Органоминеральная смесь для дорожного покрытия
ORGANOMINERAL MIXTURE FOR ROAD PAVEMENT

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 и отечественых 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,
- в патенте RU на изобретение №2702434.
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.
Известно решение - патент CN на изобретение №106904871, в котором описан состав асфальтобетонной смеси, включающий регенерированный асфальтобетон, известняк с размером частиц 13,2 мм, порошок известняковой руды, базальтовую фибру и вяжущее, включающее в качестве модификаторов дизельное топливо и керосин.
Известен также патент RU на изобретение №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, наномодифицированную базальтовую микрофибру 1÷3% от массы битума, целлюлозную микрофибру 3÷5% от массы битума.
Недостатком описанных выше технических решений 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 из необходимых компонентов обладает стоимостью, а также и те, которые введены дополнительно, сверх минимально необходимых.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является состав, описанный в патенте RU на изобретение №2713037. Смесь включает следующие компоненты: щебень 20- 60%, минеральный порошок 4-12%, воду 3-12%, базальтовое волокно с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм 0,07-0,6%, органическое вяжущее 4-12%, песок - остальное. При этом органическое вяжущее является составным из двух видов нефтяных битумов дорожных: битум одной из марок вязкого битума: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 в количестве 85-95% от общего количества вяжущего в смеси и битум одной из марок жидкого медленногустеющего битума: МГ 40/70, МГ 70/130 в количестве 5-15% от общего количества вяжущего в смеси.
Однако в данном запатентованном асфальтобетонном составе учтены не все возможности улучшения физико-химических параметров, а также экологических и других показателей.
Задачей заявляемого изобретения является улучшение прочностных эксплуатационных характеристик получаемого покрытия: сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, водостойкости, трещиностойкости и повышении экологичности среды.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в органоминеральную смесь для дорожного покрытия, включающую 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 с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; базальтовое волокно; минеральный порошок; наполнитель, содержащий песок, входят следующие компоненты, %:
составное вяжущее
4-6
вода
3-12
базальтовое волокно
0,15-0,7
олеиновая кислота
0,2-0,6
минеральный порошок
4-12
регенерированный асфальтобетон как часть наполнителя
20-40
песок
остальное
Кроме того, заявляется смесь, в которой наряду с вышеописанными признаками процент содержания входящих в составное вяжущее битумов первого и второго рядов, скомплектованных в пары, представлен следующим образом: битум первого ряда - 85-95%, второго ряда - 5-15%.
Технический результат - улучшение физико-механических свойств асфальтобетона на основе измененного состава смеси, который содержит ставшие традиционными компоненты: 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…».
Технический результат - улучшение физико-механических параметров усиливается добавлением в состав органоминерального материала базальтового волокна именно в оптимальном - увеличенном количестве по сравнению с наиболее близким аналогом. Описанная группа компонентов во главе с регенерированным асфальтобетоном и базальтовой фиброй, а также введенным в нее необходимым количеством олеиновой кислоты для наилучшего условия проявления армирующих свойств базальтового фиброволокна, а также для влияния ее в качестве ПАВ на регенерированный асфальт, дают ожидаемые преимущества.
Обязательной, незаменимой составляющей смеси является вода, участвующая и определяющая характер всех процессов структурообразования. При смешении компонентов 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 компонентов с выраженной гидрофильностью оказывает влияние толщина водной пленки на их поверхности.
В качестве ПАВ жирная кислота - олеиновая. Набор нескольких заявляемых компонентов, их вложение в общий состав за счёт выявленных в процессе апробации процентных соотношений позволили получить более высокие, чем у наиболее близкого аналога, заданные параметры как:
- сдвигоустойчивость,
- стойкость к колееобразованию,
- трещиностойкость,
- водостойкость.
Базальтовая фибра проявляет высокую адгезию с представленным в изобретении наполнителем и ей не требуется дополнительных изменений конфигурации волокна для проявления своих армирующих свойств, в отличие, например, от металлической фибры. Последнюю выпускают разной конфигурации: волнистой, с расплющенными и загнутыми концами для увеличения анкерности в связи со слабой адгезией металла и массы наполнителя. Наполнитель в заявляемом решении можно считать каменного происхождения, в виде регенерированного асфальтобетона и песка, которые имеют с базальтовой фиброй одинаковый коэффициент температурного расширения, в сравнении с фиброй металлической.
