Применение золополимерных смесей в строительстве лесовозных дорог

УДК

630*383.4

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-3-106-116

Аннотация

Строительство лесных дорог является одним из приоритетных вопросов лесного комплекса. Недостаточно развитая лесная дорожная сеть не позволяет использовать лесные ресурсы, находящиеся на значительном расстоянии от дорог общего пользования, так как рентабельность лесозаготовки многократно снижается. Расширение инфраструктуры лесных дорог позволит повысить мобильность, а также рентабельность добычи ресурса. Основной причиной запущенного состояния лесной дорожной инфраструктуры является высокая стоимость строительства лесных дорог, которая обусловлена высокой стоимостью дорожно-строительных материалов, а также большими расстояниями их транспортировки. Один из актуальных способов снижения стоимости дорожно-строительных материалов – это использование отходов промышленности. С целью решения данной задачи было проведено исследование для получения слоя дорожной одежды с высокими физико-механическими показателями и сравнительно низкой стоимостью из отходов промышленности. В качестве вяжущего в смеси используется бытовой полиэтилен высокого давления, а заполнителя – зола от сжигания осадка сточных вод. За счет применения пластика в смеси образуется коагуляционно-конденсационная структура, при этом материал характеризуется высокой прочностью и морозостойкостью. Данное исследование обладает научной новизной, так как вопросы адгезии полиэтилена с различными заполнителями мало изучены. За основу смеси были взяты вторично-переработанные полимеры (дробленый полиэтилен, фракция 1,5–2,5 мм) в качестве структурообразующего компонента. Также существовала необходимость добавления материала-заполнителя, его роль сыграла зола, оставшаяся после сжигания осадка сточных вод предприятия «Водоканал». По результатам испытаний был получен материал с показателями прочности при сжатии 170,63–552,08 МПа, модулем упругости от 322,0 до 960,0 МПа, водопоглощением в пределах 1 %, что дает возможность использовать его в лесном дорожном строительстве, в том числе в качестве укрепляющего слоя дорожной одежды лесных дорог на слабых грунтах. Применение полученного материала в лесном дорожном строительстве позволит расширить лесную дорожную инфраструктуру за счет снижения стоимости. Наши исследования показывают, что высокие физико-механические показатели увеличат срок службы лесных дорог, а, следовательно, и срок между капитальными ремонтами – данные аспекты положительно повлияют на рентабельность строительства лесных дорог.

Сведения об авторах

А.Н. Минаев, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1684-7674
О.В. Зубова, канд. техн. наук; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6263-4688
Д.М. Кулик, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4163-3675
В.В. Силецкий, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3357-533X
В.И. Луговов, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1631-5571
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер, д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: elenafta@yandex.ru, ok_z19@mail.ru, danil-kulik@mail.ru, lol.spairo@yandex.ru, valentinlugovov@gmail.com

Ключевые слова

бытовой полиэтилен высокого давления, зола от сжигания осадка сточных вод, строительство лесных дорог, дорожная конструкция, дорожно-строительный материал

Для цитирования

Минаев А.Н., Зубова О.В., Кулик Д.М., Силецкий В.В., Луговов В.И. Применение золополимерных смесей в строительстве лесовозных дорог // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 3. С. 106–116. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-106-116

