Битумно-резиновое вяжущее (варианты) для асфальтобетона и способ его получения с использованием СВЧ (варианты)
BITUMEN-RUBBER BINDER (EMBODIMENTS) FOR ASPHALT CONCRETE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF USING MICROWAVE (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области дорожных материалов и может быть использовано в качестве вяжущего вещества для асфальтобетона. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства асфальтобетона, повысить адгезию  вяжущего по отношению к каменным материалам.
Известно изобретение битумно-резиновая мастика (Патент РФ № 2426754 С1, МПК С08L, дата публикации: 20.08.2011), содержащая дорожный битум БНД 60/90, резиновую крошку и пластифицирующую добавку из строительной извести и минерального порошка, отличающейся тем, что дополнительно содержит полимерную добавку из резинового термоэластопласта РТЭП. При следующем соотношении компонентов, мас.%: битум БНД 60/90 68-78; резиновая крошка 9-13; резиновый термоэластопласт РТЭП 5-7. Пластифицирующая добавка при соотношении строительная известь минеральный порошок 3:7 8-12.
Недостатком является дополнительное использование пластифицирующей добавки и термоэластопласта РТЭП, что повышает стоимость конечного продукта.
Известно вяжущее (полиэтилен - гудроновое вяжущее – ПЭГВ) для дорожных покрытий (Патент РФ № 2519207 С1, МПК С08L, опубликован 10.06.2014). Вяжущее содержит, в мас.%: глубокоокисленный гудрон - 30-40; полиэтилен высокого давления - 1,5-3,5; серу элементарную - 0,15-0,45; прямогонный гудрон - до 100.
Недостатком является, что известное вяжущее характеризуется сильным токсичным запахом из-за применения серы элементарной.
Известна битумно-резиновая композиция (Патент РФ № 2462489 С2, МПК С08L, С08K, опубликован 27.09.2012) содержащая битум, резиновую крошку и девулканизующий агент. При этом в качестве девулканизующего агента используют наноразмерный кремнезоль. Соотношение компонентов следующее (м.ч.): битум - 100, резиновая крошка - 15-20, наноразмерный кремнезоль - 0,05-0,15. Битумнорезиновую композицию получают путем перемешивания исходных компонентов в герметичном реакторе при температуре 180-230°С в течение 80-120 мин.
Недостатком данной композиции является применение наноразмерного кремнезоля, который при подаче в реактор пылит, соответственно необходимо дополнительное оборудование по обеспыливанию.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип (Патент РФ № 2164927 С2, МПК С08L, С08L,  опубликован 10.04.2001) является способ получения битумно-резиновой композиции получаемой смешением битума и резиновой крошки в герметичном реакторе в присутствии органического или неорганического основания при 160-230°С в течение 15-60 минут.
Недостатком данной композиции является необходимость фильтрования готовой продукции через металлическую сетку, что говорит о недостаточном растворении резины.
Задачей, на решение которой направлена заявляемое изобретение, заключается в создании способа получения битумно-резинового композита для применения в качестве вяжущего вещества в асфальтобетоне, повышенного качества.
Технический результат заключается в повышении температуры размягчения, растяжимости, уменьшении температуры хрупкости вяжущего вещества. А так же в повышении прочности при сжатии, водостойкости и понижению водонасыщения асфальтобетона.
Технический результат достигается тем, что битумно-резиновое вяжущее, включающее в состав разогретый битум, нефтяной пек, нефтяной мазут и резиновую крошку,  согласно изобретению, имеет следующее соотношение компонентов при различных вариантах его: -битум БНД 100 /130  (570,6 г), нефтяного пека  (28,5 г), нефтяного мазута  (12,1 г), резиновой крошки   (5,7 г),
- или  битум БНД 100 /130 1 (502,0 г), нефтяного пека  (50,2 г), нефтяного мазута  (16,9 г), резиновой крошки  (10 г),
-или битум БНД 100 /130  (320,0 г), нефтяного пека  (48,0 г), нефтяного мазута  (15,1 г), резиновой крошки  (9,6 г),
- или битум БНД 100 /130  (550,0 г), нефтяного пека  (110,0 г), нефтяного мазута  (34,1 г), резиновой крошки  (22,0 г),
-или битум БНД 100 /130  (550,0 г), нефтяного пека  (137,5 г), нефтяного мазута  (42,9 г), резиновой крошки  (27,5 г).
Технический результат достигается и тем , что  способ получения битумно-резиновых мастик, включает смешивание состава, обработку СВЧ-энергией и нагревание.
