Состав фибросодержащего композиционного материала для изготовления асфальтобетонного покрытия
COMPOSITION OF FIBROUS COMPOSITE MATERIAL FOR MAKING ASPHALT CONCRETE COATING

Изобретение относится к сфере дорожно-строительных смесей и может быть использовано для создания современных асфальтобетонных материалов для устройства дорог.
Важными составляющими частями любой асфальтобетонной смеси являются состав группы наполнителей, которая содержит, как правило – щебень, песок, минеральный порошок: (RU №2560364, RU №2351561, RU №2310621, RU № 2182136, RU №2351703, авторское свидетельство SU №261236), а также состав группы вяжущего.
Асфальтобетонные смеси в зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке покрытия на дороге подразделяют на горячие и холодные. Интерес для заявляемого решения представляют холодные смеси, приготавливаемые с использованием нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не ниже +5°С, так как они гораздо дешевле остальных смесей и применяются в широком диапазоне климатических и географических широт практически круглый год, за исключением 2-3 месяцев самого холодного сезонного периода в зависимости от региона применения смесей.
Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий известны вяжущие, представленные одним видом горячего битума: см. ГОСТы, а также ряд изобретений из названных выше патентных документов - RU №2310621, RU № 2182136, RU №2351703, авторское свидетельство СССР №261236 и др.
Известны составные горячие вяжущие в асфальтобетонных смесях, в которые входят жидкие или вязкие битумы с различными модифицирующими добавками - моторное масло (патенты: RU № 2623748, RU № 2625353), нефтяной шлам (патент RU № 2535325), стабилизированное вяжущее, содержащее наряду с эпоксидной смолой полиэтиленполиамин, дивинилстерольный термопласт и талловое масло (патент RU №2647740). Такие добавки вводятся в битум для корректировки не только его свойств, но и будущего дорожного покрытия, а именно расширения температурного интервала работоспособности асфальтобетонного покрытия, понижения хрупкости, повышения параметров трещиностойкости.
Недостатками представленных выше смесей является не просто увеличивающееся количество компонентов в каждой из них, но и необходимость использования специального оборудования для их соединения с учетом сложных свойств некоторых из них. Как следствие, увеличение трудозатрат влечёт добавление стоимости изготавливаемой смеси.
Особый интерес представляют все нижеописанные составы для асфальтобетонного покрытия с волокнистыми наполнителями, которые позволяют получить армированные асфальтобетоны, обладающие повышенной устойчивостью в отношении образования деформаций и получение без включения в состав воды, с использованием нагрева наполнителей и использования горячих битумов.
Известен состав асфальтобетонной смеси (патент RU №2156227), содержащий минеральный порошок с грубыми базальтовыми волокнами, каменные материалы и битум. Длина базальтовых волокон составляет 2-40 мм, диаметр 150-200 мкм в количестве 0,8-1,1 % от массы минеральных материалов.
Недостатком представленного выше состава смеси является отсутствие, как оказалось, однородного распределения длинных базальтовых волокон в асфальтобетонной смеси (при длине нарезки с размерами в верхней части диапазона ≈ 20 мм и выше в последнем цитированном выше патенте), что приводит к образованию запутанных нитей, комьев в смеси и ухудшению свойств полученного асфальтобетонного покрытия.
Известен также состав асфальтобетонной смеси (патент RU №2345967), содержащий щебень, битум 4,5÷7% от массы щебня, соляровое масло 20÷25% от массы битума, жирная органическая кислота 8÷16% от массы битума, полиэтиленполиамин 5÷12% от массы битума, наномодифицированная базальтовая микрофибра 1÷3% от массы битума, целлюлозная микрофибра 3÷5% от массы битума.
Известен также состав смеси для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN 1908069), включающий минеральный наполнитель на основе известняка, битум и полое или пористое полимерное волокно с особой сложной формой поперечного сечения в количестве 0,1-0,5% от всей смеси. Полимерное волокно представлено волокном на основе сложного полиэфира, ПАН-волокном или композициями из этих волокон.
Однако формирование сложной формы поперечного сечения волокна дополнительно удорожает процесс получения асфальтобетонной смеси без заметного улучшения свойств покрытия.
