АСФАЛЬТ СВЕРХВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ
ASPHALT OF ULTRAHIGH STRENGTH

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу приготовления сухого материала для использования в качестве дорожного покрытия сверхвысокой прочности, а также сухого гранулированного материала для дорожного покрытия, изготовленного с помощью способа, и, кроме того, данное изобретение относится также к способу нанесения сверхпрочного дорожного покрытия в виде монолита или на подушку.
Из уровня техники хорошо известно комбинирование битумного асфальта с цементной суспензией. Это обычно выполняется посредством нанесения асфальта на подушку с помощью обычного асфальтоукладчика, а затем с помощью различных средств обеспечивают проникновение цементной суспензии и заполнение пустот в асфальтовом слое. Таким образом, создается вязкий и очень устойчивый к износу слой дорожного покрытия, в котором в определенной степени используются преимущества, обеспечиваемые относительно мягким и гибким асфальтом, и характеристики прочности основанной на цементе суспензии, которая находится в пустотах асфальтового слоя.
Такие системы дорожного покрытия являются коммерчески доступными, например, под названиями “Densifalt” датской корпорации Денсит А/С или “Confalt” датской корпорации Контек АпС.
Одним недостатком систем согласно уровню техники является то, что они связаны с большими затратами труда, поскольку они требуют сначала нанесения асфальта, например, с помощью обычного асфальтоукладчика и после достаточного охлаждения асфальта нанесения вручную или с помощью других подходящих средств суспензии, основанной на смеси связующего средства с водой, где связующее средство может содержать цемент, диоксид кремния, зольную пыль и другие составляющие. Суспензия, которая может быть бетоном сверхвысокой прочности, затем затвердевает, и можно использовать дорожное покрытие.
Дополнительно к большой трудоемкости процесс также занимает относительно много времени, поскольку необходимо затвердевание и охлаждение асфальтового слоя, так чтобы при добавлении суспензии можно было достаточно задерживать нежелательные химические реакции в суспензии с целью обеспечения достаточного проникновения и распределения суспензии в асфальтовой матрице с целью, по существу, полного заполнения материалом суспензии пустот в асфальтовом слое. Если асфальт слишком горячий, то химические реакции, в частности химические реакции между водой и связующим средством в суспензии, могут ускоряться, так что суспензия будет затвердевать и тем самым терять вязкость, а также препятствовать дальнейшему проникновению суспензии в более глубоко лежащие пустоты в асфальтовом слое. В области технологии затвердевающих материалов на основе цемента хорошо известно, что необходимо исключать затвердевание цемента при слишком высоких температурах, поскольку это вызывает неравномерное и нежелательное затвердевание в основанной на цементе матрице.
Из WO 98/44046 известна асфальтовая композиция дорожного покрытия, которая содержит заполнитель, битум, волокна целлюлозы и наполнитель. В одном варианте выполнения упомянут цемент в качестве возможного наполнительного материала без указания преимуществ, получаемых за счет дополнения ограниченного количества цемента в композицию. Материал дорожного покрытия смешивают в горячем виде при температуре от 150°С до 190°С. Материал дорожного покрытия наносят с помощью способа, в котором композиция имеет температуру от 80 до 90°С.
Горячее смешивание является хорошо известным способом, используемым при изготовлении асфальта, и температуры укладки, указанные в документе уровня техники, также соответствуют нормальным температурам укладки асфальтового дорожного покрытия. Преимущества, которые можно получать посредством добавления цемента в композицию, теряются за счет высокой температуры, при которой композицию смешивают и наносят, так что связующие характеристики цемента не являются эффективными в получаемом слое дорожного покрытия, а лишь используется функция наполнителя цемента.
Сущность изобретения
Поэтому целью данного изобретения является создание способа изготовления материала, который можно распределять по поверхности, так что исключаются недостатки способов согласно уровню техники.
Данное изобретение решает эту проблему, во-первых, за счет создания способа приготовления сухого материала для использования в качестве асфальта сверхвысокой прочности, так что во время нанесения необходимо добавлять лишь воду в сухой материал, при этом способ содержит следующие стадии:
- сушки и нагревания каменных и песчаных заполнителей;
- смешивания заполнителей с горячим битумом с образованием горячей смеси;
- добавления связующего средства и, не обязательно, других добавок в горячую смесь, пока покрытые битумом заполнители становятся не липкими, при этом горячую смесь поддерживают при температуре свыше 40°С;
- хранения горячей смеси и охлаждения смеси, так что она хранится при температуре ниже 40°С.
