AP22786668 «Научные основы получения устойчивого асфальтобетона с улучшенными физико-механическими характеристиками на основе отходов металлургического и кремниевого производства»

Доменный шлак и микрокремнезем – побочные продукты металлургического производства, применяющиеся при производстве стройматериалов и асфальтобетона. Однако их использование в составе асфальтобетона производится хаотично, без предварительного избирательного дробления доменного шлака для выделения наиболее прочных зерен и учета влияния данных компонентов на морозостойкость дорожного покрытия. Это приводит к низкой долговечности автодорог, построенных из отходов, и обуславливает актуальность междисциплинарного (на стыке экологии, строительства, металлургии) проекта, направленного на разработку научных основ получения устойчивого асфальтобетона из промышленных отходов с учетом условий строительства.

Идея проекта состоит в повышении морозостойкости и деформационно-прочностных характеристик асфальтобетона из промышленных отходов за счет синергетического эффекта от комплексного использования заполнителя из доменного шлака, прошедшего предварительное избирательное дробление, и микрокремнезема в оптимальном соотношении.

1) Кунаев Вячеслав Александрович – PhD, ассоциированный профессор, директор департамента науки и инноваций, доцент кафедры «Технологические машины и транспорт», руководитель проекта.

Scopus ID: 57200448577.

ResearcherID: AAR-2188-2020.

https://orcid.org/0000-0001-8283-7186 .

2) Ахметова Гульжайнат Есенжоловна – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Металлургия и материаловедение», исполнитель проекта.

Scopus ID: 57195377183.

ResearcherID: AAX-4242-2021.

https://orcid.org/0000-0002-2081-0612

3) Батырбек Әлібек Есімбекұлы – докторант, преподаватель кафедры «Энергетика», исполнитель проекта.

Scopus ID: 59213269200.

ResearcherID: NMK-8223-2025.

https://orcid.org/0000-0002-3369-6804.

4) Тавшанов Ильгар Сулейманович – магистр, преподаватель кафедры «Технологические машины и транспорт», исполнитель проекта.

Scopus ID: 58203718700.

ResearcherID: JNR-8253-2023.

https://orcid.org/0000-0002-9427-9748 .

5) Чарный Дмитрий Юрьевич – бакалавр, младший научный сотрудник, исполнитель проекта.

Scopus ID: 59914525300.

ResearcherID: NMO-0625-2025.

6) Кыдырбаева Салтанат Жайсанбековна – магистр, старший преподаватель кафедры «Технологические машины и транспорт», исполнитель проекта.

Scopus ID: 57614186200.

ResearcherID: GME-7697-2022.

7) Жаслан Рымгүл Қуатқызы – PhD, старший преподаватель каферы «Химическая технология и экология», исполнитель проекта (с 2025 года).

Scopus ID: 57200215253.

ResearcherID: HGB-6310-2022.

https://orcid.org/0000-0002-1809-8961

8) Романов Данил Юрьевич – магистрант, исполнитель проекта (до 2025 года).

За 2024 год: Будет установлено множество факторов, определяющих показатели качества асфальтобетона на основе техногенных отходов. Будут предложены и обоснованы комплексный критерий оптимальности и основные ограничения для проектирования состава асфальтобетона из техногенных отходов. Будет выполнена лабораторная оценка влияния параметров избирательного дробления на изменение объемного расширения и истираемости крупного заполнителя асфальтобетона из доменного шлака, а также получена математическая модель, описывающая корреляционную взаимосвязь этих параметров. Будут получены опытные пробы обогащенного крупного заполнителя для асфальтобетона из доменного шлака. Будут получены опытные образцы асфальтобетона с крупным заполнителем из природного щебня и обогащенного заполнителя из доменного шлака.

Для апробации промежуточных результатов будет обеспечено участие и опубликование не менее 2 статей в сборнике трудов международной конференции.

Будет опубликована 1 статья в журнале, рекомендованном КОКНВО МНиВО РК.

За 2025 год: Будут экспериментально получены результаты определения плотности, средней плотности минеральной части, водонасыщения и набухания опытных образцов асфальтобетона. Будут эмпирически определены сравнительные деформационно-прочностные характеристики асфальтобетона с заполнителем из природного щебня, обычного и обогащенного заполнителей из доменного шлака. Будут спроектированы составы смесей и изготовлены опытные образцы асфальтобетона с использованием обогащенного щебня из доменного шлака в качестве крупного заполнителя и микрокремнезема в качестве минеральной добавки. Будут получены результаты испытаний опытных образцов асфальтобетона с варьируемым содержанием доменного шлака и микрокремнезема на морозостойкость, водостойкость, набухаемость, прочность и сдвигоустойчивость. Будет проведен количественный анализ микроструктуры и установлены закономерности распределения зерен заполнителя и пустот в структуре опытных образцов асфальтобетона.

