СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ДОБАВКА ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ
STABILISING ADDITIVE FOR CRUSHED-STONE-MASTIC ASPHALT CONCRETE MIX

Изобретение относится к области дорожного строительства, а именно к стабилизирующим добавкам, которые используются в асфальтобетонных смесях и могут найти применение при изготовлении дорожных покрытий при использовании щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА).
Одним из условий получения щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМАС) является наличие в ней повышенного количества вяжущего, достаточного для полного заполнения межкаменного пространства и для улучшения деформационных характеристик. В связи с неизбежным отеканием излишков органического вяжущего в процессе транспортировки смеси и ее укладки применяются специальные стабилизирующие добавки.
В большинстве составов в качестве стабилизирующих добавок для удержания дополнительного количества вяжущего в ЩМАС используют свободные или гранулированные волокна (целлюлозные, полимерные или иные). К их числу относятся импортные волокнистые добавки, например «TOPCEL» (фирмы CFF GmdH, Германия), а также «VIATOP-66» (фирма JRS GmbH+CO.KG, Германия), состоящие из гранулированных волокон целлюлозы и связующего в виде органического материала (добавки стабилизирующие «TEXNOCEL» и «TOPCEL» для смесей щебеночно-мастичных асфальтовых. ТУ 5711-0011-38956563-2003, Томский Центр стандартизации, зарегистрирован 03.02.2003 №079/001972; Смирнов Е. Щебеночно-мастичный асфальтобетон // Автомоб. дороги. - 2001. - №11. - С. 56-57). Недостатком этих добавок является высокая стоимость.
7
Известна стабилизирующая добавка в виде гранул для щебеночно-мастичного асфальтобетона, включающая органическое вяжущее и структурообразователь, причем органическое вяжущее выбирают из группы: деготь, битум или битумная эмульсия, а в качестве структурообразователя используют пух подвальный и/или пух распыл, представляющий собой отход хлопчатобумажного производства (Патент RU №2273615, МПК C04B 26/26, 2006).
Недостатком известной добавки является редкость применяемого структурообразователя, не способного удовлетворить потребности дорожного строительства во всех регионах страны.
7
Известна стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), включающая гранулы волокон целлюлозы и окисленный атактический полипропилен (Патент RU №2348662, МПК C08L 95/00, 2008).
Недостатком известной добавки является повышенная липкость, которая усложняет ее равномерное распределение в ЩМАС.
7
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, включающая органическое вяжущее, структурообразователь, гидроксид натрия и воду. В качестве органического вяжущего добавка содержит отход масложирового производства, выбранный из группы: жировая композиция, или госсиполовая смола, или флотогудрон, или техническая олеиновая кислота марки В, а в качестве структурообразователя используется целлюлозное волокно (Патент RU №2458950, МПК C08L 95/00, C08L 91/00, C08K 13/02, 2012).
К основным недостаткам стабилизирующей добавки предложенного прототипа относится то, что ее использование в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона с целью снижения показателя стекания вяжущего приводит к повышению водонасыщения и, как следствие, снижению физико-механических характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона: предела прочности при сжатии, трещиностойкости, коэффициента внутреннего трения и показателя сцепления при сдвиге. Более того, сырье, используемое в качестве структурообразователя, не является распространенным для большинства регионов, делая экономически нецелесообразным создание предприятия по ее производству во многих областях страны.
Задачей настоящего изобретения является создание стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, позволяющей снизить водонасыщение асфальтобетона при низком показателе стекания вяжущего, что в комплексе позволит снизить липкость смеси и достигнуть высоких физико-механических свойств.
Задача решается за счет того, что стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, включающая органическое вяжущее, структурообразователь и воду, в качестве органического вяжущего содержит парафин, структурообразователя - целлюлозно-бумажные отходы и дополнительно включает известняковый минеральный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
целлюлозно-бумажные отходы
70-85
известняковый минеральный порошок
8-18
парафин
8-14
вода
остальное
Известняковый минеральный порошок, за счет структурирующего влияния на парафин и образования микропористой структуры, снижает показатель стекания вяжущего. Таким образом, парафин, находясь в тонких прослойках и мелких порах, попадает в область влияния молекул поверхностного слоя минеральной части, в результате чего снижается липкость гранул добавки. Это приводит к возможности равномерного распределения стабилизирующей добавки в ЩМА в процессе его приготовления.
Снижение коэффициента стекания вяжущего повышает способность стабилизирующей добавки сорбировать вяжущее в ЩМА и приводит к уменьшению количества открытых пор, заполненных водой, снижая водонасыщение асфальтобетона. Также существенно снижается водонасыщение за счет гидрофобизации целлюлозного волокна парафином, делая нецелесообразным создание предприятия по ее производству во многих областях страны.