За счет приготовления материала согласно указанному выше способу сушка и нагревание каменных и песочных заполнителей, а также смешивание заполнителей с горячим битумом, по существу, соответствуют способу подготовки обычной асфальтовой смеси. Следующая стадия добавления связующего средства и, не обязательно, других добавок в горячую смесь приводит к покрытию всех покрытых битумом заполнителей, которые сравнимы с гранулами, посредством напыления связующего средства. Напылением можно управлять посредством простого добавления больше или меньше связующего средства и других добавок в горячую смесь. Когда все частицы, т.е. песок и камни, образующие заполнители, в смесительном резервуаре покрыты посредством напыления связующего средства и, не обязательно, другими добавками, так что частицы не слипаются друг с другом, горячую смесь сохраняют и позволяют ей охлаждаться. Когда битум хранится при температуре ниже 40°С, липкость битума меньше и связующее средство, покрывающее отдельные частицы, не «сплавляется» во время хранения.
В другом предпочтительном варианте выполнения связующее средство является связующим средством со сверхвысокими параметрами, и, кроме того, указанное бетонное связующее средство со сверхвысокими параметрами может дополнительно содержать цемент, двуокись кремния, зольную пыль, шлаковую золу и другие подходящие очень мелкие частицы, которые могут иметь характеристики, обеспечивающие прочность.
Под понятием бетонные связующие средства со сверхвысокими параметрами следует понимать связующие средства, используемые для создания бетонов сверхвысокой прочности, прочность на сжатие которых в десять раз превышает прочность обычных бетонов, т.е. для некоторых бетонов со сверхвысокими параметрами прочность сжатия составляет около 400 МПа. Эти прочности достигаются посредством использования специальных заполнителей для смесей, цемента и других добавок. За счет подбора добавок, цемента и мелких частиц можно создавать чрезвычайно плотные структуры. Кроме того, используемая микроскопическая двуокись кремния является чрезвычайно слеживающейся, так что даже очень небольшие пустоты между заполнителями и частицами цемента могут заполняться микроскопической двуокисью кремния или другими частицами. Кроме того, микроскопическая двуокись кремния при реакции с водой создает очень прочную структуру, которая придает дополнительную прочность всей структуре.
В другом предпочтительном варианте выполнения другие добавки, которые могут быть добавлены в горячую смесь, наряду со связующим средством, могут быть выбраны из песка, цемента, камней, пластификаторов, суперпластификаторов, уменьшающих количество воды веществ, уменьшающих или увеличивающих количество воздуха веществ, двуокиси кремния, шлаковой золы, зольной пыли, латекса, акриловых или полимеров других типов, перлита, вермикулита, гранул керамзита. За счет применения выбранных материалов в горячей смеси можно влиять на свойства дорожного покрытия в соответствии со специальным назначением этого дорожного покрытия.
В другом предпочтительном варианте выполнения в смесь добавляют армирующие волокна после того, как покрытые связующим средством и битумом заполнители стали не липкими. Поскольку пустоты в асфальтовом слое в конечной структуре заполняются суспензией на основе бетонного связующего средства со сверхвысокими параметрами, то предусмотренные в этой суспензии волокна увеличивают пластичность и целостность части, заполненной суспензией на основе бетонного связующего средства со сверхвысокими параметрами, готовой структуры дорожного покрытия. Поскольку волокна добавляют после полного покрытия битума связующим средством, то волокна являются, по существу, не связанными в готовой сухой смеси.
Изобретение относится также к самому материалу, так что сухой гранулированный материал дорожного покрытия, изготовленный в соответствии с любым из указанных выше вариантов выполнения, также входит в данное изобретение.
Использование нового сухого гранулированного материала согласно изобретению также входит в объем данной заявки. Поэтому данная заявка относится также к способу нанесения дорожного покрытия из асфальта сверхвысокой прочности на подушку, при этом используется гранулированный материал согласно п. 4 формулы изобретения, при этом способ содержит следующие стадии:
- смешивания гранулированного материала дорожного покрытия с водой с целью создания разливаемой смеси для дорожного покрытия;
- укладки, распределения и выравнивания смеси дорожного покрытия;
- выравнивания и уплотнения смеси дорожного покрытия;
- застывания и затвердевания смеси дорожного покрытия.