Известен также состав фибродобавки в асфальтобетонную смесь (патент CN 101798196), содержащий группу волокон: 15-35% волокна на основе сложного полиэфира, 35-55% древесного волокна, 15-35% ПАН волокна и 15-35% нейлонового волокна. Общее содержание армирующей добавки составляет 0,3-0,6% от массы смеси.
Однако используемая в вышеописанном патентном документе смесь волокон содержит волокна из материалов, которые резко ограничивают температуру процесса получения асфальтобетонной смеси, так как температура их плавления или разложения гораздо ниже, чем температура приготовления большинства асфальтобетонов, обычно составляющая порядка 160°C. Тем самым, применение фибродобавки смешанного состава становится невозможным либо малоэффективным.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является состав для асфальтобетонной смеси (патент RU 2465231), который содержит щебень, мелкий заполнитель, минеральный порошок, а также битумное вяжущее и армирующий волокнистый наполнитель при следующем соотношении компонентов, мас.%: щебень - 30-70, мелкий заполнитель - 10-65, минеральный порошок - 5-40, битумное вяжущее - 3-15 (сверх 100% от минерального материала), 0,1-0,15 мас.% ПАН-фибры и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала). В качестве углеродного волокна смесь содержит мелконарезанные углеродные волокна длиной от 3 до 40 мм и со средним диаметром 20-22 мкм из непрерывного углеродного волокна.
Недостатком ближайшего аналога является слабое адгезионное взаимодействие на границе раздела волокна и битума из-за отсутствия химических связей связующего с наполнителем, что приводит к некоторому снижению прочностных характеристик асфальтобетонной смеси.
Задачей заявляемого изобретения является получение состава холодной смеси для приготовления асфальтобетонных покрытий с варьируемыми свойствами в зависимости от сезонности и других условий эксплуатации, придающими асфальтобетону повышенную устойчивость к транспортным нагрузкам и к влиянию климатических факторов.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что состав фибросодержащего композиционного материала для изготовления асфальтобетонного покрытия включает горячие, нагретые до температуры 140-180°С щебень, песок, минеральный порошок, органическое вяжущее с температурой 110-160°С и армирующий материал, %:
щебень
20-60
минеральный порошок
4-12
органическое вяжущее
4-12
армирующий материал в составе пары из
базальтового волокна плотностью 54-240 текс
с длиной нарезки 12-18 мм совместно с
полиакрилонитрильным волокном плотностью
0,17-0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм
0,07-0,6
песок
остальное,
при этом органическое вяжущее - составное из двух видов битумов
нефтяных дорожных вязких, в % от общего количества вяжущего в смеси:
одной из марок: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с
85-95
битумом одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200
5-15,
а базальтовое волокно в паре с полиакрилонитрильным волокном при следующем соотношении от общего количества армирующего материала в смеси, %:
полиакрилонитрильное волокно
60-95
базальтовое волокно
5-40
Технический результат заявляемого изобретения
Применение горячего вяжущего в виде пары битумов вязких нефтяных дорожных, составленных каждая из одной марки: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200 с разной пенетрацией, причём в сочетании и с составным армирующим материалом, состоящим из базальтового волокна плотностью 54-240 текс с длиной нарезки 12-18 мм совместно с ПАН-волокном с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм, является отличительной особенностью предложенного состава смеси. Сочетание любой из составленных Заявителем пар битумов, представленных выше, с парой базальтового и ПАН-волокна названных видов плотности и нарезки одновременно в одной смеси не известно. Набор всех компонентов безводной заявляемой асфальтобетонной смеси среди описанных в литературе и применяемых в промышленности в заявляемых диапазонах концентраций также ранее не описывался и не применялся.
Именно перечисленные выявленные отличия заявляемой смеси обеспечивают решение поставленной в изобретении задачи.
Последующее изложение материала изобретения выполнено с использованием таблицы 1, в которой представлены результаты испытаний асфальтобетонного материала композита «битум – волокно», проводившиеся при температурах 0°С, 25°С и 50°С.
Проведенные Заявителем исследования по подбору оптимальных количеств входящих в вяжущее битумов и сравнению с существующими композициями вяжущего показали преимущества заявляемого вяжущего в безводной асфальтобетонной смеси. Любая из полученных пар битумов, эмпирически подобранных Заявителем, марок БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок БНД 200/300, БНД 130/200 с разной пенетрацией оптимально решают задачу смачивания и образования битумной пленки на поверхности минеральных элементов и волокон в объёме фибросодержащей асфальтобетонной смеси. Устраняется и проблема образования комков в смеси, что было стойким браком при применении обычных неподготовленных специальной обработкой фиброматериалов, например, без вспушивания волокон.
