Фибросодержащая смесь для дорожного покрытия
FIBROUS-CONTAINING MIXTURE FOR PAVING

Изобретение относится к сфере дорожно-строительных материалов и может быть использовано в дорожно-строительной отрасли для создания современных асфальтобетонных покрытий.
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 воды, укладываемые с температурой не ниже +5°С, так как они значительно дешевле остальных смесей и применяются в широком диапазоне климатических и географических широт практически круглый год, за исключением 2-3 неблагоприятных сезонных месяцев в зависимости от региона применения. Холодные смеси обладают тем преимуществом, что  они не требуют специального подогрева при укладке асфальта, чем снижают энергозатраты в дорожном строительстве. Их можно хранить на складах длительный период и перевозить на большие расстояния без риска потери качества или изменения потребительских свойств.
Важными составляющими частями любой асфальтобетонной смеси являются: состав группы наполнителей, которая содержит, как правило – щебень, песок, минеральный порошок (RU № 2240333, RU №2232841, RU №2447035, RU №2535325, авторское свидетельство SU № 1778100) и состав группы вяжущего.
Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий известны вяжущие, представленные одним видом битума, например, вяжущее из выше названного патента (RU №2232841) и другие.
Среди групп вяжущих в составах материалов для изготовления асфальтобетонных покрытий интерес представляют составные вяжущие, в которые входят жидкие или вязкие битумы с различными модифицирующими добавками:
патент RU № 2535325 - с нефтяным шламом;
патент RU № 2601327 - c петролатумом;
патент SU № 729158 - с эмульгатором в виде смеси натриевых солей и едким натрием;
патент RU № 2183600 - c катионным реагентом "БИЭМ", соляной кислотой, хлоридом кальция, резиновым термоэластопластом РТЭП, фузой (фосфатидным концентратом);
патент RU № 2240333 - с катионным эмульгатором аминного типа, полимерной адгезионной добавкой, соляной кислотой;
патент RU № 2243949 - с катионным эмульгатором “БИЭМ”, поверхностно-активной добавкой КАДЭМ-ВТ, хлоридом кальция, соляной кислотой, неонолом (оксиэтилированным фенолоспиртом).
Такие добавки вводятся в битум для корректировки не только его свойств, но и будущего дорожного покрытия, а именно расширения температурного интервала работоспособности дорожного покрытия, понижения хрупкости, повышения параметров трещиностойкости или стойкости к образованию колеи.
Недостатками представленных выше смесей является увеличивающееся количество компонентов со сложными свойствами некоторых из них и, как следствие, добавление стоимости изготавливаемой смеси.
Небезразлична в асфальтобетонной смеси роль такого компонента для заявляемого решения, как вода, поскольку она влияет на качество смачивания компонентов. Поэтому привлечённые выше аналоги - водосодержащие битумно-минеральные смеси для дорожных покрытий.
Сфера применения холодных асфальтобетонных смесей предназначена не для самых высоких категорий дорог. Особый интерес представляют водосодержащие асфальтобетонные смеси для покрытий с волокнистыми наполнителями, которые позволяют получить армированные асфальтобетоны, обладающие устойчивостью в отношении образования пластических деформаций, вследствие чего повышается долговечность дорожных покрытий. Вследствие этого возможно расширить сферу применения данных холодных смесей даже с целью перевода категории полученного дорожного покрытия в сторону более высокого класса и качества дорог.
Известно использование в составе смеси для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN №101081725) волокнистого наполнителя, представляющего собой полиакрилонитрильное волокно (ПАН-волокно) 1,5-2,5 децитекс длиной 6 мм, добавляемого в количестве 0,2-0,3% от массы смеси на основе известняковой руды и шлака.
Известен также состав смеси для асфальтобетонного покрытия (патент на изобретение CN 1908069), включающий минеральный наполнитель на основе известняка и битума. Состав дополнительно содержит 0,1-0,5% полого или пористого полимерного волокна с особой сложной формой поперечного сечения. 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% волокон 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 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), ПАН-фибра - 0,1-0,15 (сверх 100% от массы минерального материала) и углеродное волокно - 0,01-0,15 (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.
Однако слабое адгезионное взаимодействие, как оказалось, на границе раздела волокна и битума из-за отсутствия химических связей связующего с наполнителем приводит к некоторому снижению прочностных характеристик асфальтобетонной смеси.
