Состав композиционного материала для изготовления асфальтобетонного покрытия
Composition of composite material for the manufacture of asphalt concrete 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 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.
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.
Известны также российские использования регенерированного асфальта, изложенные более подробно ниже.
Известна асфальтобетонная смесь, описанная в патенте RU на изобретение №2460703. Смесь содержит битум, щебень, природный и дроблёный песок и минеральный порошок. В качестве последнего она содержит кеки - отходы производства цветных металлов и известняковую муку в соотношении от 1:2,3 до 1:1,5. Соотношение компонентов в смеси следующее, мас.%: нефтяной битум - 5,2-5,7, щебень - 19,0-23,5, отсев дробления - 47,2-52,1, песок природный - 17,9-19,0, минеральный порошок - 4,7-5,7.
Известен также состав полимерного асфальта из фрезерованного старого асфальтобетона, описанный в патенте RU на изобретение №2702434. Состав включает снятый с верхней части дорожного покрытия асфальтобетон, нагретый до 40-60°С, вяжущее 0,5-5%, включающее дизельное топливо и модификатор. Модификатор содержит дивинилстирольный термоэластопласт, масло теплоноситель АМТ-300, полиэтиленполиамин, смесь жирных кислот растительных масел, включающая, в том числе, олеиновую кислоту.
Недостатком описанного выше технического решения 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 сверх минимально необходимых компонентов дополнительно обладает стоимостью.
Известно также решение - патент №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.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является состав, описанный в патенте RU на изобретение №2713015.  Он включает, %: щебень 20-60, минеральный порошок 4-12, органическое вяжущее 4-12, армирующий материал 0,07-0,6, песок - остальное. При этом армирующий материал представлен совокупностью базальтового волокна плотностью 54-240 текс с длиной нарезки 12-18 мм в количестве 5-40% от общего количества армирующего материала и полиакрилонитрильного волокна (ПАН) плотностью 0,17-0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм в количестве 60-95% от общего количества армирующего материала. Органическое вяжущее является составным из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси: битум одной из марок: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 - 85-95 совместно с битумом одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200 - 5-15.
Однако в данном асфальтобетонном составе учтены не все возможности улучшения физико-химических параметров, а также экологических и других показателей.
Задачей заявляемого изобретения является улучшение водостойкости, прочностных эксплуатационных характеристик получаемого покрытия: сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, трещиностойкости и повышении экологичности среды.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что состав  композиционного материала для изготовления асфальтобетонного покрытия, включающий: составное вяжущее из одного битума первого ряда - БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с одним из битумов второго ряда - БНД 200/300, БНД 130/200 с преобладанием в вяжущем битума первого ряда; составной армирующий фиброматериал из полиакрилонитрильного (ПАН) и базальтовых волокон с преобладанием в фиброматериале ПАН волокна; минеральный порошок, песок, характеризующийся тем, что он представлен следующими составляющими в их % соотношении:
регенерированный дроблёный асфальтобетон и минеральный порошок, сформированный из частиц с размером не более 1,25 мм регенерированного дробленого асфальтобетона, и составляющий 10-20% от количества последнего
24-25
составное вяжущее, в котором битумы первого и второго рядов представлены следующим образом: битум первого ряда - 85-95%, второго ряда - 5-15%
4-8
олеиновая кислота
0,2-0,6
составной армирующий фиброматериал, в котором ПАН 60-95%, базальтового волокна - 5-40%
0,15-0,7
песок
остальное
Новизна заявляемого решения в сравнении с наиболее близким аналогом заключается в нетривиальном наборе компонентов, включающем не только группы активирующих элементов, но и отработанный регенерированный асфальтовый материал, не только в качестве наполнителя, но и в качестве активно действующего компонента, а именно минерального порошка. Последний получен не из традиционного известнякового материала, а из самых мелко дроблёных частиц регенерированного асфальтобетона - фракции, с размером не более 1,25 мм. Отличием заявляемого решения является и полное отсутствие щебня в смеси, которое компенсируется присутствием старого отработанного асфальта, играющего роль одного из двух наполнителей в смеси, другой наполнитель (традиционный) - песок.
Входящий в большинство применяемых составов промышленно выпускаемый минеральный порошок является одним из наиболее дорогостоящих и дефицитных компонентов асфальтобетонной смеси.
Технический результат - улучшение физико-механических свойств асфальтобетона на основе нового состава смеси, которая содержит: 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…».
Кроме того, технический результат заключается в ряде преимуществ - повышение влагостойкости, сдвигоустойчивости, стойкости к колееобразованию, трещиностойкости получаемой асфальтобетонной смеси и повышении экологичности окружающей среды.
Технический результат получен признаками с отличиями, заключающимися во введении поверхностно-активного компонента - олеиновой кислоты, в замене щебня на рекомендуемое количество регенерированного асфальтобетона, в замене традиционных минеральных порошков на новый - собственного получения из регенерированного асфальтобетона, а также в новых соотношениях компонентов частью использованных в наиболее близком аналоге.
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); Na2О (2,7-7,5); KО (2,5-7,5); PO (не более 0,5); SO (не более 0,5); прочие породы (не более 5);
- ПАН-волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм;
- регенерированный дроблёный асфальтобетон;
- минеральный порошок, полученный из части регенерированного асфальтобетона путем размола любым существующим современным способом, например, на шаровой мельнице до величины частиц не более 1,25 мм.