Выбор составного армирующего материала в заявляемом изобретении осуществлен из технико-химических соображений по пути нахождения оптимальных видов фиброволокона – базальтового и ПАН-волокна. Базальтовое волокно обладает устойчивостью к химическим компонентам, а именно к щелочам и устойчивостью к воздействию низких температур. Рубленое базальтовое волокно выдерживает перепады температуры от -260°С до 600°С и не впитывает воду. А свойства ПАН-волокна характеризуются высоким модулем эластичности, высокой адгезией, устойчивостью к действию щелочей и высокой термостойкостью. Вместе они дополняют незаменимые свойства друг друга, которые наилучшим образом проявляются у одного в одни сезонные периоды, а у второго - в другие.
Одну из ключевых ролей в обеспечении прочности армированного фиброй асфальтобетона играет адгезионная прочность соединения «волокно-битум» в модели композиционного материала. В ходе проведения Заявителем исследования значения силы разрушения образцов асфальтобетона определялось количество необходимой силы для выдергивания волокна из отвержденной матрицы при постоянной глубине заделки. Результаты испытаний композита «битум – волокно», проводившиеся при температурах 0°С, 25°С и 50°С представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Зависимость усилия F от температуры испытаний
Волокно
Температура, °С
F, Н
Примечание
ПАН-нить
50
0,5 - 1
Нить покрыта битумом
25
25 - 35
Нить покрыта битумом
0
130 – 145
Нить разрушилась
Базальтовая нить
50
0,5 - 1
Нить покрыта битумом
25
18 – 25
Нить покрыта битумом
0
270 – 330
Нить разрушилась
На основе анализа полученных данных можно сделать заключение, что взаимодействие на границе раздела «битум – волокно» в выбранном диапазоне температур имеет различные механизмы, что связано с изменением вязкости битума и его поверхностной энергии. При температуре  +50°С ПАН-фибра и базальтовая фибра, как армирующие элементы, ведут себя одинаково. Следовательно, упрочнение асфальтобетона существенно зависит от качества битума – температуры размягчения - чем выше температура размягчения битума, тем более эффективным оказывается армирование волокнами. При температуре испытаний +25°С силы когезии и адгезии битума с волокнами начинают конкурировать, при этом возрастают силы вытягивания волокон из матрицы, что говорит о возможности реального упрочнения асфальтобетона волокнами. При этом оказывается, что в этой роли ПАН-волокна предпочтительней базальтовых волокон, так как они лучше смачиваются битумом и, соответственно, формируют лучший адгезионный контакт. При нулевой температуре и ниже существенно возрастает когезия битума и межфазное взаимодействие между битумом и волокном. В этом случае определяющую роль играет прочность волокон. Как видно из таблицы 1 в этом температурном диапазоне предпочтительней оказывается армирование базальтовыми волокнами, так как их прочностные характеристики значительно выше, чем у ПАН-волокон.
В ходе испытаний заявляемого технического результата был приготовлен состав асфальтобетонной смеси, в которой в качестве материалов использовались:
- щебень гранитный Потаповского карьера Ростовской области и известняковый щебень Жигулёвского карьера Самарской области фракций от 5 мм до 10 мм, св. 10 мм до 15 мм, св. 15 мм до 20 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 9128-2013, ГОСТ 31015-2002;
- известняковый минеральный порошок Озинского завода Саратовской области, соответствующий требованиям ГОСТ Р 52129-2003;
- речной песок производства ОАО «Саратовское речное транспортное предприятие», соответствующий требованиям ГОСТ 8735-88, ГОСТ 8736 – 2014, ГОСТ 9128;
- 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.
Состав асфальтобетонной смеси компонентов включал:
щебень – 45,3%;
песок – 45%;
минеральный порошок – 4,5 %;
вязкий битум БНД 60/90 – 4,32%;
вязкий битум БНД 130/200 - 0,48%;
ПАН-волокно – 0,28%;
базальтовое волокно – 0,12%.
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, 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.