Особенности технологии механического вспенивания при помощи установки Green Pac™.

В последние несколько лет в России активно расширяются масштабы дорожного строительства, в частности, неуклонно растет протяженность магистралей с асфальтобетонным покрытием. Увеличение объемов работ сопряжено с решением таких актуальных задач отрасли, как обеспечение высокого качества дорожных одежд, оптимизация затрат, соблюдение экологических норм. Достижение этих целей невозможно без внедрения новых перспективных технологий и методик. Метод приготовления теплых асфальтобетонных смесей на вспененном битуме, разработанный компанией Astec Inc, предлагает эффективное решение перечисленных выше задач.

История появления теплых асфальтобетонных смесей

В целом под теплыми асфальтобетонами (ТАБ) подразумевают многочисленные технологии, позволяющие производить, перевозить, укладывать и уплотнять смеси при более низких (по сравнению с традиционными) температурах. Данные технологии начали разрабатываться в Советском Союзе и Европе еще в прошлом веке. Но отечественные разработки были практически забыты, тогда как за рубежом в XXI веке эта технология начала активно развиваться. Лидером по внедрению ТАБ являются США, где ежегодно при общем производстве 400–450 млн т асфальта выпускается около 150 млн т теплых смесей. Сегодня на рынке доступно большое количество разнообразных технологий производства теплых АБС. Все они в основном связаны с уменьшением вязкости битума, которое необходимо для снижения температуры выпуска асфальтобетона. Существует четыре основных метода снижения вязкости: механическое вспенивание, а также применение вспенивающих, химических или органических добавок. Примечательно, что более 80 % теплой смеси в США производится при помощи механического вспенивания, технологию которого компания Astec представила на рынке в 2006 году. Популярность этой системы обусловлена многими факторами, в частности, существенной экономической выгодой и простотой применения.

Преимущества теплых смесей:

1. Смесь производится при температуре 115–135 °С, что предотвращает испарение легких фракций нефти и окисление битума. Его свойства не ухудшаются в процессе производства асфальтобетонной смеси, а следовательно, продлевается срок службы асфальтобетонного покрытия.
2. В связи с тем что легкие фракции не уходят из битума, уменьшается загрязнение окружающей среды, снижаются выбросы CO₂ и летучих органических соединений, улучшаются условия труда на месте укладки и производства смеси.
3. Теплая смесь получается при помощи вспененного битума, который образовывает более толстую пленку вокруг каменных материалов, улучшая тем самым качество обволакивания.
4. Благодаря снижению температуры нагрева инертных материалов, производство теплых смесей экономит как минимум от 10 до 40 % топлива.
5. Более медленное остывание смеси позволяет увеличить плечо перевозки и производить укладку в холодное время года, следовательно, расширить рамки дорожного сезона.
6. Имеется возможность производства качественных смесей с более высоким содержанием асфальтобетонной крошки.
7. Повышенное качество уплотнения способствует более долгому сроку службы покрытия.
8. Смесь становится более удобоукладываемой, что облегчает ее укладку и уплотнение, особенно с ЩМА.

Особенности механического вспенивания:

• используется уже существующая рецептура смеси (не нужно разрабатывать новую);
• практически отсутствует удорожание смеси. Стоимость одного литра воды на тонну минимальна.

Материалы для дорожных покрытий по традиционной методике производятся посредством нагрева и высушивания минерального заполнителя перед смешиванием с битумом. Для обеспечения достаточного уплотнения смеси после укладки необходимо нагревать материал до высоких температур, обеспечивая температуру выпуска смеси не ниже 150 °С. Теплые асфальтобетоны не требуют сильного нагрева инертных материалов и позволяют снизить температуру выпуска, в частности, механическое вспенивание снижает ее на 20–30 °С (для обычных смесей она составляет 120–130 °С, для ЩМА – 140–150 °С). Как известно, легкие фракции нефти начинают очень активно уходить из битума при температуре примерно 139 °С, когда начинается активное окисление. Соответственно, при выпуске асфальтобетона ниже этого параметра процесс окисления можно сократить до минимума, а при производстве ЩМА (ниже 150 °С) – существенно его уменьшить. За счет сохранения легких фракций в битуме замедляется его старение и, как следствие, продлевается срок службы дорожного покрытия. По предварительным подсчетам, данный срок увеличивается как минимум на два года, что приводит к сокращению затрат на ремонт. Особенно это касается усталостных и низкотемпературных разрушений – они сокращаются в несколько раз.