Для апробации промежуточных результатов будет обеспечено участие и опубликование не менее 2 статей в сборнике трудов международной конференции.

Будет опубликована 1 статья (или обзор) в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, индексируемом в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и 2 статьи в журналах, рекомендованных КОКНВО МНиВО РК.

За 2026 год: Будет изучена морфология структуры и топография излома образцов обычного и предлагаемого состава асфальтобетона, которые позволят оценить влияние состава смеси на образование трещин в структуре материала и адгезию в системе «битум+заполнитель». Будут эмпирически установлены математические зависимости, взаимосвязывающие значения структурообразующих факторов, физических и деформационно-прочностных свойства асфальтобетона на основе обогащенного шлакового заполнителя и микрокремнезема. Экспериментально будут получены результаты оценки воздействия агрессивных сред на характеристики асфальтобетона, содержащего обогащенный шлаковый щебень и микрокремнезем. Будет выбран оптимальный состав и получены опытные образцы асфальтобетона на основе отходов металлургического и кремниевого производства с повышенными физико-механическими характеристиками. Будет выполнена оценка синергетического эффекта от комплексного использования микрокремнезема и обогащенного заполнителя в составе асфальтобетона и построена математическая модель, позволяющая оценивать влияние содержания микрокремнезема и обогащенного заполнителя из доменного шлака на физико-механические характеристики асфальтобетона. Будет разработан алгоритм выбора состава асфальтобетона на основе техногенных отходов в зависимости от требуемых физико-механических характеристик.

Для апробации конечных результатов будет обеспечено участие и опубликование не менее 2 статей в сборнике трудов международной конференции.

Будут опубликованы 1 статья (или обзор) в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, индексируемом в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и 2 статьи в журналах, рекомендованных КОКНВО МНиВО РК. Будет получен патент на полезную модель.

Будут изданы 1 монография и 1 учебное пособие для студентов и магистрантов, содержащие результаты исследований.

1) Установлено множество факторов, определяющих показатели качества асфальтобетона на основе техногенных отходов, позволяющее выбирать и описывать с помощью теории множеств те факторы, которые необходимо учитывать и оптимизировать при том или ином варианте проектирования асфальтобетонной смеси, например при использовании в ее составе какого-либо техногенного отхода. По результатам критического анализа выделены следующие подмножества (группы факторов): факторы, характеризующие минеральный заполнитель асфальтобетона; факторы, характеризующие вяжущее вещество; факторы, характеризующие минеральный порошок; факторы, характеризующие пропорциональные соотношения компонентов асфальтобетонной смеси; факторы, определяющие химическую стойкость асфальтобетонного покрытия в отношении агрессивных растворов; факторы, влиящие на сегрегацию асфальтобетонных смесей; факторы, определяющие теплоустойчивость асфальтобетонного покрытия; факторы, влияющие на адгезию битума с зернами минерального заполнителя; факторы, характеризующие технологический процесс приготовления асфальтобетонной смеси; факторы, характеризующие технологический процесс доставки и укладки асфальтобетона; погодно-климатические факторы.

2) Предложены и обоснованы комплексный критерий оптимальности и основные ограничения для проектирования состава асфальтобетона из техногенных отходов.

Возможный комплексный критерий оптимальности (ККО) при проектировании асфальтобетонных композиций с техногенными отходами может быть представлен в виде целевой функции, которая учитывает несколько ключевых показателей, отражающих качество, экономичность и экологичность состава. Данный критерий учитывает:

1) ключевые показатели качества асфальтобетона: сдвигоустойчивость (МПа), предел прочности при расколе (МПа), водопоглощение (%), морозостойкость (потеря прочности в МПа при сжатии после повтора установленного числа циклов замораживания-оттаивания);

2) показатели экологичности: содержание отходов металлургического производства (%) и кремниевого производства (%) в составе асфальтобетона, уровень радиации в отходах, используемых при производстве асфальтобетона (Бк/кг), углеродный след, возникающий при производстве асфальтобетона (по результатам анализа жизненного цикла асфальтобетона);

3) показатели экономичности: стоимость материалов (тенге), объем потребления энергии при производстве асфальтобетона (тенге), срок службы дорожного покрытия до капитального ремонта (лет).

Для расчета ККО асфальтобетонной композиции производится предварительная нормализация (например, методом минимакса) значений перечисленных показателей на шкалу от 0 до 100. Это позволяет сравнивать и объединять значения, имеющие разные единицы измерения, в единую систему оценки. Каждому показателю присваиваются весовые коэффициенты, определяемые в зависимости от приоритетов проекта дорожного строительства.

Ограничениями предложенной целевой функции могут служить дополнительные показатели качества асфальтобетона, в том числе водостойкость, набухание, плотность, гранулометрический состав заполнителя и т.д.