Для обработки фиброволокна применяли разработанный в Поволжском учебно-исследовательском центре «Волгодортранс» ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» опытный образец установки для производства композиционных фибросодержащих асфальтобетонных смесей, которая позволяет подготовить волокнистые материалы (базальтовая, полиакрилонитрильная и др. виды фиброволокна) для введения их в состав асфальтобетонных смесей с целью армирования и увеличения показателей физико-механических свойств и долговечности дорожных покрытий. В состав установки входит устройство для вспушения (расщепления) фиброволокна и устройство для его вдувания в смеситель асфальтобетонного завода.
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.
Пример 1
В соответствии с заявляемым изобретением был получен оптимальный состав (обозначен №1), в котором процентное соотношение компонентов было следующим:
олеиновая кислота - 0,6 %;
регенерированный дроблёный асфальтобетон - 40%;
минеральный порошок, сформированный из части регенерированного    асфальтобетона фракции с размером частиц не более 1,25 мм - 20 % от регенерированного асфальтобетона, содержащегося в составе; В пересчете на процент от всего состава - 8%;
составное вяжущее - 8%;
составной армирующий фиброматериал в составе базальтового волокна плотностью 120 текс с длиной нарезки 15 мм и полиакрилонитрильного волокна плотностью 0,47 текс с длиной нарезки 12 мм - 0,7%, при этом базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокно бралось при следующем соотношении от общего количества составного армирующего фиброматериала в смеси:
полиакрилонитрильное волокно - 60%;
базальтовое волокно - 40%;
песок -  остальное.
Составное вяжущее - из двух видов битумов нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего, а именно
вязкий битум марки БНД 40/60 при температуре 160°С - 95% и
вязкий битум марки БНД 130/200 при температуре 140°С - 5%.
Таблица 1
<b>Состав применённого асфальтобетонного материала</b>
<b>Предел прочности на сжатие, МПа, при</b><b>температуре</b>
<b>Водостойкость</b>
<b>Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50°С, МПа</b>
<b>Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения</b>
<b>Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С, МПа</b>
<b>Средняя скорость образования колеи при температуре 50°С, нагрузке на колесо  0,6 МПа, мм/10000 проходов  колеса</b>
<b>50°С</b>
<b>20°С</b>
Образец состава №1
8,0
2,6
0,98
0,90
0,98
7,2
0,24
Образец состава №2, полученный в соответствии с наиболее близким аналогом (патент RU 2713015)
7,0
2,5
0,95
0,72
0,93
6,1
0,3
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 (наиболее близкого аналога).
Из приведенных результатов видно, что образец №1 обладает более высокой сдвигоустойчивостью и более низкой скоростью к колееобразованию при повышенной температуре, а также более низкой трещиностойкостью при пониженной температуре в сравнении с наиболее близким аналогом. Данные показатели характеризуют в совокупности более высокую устойчивость к внешним нагрузкам у полученного в соответствии с заявляемым изобретением образца.
Примеры 2-7
Представлено влияние количества олеиновой кислоты в заявляемом составе на технический результат. Были изготовлены образцы покрытий различного состава, для которых определены показатели, что и в Таблице 1. Результаты измерений представлены в Таблице 2.
Таблица 2
Состав образцов для сравнительных испытаний
Регенерированный дроблёный асфальтобетон - <b>30%</b>Минеральный порошок - 10% (от регенерированного дроблёного асфальтобетона) или <b>3% от состава композиционного материала</b>Органическое вяжущее -<b> 8%</b>Составной армирующий фиброматериал из базальтового волокна плотностью 120 текс с длиной нарезки 15 мм и полиакрилонитрильного волокна плотностью 0,47 текс с длиной нарезки 12 мм - <b>0,34%</b>Песок - остальноеПри этом базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокно при следующем соотношении от общего количества армирующего материала в смеси:полиакрилонитрильное волокно - 75%базальтовое волокно - 25%
Состав органического вяжущего - составленного из двух видов нефтяных битумов дорожных, в % от общего количества органического вяжущего в смеси, количество олеиновой кислоты
<b>Предел прочности на сжатие, МПа, при</b><b>температуре</b>
<b>Водостойкость</b>
<b>Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50°С, МПа</b>
<b>Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения</b>
<b>Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0</b><sup><b></b></sup><b>°С, МПа</b>
<b>Средняя скорость образования колеи при температуре 50°С, нагрузке на колесо  0,6 МПа, мм/10000 проходов  колеса</b>
20°С
50°С
БНД 40/60 -90%БНД 130/200-10%олеиновая кислота - 0,5%
7,4
3,2
0,99
0,65
0,98
6,5
0,21
БНД 60/90 -90%БНД 130/200-10%олеиновая кислота - 0,4%
7,3
3,2
0,98
0,64
0,97
6,4
0,22
БНД 90/130-90%БНД 130/200-10%олеиновая кислота - 0,4%
7,2
3,1
0,97
0,64
0,96
6,3
0,22
БНД 40/60 -90%БНД 200/300-10%олеиновая кислота - 0,3%
7,3
3,2
0,98
0,62
0,97
6,4
0,21
БНД 60/90 -90%БНД 200/300-10%олеиновая кислота - 0,3%
7,2
3,1
0,97
0,62
0,96
6,3
0,22
БНД 90/130-90%БНД 200/300-10%олеиновая кислота - 0,2%
7,2
3,1
0,97
0,61
0,96
6,2
0,22
Из приведенных значений можно сделать вывод, что различные составы обладают: высоким пределом прочности и сдвигоустойчивостью, а также низкой скоростью к колееобразованию при повышенной температуре и низкой трещиностойкостью при пониженной температуре.
Данные результаты из Таблицы 1 и Таблицы 2, в свою очередь, подтверждают также наличие у заявляемого материала устойчивости к влиянию климатических факторов, таких как повышенная влажность, действие повышенных и пониженных температур.