Задачей настоящего изобретения является создание стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, позволяющей снизить водонасыщение асфальтобетона при низком показателе стекания вяжущего, что в комплексе позволит снизить липкость смеси и достигнуть высоких физико-механических свойств.
Задача решается за счет того, что стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, включающая органическое вяжущее, структурообразователь и воду, в качестве органического вяжущего содержит парафин, структурообразователя - целлюлозно-бумажные отходы и дополнительно включает известняковый минеральный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
целлюлозно-бумажные отходы
70-80
известняковый минеральный порошок
8-14
парафин
8-12
вода
остальное
Известняковый минеральный порошок, за счет структурирующего влияния на парафин и образования микропористой структуры, снижает показатель стекания вяжущего. Таким образом, парафин, находясь в тонких прослойках и мелких порах, попадает в область влияния молекул поверхностного слоя минеральной части, в результате чего снижается липкость гранул добавки. Это приводит к возможности равномерного распределения стабилизирующей добавки в ЩМА в процессе его приготовления.
Снижение коэффициента стекания вяжущего повышает способность стабилизирующей добавки сорбировать вяжущее в ЩМА и приводит к уменьшению количества открытых пор, заполненных водой, снижая водонасыщение асфальтобетона. Также существенно снижается водонасыщение за счет гидрофобизации целлюлозного волокна парафином. Одновременное снижение водонасыщения и показателя стекания вяжущего приводит к повышению физико-механических характеристик асфальтобетона: предела прочности при сжатии, трещиностойкости, коэффициента внутреннего трения и показателя сцепления при сдвиге.
Более того, применение в качестве структурообразователя целлюлозно-бумажных отходов, занимающих большие площади во всех областях страны, значительно снижает стоимость стабилизирующей добавки, производство которой будет способствовать улучшению экологической обстановки в стране, что является целесообразным в большинстве регионов.
В качестве сырья для получения стабилизирующей добавки использовали: целлюлозно-бумажные отходы (ЦБО), состоящие из отходов бумаги, картона; известняковый минеральный порошок марки МП-1 по ГОСТ Ρ 52129-2003, гранулометрический состав которого представлен в таблице 1; парафин марки Т-3 по ГОСТ 23683-89 и воду.
Составы стабилизирующей добавки представлены в таблице 2.
Стабилизирующую добавку готовят следующим образом. Предварительно подготавливают смесь парафина и минерального порошка. Для этого парафин измельчают, известняковый минеральный порошок высушивают. Полученные компоненты смешивают между собой в мешалке в необходимой пропорции. Затем расчетное количество целлюлозно-бумажных отходов измельчают и смешивают с предварительно подготовленной смесью парафина и минерального порошка. Приготовленную массу гранулируют с помощью пресс-гранулятора с добавлением воды.
С целью изучения влияния состава стабилизирующей добавки на физико-механические характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона были произведены испытания образцов, приготовленных с использованием гранитного щебня, который соответствовал требованиям ГОСТ 8267-93 и ГОСТ 3344-83, а также песка из отсева дробления гранита, отвечающего требованиям ГОСТ 8736-93. В качестве минерального порошка применялся известняковый минеральный порошок МП-1, соответствующий требованиям ГОСТ 52129-2003. В качестве вяжущего применяли битум вязкий нефтяной дорожный марки БНД 60/90, соответствующий ГОСТ 22245-90.
Проектирование гранулометрического состава щебеночно-мастичных смесей, с учетом особенностей, можно осуществлять по методике, принятой для обычных асфальтобетонов согласно ГОСТ 9128-2009.
Расход материалов для приготовления ЩМА принят в соответствии с данными, приведенными в таблице 3. При этом было приготовлено 7 смесей ЩМА, отличающихся составом вводимой стабилизирующей добавки.
Изготовление образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона осуществлялось следующим образом:
- подготовка минеральных материалов (подача и предварительное дозирование, сушка и нагрев до требуемой температуры (общепринятая температура нагрева компонентов ЩМА примерно на 10°С выше регламентируемой для плотных смесей на основе окисленных битумов согласно ГОСТ 12801-98), пофракционное дозирование);
- подача холодных минерального порошка и стабилизирующей добавки, дозирование их перед подачей в смеситель;
- подготовка битума (разогрев, выпаривание содержащейся в нем влаги и нагрев до рабочей температуры, в необходимых случаях введение поверхностно-активных веществ и других улучшающих добавок, дозирование перед подачей в смеситель);
- «сухое» перемешивание горячих минеральных материалов с холодным минеральным порошком и стабилизирующей добавкой;
- перемешивание минеральных материалов с битумом;
- приготовление образцов асфальтобетона согласно ГОСТ 9128-2009.
