Композиционная смесь для дорожных покрытий
Владельцы патента RU 2753870:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (RU)
Изобретение относится к области дорожно-строительных смесей, в частности к получению современного материала для дорожного покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами. Смесь включает следующие компоненты. Составное вяжущее из одного битума первого ряда - БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 85-95 совместно с одним из битумов второго ряда - МГ 40/70, МГ 70/130 в общем количестве 4-6%, в котором битумы первого ряда составляют 85-95% и второго ряда - 5-15%. Составной армирующий фиброматериал - в количестве 0,15-0,7%, в котором полиакрилонитрильное волокно (ПАН) составляет 60-95% и базальтовое волокно - 5-40%. Вода 3-12%, олеиновая кислота 0,2-0,6%. Регенерированный дроблёный асфальтобетон и минеральный порошок, сформированный из частиц с размером не более 1,25 мм регенерированного дробленого асфальтобетона, и составляющий 10-20% от количества последнего - в общем количестве 24-55%. Песок - остальное. Технический результат - улучшение прочностных физико-механических свойств асфальтобетона, в частности водостойкости и сдвигоустойчивости. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области дорожно-строительных смесей, в частности к получению современного материала для дорожного покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами.
Применение отходов промышленности для получения конкурентоспособной продукции является одной из актуальных задач бережливого производства. В дорожно-строительной отрасли утилизация отработанного старого дорожного полотна посредством его включения в состав новых покрытий получает все большее распространение.
Известны различные составы смесей для создания асфальтовых одежд, полученные различными технологиями с применением регенерированного асфальтобетонного материала, описанные в зарубежных патентных источниках:
- в патенте ЕР на изобретение №0182937,
- в патенте US на изобретение №4559128,
- в патенте US на изобретение №8206500,
- в патенте KR на изобретение №101487180,
- в патенте KR на изобретение №101654614.
Наряду с экономией сырья за счет исключения наполняющих компонентов, без которых можно обойтись в случае регенерированного материала, введение в смесь в указанных выше изобретениях регенерированного асфальтобетона требует предварительной подготовки: при необходимости, промывки, измельчения, деления на фракции и т.д. Это повышает стоимость вновь изготавливаемого асфальтобетонного покрытия с другой стороны.
Известны также российские использования регенерированного асфальта, изложенные более подробно ниже.
Известна асфальтобетонная смесь, описанная в патенте RU на изобретение №2460703. Смесь содержит битум, щебень, природный и дробленый песок и минеральный порошок. В качестве последнего она содержит кеки - отходы производства цветных металлов и известняковую муку в соотношении от 1:2,3 до 1:1,5. Соотношение компонентов в смеси следующее, мас.%: нефтяной битум - 5,2-5,7, щебень - 19,0-23,5, отсев дробления - 47,2-52,1, песок природный - 17,9-19,0, минеральный порошок - 4,7-5,7.
Известен также состав полимерного асфальта из фрезерованного старого асфальтобетона, описанный в патенте RU на изобретение №2702434. Состав включает снятый с верхней части дорожного покрытия асфальтобетон, нагретый до 40-60°С, вяжущее 0,5-5%, включающее дизельное топливо и модификатор. Модификатор содержит дивинилстирольный термоэластопласт, масло теплоноситель АМТ-300, полиэтиленполиамин, смесь жирных кислот растительных масел, включающая, в том числе, олеиновую кислоту.
Недостатком описанного выше технического решения является большой набор активирующих и модифицирующих компонентов, каждый из которых требует особой технологии введения в общий состав смеси, при отступлении от которой эффект не гарантирован. Кроме того каждый сверх минимально необходимых компонентов дополнительно обладает стоимостью.
Известно также решение - патент №2345967, в котором реализована попытка соединить в одной смеси для ремонта асфальтобетонного покрытия олеиновую кислоту и базальтовую микрофибру. Смесь для ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий содержит: битум 4,5÷7% от массы щебня, соляровое масло 20÷25% от массы битума, олеиновую кислоту 8÷16% от массы битума, полиэтиленполиамин 5÷12 от массы битума, наномодифицированная базальтовая микрофибра 1÷3% от массы битума, целлюлозная микрофибра 3÷5% от массы битума.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является состав, описанный в патенте RU на изобретение №2713035. Он включает, %: щебень 20-60; минеральный порошок 4-12; вода 3-12; органическое вяжущее 4-12; армирующий материал 0,07-0,6; песок остальное. При этом армирующий материал представлен совокупностью базальтового волокна плотностью 54-240 текс с длиной нарезки 12-18 мм в количестве 5-40% от общего количества армирующего материала и полиакрилонитрильного волокна (ПАН) плотностью 0,17-0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм в количестве 60-95% от общего количества армирующего материала. Органическое вяжущее является составным из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси: битум одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 - 85-95 совместно с битумом одной из марок: МГ 40/70, МГ 70/130 - 5-15.
