Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси
METHOD OF EMULSION-MINERAL MIXTURE PREPARING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу приготовления водоэмульсионных материалов, применяемых в конструктивных слоях дорожных покрытий.
Уровень техники
Известен холодный способ получения щебеночно-мастичного асфальтобетона  для ремонта и устройства слоев дорожных покрытий (патент РФ 2612681, опубл. 13.03.2017). Холодный способ получения щебеночно-мастичного асфальтобетона для ремонта и строительства дорожных покрытий включает  смешение холодного минерального материала, состоящего из щебня прочных горных пород, песка отсевов дробления щебня горных пород и минерального порошка, с последовательным введением на его 100 мас.% следующих компонентов, масс.%: цемент - 3,0-6,0, нанополимерная водораз-бавляемая добавка с размером частиц 50-300 нм, преимущественно 80-160 нм, содержащая латекс на основе сополимера стирола с полярными мономерами, например с эфиром акриловой кислоты - бутилакрилатом, или с бутадиеном и акриловой или метакриловой кислотой в пересчете на сухое вещество - 0,1-0,5, неионогенное поверхностно-активное вещество из класса оксиэтилированных высших жирных спиртов или алкилфенолов - 0,05-0,1, катионоактивная битумная эмульсия в пересчете на битум – 3,0-5,0. Перемешивание продолжают 5-10 мин с доведением при необходимости суммарной влажности рыхлой смеси до 8-10 масс. %.
Недостатком известного способа получения холодного щебеночно-мастичного асфальтобетона  является сложность состава, длительное перемешивание, высокое содержание воды, что затрудняет уплотнение и замедляет сроки  формирования покрытия.
Известен способ приготовления цементно-асфальтобетонной смеси и ее состав (патент РФ на изобретения  №2436888, опубл.20.12.2011) для дорожного строительства,  включающий смешение минерального материала с битумной эмульсией, портландцементом и водой,  в качестве минерального материала использован щебень и песок, а смешение осуществляется в две стадии: на первой стадии раздельно друг от друга приготовляют черный щебень и цементно-песчаный раствор, при этом черный щебень приготовляют посредством перемешивания щебня с битумной эмульсией, а цементно-песчаный раствор приготовляют посредством смешивания песка, портландцемента и воды, а на второй стадии смешивают приготовленные черный щебень с цементно-песчаным раствором и получают смесь при следующем соотношении компонентов, мас. %: щебень 40-72; песок 26-58; портландцемент 2-14; битумная эмульсия (сверх 100%) 1-5; водоцементное соотношение 0,2-0,5 (без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии). В составе цементно-асфальтобетонной смеси  используют щебень фракции 5-20 мм и песок.  Общее содержание воды в смеси достигает 12 %.
Недостатком цементно-асфальтобетонной смеси является сложность состава и технологии приготовления, из-за малого содержания битумной эмульсии в черном щебне требуется длительное время его перемешивания, Из-за высокого содержания свободной воды, только часть которой (примерно 28 %) связывается портландцементом, происходит дробление щебня  при уплотнении, низкие показатели качества, из-за схватывания портландцемента сроки транспортирования и уплотнения цементно-асфальтобетонных смесей ограничены и зависят от погоды.
Наиболее близким по существу настоящего изобретения  является плотная эмульсионно-минеральная смесь (Пособие по приготовлению и применению битумных дорожных эмульсий к СНиП 3.06.03-85), применяемая для устройства на автомобильных дорогах III-V категорий, включающая минеральный заполнитель, битумную эмульсию, воду. Известный способ приготовления плотной эмульсионно-минеральной смеси включает взвешивание минеральных материалов с влажностью 3-5 % и их подачу в смеситель, перемешивание, введение катионной битумной эмульсии и дальнейшее перемешивание. Увлажнение минерального материала необходимо для обеспечения смешиваемости минеральных компонентов  с битумной эмульсией и получения однородной смеси. При введении битумной эмульсии во влажную смесь минеральных заполнителей в первую очередь происходит объединение ее с пылеватыми фракциями заполнителя  вследствие их более интенсивного массо-переноса и массообмена в смеси. Образующаяся смесь битумной эмульсии с пылеватыми фракциями имеет повышенную вязкость и частичный распад, что затрудняет покрытие поверхности более крупных фракций заполнителя. Длительность перемешивания зависит от состава смеси, свойств эмульсии, влажности минеральных материалов, типа смесителя и определяется по пробным замесам. Из-за высокого содержания воды, которое находится  в плотной эмульсионно-минеральной смеси в пределах порядка 9-12 %, происходит дробление щебня при ее уплотнении с выделением части воды. Оставшаяся вода в порах смеси испаряется в процессе эксплуатации из покрытия и частично вытесняется при доуплотнении от движущегося транспорта.  Формирование  структуры покрытий из эмульсионно-минеральных смесей, его доуплотнение  весьма длительное, в связи с чем показатели качества в первые годы эксплуатации покрытий весьма низкие.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом данного изобретения является упрощение  технологии приготовления плотной эмульсионно-минеральной смеси, снижение продолжительности перемешивания эмульсионно-минеральной смеси, снижение содержания воды в смеси и дробимости щебня при уплотнении, повышение показателей качества, снижение сроков формирования покрытия.