Производство асфальта при невысоких температурах дает ощутимую экономию топлива. По данным экспериментов, при использовании технологии механического вспенивания она может составлять до 40 % на тонну выпускаемого асфальтобетона. Пропорционально снижению потребления топлива уменьшается уровень эмиссий углекислого газа, которые вырабатываются вследствие сжигания углеводородного топлива. Низкий температурный режим производства смеси снижает выбросы в окружающую среду, что реально заметно по отсутствию характерных паров и сильного запаха.

Особое внимание следует обратить на смеси с ПБВ, в том числе ЩМА, которые становятся все популярнее в России. Для качественного уплотнения таких смесей приходится повышать температуру производства, что вследствие перегрева каменных материалов и битума крайне негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках смеси. Но и снижать температуру нельзя, так как это может привести к низкой плотности на некоторых участках и в результате к некачественному покрытию. Данные проблемы легко решаются при помощи механического вспенивания. В России подрядчик спокойно выпускал теплый ЩМА при 150 °С и достигал отличного уплотнения. Компания Astec предлагает решение по модернизации своих заводов, а также заводов других производителей как циклического, так и непрерывного типа действия, с применением установок вспенивания под маркой Green Pac™.

Особенности технологии вспенивания

Данная технология представляет собой механическое вспенивание битума при помощи установки Green Pac™. Систему можно использовать для производства ТАБ, а также как средство для улучшения уплотнения при производстве горячих асфальтобетонов без разработки новой рецептуры смеси. Расчет зернового состава остается таким же, как и для горячих АБС, которые производятся при более высоких температурах без добавления воды. Следует отметить, что вспенивание битума для производства ТАБ отличается от известной технологии вспенивания для холодного ресайклинга, при котором для качественного перемешивания необходимо увеличить объем битума, в результате чего фактически получается битумная пена. Для производства же асфальта вязкость битума понижается за счет многочисленных микроскопических пузырьков с небольшим увеличением объема, что является очень существенным нюансом. Многие производители таких систем скопировали систему вспенивания для холодного ресайклинга и получили негативный результат, в том числе в виде практически растекающегося на месте укладки асфальта. Astec же, разработав в 2006 году свою систему с нуля, на текущий момент представляет на рынке третье поколение системы Green Pak™, которое на 100 % гарантирует заявленный результат.

Возможно, кто-то возразит, что в России плохой битум, он не будет вспениваться и т.д. Хотим успокоить оппонентов: в нашей стране нормальные битумы,  они отлично работают с технологией вспенивания, что уже доказано на практике. В частности, мы посылали ряд образцов битумного вяжущего с различных российских НПЗ в национальный центр асфальтовых технологий (NCAT) в США,  все они показали нормальные рабочие результаты.

Принцип работы установки

В специальном коллекторе в результате смешивания воды с битумом образуется пена. Впрыск воды выполняется через специальные форсунки и сопровождается образованием микроскопических пузырей пара, за счет чего увеличивается объем битумной пленки и уменьшается вязкость. Каждая форсунка установки способна производить достаточное количество смеси битумного вяжущего с водой (пены) для нормы выработки готовой АБС 50 т/ ч.

Таким образом, 10 форсунок установки Astec Multi Nozzle Device могут производить пену для нормы выработки более 500 т/ч готовой АБС. В зависимости от нормы выработки готовой продукции, система компьютерного контроля открывает или закрывает необходимое количество электромагнитных клапанов. В результате каждый клапанный блок и форсунка работают с ограниченным потоком битума при ограниченном обратном давлении, что обеспечивает постоянное количество получаемой пены.