Однако в данном асфальтобетонном составе учтены не все возможности улучшения физико-химических параметров, а также экологических и других показателей.
Задачей заявляемого изобретения является улучшение водостойкости, прочностных эксплуатационных характеристик получаемого покрытия: сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, трещиностойкости и повышении экологичности среды.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что композиционная смесь для дорожных покрытий, включающая: составное вяжущее из одного битума первого ряда - БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с одним из битумов второго ряда - МГ 40/70, МГ 70/130 с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; составной армирующий фиброматериал из полиакрилонитрильного (ПАН) и базальтовых волокон с преобладанием в фиброматериале ПАН волокна; минеральный порошок, песок, воду, представлена следующими компонентами в их % соотношении:
| составное вяжущее, в котором битумы первого и второго рядов представлены следующим образом: битум первого ряда - 85-95%, второго ряда - 5-15% |
4-6 |
| вода | 3-12 |
| олеиновая кислота | 0,2-0,6 |
| составной армирующий фиброматериал, в котором ПАН 60-95%, базальтового волокна - 5-40% |
0,15-0,7 |
| регенерированный дроблёный асфальтобетон и минеральный порошок, сформированный из частиц с размером не более 1,25 мм регенерированного дробленого асфальтобетона и составляющий 10-20% от количества последнего |
24-55 |
| песок | остальное |
Новизна заявляемого решения в сравнении с наиболее близким аналогом заключается в нетривиальном наборе компонентов, включающем не только группы активирующих элементов, но и отработанный регенерированный асфальтовый материал, не только в качестве наполнителя, но и в качестве активно действующего компонента, а именно минерального порошка. Последний получен не из традиционного известнякового материала, а из самых мелко дробленых частиц регенерированного асфальтобетона - фракций, с размером не более 1,25 мм. Отличием заявляемого решения является и полное отсутствие щебня в смеси, которое компенсируется присутствием старого отработанного асфальта, играющего роль одного из наполнителей в смеси, другой наполнитель (традиционный) - песок.
Обязательной, незаменимой составляющей смеси является вода, участвующая и определяющая характер всех процессов структурообразования. При смешении составляющих с водой кинетическое смачивание происходит натеканием объемного слоя воды под действием гравитации и рабочего органа смесителя. Смачивание и растекание воды по поверхности щебня, песка, минерального порошка и фиброволокна определяется, помимо энергетических потенциалов и кристаллохимических особенностей состоянием их поверхности. Шероховатость, пористость, различные виды «загрязнения» поверхности создают энергетические барьеры, сопротивление смачиванию, особенно в динамических условиях, в процессе перемешивания. Это обусловливает проявление кинетического гистерезиса смачивания, вызываемого сопротивлением, действующим на единицу длины линии смачивания. На смачивание гидрофильных составляющих оказывает влияние толщина водной пленки на их поверхности. Поэтому при наличии пленки свободной воды смачивание резко улучшается, что положительно влияет на придание смеси однородности.
Входящий в большинство применяемых составов промышленно выпускаемый минеральный порошок является одним из наиболее дорогостоящих и дефицитных компонентов асфальтобетонной смеси.
Технический результат - улучшение физико-механических свойств асфальтобетона на основе нового состава смеси, которая содержит: минеральный порошок, составное вяжущее, наполнитель в виде песка и регенерированного асфальтобетона. Для наилучшего взаимодействия перечисленных компонентов, не являющихся каждый сам по себе новым компонентом, уже применяемым в асфальтобетонных смесях, новизна этой группы компонентов заключается в заявляемых соотношениях всех названных компонентов и в особенности подбора составного вяжущего из принципиально подбираемых видов битумов, что в тексте пункта «сущность изобретения» подчеркнуто фразой «битум первого ряда совместно с битумом второго ряда…».
Кроме того технический результат заключается в ряде преимуществ - повышение влагостойкости, сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, трещиностойкости получаемой асфальтобетонной смеси и повышении экологичности окружающей среды.