3) Выполнена лабораторная оценка влияния параметров избирательного дробления на изменение объемного расширения (по стандарту стандарта ASTM D4792-00) и истираемости крупного заполнителя асфальтобетона из доменного шлака в полочном барабане (по ГОСТ 8269.0-97), а также получена математическая модель, описывающая корреляционную взаимосвязь этих параметров. Эксперимент показал наличие прямой корреляционной связи между продолжительностью избирательного дробления и истираемостью заполнителя асфальтобетонна из доменного шлака. Полученные результаты подтвердили гипотезу о том, что более прочные и плотные зерна шлакового щебня меньше подвержены истиранию, чем мене прочные и плотные. Вместе с тем, зависимость между продолжительностью избирательного дробления и изменением объемного расширения заполнителя из доменного шлака практически отсутствует, что объясняется в целом достаточно устойчивой к набуханию структурой материала (вне зависимости от пористости и фракции зерен).

4) Получены опытные пробы обогащенного крупного заполнителя для асфальтобетона из доменного шлака фракции 20-40 мм. Обогащение производилось методом избирательного дробления разнопрочного шлакового щебня в шаровой мельнице с использованием в качестве мелющей среды стальных шаров и цильбепсов в равном массовом соотношении. По результатам избирательного дробления более хрупкие зерна шлакового щебня полностью или частично разрушились, а более прочные сохранили свою целостность. Для отделения разрушенных зерен от целых использовалось лабораторное сито с ячейками диаметром 20 мм.

5) Получены опытные образцы асфальтобетона с крупным заполнителем из природного щебня и обогащенного заполнителя из доменного шлака. В качестве вяжущего использовался нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130. Смешивание компонентов асфальтобетонной композиции производилось в лабораторном смесителе ЛС-АБ-10. Формование образцов асфальтобетона производилось в одиночных формах (по ГОСТ 30491-2012) на прессе. Полученные образцы подготовлены для последующих испытаний на плотность, водонасыщение, набухание, прочность, сдвигоустойчивость (по схеме Маршалла), водостойкость и морозостойкость.

6) По результатам исследований, полученным в 2024 году, опубликована 1 статья в журнале, рекомендованном КОКНВО МНиВО РК и 2 статьи в сборниках трудов международных конференций.

7) Экспериментально получены результаты определения плотности, средней плотности минеральной части, водонасыщения и набухания опытных образцов асфальтобетона. Наибольшая плотность зафиксирована у образцов с природным щебнем – 2,35 г/см³, что обеспечивает формирование прочного и малопористого минерального каркаса. Применение обычного шлакового заполнителя привело к снижению данного показателя до 2,30 г/см³, тогда как использование обогащённого методом избирательного дробления шлакового заполнителя позволило частично компенсировать потери и повысить плотность до 2,31 г/см³. Аналогичная тенденция отмечена по средней плотности минеральной части: природный заполнитель показал максимальное значение 2,23 г/см³, при этом для необогащённого и обогащённого шлаковых заполнителей значения составили 2,19 и 2,20 г/см³ соответственно. По водонасыщению наилучший результат также продемонстрировала смесь с природным заполнителем — 1,97 %, в то время как при использовании обычного шлака значение увеличилось до 2,96 %, а при применении обогащённого снизилось до 2,81 %, но всё же осталось выше, чем смеси с природным заполнителем. При оценке набухания выявлено, что образцы с природным и обогащённым шлаковым заполнителем не имеют склонности к данному эффекту, тогда как при использовании необогащённого шлакового заполнителя было зафиксировано набухание 0,51 %, что может быть связано с особенностями его пористой микроструктуры.