Литература

1. Дунина О.А., Сайфуллина А.Р., Сахибгареева Л.И. Переработка полиэтилена в пластик и последующее его использование в строительстве дорог // Студент и аграрная наука: материалы Х Всерос. студен. науч. конф. Уфа, 22 марта – 23 марта 2016 г. Уфа: Башкир. ГАУ, 2016. С. 189–191. [Dunina O.A., Sayfullina A.R., Sakhibgareyeva L.I. Processing of Polyethylene into Plastic and Its Subsequent Use in Road Construction. Student and Agricultural Science: Proceedings of the 10th All-Russian Student and Science Conference, Ufa, March 22–23, 2016. Ufa, BSAU Publ., 2016, pp. 189–191].
2. Зубова О.В. Исследование влияния гранулометрического состава грунтов на прочность зологрунтовой смеси, обработанной цементом // Тр. БГТУ. № 2. Лесн. и деревообраб. пром-сть. 2012. № 2 (149). С. 118–120. [Zubova O.V. The Study of the Effect of Soil Grading on the Strength of a Cement-Treated Mixture of Ash with Soil. Trudy BGTU. № 2. Lesnaya i derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost’ [Proceedings of BSTU. Iss. 2. Forest and Woodworking Industry], 2012, no. 2(149), pp. 118–121].
3. Зубова О.В. Использование в лесном дорожном строительстве зологрунтовых смесей, укрепленных вяжущими материалами: дис. … канд. техн. наук. СПб., 2015. 179 с.  [Zubova O.V. The Use of Ash-Soil Mixtures Strengthened by Cementing Materials in Forest Road Construction: Cand. Eng. Sci. Diss. Saint Petersburg, 2015. 179 p.].
4. Зубова О.В., Бессараб Г.А., Салминен Э.О., Суворова Н.А., Артемьев В.В. Способ устройства конструктивных слоев дорожных одежд на основе золопесчаной смеси вяжущих // Новые строительные материалы: материалы междунар. науч. конф. Труды БГТУ. Минск: БГТУ, 2013. № 1. С. 23–27. [Zubova O.V., Bessarab G.A., Salminen E.O., Suvorovа N.A., Artem’yev V.V. The Design Method of Pavement Layers Based on Ash-Soil Mixture of Binders. New Building Materials: Proceedings of the International Science Conference. Proceedings of BSTU. Minsk, BSTU Publ., 2013, no. 1, pp. 23–27].
5. Зубова О.В., Бессараб Г.А., Суворова Н.А., Салминен Э.О. Способ устройства конструктивного слоя дорожной одежды на основе золы от сжигания осадков сточных вод. Патент на изобретение № 2471913 Российская Федерация, МПК E01C 3/04, C04B 28/00, C04B 26/26: № 2011110986/03: заявл. 20.03.11: опубл. 10.01.13. [Zubova O.V., Bessarab G.A., Suvorova N.A., Salminen E.O. Method of Making Pavement Structural Layer Based on Ashes of Effluents Sediments Combustion. Patent RF no. RU 2471913 C2, 2013].
6. Зубова О.В., Никитина И.С., Анисимова О.И., Новикова А.А. Дорожно-строительный материал на основе зологрунтовой смеси, укрепленной цементом // Изв. С.-Петерб. лесотехн. акад. 2012. Вып. 201. С. 193–202. [Zubova O.V., Nikitina I.S., Anisimova O.I., Novikova A.A. Road-Building Material on the Basis of a Cinder-and-Dirt Mix Reinforced by Cement. Izvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2012, iss. 201, pp. 193–202].
7. Корочкин А.В. Устройство дорожной одежды. Патент на полезную модель № 88030 Российская Федерация, МПК E01C 5/00: № 2009127004/22: заявл. 15.07.09: опубл. 27.10.09 [Korochkin A.V. Paving. Patent RF no. RU 88030 U1, 2009].
8. Литвиненко Н.А., Козырева Е.А. Современные технологии строительства автомобильных дорог // Науч. мысль. 2017. № 2. С. 117–120. [Litvinenko N.A., Kozyreva E.A. Modern Technologies of Road Construction. Nauchnaya mysl’ [Scientific Thought], 2017, no. 2, pp. 117–120].
9. Лысянников А.В., Третьякова Е.А., Лысянникова Н.Н. Переработанный пластик в дорожном строительстве // Изв. ТулГУ. Техн. науки. 2017. Вып. 7. С. 105–115. [Lysyannikov A.V., Tretiakova E.A., Lysyannikova N.N. Recycled Plastic in Road Construction. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki [News of the Tula state university. Technical sciences], 2017, iss. 7, pp. 105–115].
10. Лысянников А.В., Третьякова Е.А., Лысянникова Н.Н. Строительство дорожных покрытий из вторичного сырья // Вопросы современной науки: проблемы, тенденции и перспективы: материалы междунар. науч.-практ. конф., Новокузнецк, 07–08 декабря 2017 г. / отв. ред. Э.И. Забнева; ред. кол. Л.С. Кочкина [и др.]. Ульяновск: Зебра, 2017. С. 78–81. [Lysyannikov A.V., Tretiakova E.A., Lysyannikova N.N. Construction of Road Surfaces from Secondary Raw Materials. Issues of Modern Science: Problems, Trends and Prospects. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, Novokuznetsk, December 7–8, 2017. Ul’yanovsk, Zebra Publ., 2017, pp. 78–81].
11. Стаханов А.И. Возможности использования полимерных отходов при производстве дорожного покрытия // Актуальные проблемы науки в студенческих исследованиях: сб. материалов IX Всерос. студен. науч.-практ. конф. / Альметьев. фил. Казан. нац. исслед. техн. ун-та им. А.Н. Туполева–КАИ. М., 2019. С. 40–42. [Stakhanov A.I. Potential for Use of Polymer Wastes in the Road Surface Production. Current Problems of Science in Student Research: Collection of Materials of the 9th All-Russian Student Scientific and Practical Conference. KNRTU-KAI’s Branch in Almetyevsk. Moscow, 2019, pp. 40–42].
12. Строкин А.С. Повышение сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий путем применения асфальтобетона каркасной структуры на модифицированном битуме: дис. … канд. техн. наук. Воронеж, 2009. 199 с. [Strokin A.S. Improving the  Shear Resistance and Service Life of Pavements by Applying Asphalt Concrete of Frame Structure on Modified Bitumen: Cand. Eng. Sci. Diss. Voronezh, 2009. 199 p.].
13. Ahmadinia Es., Zargar M., Karim M.R., Abdelaziz M., Ahmadinia Eb. Performance Evaluation of Utilization of Waste Polyethylene Terephthalate (PET) in Stone Mastic Asphalt. Construction and Building Materials, 2012, vol. 36, pp. 984–989. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2012.06.015
14. Deng Z., Shi F., Yin S., Tuladhar R. Characterisation of Macro Polyolefin Fibre Reinforcement in Concrete through Round Determinate Panel Test. Construction and Building Materials, 2016, vol. 121, pp. 229–235. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.05.134
15. Hınıslıoğlu S., Ağar E. Use of Waste High Density Polyethylene as Bitumen Modifier in Asphalt Concrete Mix. Materials Letters, 2004, vol. 58, iss. 3-4, pp. 267–271. DOI: 10.1016/S0167-577X(03)00458-0
16. Hongjun L., Feng Y., Donghai Y. The Strenghth Varieties of the Subsurface Made of Lime and Fine Coal Ash of the Highway from Changba to Baicheng. Journal of Northeast Forestry University, 2000, iss. 1, pp. 84–85.
17. Ion I.M., Aguiar J.B., Angelescu N., Stanciu D. Properties of Polymer Modified Concrete in Fresh and Hardened State. Advanced Materials Research, 2013, vol. 687, pp. 204–212. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.687.204
18. Sulyman M., Haponiuk J., Formela K. Utilization of Recycled Polyethylene Terephthalate (PET) in Engineering Materials: A Review. International Journal of Environmental Science and Development, 2016, vol. 7, no. 2, рр. 100–108. DOI: 10.7763/IJESD.2016. V7.749
19. Tawfik M.E., Eskander S.B. Polymer Concrete from Marble Wastes and Recycled Poly(Ethylene Terephthalate). Journal of Elastomers and Plastics, 2006, vol. 38, iss. 1, pp. 65–79. DOI: 10.1177/0095244306055569
20. Yin S. Development of Recycled Polypropylene Plastic Fibres to Reinforce Concrete. Doctoral Thesis. Townsville, QLD, Australia, James Cook University, 2017. 137 р. DOI: 10.1007/978-981-10-3719-1