В ходе работ по получению оптимального заявляемого состава смеси и испытаний заявленного технического результата был приготовлен материал асфальтобетонной смеси, в котором в качестве компонентов фигурируют:
- олеиновая кислота, соответствующая ГОСТ 7580-91 производства ООО «ПКФ «Нижегородхимпродукт»;
- битумы Саратовского нефтеперерабатывающего завода, относящиеся к вязким нефтяным дорожным битумам марок БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60, БНД 200/300, БНД 130/200, соответствующие требованиям ГОСТ 22245-90;
- базальтовая фибра производства ООО «Ижбазальт» с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм, обладающая усредненным химическим составом (% по массе): SiO2 (47,5-55,0); TiO2 (1,36-2,0); Al2O3 (14,0-20,0); Fe2O3 + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7-11,0); Na2О (2,7-7,5); K2О (2,5-7,5); P2O5 (не более 0,5); SO3 (не более 0,5); прочие породы (не более 5).
- ПАН-волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм;
- регенерированный дробленый асфальтобетон;
- минеральный порошок, полученный из части регенерированного асфальтобетона путем размола любым существующим современным способом, например, на шаровой мельнице до величины частиц не более 1,25 мм.
Для обработки фиброволокна применяли разработанный в Поволжском учебно-исследовательском центре «Волгодортранс» ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» опытный образец установки для производства композиционных фибросодержащих асфальтобетонных смесей, которая позволяет подготовить волокнистые материалы (базальтовая, полиакрилонитрильная и др. виды фиброволокна) для введения их в состав асфальтобетонных смесей с целью армирования и увеличения показателей физико-механических свойств и долговечности дорожных покрытий. В состав установки входит устройство для вспушения (расщепления) фиброволокна и устройство для его вдувания в смеситель асфальтобетонного завода.
Смешивание компонентов осуществляли в стандартных условиях асфальтобетонного завода в соответствии с утвержденными технологиями. Олеиновую кислоту предварительно вводили в битумы одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с перемешиванием.
Пример 1.
В соответствии с заявляемым изобретением был получен оптимальный состав (обозначен №1), в котором процентное соотношение компонентов было следующим:
олеиновая кислота – 0,6 %;
регенерированный дроблёный асфальтобетон - 40%;
минеральный порошок, сформированный из части регенерированного асфальтобетона фракции с размером частиц не более 1,25 мм - 12 %;
составное вяжущее - 6%;
вода - 6%;
составной армирующий фиброматериал в составе базальтового волокна плотностью 120 текс с длиной нарезки 15 мм и полиакрилонитрильного волокна плотностью 0,47 текс с длиной нарезки 12 мм – 0,7%, при этом базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокно бралось при следующем соотношении от общего количества составного армирующего фиброматериала в смеси:
полиакрилонитрильное волокно – 60%;
базальтовое волокно – 40%;
песок – остальное.
Составное вяжущее – из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего, а именно
вязкий битум марки БНД 40/60 при температуре 160°С – 95% и
вязкий битум марки БНД 130/200 при температуре 140°С – 5%.
В Таблице 1 представлены результаты испытания значимых ключевых параметров при повышенной температуре (50оС) и пониженной температуре (0оС), образцов из состава №1 и №2 (наиболее близкого аналога).
Таблица 1
| Состав применённого асфальтобетонного материала |
Предел прочности на сжатие, МПа, при
температуре |
Водостойкость | Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50 оС, МПа | Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения | Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0 оС, МПа |
Средняя скорость образования колеи при температуре 50°С, нагрузке на колесо 0,6 МПа, мм/10000 проходов колеса
|
|
| 50оС | 20оС | ||||||
| Образец состава №1 | 7,4 | 3,2 | 0,99 | 0,65 | 0,98 | 7,0 | 0,20 |
| Образец состава №2, полученный в соответствии с наиболее близким аналогом (патент RU 2713015) | 6,9 | 2,5 | 0,94 | 0,58 | 0,92 | 6,8 | 0,26 |
Из приведенных результатов видно, что образец №1 обладает более высокой сдвигоустойчивостью и более низкой скоростью к колееобразованию при повышенной температуре, а также более низкой трещиностойкостью при пониженной температуре в сравнении с наиболее близким аналогом. Данные показатели характеризуют в совокупности более высокую устойчивость к внешним нагрузкам у полученного в соответствии с заявляемым изобретением образца.
Примеры 2-7.
Представлено влияние количества олеиновой кислоты в заявляемом составе на технический результат. Были изготовлены образцы покрытий различного состава, для которых определены показатели, что и в Таблице 1. Результаты измерений представлены в Таблице 2.