8) Результаты проведённых испытаний показали, что применение различных типов заполнителей существенно влияет на деформационно-прочностные характеристики асфальтобетона. Наибольшая сдвигоустойчивость была зафиксирована у смеси с природным заполнителем (26,6 кН), тогда как при использовании обычного шлакового щебня этот показатель снизился до 21,0 кН. Введение в состав обогащенного шлакового заполнителя позволило повысить устойчивость к сдвиговым нагрузкам до 26,03 кН, что на 23,95 % выше, чем у смеси с необогащённым шлаком, и практически соответствует характеристикам смеси с природным щебнем. Анализ предельной деформации показал, что смесь с природным заполнителем характеризуется наибольшей текучестью — 5,01 мм, что выходит за верхнюю границу рекомендуемого интервала и указывает на склонность к колееобразованию. В то же время смеси с обычным и обогащённым шлаковым заполнителем показали значения 3,86 и 3,78 мм соответственно, которые находятся в пределах нормы, при этом обогащенный шлаковый заполнитель обеспечивает оптимальное сочетание пластичности и прочности асфальтобетона. По результатам испытаний на прочность на сжатие наибольший показатель также продемонстрировала смесь с природным щебнем — 7,23 МПа. Асфальтобетон с обогащённым шлаковым заполнителем достиг 6,74 МПа, что всего на 7,27 % ниже уровня смеси с природным заполнителем, тогда как при использовании обычного шлакового заполнителя предел прочности составил 6,64 МПа, то есть на 8,88 % ниже по сравнению с природным заполнителем. При оценке водостойкости максимальное значение коэффициента (0,88) также было отмечено у смеси с природным щебнем. Смесь с обогащённым шлаковым заполнителем показала результат 0,85, что на 2,41 % выше, чем у смеси с обычным шлаковым заполнителем (0,83). Наиболее контрастные результаты были получены при испытаниях на морозостойкость. Потеря прочности после 25 циклов замораживания–оттаивания составила лишь 5,21 % у асфальтобетона с природным заполнителем. У асфальтобетона с обогащенным шлаковым заполнителем этот показатель оказался равен 11,3 %, что почти вдвое выше, но при этом ниже, чем у обычного шлакового заполнителя шлака, где потери достигли 13,11 %. Таким образом, эксперименты подтвердили, что применение технологии избирательного дробления позволяет существенно улучшить характеристики асфальтобетона на основе доменного шлака, приблизив их к значениям природного щебня, особенно по показателям сдвигоустойчивости, прочности и водостойкости, хотя по морозостойкости материал всё же уступает природному заполнителю.

9) Спроектированы составы смесей и изготовлены опытные образцы асфальтобетона с использованием обогащенного щебня из доменного шлака в качестве крупного заполнителя и микрокремнезема в качестве минеральной добавки. Были подготовлены 3 асфальтобетонные смеси, в которых в качестве крупного заполнителя использовался предварительно обогащенный (19-25 мм) и обычный (4.75-19 мм) шлаковый щебень, в качестве мелкого заполнителя – шлаковый песок (0.075-4.75 мм) и в качестве минеральной добавки – микрокремнезем. Введение микрокремнезем осуществлялось непосредственно в битумное вяжущее, до его смешивания с крупным и мелким заполнителем. Основным варьируемым параметром было процентное содержание микрокремнезема от массы битума (0, 3 %, 6 %).  Смешивание производилось в лабораторном смесителе асфальтобетонных смесей ЛС-АБ-10.

Статьи в международных рецензируемых научных журналах, входящих в базы данных Scopus и(или) Web of Science:

1) Kunaev V., Akhmetova G., Zhautikov B., Batyrbek A., Tavshanov I., Charnyi D., Kydyrbayeva S., Kamarova S., Fathi M.S., Suleyev B. Enhancing physical-mechanical properties of coarse slag aggregate via selective crushing for asphalt concrete // Results in Engineering. – 2025. – 26. – 105368. URL: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.105368 (Web of Science: ESCI: Q1; Scopus: Q1, 86-й процентиль в категории General Engineering).

Статьи в журналах, рекомендованных КОКНВО МНиВО РК:

1) Kunaev V., Akhmetova G., Batyrbek A., Tavshanov I., Fathi M. Critical analysis of external and internal structure-forming factors affecting the quality indicators of asphalt concrete based on the industrial wastes // Труды университета. – 2024. – 3(96). – P. 239-246. (ISSN 1609-1825), http://tu.kstu.kz/publication/publication/download/898  .

2) Кунаев В.А., Батырбек Ә.Е., Романов В.И., Фатхи М.Ш., Чарный Д.Ю. Повышение эксплуатационной надежности транспортной инфраструктуры за счет обогащения и снижения истираемости заполнителя асфальтобетона // Труды университета. — 2025. — № 2(99). — С. 189-195. (ISSN 1609-1825), https://doi.org/10.52209/1609-1825_2025_2_189 .

Статьи в сборниках трудов международных конференций:

1) Кунаев В.А. Батырбек Ә.Е., Тавшанов И.С., Романов Д.Ю. Установление множества факторов, определяющих показатели качества асфальтобетона на основе техногенных отходов // Синтез науки и общества в решении глобальных проблем: сборник статей Международной научно-практической конференции. – Уфа: Аэтерна, 2024. – С. 11-17. (ISBN 978-5-00249-045-5), https://aeterna-ufa.ru/sbornik/NK-604.pdf .

2) Кунаев В.А., Кыдырбаева С.Ж., Романов Д.Ю., Чарный Д.Ю. Новый взгляд на использование доменного шлака в качестве заполнителя дорожного асфальтобетона // Актуальные и перспективные научные исследования: сборник статей III Международной научно-практической конференции. – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2024. – C. 39-42. (ISBN 978-5-00236-495-4), https://naukaip.ru/wp-content/uploads/2024/08/MK-2110.pdf?utm_medium=email&utm_source=NotiSend .