Указанный технический результат достигается тем, что плотная эмуль-сионно-минеральная смесь, включающая минеральный заполнитель (щебень, песок, минеральный порошок и битумную эмульсию, готовится при следующей последовательности введения в смеситель компонентов:  отдозированные щебеночные и песчаные фракции с влажностью W в % масс., равной Э(50-В)/100, где Э - содержание битумной эмульсии в смеси в % масс., В - содержание воды в битумной эмульсии в % масс., перемешивание смеси, затем в процессе перемешивания добавляют битумную эмульсию и перемешивают до получения однородной смеси в течение 0,5 мин, далее вводят минеральный порошок и перемешивают до получения однородной смеси в течение до 1,5 мин.
Предварительное перемешивание битумной эмульсии с крупными фракциями минерального заполнителя (щебеночными и песчаными) даже без дополнительного их увлажнения если содержание воды в битумной эмульсии составляет 50 % масс. позволяет быстро и гарантировано покрыть поверхность этих фракций битумными частицами, а затем после введения минерального порошка покрыть и его поверхность в процессе перемешивания.
Осуществление изобретения
Получение плотной эмульсионно-минеральной смеси включает порцион-ную загрузку в смеситель фракций щебня и песка  с заданной влажностью W. Заданная влажность заполнителя определяется после определения оптималь-ного расхода битумной эмульсии в смеси. Оптимальный расход битумной эму-льсии в смеси находят по следующей методике. Выбирают зерновой состав ми-нерального заполнителя в плотной эмульсионно-минеральной смеси согласно рис.6 Пособия по приготовлению и применению битумных дорожных эмульсий к СНиП 3.06.03-85.
о
Подбирают сначала оптимальное количество битума так, как это рекомен-дуется для горячих смесей, т.е. приготавливают смеси принятого зернового со-става с различным содержанием битума. Битум применяют тот же, что и для приготовления эмульсий. Горячие смеси готовят при следующей последовате-льности введения в смеситель компонентов:  отдозированные щебеночные и песчаные фракции подают в смеситель, затем в процессе перемешивания добавляют горячий битум  и перемешивают в течение 0,5 мин, далее вводят минеральный порошок и перемешивают до получения однородной смеси в течение до 1,0 мин.  Из каждой смеси изготавливают по десять образцов и определяют физико-механические свойства в соответствии с ГОСТ 12801-84 "Смеси асфальтобетонные дорожные аэродромные и асфальтобетон. Методы испытания". За оптимальное принимают то количество битума Б (% массы минеральных материалов), при котором показатели физико-механических свойств образцов имеют оптимальные значения. Оптимальное количество эмульсии Э рассчитывают по формуле:
Э= (Бо / С)•100, %,
где С – содержание битума в эмульсии, %.
Затем проверяют свойства эмульсионно-минеральной смеси с добавлением оптимального количества битумной эмульсии Э, с содержанием битума С, равном 50 % и воды В-50 %. Эмульсионно-минеральную смесь готовят при следующей последовательности введения в смеситель компонентов (режим I)::  отдозированные щебеночные и песчаные фракции  при  влажности  0 % подают в смеситель, затем в процессе перемешивания добавляют битумную эмульсию  и перемешивают до получения однородной смеси в течение 0,5 мин, далее вводят минеральный порошок и перемешивают до получения однородной смеси в течение до 1,0 мин. В случае применения битумных эмульсий с содержанием битума С более 50 % и воды В  соответственно менее 50 % в минеральный заполнитель (щебеночные и песчаные фракции) вводят воду W  в количестве, % масс., равной Э(50-В)/100,  где Э- содержание битумной эмуль-сии в смеси (% масс.), В - содержание воды в битумной эмульсии (% масс.), или используют эти фракции с естественной влажностью, равной W.