Поскольку используется сухой материал, то этот материал легко хранить и транспортировать, так что подготовку материала, т.е. перевод сухого гранулированного материала в разливаемую смесь дорожного покрытия, можно осуществлять в любом подходящем месте. После добавления воды в сухой гранулированный материал дорожного покрытия материал становится разливаемым, т.е. становится по консистенции сравнимым с обычным бетоном. В зависимости от пластификаторов, количества связующего средства и количества воды вязкость разливаемой смеси дорожного покрытия можно регулировать в широких пределах. Кроме того, в зависимости от вязкости разливаемой смеси дорожного покрытия можно использовать различные способы для укладки, распределения и выравнивания смеси дорожного покрытия. Там где желательны очень текучие смеси дорожного покрытия, там укладку, распределение и выравнивание можно выполнять вручную, или же в некоторых случаях смесь дорожного покрытия является настолько текучей, что она выравнивается почти самостоятельно.
В других случаях необходимо физическое воздействие на смесь дорожного покрытия, так что можно использовать машины для укладки, распределения и выравнивания смеси дорожного покрытия. Для этого типа материалов можно выполнять уплотнение смеси дорожного покрытия с помощью любого обычного средства, и после выравнивания и уплотнения смеси можно выполнять стадии, сравнимые со стадиями, необходимыми для затвердевания бетона, так что готовую смесь дорожного покрытия после ее укладки, распределения, выравнивания и уплотнения оставляют для застывания и затвердевания в контролируемых условиях окружения для обеспечения возможно лучшего качества дорожного покрытия.
В другом предпочтительном варианте выполнения способа нанесения асфальтового дорожного покрытия сверхвысокой прочности на подушку стадию смешивания сухого гранулированного материала с водой выполняют с помощью одного из следующих средств:
- бетонная дозаторная установка;
- небольшой барабанный смеситель;
- смеситель свободного падения;
- смеситель плоского типа;
- грузовой автомобиль дозирования бетона,
или другое подходящее обычное средство для смешивания бетона.
Хотя эти средства являются обычными применительно к бетону, большим преимуществом способа нанесения асфальтового дорожного покрытия сверхвысокой прочности является возможность использования обычных средств для смешивания битумной структуры дорожного покрытия, поскольку такое оборудование хорошо известно и широко распространено, и поэтому не требуются специалисты или специально сконструированное оборудование, а можно выполнять способ, по существу, хорошо известным образом.
Это отражается также в следующем предпочтительном варианте выполнения, в котором стадию укладки, распределения и выравнивания смеси дорожного покрытия выполняют с помощью одного их следующих средств:
- асфальтоукладчика;
- бетоноукладчика;
- вибрационного оборудования;
- прямых кромок и ручной работы.
Поскольку смесь является асфальтовым дорожным покрытием и бетонным дорожным покрытием, то можно использовать машины для укладки материалов этого типа, когда вязкость материала такова, что она пригодна для использования любого из укладчиков этого типа. Выравнивание частично выполняется укладчиками, но может выполняться дополнительно с использованием обычного вибрационного оборудования, поскольку суспензия связующего средства сверхвысокой прочности проявляет те же способности растекания, что и обычный бетон под действием вибрации. Кроме того, выравнивание можно выполнять старым способом с использованием прямых кромок и ручной работы.
Стадию выравнивания и уплотнения смеси дорожного покрытия можно также выполнять в другом предпочтительном варианте выполнения с помощью одного из следующих средств:
- дорожных катков;
- разравнивающих машин или ручных гладилок;
- затирочных машин;
- других способов,
так что поверхность становится гладкой или получает структуру, препятствующую проскальзыванию.
Кроме того, стадия застывания и затвердевания смеси может включать одно или несколько следующих действий:
- нанесение жидкой мембраны для затвердевания на верхнюю поверхность дорожного покрытия;
- нанесение пленки или мембраны для затвердевания;
- воздействие теплом на структуру дорожного покрытия во время затвердевания.
Для этих вариантов выполнения, а также для указанных выше вариантов выполнения общим является то, что характеристики разливаемой смеси дорожного покрытия являются такими, что можно применять обычное оборудование, используемое для заливки бетона или укладки асфальта, для новой и имеющей изобретательский уровень смеси дорожного покрытия согласно данному изобретению. Характеристики смеси дорожного покрытия можно регулировать посредством добавления различных добавок, воды, песка, камня и т.д., так что специалист в данной области техники может выбирать наиболее подходящие средства для нанесения, выравнивания, уплотнения и т.д. в зависимости от консистенции и свойств смеси дорожного покрытия, подлежащей обработке.
