Асфальтобетонная смесь на основе модифицированного битума
Владельцы патента RU 2509065:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к промышленности дорожно-строительных материалов, а именно к составам смесей для изготовления асфальтобетона, который может быть использован при устройстве оснований и покрытий автомобильных дорог, аэродромов, мостов. Асфальтобетонная смесь, включающая известняковый щебень фракции 0-5 мм и связующее, модифицированное структурирующей добавкой, содержит в качестве связующего битум марки БНД 90/130, в качестве структурирующей добавки - высушенный при 110°C и механоактивированный до удельной поверхности 16,9 м2/г цеолит при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный щебень 93, указанный битум 6,3, указанный цеолит 0,7. Технический результат - повышение прочности. 3 табл.
Изобретение относится к промышленности дорожно-строительных материалов, а именно к составам смесей для изготовления асфальтобетона, который может быть использован при устройстве оснований и покрытий автомобильных дорог, аэродромов, мостов. Изобретение позволяет улучшить механические характеристики асфальтобетона, упростить технологический процесс приготовления смеси и сократить его продолжительность.
Известна асфальтобетоная смесь, содержащая битум, модификатор, включающий эластомерную крошку, нефтепродукты и минеральный заполнитель (1. Патент РФ №2095325 «Асфальтобетонная смесь». Авт. К.В.Раков, А.П.Сафронов). Модификатором служит отработанный набухший эластомерный сорбент установок по очистке промышленных сточных вод от нефтепродуктов, в котором соотношение эластомерная крошка:нефтепродукты составляет от 1:1 до 1:3, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%: битум 5,0-8,0; указанный отработанный сорбент 0,2-2,0; минеральный заполнитель остальное. Эластомерный сорбент представляет собой эластомерную крошку из отходов производства резинотехнических изделий из сшитых карбоцепных каучуков с удельной поверхностью 10-30 м2/г при следующем фракционном составе, мас. фракция менее 1,0 мм - 20-30%; фракция 1,0-2,5 мм - 60-75%; фракция 2,5-3,0 мм - 5-10%.
Предлагаемый фракционный состав усложняет процесс приготовления асфальтобетонной смеси, при этом не всегда удается достичь однородного распределения эластомерного модификатора, что отрицательно сказывается на свойствах асфальтобетона. Кроме того, процесс смешивания компонентов асфальтобетонной смеси, набухание эластомерного модификатора в битуме занимает продолжительное время (в течение 3 ч), что увеличивает длительность технологического цикла производства асфальтобетонной смеси.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является асфальтобетонная смесь с применением активированного угольного порошка в качестве структурирующей добавки для модифицирования связующего - гудрона при производстве асфальтобетонной смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень - 83; гудрон - 7; бурый уголь - 10 (2. Буренина О.Н., Николаева Л.А., Копылов В.Е. Влияние органо-минеральных добавок на свойства связующего и асфальтобетона // Сб. тр. межд. науч.-практ. конф. «Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика».- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. T.2. - C. 361 - 365).
Асфальтобетонные смеси на основе гудрона получены путем смешения компонентов в лопастном смесителе при скорости вращения ротора 50 об/с. В предварительно нагретый при 110°С и измельченный известняковый щебень вводится связующая композиция. Технология получения связующей композиции заключается в высушивании при 110°С диспергированных бурых углей и последующем соединении с предварительно нагретым при 90°С гудроном.
К недостатку этой технологии следует отнести несоответствие требованиям ГОСТ 9128-2009 показателей механических характеристик.
Целью предлагаемого изобретения является повышение качества асфальтобетона.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве связующего предлагается использовать битум БНД 90/130, модифицированный добавкой механоактивированного цеолита при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум - 6,3; механоактивированный цеолит - 0,7; щебень - 93.
Битум нефтяной вязкий дорожный БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90) (далее - битум) представляет собой смесь углеводородов и гетероорганических соединений и углеводородов, не выкипающую при температурах перегонки нефти. Основные составляющие: асфальтены, смолы и масла парафиновой, нафтеновой и ароматической основы, имеет следующие свойства (табл.1).
| Таблица 1 | |
| Технические характеристики битума БНД 90/130 | |
| Наименование показателя | Норма по ГОСТ |
| Пенетрация, 0,1 мм при температуре: 25°С 0°С, не менее |
|
| 90-130 | |
| 28 | |
| Температура, °С: размягчения, не ниже хрупкости, не выше вспышки, не ниже |
|
| 43 | |
| -17 | |
| 230 | |
| Дуктильность, см, не менее при температуре: 25°С 0°С |
|
| 65 | |
| 4,0 | |
| Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более | |
| 5 | |
| Индекс пенетрации | От -1,0 до +1,0 |
Однако выбранный битум имеет недостаточную трещиностойкость, нетеплостоек, неэластичен и не обладает требуемой адгезией к поверхности минеральных материалов кислых пород (3. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. - М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ». 2008. - 117 с.).
С целью улучшения качества битума и адгезионной способности системы «уголь-связующее» предлагается введение в битум в качестве структурно-активной добавки активированного цеолита.
Цеолиты - это группа минералов, представляющая собой водные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов с общей формулой Me2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O, где Me - катион щелочного и щелочноземельного металла, а n - его валентность. Они представляют собой пепловые туфы, образованные в результате уплотнения пеплов древних вулканов.