Согласно изобретению, перед смешиванием и нагревом СВЧ-энергией смесь предварительно нагревают в сушильном шкафу при температуре 165°С в течении 2 часов, при этом, перемешивание смеси (№1) происходит в течении 1 ч 15 минут до температуры 200,0°С; что перемешивание смеси (№2) происходит в течении 0 ч 40 минут до температуры 200,0°С, перемешивание смеси (№3) происходит в течении 1 ч 10 минут до температуры 156,0°С; перемешивание смеси (№4) происходит в течении 0 ч 30 минут до температуры 176,0°С; перемешивание смеси (№5) происходит в течении 0 ч 40 минут до температуры 180,0°С.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Проведенный дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков заявляемого битумно-резинового вяжущего и способа его получения
свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Приготовление смеси битумно-резинового вяжущего осуществлялось следующим образом:
Состав №1.  В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 570,6 г, затем добавляли 28,5 г нефтяного пека, резиновой крошки 5,7 г и 12,1 г нефтяного мазута.
Состав №2.  В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 502,0 г, затем добавляли 50,2 г нефтяного пека, резиновой крошки 10,0 г и 16,9 г нефтяного мазута.
Состав №3.  В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 320,0 г, затем добавляли 48,0 г нефтяного пека, резиновой крошки 9,6 г и 15,1 г нефтяного мазута
Состав №4.  В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 550,0 г, затем добавляли 110,0 г нефтяного пека, резиновой крошки 22,0 г и 34,1 г нефтяного мазута
Состав №5.  В мерную колбу объемом 1000 мл, вносили разогретый до 150°С битум БНД 100/130 550,0 г, затем добавляли 137,5 г нефтяного пека, резиновой крошки 27,5 г и 42,9 г нефтяного мазута
Соотношение компонентов в процентах приведено в таблице 1.
Таблица 1
Соотношения компонентов
№п/п
Компоненты(г)
Номера составов
1
2
3
4
5
1
Битум
570,6
502,0
320,0
550,0
550,0
2
Резиновая крошка
5,7
10,0
9,6
22,0
27,5
3
Нефтяной мазут
12,1
16,9
15,1
34,1
42,9
4
Нефтяной пек
28,5
50,2
48,0
110,0
137,5
Затем смеси материалов ставили в сушильный шкаф на 2 часа при температуре 165°С.  Периодически, через каждые 30 минут, смесь перемешивали на высокоскоростном диспергаторе. Далее смесь заливали в смеситель с СВЧ-нагревом. Перемешивание проводилось: для состава №1 1 час 15 минут до температуры 200°С, для состава №2 40 минут до температуры 200°С, для состава №3 1 час 10 минут до температуры 156°С, для состава №4 30 минут до температуры 176°С, для состава №5 40 минут до температуры 180°С.
Составы №1, №2, №3 по своей консистенции были однородные, состав №4 и №5 в своем составе имели частицы не разложившегося нефтяного пека и резиновой крошки, поэтому дополнительно обработаны диспергатором в течении 10 минут.
Результаты по определению физико-механических свойств вяжущего приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты физико-механических испытаний вяжущего
№п/п
Наименование показателя
Номер состава
Показатели
Единичное значение
Среднее значение
1
Температура размягчения, °С
1
+46,5
+46,6
+46,6
+46,6
2
+47,8
+47,8
+47,8
+47,7
3
+48,0
+48,2
+48,3
+48,2
4
+50,0
+50,1
+50,2
+50,0
5
+50,2
+50,2
+50,1
+50,2
2
Температура хрупкости, °С
1
-20,0
-20,0
-20,1
-20,0
2
-21,0
-21,0
-20,9
-21,0
3
-21,0
-21,1
-21,1
-21,1
4
-21,7
-21,8
-21,8
-21,7
5
-22,0
-22,0
-22,1
-22,0
3
Растяжимость при 0°С, см
1
3,9
4,0
4,0
4,0
2
4,3
4,3
4,3
4,2
3
4,5
4,5
4,6
4,4
4
4,5
4,6
4,6
4,6
5
4,8
4,9
4,9
4,9
Результаты испытаний на адгезию к каменным материалам, таким как гранит, базальт и щебень из гравия, составы №1 и №2 не выдержали к граниту, остальные все составы ко всем каменным материалам испытание выдержали.
По результатам, приведенным в таблице 2 можно сделать выводы, что составы №4 и №5 по своему содержанию однородны, резиновая крошка растворилась, что говорит о высоких физико-механических результатах испытаний, высокая температура размягчения, низкая температура хрупкости и достаточно хорошая растяжимость. Составы №4 и №5 выбраны в качестве вяжущего для асфальтобетона.