В другом предпочтительном варианте выполнения на подушке располагают один или несколько усиливающих слоев перед укладкой разливаемой смеси дорожного покрытия, так что усиление будет расположено в готовом слое дорожного покрытия. В этой дополнительной стадии способа используют то, что материал связующего средства сверхвысокой прочности, который присутствует между покрытым битумом песком и каменными частицами, достигает такой прочности, что можно использовать усиление, размещенное в слое материала дорожного покрытия, так что слой дорожного покрытия может проявлять конструктивные свойства, за счет чего используются также способность слоя передавать нагрузки. Способности передавать нагрузки сильно улучшаются, когда растягивающие усилия могут передаваться в усиление, специально предназначенное для восприятия напряжений этого типа.
Для обеспечения дополнительной пластичности структуры дорожного покрытия во время смешивания добавляют волоконное усиление, т.е. когда добавляют воду в сухую смесь слоя дорожного покрытия, расположенного на подушке, перед укладкой разливаемой смеси дорожного покрытия.
В способах согласно уровню техники слой асфальта обычно наносят после распределения содержащего связующее средство в виде суспензии и проникновения в асфальтовый слой, за счет чего содержащая связующее средство суспензия, по существу, заполняет более или менее пустоты в асфальтовом слое. Однако согласно данному изобретению, когда суспензия/раствор является интегральной частью и находится в тесном контакте с частицами битума и асфальта, пустот нет, но пространства между отдельными частицами заполнителей асфальта заполняются интегральным раствором.
Таким образом, с помощью нового и имеющего изобретательский уровень способа подготовки сухого материала, а также самого сухого материала и способа нанесения дорожного покрытия сверхвысокой прочности на подушку достигается несколько преимуществ. Среди преимуществ можно упомянуть обеспечение очень высокой прочности на сжатие и прочности на растяжение и изгиб по сравнению с обычным асфальтом или указанными выше способами согласно уровню техники, где используют двухступенчатый процесс для нанесения содержащей связующее средство суспензии на асфальтовую часть, за счет чего обеспечивается полугибкое поверхностное покрытие.
Кроме того, обеспечивается очень большая гибкость по сравнению с обычными смесями на основе бетона или цемента за счет того, что присутствие битума обеспечивает относительно большие перемещения, прежде чем дорожное покрытие разрушается. Дополнительно к этому можно регулировать модуль упругости в соответствии с конкретными потребностями. Например, за счет подачи большего количества материалов, содержащих бетонное связующее средство со сверхвысокими параметрами, в смесь можно достигать более высоких модулей упругости. С другой стороны, предусмотрение большего количества битума обеспечивает материал дорожного покрытия, имеющий более низкий модуль упругости.
В обычных бетонных структурах необходимо предусматривать расширительные стыки, а также усиление для распределения трещин, в то время как асфальт сверхвысокой прочности согласно изобретению можно использовать для дорожных покрытий без расширительных стыков, усилительных матов, усилительных волокон за счет того, что комбинация битума и бетона сверхвысокой прочности обеспечивает пластичность дорожного покрытия без образования трещин. Это достигается также за счет того, что усилия ползучести в асфальте сверхвысокой прочности существенно уменьшаются, так что силы, возникающие при усадке и ползучести, не должны передаваться на длинные расстояния, а могут улавливаться на границах между битумом и связующими средствами.
Специфичным свойством асфальта сверхвысокой прочности является то, что все заполнители, такие как наполнители, песок и камни, покрываются тонким или толстым слоем битума в зависимости от желаемых свойств. Толщина слоя определяется в начальных стадиях приготовления смеси после нагревания каменных и песочных заполнителей и нанесения битума. Характеристиками можно также управлять посредством нанесения (напыления) тонкого или толстого слоя связующего средства сверхвысокой прочности на все битумные поверхности на всех заполнителях и наполнителях в резервуаре смешивания. Таким образом, когда добавляют воду, то конечная структура дорожного покрытия имеет большее или меньшее содержание бетона в зависимости от толщины слоя связующего средства, нанесенного на заполнители.
Как указывалось выше, поверхность покрытых битумом заполнителей является сухой, поскольку битум полностью покрыт сухими веществами, такими как связывающие средства, песок или т.п., за счет чего его можно хранить без потери свойств. Лишь когда смесь смешивают с водой, она становится мокрой и разливаемой и проявляет комбинированные характеристики как бетонной части, так и асфальтовой части.
2
Первые испытания системы показали, что прочность на сжатие асфальта сверхвысокой прочности можно регулировать так, что она находится в диапазоне 3-65 Н/мм в зависимости от состава и структуры смеси. Ниже приведено несколько примеров состава смесей внутри этого диапазона.
Другое преимущество асфальта сверхвысокой прочности заключается в том, что его можно использовать для конструктивных целей, как указывалось выше, в отличие от обычных асфальтовых или битумных материалов.
