плохо к ней прилипают [3, 5, 8–10].

При расчете стоимости экспериментальных составов в стоимость минеральной добавки (опоки) входят только затраты на погрузку (S_погр), доставку породы на асфальтобетонный завод (S_дост) и ее помол (S пом ):

• –    стоимость погрузки 1 тонны погрузчиком: S погр = 41 руб./т;

• –    стоимость доставки 1 тонны груза на расстояние 200 км: S дост = 600 руб./т;

• –    затраты на помол складываются из двух составляющих: затрат на электроэнергию и топочный газ сушильной камеры и затрат на электроэнергию для мельницы тонкого помола (мощность мельницы W_м = 105 кВт, производительность

  Битум = 1,0

  

  pH 4,9–4,96

  ■ 4,96–5,0

  ■ 5,0–5,07

  5,07–5,12

  5,12–5,18

  5,18–5,23

  5,23–5,29

  ■ 5,29–5,34 ■ 5,34–5,4

  Опока = 1,0            Битум = 0,0                     Песок = 1,0

  Рис. 1. Контуры предполагаемой поверхности отклика водородного показателя pH

  
  

  Опока = 1,0

  
  

  Битум = 1,0

  5,5

  5,4

  5,3

  5,2

  5,1

  5,0

  4,9

  

  pH

  4,9 – 4,96

  4,96 – 5,0

  5,0 – 5,07

  5,07 – 5,13

  5,13 – 5,18

  5,18 – 5,24

  5,24–5,29

  5,29–5,35

  5,35 – 5,41

  Песок = 1,0

  
  

Рис. 2. Расчетная поверхность отклика водородного показателя pH

Строительные материалы и изделия

Таблица 2

Расчет себестоимости изготовления 1 т асфальтобетонной смеси с применением опоки в качестве минеральной добавки

№ состава	Расход компонентов, т				Стоимость компонентов, руб.				Стоимость смешивания компонентов, руб.	Итого с НДС (18 %)
	Битум	Опока	Песок	Щебень	Битум	Опока	Песок	Щебень
1	0,07	0,05	0,28	0,6	665,86	106,94	206,77	443,08	1128,91	3010,84
2	0,063	0,05	0,287		601,17	106,94	211,79			2940,43
3	0,057	0,05	0,293		538,39	106,94	216,66			2872,1
4	0,063	0,057	0,28		601,17	121,06	206,77			2951,17
5	0,057	0,063	0,28		538,39	135,17	206,77			2893,74
6	0,05	0,07	0,28		475,61	149,72	206,77			2836,83
7	0,05	0,063	0,287		475,61	135,17	211,79			2825,58
8	0,05	0,05	0,3		475,61	106,94	221,54			2803,77
9	0,05	0,057	0,293		475,61	121,06	216,66			2814,68
10	0,057	0,057	0,287		538,39	121,06	211,79			2883,01

P = 6 т/ч; мощность двигателей сушильной камеры W д = 10,5 кВт, расход газа r = 1000 нм³/ч) и определяется по формуле:

S пом = W м ·с э /P+W д ·с э /P+r·с г /P. (2)

Стоимость природного газа для промышленности в Курганской области составляет с г = 6 руб./нм³ [12]. Стоимость электроэнергии для промышленности в Курганской области составляет с_э = 4,31 руб./кВт⋅ч [13]. Подсчет стоимости помола 1 т опоки по формуле (2) дает: S_пом=1497,8 руб./т.

Суммарные затраты (S) на приготовление 1 т минеральной добавки из опоки с учетом доставки составят:

S = S погр + S дост + S пом = 2138,81 руб./т. (3)

Благодаря использованию минеральной добавки из опоки при производстве асфальтобетона, по результатам расчета стоимости составов (табл. 2) и сравнения их со стоимостью стандартной асфальтобетонной смеси (с применением минеральной добавки МП1), которая составляет 3113,39 руб./т (с учетом НДС 18 %), достигается снижение цены единицы продукции на 102,55– 309,62 руб./т. Расчеты выполнены в ценах 1 квартала 2017 года.