Кроме десяти основных клапанных блоков, есть еще и 11-й, дополнительный, клапан, расположенный в коллекторе для извлечения проб битума. Вода поступает в систему при помощи водяного насоса, скорость работы которого настроена в соответствии со скоростью насоса, закачивающего жидкий битум, для того чтобы в блоки форсунка – клапан поступало строго необходимое количество воды. Водяные электромагнитные клапаны контролируются индивидуально, поэтому водяной поток в каждой форсунке находится под контролем и водяные клапаны открываются одновременно с открытием клапанов, подающих горячий битум. Программируемый логический контроллер обеспечивает согласованную работу всех клапанов в зависимости от уменьшения или увеличения нормы выработки АБС. Вода поступает в систему из резервуара объемом свыше 2 тыс. л, что обеспечивает выпуск более 2 тыс. т без дозаправки при расходе 1 л воды на тонну смеси. Автоматический впускной клапан обеспечивает необходимый уровень воды в резервуаре. Кроме того, программируемый логический контроллер позволяет проверить давление воды в каждой форсунке в том случае, если какая-либо из них окажется засоренной.

В России наработан опыт успешной модернизации не только заводов Astec и Dillman, но и заводов таких производителей, как Amomatic, Lintec, Benninghoven, Marini, Vianova и «Кредмаш». Монтаж и пусконаладка занимают максимум три дня: установку Green Pak™ врезают в линию подачи битума от дозирующего насоса в весовой ковш на циклических заводах или от дозирующего насоса в распылитель на предприятиях непрерывного цикла. Устанавливается цистерна с водой (можно также использовать водовозки, при необходимости – водопроводную сеть), подключается электропитание, и небольшой пульт управления вспениванием выводится в кабину оператора без вмешательства в существующую систему. И тут же можно приступать к выпуску теплого и горячего асфальта на вспененном битуме, что, конечно же, не исключает возможности производства обычной АБС.

Опыт в России

На сегодняшний день в России на установках для производства ТАБ Astec уже выпущено более 1 млн т асфальтобетона, в основном для дорог федерального и регионального значения. За последние несколько лет появилась нормативная база по ТАБ: стандарты организаций по применению данной технологии, а также утвержденный Росавтодором ОДМ 218.2.042–2014 «Теплые асфальтобетонные смеси. Рекомендации по применению».

Опыт подрядчиков

Мы попросили российских подрядчиков, работающих со вспенивателем Astec Green Pac, оценить эффективность системы и ответить на ряд вопросов.

Не упадет ли температура асфальтобетонной смеси при добавлении в нее воды?

Нет. Количество впрыскиваемой в смесь системой Green Pac воды сравнительно невелико. В первичную смесь, содержащую 5 % битума, впрыскивается 1 л воды на тонну смеси (0,1 %). Количество воды, остающееся в смеси после ее уплотнения, составляет всего 1,17·10^-3 % в тонне асфальтобетонной смеси. Допускается наличие в асфальтобетонной смеси до 0,5 % остаточной влаги (таким образом, процент влаги, которая остается в смеси после уплотнения, в 400 раз меньше допустимого).

 Не замерзнет ли вода, в холодную погоду?

Astec оснащает свои установки комплектом подогрева для холодной погоды, с помощью которого предохраняются важнейшие узлы системы от замерзания весной и осенью.

Можно ли добавлять антифриз в воду?

Результаты воздействия антифриза на любой вид асфальтобетонной смеси, даже в низких концентрациях, неизвестны. В связи с этим добавлять в воду какой-либо вид антифриза не рекомендуется.

Какую температуру теплой асфальтобетонной смеси следует поддерживать?

Для каждой смеси в зависимости от марки вяжущего и рецепта асфальтобетонной смеси температура разная. Для первичных (традиционных асфальтобетонных смесей на обычном битуме) рекомендуется температура 115–120 °C, для асфальтобетонной смеси, содержащей регенерированный асфальт, – 130–135 °C.

Можно ли приготовлять теплую асфальтобетонную смесь при более высоких температурах?

Да. В приготовлении теплой асфальтобетонной смеси с помощью системы Green Pac при той же температуре, что и традиционной горячей смеси, нет никакой опасности. Просто смесь дольше сохранит пластичность.

