Асфальтобетонная смесь
Владельцы патента RU 2591938:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к составам асфальтобетонной смеси. Асфальтобетонная смесь включает вяжущее на битумной основе и минеральную часть, содержащую щебень, шлаковый песок размером 0-5 мм и минеральный порошок, при этом вяжущее дополнительно включает серу при соотношении серы с битумом 10-40:60-90, указанное серобитумное вяжущее содержится в количестве 4,5-6,0 мас.% сверх 100% по отношению к минеральной части, в качестве минерального порошка смесь содержит порошкообразные отходы электродного производства, состоящие в основном из углерода, в качестве щебня - известняковый щебень и указанного песка - песок из шлаков Надеждинского металлургического комбината при следующем соотношении компонентов, мас.%: битум - 3,6-4,05 сверх 100% от минеральной части; сера - 0,45-2,4 сверх 100% от минеральной части; щебень - 50,5-60,0; шлаковый песок - 32,5-40,3; минеральный порошок - 6,5-11,0. Технический результат заключается в улучшении физико-механических показателей асфальтобетона, а именно прочности, теплостойкости, морозостойкости и водостойкости. Изобретение расширяет область использования отходов цветной металлургии и предусматривает их утилизацию, улучшая экологическую ситуацию, а также снижает себестоимость асфальтобетона. 9 табл.
Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к составам асфальтобетонной смеси.
Известна асфальтобетонная смесь, включающая битум, отходы гальванического производства, нейтрализованный шлам травильного производства, щебень и песок (Патент РФ №2074277 C1, дата приоритета 26.04.1996, дата публикации 27.02.1997, авторы Шевцов A.M., Ткаченко В.Ю., RU).
Недостатком известной асфальтобетонной смеси является низкая прочность при 20°C (предел прочности при сжатии равен 2,0-2,1 МПа) и низкая водостойкость (коэффициент водостойкости равен 0,71-0,80).
Известна также асфальтобетонная смесь, состоящая из серобитумного вяжущего с активирующей добавкой в виде аминов, отходов песчано-гравийной смеси, песчано-гравийной смеси и доломитовых высевок (Патент РФ №2452748 C1, дата приоритета 17.12.2010, дата публикации 10.06. 2012, авторы Иванов В.Б. и др., RU).
Недостатком известной асфальтобетонной смеси, получаемой на основе серобитумного вяжущего, является низкая водостойкость (коэффициент водостойкости равен 0,9), небольшая прочность при 50°C (предел прочности - 1,25 МПа) и большая прочность при 0°C (предел прочности - 11,5 МПа), что характеризует низкую морозостойкость смеси.
В качестве прототипа принята асфальтобетонная смесь, содержащая щебень, песок, минеральный порошок и битум, рационально подобранные в соответствии с требованиями стандарта (ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов» МГС, Москва, Стандартинформ, 2014, прототип).
Недостатком прототипа следует признать низкий предел прочности, низкую водостойкость, теплостойкость и морозостойкость асфальтобетона на основе регламентированных стандартом смесей.
Задачей изобретения является повышение плотности, увеличение прочности, водостойкости, теплостойкости и морозостойкости асфальтобетона при использовании составов смеси на основе серобитумного вяжущего и отходов промышленного производства.
Для решения поставленной задачи асфальтобетонная смесь, включающая вяжущее на битумной основе и минеральную часть, содержащую щебень, шлаковый песок размером 0-5 мм и минеральный порошок, согласно изобретению содержит указанное вяжущее, дополнительно включающее серу при соотношении серы с битумом 10-40:60-90, указанное серобитумное вяжущее содержится в количестве 4,5-6,0 мас. % сверх 100% по отношению к минеральной части, в качестве минерального порошка - порошкообразные отходы электродного производства, состоящие в основном из углерода, а в качестве щебня - известняковый щебень и указанного песка - песок из шлаков Надеждинского металлургического комбината при следующем соотношении компонентов, мас. %: битум - 3,6-4,05 сверх 100% от минеральной части; сера - 0,45-2,4 сверх 100% от минеральной части; щебень - 50,5-60,0; шлаковый песок - 32,5-40,3; минеральный порошок - 6,5-11,0.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемых составов асфальтобетонной смеси, заключается в следующем:
а) в повышении плотности асфальтобетона за счет высокой дисперсности минерального порошка из отходов электродного производства, что способствует повышению прочности, водостойкости, теплостойкости и морозостойкости;
б) в уменьшении пористости, увеличении прочности и водостойкости асфальтобетона за счет замены части битума технической серой;
в) в снижении себестоимости асфальтобетона за счет замены мелкого заполнителя и минерального порошка отходами металлургической промышленности.