Ссылка на английскую версию:

Application of Ash-Polymer Mixtures in the Construction of Forest Roads

APPLICATION OF ASH-POLYMER MIXTURES IN THE CONSTRUCTION OF FOREST ROADS

А.N. Minaev, Doctor of Engineering, Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1684-7674
O.V. Zubova, Candidate of Engineering; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6263-4688
D.M. Kulik, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4163-3675
V.V. Siletskiy, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3357-533X
V.I. Lugovov, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1631-5571
Saint-Petersburg State Forest Technical University, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: elenafta@yandex.ru, ok_z19@mail.ru, danil-kulik@mail.ru, lol.spairo@yandex.ru, valentinlugovov@gmail.com

The construction of forest roads is one of the priority issues of the forest industry. The underdeveloped forest road network does not allow the use of forest resources, which are situated too far from the civil roads because of lower profitability. Expanding the forest road infrastructure will allow to increase mobility as well as profitability of resource extraction. Forest roads are expensive. This is due to the high cost of road construction materials and long distance of their delivery. One of the latest ways of cost reduction of road construction materials is the use of industrial wastes. A study was carried out in order to obtain a pavement layer with high physical and mechanical properties and a relatively low cost from industrial wastes for the problem solving. Household high-pressure polyethylene is used as a binder in the mixture, and ash from incineration of sewage sludge is used as filler. A coagulation-condensation structure is formed due to the use of plastic in the mixture; herewith the material is characterized by high strength and frost resistance. The study has a scientific novelty as the issues of polyethylene adhesion with various fillers are poorly known. Recycled polymers (crushed polyethylene, fraction 1.5–2.5 mm) were used as a structure-forming component. Ash from the sewage sludge incineration obtained at the SUE «Vodokanal of St. Petersburg» was used as the filler material. According to the test results, a material with the following parameters was obtained: the compression resistance of 170.63–552.08 MPa, the elastic modulus of 322–1022 MPa, water absorption within 1 %; that allows using the material in the forest road construction. This material can be used as an application for reinforcing the pavement layer in the forest road construction on weak soils. The use of the obtained material in forest road construction will expand the forest road infrastructure by cost reduction. The studies of the Department of Industrial Transport of the Saint-Petersburg State Forest Technical University show that the high physical and mechanical parameters will increase the service life of forest roads and hence the time between overhauls. These aspects have a positive effect on the profitability of the forest road construction.
For citation: Minaev А.N., Zubova О.V., Kulik D.М., Siletskiy V.V., Lugovov V.I. Application of Ash-Polymer Mixtures in the Construction of Forest Roads. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 3, pp. 106–116. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-106-116

Keywords: household high-pressure polyethylene, ash from incineration of sewage sludge, construction of forest roads, road structure, road construction material.

Поступила 27.06.19 / Received on June 27, 2019