Это дополнительное увлажнение  минерального заполнителя компенсирует ту часть воды, которая должна быть в эмульсии в количестве 50 %., и обеспечивает равномерное распределение эмульгированного битума в смеси.
Приготовление плотной эмульсионно-минеральной смеси  осуществлялось по прототипу (режим II). В лабораторный смеситель загружают отдозирован- ные фракции щебня, песка, минерального порошка.  Добавляют 4,1 % воды и перемешивают в течение 1 мин. Затем  добавляют в работающий смеситель битумную эмульсию в количестве 12,2 % и мешают до получения однородной смеси в течение 2,0 мин.
Смеси готовились на катионной медленнораспадающейся битумной эмульсии марки ЭБК-3. В состав битумной эмульсии входили битум Саратовского нефтеперерабатывающего завода марки БНД 90/130 с глубиной проникания иглы при 25 ⁰С, равной 97 ед., и температурой размягчения по КиШ  47 ⁰С. В качестве эмульгатора использовали катионный эмульгатор БП-3М, который вводили в битум в количестве 1,1 %. Процентное соотношение битум:вода в эмульсии было равным 50:50.Водородный показатель рН воды был равен 2, что достигалось за счет введения соляной кислоты. Битумная эмульсия вводилась в смесь в количестве, при котором содержание битума было равным 6,1 % сверх 100 % минерального заполнителя.
Для исследований был принят зерновой состав минерального заполнителя  из дробленого гравия Надзорненского карьера с содержанием щебеночных фракций 50 % и песчаных фракций 37 %  (табл. 1) .
Таблица 1. Зерновой состав минеральной части эмульсионно-минеральной смеси
Уплотнение  цилиндрических образцов диаметром 71,4 мм осуществляли при статической нагрузке под напряжением 40 МПа в течение 3 мин, а также образцов Маршалла на ударном уплотнителе  при числе ударов с обеих сто-рон, равном 75. Определение физико-механических показателей образцов осуществляли через 14 сут. выдерживания образцов в комнатных условиях при температуре 22 ±3⁰С. Определяли среднюю плотность, прочность при сжатии, стабильность  по Маршаллу, водонасыщение и коэффициент водостойкости. В процессе выдерживания образцов определяли также потерю воды методом взвешивания.
У образцов, испытанных на водостойкость (не подвергнутых механическим испытаниям), определяли дробимость щебня Д  по формуле:
Д = (Щ1 - Щ2)/Щ1 х 100,                  (1)
где Щ1 - содержание щебня в составе смеси в исходном состоянии, в % ;
Щ2 - содержание щебня в образце после его уплотнения, определенное после экстрагирования вяжущего, в %.
Определение дробимости производят на 2-х образцах и вычисляют среднее значение.
Коэффициент уплотнения Ку образцов эмульсионно-минеральных смесей определяли по  уравнениям:
Ку= ρо/ρ1,                               (2)
0
где ρо - средняя плотность образца при 20С, определенная экспериментально, кг/м,
ρ1 - средняя плотность при 20 ⁰С переформованного образца, кг/мᶾ.
В таблице 2 представлены данные по основным свойствам эмульсионно-минеральных смесей.
Было определено количество воды, выделяющейся из образцов при их уплотнении, а также у образцов в возрасте 14 сут после выдерживания при комнатной температуре. С понижением содержания воды в смеси, выделение воды при уплотнении образцов   cнижается.  Уплотнение  образцов из  эмульсионно-минеральных смесей, приготовленных по прототипу (режим II) сопровождается выделением гораздо большего количества воды, чем у образцов, приготовленных по предлагаемому режиму I, однако  часть воды, оставшейся в порах образцов, приготовленных по режиму II , более чем в 2 раза выше, чем у образцов, приготовленных по предлагаемому режиму I (таблица 2). Соответственно и показатели качества образцов, приготовленных по предлагаемому режиму I гораздо выше, чем у образцов, приготовленных по прототипу - режиму II (таблица 2).
Таблица 2. Физико-механические свойства эмульсионно-минеральных смесей в зависимости от режимов приготовления
Таким образом, предложенный способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси  позволяет упростить технологию ее приготовления, снизить продолжительность перемешивания смеси, снизить содержания воды в смеси и дробимость щебня при уплотнении, повысить показатели качества, снизить сроки формирования структуры покрытия.
Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси  достаточно простой и в процессе реализации достигается значительное удешевление заявленной композиции.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна». В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого способа приготовления эмульсионно-минеральной смеси для получения материала для устройства конструктивных слоев дорожных покрытий, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».