Результаты испытаний полученных образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона с применением стабилизирующей добавки приведены в таблице 4.
Результаты испытаний показали, что щебеночно-мастичный асфальтобетон с использованием разработанной стабилизирующей добавки соответствует требованиям ГОСТ 31015-2002.
Из таблицы видно, что использование стабилизирующих добавок (составы №3-5) позволяет получить щебеночно-мастичный асфальтобетон на их основе с оптимальным сочетанием физико-механических свойств, одновременно снизить водонасыщение, показатель стекания вяжущего при технологических температурах в процессе хранения и транспортировки смеси и, как следствие, липкость. Невысокая липкость добавки привела к быстрому и равномерному ее распределению в смеси щебеночно-мастичного асфальтобетона, что отразилось на стабильности полученных результатов.
В результате, одновременное снижение показателя стекания вяжущего и водонасыщения щебеночно-мастичного асфальтобетона отразилось на повышении предела прочности при сжатии при 50°С, при 20°С, показателя сцепления при сдвиге и коэффициента внутреннего трения. Все это свидетельствует о высоких эксплуатационных и сдвигоустойчивых качествах щебеночно-мастичного асфальтобетона при средних температурах, в которых работает асфальтобетонное покрытие большую часть времени (60%) в центральном регионе России.
Изменение свойств ЩМА в зависимости от состава стабилизирующей добавки поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 представлен показатель сцепления при сдвиге (МПа); фиг. 2 - коэффициент внутреннего трения асфальтобетона; фиг. 3 - водонасыщение образцов, отформованных из смесей (% по объему); фиг. 4 - показатель стекания вяжущего (%); фиг. 5 - предел прочности при сжатии при температуре 20°С (МПа).
Если стабилизирующая добавка в своем составе будет содержать целлюлозно-бумажных отходов менее 70%, известнякового минерального порошка более 14% и парафина более 12%, то щебеночно-мастичный асфальтобетон, полученный с использованием данной стабилизирующей добавки, не будет удовлетворять требованиям ГОСТ 31015-2002 по следующим физико-механическим характеристикам: коэффициенту внутреннего трения и показателю сцепления при сдвиге (состав №2); коэффициенту внутреннего трения, водонасыщению, показателю сцепления при сдвиге и показателю стекания вяжущего (состав №1). Это связано с тем, что увеличение количества минерального порошка в составе стабилизирующей добавки более 14% приводит к повышению вязкости парафина, его пленка в пограничных слоях поверхности минерального порошка становится очень тонкой. Вследствие этого увеличивается плотность получаемой стабилизирующей добавки, показатель стекания вяжущего увеличивается, а водонасыщение ЩМА падает, что способствует ухудшению его физико-механических характеристик. Более того, увеличение содержания парафина в составе разрабатываемой добавки более 12% повышает хрупкость ЩМА, снижается прочность образцов ЩМА при напряжениях сдвига и сжатия.
Если стабилизирующая добавка в своем составе будет содержать целлюлозно-бумажных отходов более 80%, известнякового минерального порошка менее 8% и парафина менее 8%, то щебеночно-мастичный асфальтобетон, полученный с использованием данной стабилизирующей добавки, не будет удовлетворять требованиям ГОСТ 31015-2002 по следующим физико-механическим характеристикам: коэффициенту внутреннего трения (состав №6); водонасыщению, пределу прочности при сжатии при температуре 20°С, коэффициенту внутреннего трения и показателю сцепления при сдвиге (состав №7). Снижение количества известнякового минерального порошка менее 8% в составе стабилизирующей добавки не приводит к уменьшению толщины битумных слоев на поверхности минеральных частиц до необходимой величины, а следовательно, не оказывает структурирующего влияния на парафин, что приводит к получению гранул стабилизирующей добавки с повышенной липкостью. При этом распределение стабилизирующей добавки в смеси ЩМА происходит неравномерно, что отражается на стабильности получаемых результатов. Поэтому снижение показателя водонасыщения образцов ЩМА не способствует снижению показателя стекания вяжущего. В свою очередь, уменьшение содержания парафина менее 8% не приводит к гидрофобизации целлюлозного волокна, а следовательно, увеличивает водонасыщение, снижает прочностные характеристики образцов ЩМА с использованием стабилизирующей добавки составов №6 и №7.
Более того, щебеночно-мастичный асфальтобетон на основе стабилизирующей добавки состава №5 по водонасыщению, пределу прочности при сжатии при температуре 20°С и показателю сцепления при сдвиге имеет минимально возможные значения по требованиям ГОСТ 31015-2002.
Таким образом, разработанный состав стабилизирующей добавки позволит получить покрытие из щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающего низким показателем стекания вяжущего и низким водонасыщением, используя при этом в качестве исходного сырья общедоступные и недорогие материалы.