Примеры состава
Состав 1
28,00% Песок двуокиси кремния 0-4 мм
17,00% Заполнители 5-8 мм
24,00% Заполнители 8-16 мм
5,40% Битум В60
2,60% Наполнитель
23,00% Связующее средство
100,00% Асфальт сверхвысокой прочности
30,00% Вода связующего средства
Состав 2
72,30% Заполнители 5-11 мм
3,30% Битум В90
3,00% Наполнитель
13,10% Связующее средство
8,30% Песок двуокиси кремния 0-2 мм
100,00% Асфальт сверхвысокой прочности
30,00% Вода связующего средства
Состав 3
54,00% Заполнители 8-11 мм
2,40% Битум В60
3,60% Наполнитель
15,00% Связующее средство
25,00% Песок двуокиси кремния 0-4 мм
100,00% Асфальт сверхвысокой прочности
30,00% Вода связующего средства
Состав 4
46,30% Заполнители 11-16 мм
2,05% Битум В60
0,10% Волокна целлюлозы
3,15% Наполнитель
17,10% Связующее средство
31,40% Песок двуокиси кремния 0-4 мм
100,00% Асфальт сверхвысокой прочности
30,00% Вода связующего средства
Испытания на прочность сжатия, проведенные с указанными выше составами, показали, что увеличение содержания битума уменьшает прочность и модуль упругости, а увеличение содержания связующего средства увеличивает прочность сжатия и модуль упругости. Используемый битум был обычным горячим битумом, а связующее средство было связующим средством на основе цемента высокой прочности.
Все проценты относятся к весовым.
Все лабораторные испытания проводились при смешивании битума и заполнителей или же битума, заполнителей и песка двуокиси кремния при температуре 100°С и добавления сухого связующего средства в горячую смесь с температурой свыше 60°С. После охлаждения до температуры менее 40°С всю смесь смешивали с водой и заливали для целей испытаний.
В других испытаниях смеси в соответствии с указанными выше составами смешивали и хранили под открытым небом при окружающих температурах. В сентябре - октябре температура составляла между 2°С и 18°С. Смеси были экранированы от прямого солнечного света и закрыты от дождя во время хранения. После хранения, по меньшей мере, в течение 14 суток, смеси внесли в обычный укладчик и распределяли на испытательном поле, на котором была подготовлена стандартная дорожная подушка.
После нанесения смесей позволяли воде проникать в пустоты в дорожном покрытии. Мембрана затвердевания (пластмассовая пленка) была нанесена приблизительно на половину площади каждой зоны испытания, в то время как другая половина оставалась непокрытой.
Испытательные зоны оставляли затвердевать, и каждые 6 часов брали испытательные пробы (испытательные образцы) из каждой половины каждой испытательной зоны. Пробы инспектировали визуально и сравнивали с пробами обычных полугибких дорожных покрытий с целью оценки целостности, распределения пустот и заполнителей и, наконец, определяли прочности при сжатии с изгибом. Результаты показали, что нет существенных различий между покрытыми и непокрытыми испытательными полями и что прочность была сравнима с обычными полугибкими дорожными покрытиями. Слегка более высокая прочность сжатия была зарегистрирована по сравнению с обычными полугибкими дорожными покрытиями, имеющими соответствующие составы.
На этом основании был сделан вывод, что нет ухудшения конечной структуры дорожного покрытия за счет использования новых составов и способом согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
На чертежах изображено:
фиг. 1 - композитная система;
фиг. 2 - часть системы согласно фиг. 1 в увеличенном масштабе.
Подробное описание изобретения
На фиг. 1 и 2 показан разрез смеси частиц, в которой, в данном примере, заполнители в виде камней 2 покрыты битумным слоем 1. За счет липкой консистенции битумного слоя 1 он прилипает к каменному или песочному заполнителю 2, и когда добавляют сухое связующее средство, например, в виде цемента и/или микроскопической двуокиси кремния, то связующее средство при применении в достаточных количествах покрывает всю поверхность покрытых битумом частиц 1, 2, как обозначено позицией 3. Мелкие частицы между более крупными заполнителями могут быть покрыты битумным слоем или сухим связующим средством в пространствах между более крупными заполнителями в зависимости от времени добавления этих частиц в процессе смешивания. При смешивании с горячим битумом они покрываются битумным слоем, при добавлении связующего средства они покрываются сухим порошком.
На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе система покрытых битумом заполнителей 1, и покрывающее битум связующее средство 3, и мелкие песочные заполнители 4 между крупными заполнителями 2. Небольшой покрытый битумом заполнитель 5 замешан внутрь связующего средства 3.