Дисперсное армирование базальтовой фиброй повышает пластичность массы наполнителя и тем самым уменьшает образование усадочных трещин, причём еще на стадии, когда он пребывает в пластическом состоянии, а не только после того, как асфальтобетон треснул (в сравнении, например, с металлической фиброй).
Заявляемое изобретение демонстрирует, что базальтовая фибра - высокоэффективная армирующая добавка, способная в разы повысить трещиностойкость, прочность на раскалывание, ударную прочность.
Не случайно ее считали и считают незаменимой в ряде применений, например, при возведении сейсмостойких объектов, взрывоопасных объектов и военных укреплений.
Стойкость к истираемости повышается до трёх раз и поэтому срок эксплуатации покрытий можно увеличить в три раза при необходимости и обоснованных финансовых затратах.
Базальтовая фибра позволяет уменьшить толщину покрытия при сохранении прочностных характеристик, что влечет уменьшение расхода асфальтобетонной смеси при устройстве дорожных одежд.
Однако проявление высокоэффективных свойств требует достаточно большого ее количества, что может значительно увеличить стоимость дорожных материалов.
Исходя из принципа «цена-качество» подбираются минимально достаточные ее количества в составах разных покрытий для разных видов, типов, классов дорог для проявления её отличных возможностей.
При значении ниже достаточных, эффект от чрезвычайно малых долей вложений за счет базальтовой фибры не проявляется. Поэтому в составах смесей, в которых не проявились уже известные и ожидаемые свойства базальтовой фибры, следует считать не до конца доработанными в плане эффективно выбранных соотношений и необходимых для этого стимуляторов.
Одним из компенсаторов количества вводимого в состав базальтового фиброволокна являются подходящие активаторы, к которым можно отнести олеиновую кислоту в заявляемом в изобретении количестве.
Инновационная триада - регенерированный асфальтобетон, используемый одновременно в одном заявляемом составе асфальтобетонной смеси с олеиновой кислотой и с базальтовой фиброй, причем в заявленных соотношениях на количество используемых остальных компонентов - минерального порошка, песка, особого (автором подобранного) составного нефтяного битума, с изложенными выше преимуществами дает основание считать заявляемое техническое решение изобретением.
Среди научно-технической и патентной литературы подобное техническое решение не выявлено.
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;
2
2
2
3
2
3
2
2
5
3
- базальтовая фибра производства ООО «Ижбазальт» с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм, обладающая усредненным химическим составом (% по массе): SiO (47,5-55,0); TiO (1,36-2,0); AlO (14,0-20,0); FeO + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7-11,0); Na2O (2,7-7,5); KO (2,5-7,5); PO (не более 0,5); SO (не более 0,5); прочие породы (не более 5).
- регенерированный дроблёный асфальтобетон;
- минеральный порошок, полученный, например, из части регенерированного асфальтобетона путем размола любым существующим современным способом или приобретенный порошок марки МП-2 ГОСТ Р 52129-2003.
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 с перемешиванием.
Примеры.
В соответствии с заявляемым изобретением был получен оптимальный состав (обозначен №1), в котором процентное соотношение компонентов было следующим:
олеиновая кислота - 0,2 %,
регенерированный асфальтобетон - 20%,
минеральный порошок - 4 %,
составное вяжущее - 4%,
вода - 3%,
базальтовое волокно с плотностью 54 текс с длиной нарезки 12 мм - 0,15%,
песок - остальное,
при этом органическое вяжущее состояло из двух видов нефтяных битумов дорожных, в % от общего количества вяжущего:
вязкий битум марки БНД 200/300 - 85% и
жидкий медленногустеющий битум марки МГ 40/70 - 15%.
Для сравнения в соответствии с заявляемым изобретением был получен состав (обозначен №2), в котором процентное соотношение компонентов было иным, в сравнении с составом №1:
олеиновая кислота - 0,6 %,
регенерированный асфальтобетон - 40%,
вода - 12%,
минеральный порошок - 12 %,
составное вяжущее - 6%,
базальтовое волокно плотностью 240 текс с длиной нарезки 18 мм - 0,7%,
песок - остальное,
при этом вяжущее - составленное из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси:
вязкий битум марки БНД 40/60 - 95% и
жидкий медленногустеющий битум марки МГ 70/130 - 5%.