Технический эффект достигается тем, что шлаковый песок имеет весьма развитую пористую поверхность, в порах которого плотно кольматируется тонкодисперсный наполнитель в виде порошкообразных отходов электродного производства. В результате этого повышается плотность, прочность, водостойкость и морозостойкость асфальтобетона. Механизм пластификации серы битумом объясняется растворимостью серы и переходом ее в аморфное состояние в среде углеводородов битума, а также разрушением структурного коагуляционного каркаса битума за счет адсорбции и взаимодействия серы с активными группами структурообразующих компонентов.
С понижением температуры серобитумного вяжущего количество растворенной серы уменьшается. Большая часть расплавленной в битуме серы кристаллизуется с течением времени, выделяется в виде твердой фазы и ведет себя подобно дисперсному наполнителю. При высоких содержаниях серы в серобитумном вяжущем возможно также возникновение кристаллизационной структуры в битуме за счет срастания выделяющихся в виде кристаллов частиц серы.
Элементарная сера в структуре асфальтобетона действует по механизму активного, кольматирующего и армирующего наполнителей в зависимости от ее содержания в вяжущем. Действие серы по механизму наполнителя требует рассматривать ее не как эквивалентную замену битуму, а как добавку, повышающую плотность и прочность материала. Свойства асфальтобетонов и вяжущих можно направленно регулировать варьированием количества и температуры ввода серы. Дозировка серы в вяжущем от 10 до 40 мас. % от количества битума была принята на основании проведенных исследований серобитумных вяжущих. Испытания показали, что введение серы менее 10% оказывает пластифицирующее воздействие на битум, то есть уменьшает его вязкость. Это должно привести к снижению прочности асфальтобетона. Введение серы более 40% приводит к уменьшению растяжимости и увеличению хрупкости вяжущего, что также отрицательно может отразиться на свойствах асфальтобетона. Таким образом, при содержании серы до 40% преобладает эффект активного и кольматирующего наполнителей.
Для осуществления изобретения производят подготовку компонентов и их испытание в соответствии с требованиями стандартов:
- ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов», МГС, Москва, Стандартинформ, 2014;
- ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства», МНТКС, Москва, 1998;
- ГОСТ Р 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей», МНТКС, Москва, 2003;
- ГОСТ 222245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие», МНТКС, Москва, 1991.
- ГОСТ 127.1-93 «Сера техническая. Технические условия», МНТКС, Москва, 1993.
На достижение технического результата оказывают влияние свойства исходных материалов, имеющих следующие характеристики:
1. В качестве связующего в вяжущем использовалась сера техническая комовая. Химический анализ технической серы показал, что в ее составе основным компонентом является элементарная сера с ромбической решеткой, так называемая альфа-сера. Имеются также примеси с общим содержанием не более 0,7% мас. Таким образом,
данный продукт удовлетворяет требованиям ГОСТ 127.1-93 для технической серы по составу. По физическим свойствам, таким как температура плавления ромбической серы и полимеризации уже расплавленной серы, данный продукт практически не отличается от химически чистой элементарной серы с температурой плавления 119°С.
2. В качестве крупного заполнителя минеральной части использовался известняковый щебень Березовского карьера г. Красноярска. Свойства и зерновой состав указанного щебня приведены в таблицах 1, 2.
3. В качестве мелкого заполнителя минеральной части использовались гранулированные шлаки Надеждинского металлургического завода г. Норильска. По данным химического анализа, применяемый шлак состоит из следующих соединений, выраженных в % мас.: Fe2O3(56,94), SiO2(30,78), Al2O3(0,72), СаО(3,72), MgO(2,12), S(0,42), CuO(0,462), Со3О4(0,163), NiO(0,082), Na2O(1,06), K2O(0,83).
Таким образом, шлаки состоят преимущественно из силиката железа, имеются также примеси оксидов кремния, кальция, магния, алюминия и др.
Свойства указанных шлаковых песков и зерновой состав приводятся соответственно в таблицах 3, 4.
4. Что же касается минерального порошка, в настоящее время дорожно-строительные организации г. Красноярска и Красноярского края ощущают острый дефицит в минеральном порошке для асфальтобетона, так как в регионе отсутствует производство минерального порошка.
В связи с этим проводились исследования порошкообразного отхода электродного производства «Русал» в соответствии с требованиями ГОСТ Ρ 52129-2003. Свойства используемого порошка в сравнении с требованиями указанного ГОСТа для минеральных порошков марки МП-2 (порошки из некарбонатных горных пород, твердых и порошковых отходов промышленного производства) приводятся в таблице 5.
Как видно из таблицы 5, по всем показателям минеральный порошок намного превосходит требования ГОСТ Ρ 52129-2003.
Изучался зерновой состав порошкообразных отходов. Зерновой состав порошка в сравнении с требованиями ГОСТ Ρ 52129-2003 приводится в таблице 6.
Как видно из таблицы 6, по зерновому составу порошок электродов отвечает требованиям ГОСТ Ρ 52129-2003 и имеет высокую дисперсность, что позволит повысить плотность, прочность и водостойкость асфальтобетона. Изучение отходов с помощью рентгенофазового и термического анализов показало, что отходы электродов состоят в основном из углерода и практически не содержат примесей. При нагревании до 1000°C проба полностью выгорает.