Таблица 2
| Состав образцов для сравнительных испытаний | Регенерированный дроблёный асфальтобетон – 30%; Минеральный порошок – 10% (от регенерированного дроблёного асфальтобетона) или 3% от состава композиции; Органическое вяжущее – 5%; Составной армирующий фиброматериал из базальтового волокна плотностью 120 текс с длиной нарезки 15 мм и полиакрилонитрильного волокна плотностью 0,47 текс с длиной нарезки 12 мм – 0,52%; Вода - 7,5%; Песок - остальное. При этом базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокно при следующем соотношении от общего количества армирующего материала в смеси: полиакрилонитрильное волокно – 75% базальтовое волокно – 25%. |
||||||
| Состав органического вяжущего – составленного из двух видов нефтяных битумов дорожных, в % от общего количества органического вяжущего в смеси, количество олеиновой кислоты |
Предел прочности на сжатие, МПа, при
температуре |
Водостойкость | Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50 оС, МПа | Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения | Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0 оС, МПа |
Средняя скорость образования колеи при температуре 50°С, нагрузке на колесо 0,6 МПа, мм/10000 проходов колеса
|
|
| 20оС | 50оС | ||||||
| БНД 40/60 -90% МГ 40/70-10% олеиновая кислота - 0,5% |
7,2 | 3,0 | 0,99 | 0,64 | 0,96 | 7,1 | 0,23 |
| БНД 60/90 -90% МГ 40/70-10% олеиновая кислота - 0,45% |
7,2 | 3,0 | 0,99 | 0,64 | 0,96 | 7,1 | 0,23 |
| БНД 90/130-90% МГ 40/70-10% олеиновая кислота - 0,4% |
7,2 | 2,9 | 0,97 | 0,62 | 0,95 | 7,1 | 0,22 |
| БНД 130/200-90% МГ 40/70-10% олеиновая кислота - 0,3% |
7,1 | 2,9 | 0,97 | 0,62 | 0,95 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 200/300-90% МГ 40/70-10% олеиновая кислота - 0,2% |
7,1 | 2,8 | 0,96 | 0,60 | 0,94 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 40/60 -90% МГ 70/130-10% олеиновая кислота - 0,5% |
7,1 | 2,9 | 0,97 | 0,62 | 0,95 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 60/90 -90% МГ 70/130-10% олеиновая кислота - 0,45% |
7,1 | 2,8 | 0,97 | 0,62 | 0,95 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 90/130-90% МГ 70/130-10% олеиновая кислота - 0,4% |
7,1 | 2,8 | 0,96 | 0,61 | 0,94 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 130/200-90% МГ 70/130-10% олеиновая кислота - 0,3% |
7,0 | 2,7 | 0,96 | 0,60 | 0,94 | 7,0 | 0,22 |
| БНД 200/300-90% МГ 70/130-10% олеиновая кислота - 0,2% |
7,0 | 2,7 | 0,96 | 0,60 | 0,94 | 7,0 | 0,21 |
Из приведенных значений можно сделать вывод, что различные составы обладают: высоким пределом прочности и сдвигоустойчивостью, а также низкой скоростью к колееобразованию при повышенной температуре и низкой трещиностойкостью при пониженной температуре.
Данные результаты из Таблицы 1 и Таблицы 2, в свою очередь, подтверждают также наличие у заявляемого материала устойчивости к влиянию климатических факторов, таких как повышенная влажность, действие повышенных и пониженных температур.
Композиционная смесь для дорожных покрытий, включающая: составное вяжущее из одного битума первого ряда - БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с одним из битумов второго ряда - МГ 40/70, МГ 70/130 с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; составной армирующий фиброматериал из полиакрилонитрильного (ПАН) и базальтовых волокон с преобладанием в фиброматериале ПАН волокна; минеральный порошок, песок, воду, характеризующаяся тем, что смесь представлена следующими компонентами в их % соотношении:
| составное вяжущее, в котором битумы первого и второго рядов представлены следующим образом: битум первого ряда - 85-95%, второго ряда - 5-15% |
4-6 |
| вода | 3-12 |
| олеиновая кислота | 0,2-0,6 |
| составной армирующий фиброматериал, в котором ПАН 60-95%, базальтового волокна - 5-40% |
0,15-0,7 |
| регенерированный дроблёный асфальтобетон и минеральный порошок, сформированный из частиц с размером не более 1,25 мм регенерированного дробленого асфальтобетона и составляющий 10-20% от количества последнего |
24-55 |
| песок | остальное |