Способность цеолитов после дегидратации сорбировать молекулы различных газов, размеры которых не превышают размеры «входных окон» во внутрикристаллические полости, служит основой применения цеолитов в качестве адсорбентов. Цеолиты называют также молекулярными ситами, поскольку в их кристаллах имеется развитая система пор и каналов молекулярного размера, что обусловливает их уникальные адсорбционные свойства (4. Колодезников К.Е. Типы цеолитового сырья месторождения Хонгуруу / Перспективы применения цеолитовых пород месторождения Хонгуруу. - Якутск, Якутский научный центр СО РАН, 1993.).
Предпосылкой использования дисперсного минерального материала в качестве модифицирующей добавки для битума, помимо обширной сырьевой базы и дешевизны, явились его специфические свойства, обусловленные его повышенной удельной поверхностью, развитой поровой структурой, а также высокими адсорбционными характеристиками (5. Николаева Л.А. Брикетирование бурого угля с использованием модифицированного гудрона // Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 25.00.13. - Иркутск, 2011. - 135 с.).
Изучение текстурных характеристик цеолитов показывает, что активированный цеолит характеризуется меньшим размером частиц, повышенной удельной геометрической поверхностью, а также увеличенным количеством пор, о чем можно судить по увеличению удельного объема пор, по сравнению с неактивированным цеолитом (табл.2).
| Таблица 2 | ||
| Текстурные характеристики цеолитов | ||
| Показатели | Неактивированный цеолит | Активированный цеолит |
| Удельный объем пор, см3/г | 0,033 | 0,044 |
| Удельная геометрическая поверхность, м2/г | 11,0 | 16,9 |
Исследования дисперсности наполнителей показывают, что если размер отдельных частиц цеолитов до активации составляет > 180 мкм, то после обработки в планетарной мельнице он снижается на два порядка. Таким образом, исследования показали, что механоактивация приводит к усилению адсорбционных свойств и увеличению дисперсности цеолитов.
Известняковый щебень (далее - щебень) - это осадочная горная порода, состоящая главным образом из карбоната кальция (кальцита), имеющего химическую формулу СаСО3 (6. Копылов В.Е., Николаева Л.А. Повышение качества асфальтобетона за счет использования модифицированного нефтяного вяжущего // Сб. тр. Всеросс. науч.-пр. конф. «Живые системы и конструкционные материалы в условиях криолитозоны». - Якутск: Изд-во СВФУ, 2011. - С.304-307).
Состав для асфальтобетонной смеси готовят следующим образом. Асфальтобетонная смесь включает в качестве минерального материала известняковый щебень фракции 0-5 мм, в качестве связующего - битум марки БНД 90/130 и содержит в качестве структурирующей добавки активированный цеолит при следующем соотношении компонентов, мас.%: известняковый щебень фракции 0-5 мм - 93, нефтяной вязкий битум - 6,3, активированный цеолит - 0,7.
Цеолит перед смешением с битумом (нефтяным связующим) высушивается при 110°С для удаления части остаточной воды и подвергается механической активации на планетарной мельнице с частотой вращения водила 630 об/мин и барабана 1290 об/мин в течение трех минут для диспергирования и повышения адсорбционной способности. В предварительно нагретый при 110°С и измельченный известняковый щебень (размер фракции 0-5 мм) вводится приготовленная связующая композиция и смесь перемешивается при заявляемых отношениях при температуре 140 - 150°С до образования однородной смеси.
Приготовление предлагаемой асфальтобетонной смеси не требует дополнительных устройств и приспособлений. Смесь легко получается смешением входящих в ее состав ингредиентов на стандартном оборудовании, имеющемся на асфальтобетонных заводах.
Исследуемые цилиндрические образцы диаметром 50,5 мм и высотой 50,5 мм испытывали на прочность при сжатии согласно ГОСТ 9128-2009. Результаты сравнительных испытаний сведены в табл.3. Как следует из сопоставительного анализа механических характеристик асфальтобетона, прочность при сжатии образцов предложенного состава выше примерно в 3,8-4,3 раза, по сравнению с асфальтобетонными смесями известных составов и прототипа. Полученный асфальтобетон обладает улучшенным комплексом прочностных свойств.
| Таблица 3 Прочностные характеристики асфальтобетонов |
||||
| № | Состав | σсж, МПа | ||
| 0°С | 20°С | 50°С | ||
| 1 | Щебень 93 мас.% +битум 7 мас.% | 13,5 | 1,8 | 2,0 |
| 2 | Щебень 83 мас.% +гудрон 7 мас.% +уголь 10 мас.% (прототип) | 7,8 | 1,6 | 0,8 |
| 3 | Щебень 93 мас.% +битум 6,3 мас.% +акт.цеолит 0,7 мас.% | 14,0 | 6,8 | 2,8 |
| 4 | ГОСТ 9128-2009 | 9,0 | 2,5 | 1,0 |
Асфальтобетонная смесь, включающая известняковый щебень фракции 0-5 мм и связующее, модифицированное структурирующей добавкой, отличающаяся тем, что содержит в качестве связующего битум марки БНД 90/130, а в качестве структурирующей добавки - высушенный при 110°C и механоактивированный до удельной поверхности 16,9 м2/г цеолит при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный щебень - 93, указанный битум - 6,3, указанный цеолит - 0,7.