Таким образом, проведенные исследования показали возможность использования порошка электродов для получения дорожного асфальтобетона.
Измерения удельной эффективной активности естественных радионуклидов показали, что используемые материалы: сера, шлаки, порошок электродного производства, согласно санитарным правилам относятся к I классу и могут быть использованы в дорожном строительстве в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также в дорожном строительстве вне заселенных пунктов.
В качестве вяжущего для приготовления асфальтобетона использовался битум марки БНД 90/130 Ачинского НПЗ. Свойства битума в сравнении с требованиями ГОСТа 22245-90 приводятся в таблице 7.
Как видно из таблицы 7, битум по всем физико-механическим показателям отвечает требованиям указанного ГОСТа.
С использованием вышеперечисленных минеральных заполнителей был подобран состав мелкозернистого, горячего, плотного асфальтобетона типа А, марки II, который обычно применяется для укладки верхнего слоя дорожных асфальтобетонных покрытий. Подбор составов асфальтобетонов проводился в соответствии с ГОСТ 9128-2013 по предельным кривым для плотных смесей.
Приготовление асфальтобетонной смеси проводили следующим образом: в отдельной емкости разогревали битум до температуры 130-140°C и также в отдельной емкости разогревали серу до температуры 120-130°C. Затем получали серобитумное вяжущее путем перемешивания в течение 10 минут жидкой серы с горячим битумом.
Наполнители (щебень, шлаковый песок и порошок электродов) грели до температуры 140-150°C. Затем наполнители и серобитумное вяжущее смешивали при температуре 135°C в течение 5-10 минут. Таким образом, температура приготовления сероасфальтобетона была на 10-20°C ниже температуры, указанной в ГОСТ 12801-98 на асфальтобетон, т.к. вязкость серобитумного вяжущего ниже вязкости битума. Во время приготовления асфальтобетона на серобитумном вяжущем отсутствует выделение вредных газов. При этом применение серобитумного вяжущего приводит к ускорению процесса обволакивания зерен минеральной смеси, а тем самым к быстрейшему получению асфальтобетонной смеси. Асфальтобетонные смеси на серобитумном вяжущем уплотняли при температуре 110-120°C. При таких температурах смеси сохраняли подвижность.
Для определения свойств сероасфальтобетона использовались образцы-цилиндры с размерами d=h=71,4 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 12801-98. Формование образцов проводили в металлической форме с двумя вкладышами, нагретой до температуры 90-100°C. Образцы уплотнялись на прессе при давлении 40 МПа в течение 3 мин.
Преимущества предлагаемых асфальтобетонных смесей показаны на составах мелкозернистых смесей, которые по своим гранулометрическим составам удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2013, предъявляемым к смесям типа «А» марки II. На заявленных минеральных заполнителях и на серобитумном вяжущем готовили четыре состава асфальтобетонной смеси согласно таблице 8.
Количество серобитумного вяжущего устанавливается сверх 100% минеральной части асфальтобетона.
Качество асфальтобетона определялось по ГОСТ 12801-98 и сравнивалось со свойствами асфальтобетона по ГОСТ 9128-2013 для III дорожно-климатической зоны (прототип). Свойства указанных составов приводятся в таблице 9.
Как видно из таблицы 9, по пределу прочности при 20°C и водостойкости предлагаемые составы асфальтобетона имеют лучшие показатели, чем известные составы (по прототипу). Более высокое значение прочности при 50°C показывает большую теплостойкость, а меньшее значение прочности при 0°C показывает большую морозостойкость предлагаемого состава по сравнению с прототипом. Расчеты показали, что стоимость сероасфальтобетонной смеси на порошке электродного производства и шлаковом песке почти в 1,5 раза меньше по сравнению со стоимостью сероасфальтобетонной смеси на стандартных минеральных заполнителях.
Асфальтобетонная смесь, включающая вяжущее на битумной основе и минеральную часть, содержащую щебень, шлаковый песок размером 0-5 мм и минеральный порошок, отличающаяся тем, что содержит указанное вяжущее, дополнительно включающее серу при соотношении серы с битумом 10-40:60-90, указанное серобитумное вяжущее содержится в количестве 4,5-6,0 мас.% сверх 100% по отношению к минеральной части, в качестве минерального порошка - порошкообразные отходы электродного производства, состоящие в основном из углерода, в качестве щебня - известняковый щебень и указанного песка - песок из шлаков Надеждинского металлургического комбината при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| битум | 3,6-4,05 сверх 100% от минеральной части |
| сера | 0,45-2,4 сверх 100% от минеральной части |
| щебень | 50,5-60,0 |
| шлаковый песок | 32,5-40,3 |
| минеральный порошок | 6,5-11,0. |