На втором этапе произведен замес асфальтобетона тип Б марка II на вяжущих №4 и №5, а так же один состав на битуме БНД 100/130 в качестве эталонного образца. Состав асфальтобетона: щебень из гравия фракции св.10 до 20 мм – 22%, щебень из гравия фракции от 5 до 10 мм – 21%, песок из отсевов дробления – 52%, минеральный порошок – 5%, вяжущее – 5,7%. Минеральные материалы изначально высушены до постоянной массы. После точного дозирования щебень из гравия и песок из отсевов дробления помещены в сушильный шкаф на 2 часа при температуре 165°С, вяжущее нагревалось отдельно 1,5 часа при температуре 140°С. Далее на горячую смесь щебня из гравия и песка из отсевов  дробления, высыпали минеральный порошок и налили вяжущее. Затем смесь грелась в сушильном шкафу 1 час при температуре 150°С периодически через каждые 15 минут перемешиваясь. Далее из смеси формовали образцы диаметром 71,5 мм. Образцы перед испытаниями выдержали на воздухе при комнатной температуре 1 сутки. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12801-98. Результаты испытания асфальтобетона приведены в таблице 3. Состав №1 – на битуме БНД 100/130, состав №2 – на вяжущем №4, состав №3 – на вяжущем №5.
Таблица 3
Результаты физико-механических результатов испытаний асфальтобетона
№п/п
Наименование показателя
Номер состава
Показатели
Единичное значение
Среднее значение
1
Предел прочности при сжатии, Мпа при температуре:
20°С
1
2,58
2,59
2,59
2,59
2
2,58
2,58
2,58
2,59
3
2,64
2,65
2,65
2,65
50°С
1
1,27
1,28
1,28
1,28
2
1,34
1,33
1,32
1,33
3
1,54
1,55
1,55
1,55
0°С
1
8,01
8,00
8,00
8,00
2
7,59
7,58
7,57
7,58
3
8,00
8,02
8,03
8,02
20<sub>в</sub>°С
1
2,53
2,54
2,55
2,54
2
2,59
2,60
2,60
2,60
3
2,83
2,83
2,82
2,83
20<sub>дл</sub>°С
1
2,41
2,40
2,40
2,40
2
2,47
2,48
2,47
2,49
3
2,59
2,60
2,60
2,60
2
Средняя плотность, г/см<sup>3</sup>
1
2,36
2,36
2,36
2,35
2
2,37
2,37
2,37
2,37
3
2,38
2,38
2,37
2,38
3
Водонасыщение, % по объему
1
3,03
3,02
3,02
3,00
2
2,98
2,97
2,97
2,95
3
2,83
2,83
2,85
2,82
4
Коэффициент водостойкости
1
0,98
0,98
0,98
0,98
2
1,00
1,00
1,01
1,00
3
1,07
1,07
1,06
1,07
5
Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении
1
0,93
0,93
0,93
0,93
2
0,96
0,96
0,96
0,96
3
0,98
0,98
0,98
0,98
Данные представленные в таблице 3 показывают положительное влияние модифицированного вяжущего на физико-механические свойства асфальтобетона. Состав с вяжущим №5, где наибольшее содержание резиновой крошки, показал более высокие показатели. Плотность выше, чем у состава на битуме БНД 100/130, показатели водостойкости, как при длительном, так и при простом водонасыщении так же выше. Водонасыщение меньше, что говорит о меньшем содержании пор и более плотном составе. Предел прочности на сжатие при температуре 50°С высокий, что говорит о теплостойкости асфальтобетона, предел прочности на сжатие при 0°С показывает высокую трещиностойкость в зимний период. Так же дополнительно смеси были исследованы на адгезию. Полученные результаты показали отличную адгезию по 5 шкале на 5 баллов состав №3 на вяжущем с максимальным содержанием резиновой крошки и состав №2, на 4 балла состав №1.
Проведенные в работе исследования показывают, что добавление резиновой крошки в битум, позволяет повысить его физико-механические свойства, такие как температура размягчения, температура хрупкости и растяжимость. Получается вяжущее, которое является практически аналогом полимебитумного вяжущего, только с использованием отходов резины. Установлено, что асфальтобетон на модифицированном вяжущем позволяет повысить физико-механические свойства, такие как водостойкость, плотность, предел прочности при сжатии при температурах 20°С, 0°С, 50°С, понизить водонасыщение. Изношенные шины это эластомерный материал с уникальными свойствами. Производство резиновых изделий, а именно автомобильных шин увеличивается с каждым годом, соответственно растут отходы, что неблагоприятно влияет на окружающую среду. Резиновая крошка, получаемая из отходов резины является уникальным модификатором вяжущего для асфальтобетона. Так как по сравнению с каучуками более устойчива к окислительному воздействию кислорода воздуха, обладает высокой устойчивостью к солевым растворам и воде. В своем составе резиновая крошка содержит полимеры, пластификаторы и антиоксиданты, благодаря им повышается устойчивость вяжущего в условиях эксплуатации.