Как определялось снижение количества вредных выбросов в атмосферу?

Производились замеры на АБЗ – все показатели не превышали предельно допустимых концентраций. Также визуально можно наблюдать, что с завода выходит не дым (отработанные газы), а пар. Улучшаются экологические параметры всех этапов работ по обустройству дорожных одежд.

Присутствует ли экономия битума при использовании вспенивателя?

Нет. Битумное вяжущее добавляется по рецепту на асфальтобетонную смесь так же, как и на горячую.

Присутствует ли экономия топлива при использовании вспенивателя?

Да. При снижении температуры смеси на 30–40 ⁰С экономия на заводах, работающих на дизельном топливе, достигает в среднем 1–1,5 л на 1 т смеси, а расход газа сокращается на 3–4 м³ на 1 т смеси.

 Как отразилось применение вспенивателя Green Pac на прочностных характеристиках асфальтобетона (R20, R50), водостойкости при длительном водонасыщении и сдвигоустойчивости?

Все показатели соответствуют гостовским нормативам по традиционным горячим смесям.

Как ведет себя асфальтобетон на вспененном битуме, полученном по технологии Green Pac, при его укладке. Есть ли разница по сравнению с укладкой обычной горячей асфальтобетонной смеси?

При укладке теплого асфальтобетонного покрытия значительно улучшается уплотнение асфальтобетонных смесей. Теплая асфальтобетонная смесь получается более подвижной и поддается уплотнению при значительно более низких температурах, чем горячая. Результатом являются улучшение плотности покрытия и коэффициента уплотнения, лучшая устойчивость асфальтобетона при раннем открытии движения после завершения работ. Теплая асфальтобетонная смесь образует более толстую пленку вяжущего вокруг зерен наполнителя по сравнению с горячим асфальтом, что приводит к тому, что количество энергии, затрачиваемой на разрушение покрытия, растет, т. е. асфальтобетонное покрытие служит гораздо дольше. По этой же причине и по причине меньшего окисления битума усталостная деформация асфальтобетонного покрытия из теплых смесей происходит в большем (в 16 раз) количестве циклов деформации по сравнению с горячим асфальтобетонным покрытием.

На чем основано заключение возможности доставки теплой асфальтобетонной смеси на дальние расстояния без значительной потери качества смеси по сравнению с горячей смесью?

Заключение основывается на результатах испытания доставки асфальтобетонной смеси (сравнительные замеры температурного режима теплой и горячей асфальтобетонной смеси). Например, на объекте в Брянской области при  доставке асфальтобетонной смеси на расстояние 58 км (смесь ЩМА-15) потеря при перевозке при температуре воздуха +16 ⁰С на теплую смесь составила 7–10 ⁰С, на горячую – 18–26 ⁰С. В Ленинградской области при доставке теплой смеси на расстояние 70–100 км температура смеси в асфальтоукладчике отличалась всего на 7–9 ⁰С от температуры смеси, выпущенной АБЗ, при температуре воздуха 14 ⁰С утром и 22 ⁰С днем.

У кого-нибудь из подрядчиков в России получилось расширить сезон укладки асфальтобетона при низких температурах с применением технологии Green Pac?

Да. Расширили сезон до –3 ⁰С (хотя по СНиП разрешается осенью работать с асфальтом только до +10 ⁰С), тем самым получается продлить сезон с понижением температуры осенью и весной начать сезон раньше соответственно.

В среднем это два месяца в год.

Ведется ли мониторинг объектов с применением вспененного битума по технологии Green Pac. Какие получены результаты?

Да. Один из первых участков был устроен в 2012 году: ремонт автомобильной дороги Р-120 «Орел – Брянск – Смоленск – граница с Республикой Белорусь, км 42+000 – км 56+533 в Орловской области, км 56+533 – км 68+000 в Брянской области, смесь ЩМА-15. Результаты показали: покрытие не подвержено разрушению, отсутствуют продольные трещины, поперечных меньше по сравнению с традиционными горячими смесями, колея не появилась, что подтверждено ФКУ «Москва – Бобруйск».