В Таблице 1 представлены результаты испытания значимых ключевых параметров при повышенной температуре (50°С) и пониженной температуре (0°С), образцов из состава №1 и №2 в сравнении с наиболее близким аналогом.
Таблица 1
Состав применённого асфальтобетонного материала
Предел прочности на сжатие, МПа, притемпературе
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при50 <sup>о</sup>С, МПа
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения
Трещиностойкость, МПа
Коэффициент водостойкости
20°С
50°С
Образец состава №1
3,8
2,5
0,45
0,92
5,5
0,97
Образец состава №2
4,2
2,9
0,44
0,95
5,8
0,99
Образец, полученный в соответствии с наиболее близким аналогом (патент RU2713037)
3,6
2,2
0,2
0,8
5,2
0,94
Из приведенных результатов видно, что образцы составов №1 и №2 обладают более высокой сдвигоустойчивостью, водостойкостью, трещиностойкостью и более высоким пределом прочности при нормальной (20°С) и повышенной (50°С) температурах. Представленные данные демонстрируют преимущества введения базальтового фиброволокна, составного вяжущего и олеиновой кислоты.
Было изучено влияние соотношений битумов в составе вяжущего и олеиновой кислоты на технический результат. Были изготовлены образцы покрытий различного состава в соответствии с заявляемым изобретением, для которых определены показатели, что и в Таблице 1. Результаты измерений представлены в Таблице 2.
Таблица 2
Состав образцов для сравнительных испытаний
Регенерированный асфальтобетон - 30%Минеральный порошок - 8%Вода -6%Составное вяжущее - 5%Базальтовое волокно с плотностью 120 текс и длиной нарезки 15 мм - 0,35%Песок - остальное
Состав органического вяжущего - составленного из двух видов нефтяных битумов дорожных, в % от общего количества органического вяжущего в смеси
Предел прочности на сжатие, МПа, притемпературе
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50 <sup>о</sup>С, МПа
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения
Трещиностойкость, МПа
Коэффициент водостойкости
20°С
50°С
БНД 40/60 -90%МГ 40/70-10%олеиновая кислота - 0,5%
3,9
2,7
0,42
0,92
5,5
0,99
БНД 60/90 -90%МГ 40/70-10%олеиновая кислота - 0,45%
3,9
2,6
0,42
0,90
5,5
0,99
БНД 90/130-90%МГ 40/70-10%олеиновая кислота - 0,4%
3,9
2,6
0,42
0,90
5,5
0,99
БНД 130/200-90%МГ 40/70-10%олеиновая кислота - 0,3%
3,7
2,4
0,41
0,90
5,4
0,96
БНД 200/300-90%МГ 40/70-10%олеиновая кислота - 0,2%
3,7
2,4
0,41
0,89
5,4
0,96
БНД 40/60 -90%МГ 70/130-10%олеиновая кислота - 0,5%
3,8
2,5
0,42
0,92
5,5
0,98
БНД 60/90 -90%МГ 70/130-10%олеиновая кислота - 0,45%
3,8
2,5
0,42
0,92
5,4
0,98
БНД 90/130-90%МГ 70/130-10%олеиновая кислота - 0,4%
3,8
2,5
0,42
0,92
5,5
0,97
БНД 130/200-90%МГ 70/130-10%олеиновая кислота - 0,3%
3,7
2,4
0,42
0,92
5,4
0,97
БНД 200/300-90%МГ 70/130-10%олеиновая кислота - 0,2%
3,7
2,4
0,42
0,87
5,4
0,96
БНД 40/60 - 100% (для сравнения, без кислоты)
3,0
1,9
0,36
0,8
4,9
0,90
Из приведенных значений можно сделать вывод, что различные составы с различным составным вяжущем и различным количеством олеиновой кислоты обладают более высокой сдвигоустойчивостью, водостойкостью, трещиностойкостью и более высоким пределом прочности при нормальной (20°С), повышенной (50°С) и пониженной (0°С) температурах в сравнении с составом, в котором органическое вяжущее простое - из одного вида битума (для сравнения был выбран наиболее часто используемый - БНД 90/130) и олеиновая кислота отсутствует.