Задачей заявляемого изобретения является получение смеси с повышенными показателями сдвигоустойчивости, водостойкости и пределом прочности без повышения сложности получения смеси.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что фибросодержащая смесь для дорожного покрытия включает следующие компоненты при их соотношении, %:
щебень
20-60
минеральный порошок
4-12
вода
3-12
органическое вяжущее
4-12
полиакрилонитрильное волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм
0,07-0,6
песок
остальное,
при этом органическое вяжущее – составное из двух видов нефтяных
битумов дорожных, в % от общего количества вяжущего в смеси:
одной из марок вязкого битума: БНД 200/300, БНД 130/200,БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 совместно с
85-95
одной из марок жидкого медленногустеющего битума:МГ 40/70, МГ 70/130
5-15
Технический результат заявляемого изобретения.
Отличительными особенностями предложенной смеси с данным составом является применение вяжущего в виде пары битумов нефтяных дорожных: одной из марок вязкого битума: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок жидкого медленногустеющего битума: МГ 40/70, МГ 70/130, в сочетании с использованием воды и армирующего материала, представленного ПАН-волокном с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм. Сочетание любой из выявленных и составленных Заявителем пар битумов, представленных выше, с водой и ПАН-волокном названного вида плотности и нарезки не известно. Набор компонентов заявляемой водосодержащей асфальтобетонной смеси, среди описанных в литературе и применяемых в промышленности, в заявляемых диапазонах концентраций ранее не применялся.
Именно перечисленные отличия заявляемой смеси обеспечивают решение поставленной в изобретении задачи - повышение показателей сдвигоустойчивости, водостойкости и предела прочности покрытия. Кроме этого повышается и экономическая эффективность.
Подробное изложение изобретения представлено с привлечением таблиц 1 и 2, где в таблице 1 показан показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения в МПа, а в таблице 2 - физико-механические показатели свойств фибросодержащего водосодержащего асфальтобетона с добавкой ПАН-волокна.
Проведенные Заявителем исследования по подбору оптимальных количеств входящих в вяжущее битумов и сравнению с существующими композициями вяжущего показали преимущества заявляемого вяжущего в патентуемой водосодержащей асфальтобетонной смеси. Любая из полученных пар, эмпирически выявленных Заявителем битумов марок: БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 с одной из марок МГ 40/70, МГ 70/130, как оказалось, оптимально решают задачу смачивания и образования битумной пленки на поверхности минеральных элементов и волокон в объёме фибросодержащей водосодержащей асфальтобетонной смеси. Вследствие этого устраняется и проблема образования комков в смеси, что было стойким браком при применении длинных частиц фиброволокна, с одной стороны, и обычных, неподготовленных специальной обработкой, плохо сочетаемых с остальными компонентами смеси фиброматериалов, например, без вспушивания волокон, с другой стороны.
Выбор армирующего ПАН-волокна осуществлен по пути нахождения оптимально требуемой плотности и размера волокон, не образующих комков из путающихся нитей, а равномерно распределяющихся по слоям асфальтобетонной смеси. По результатам исследований композиционных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием ПАН-волокна, можно сделать вывод, что с увеличением длины нарезки ПАН-волокна, превышающей выше рекомендуемые Заявителем размеры, качество смеси ухудшалось. Например, при длине нарезки приближающейся к 19 мм в смеси уже замечались комочки, что вызывало ухудшение качества смеси. С уменьшением длины нарезки от 6мм и меньше – не проявлялось улучшение свойств. Оптимальными для обеспечения качества смеси оказалось ПАН-волокно плотностью 0,17 - 0,77 текс с длиной нарезки 6-18 мм. Вследствие этого достигалась полная совместимость ПАН-фибры с другими компонентами смеси и её более равномерное и однородное распределение между минеральными компонентами смеси с последующим повышением показателя сдвигоустойчивости (таблица 1).
В ходе испытаний заявляемого технического результата на примерах был приготовлен состав водосодержащей 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, МГ 40/70, МГ 70/130, соответствующие требованиям  ГОСТ 22245-90;
- ПАН-волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм;
-вода.
Состав водосодержащей асфальтобетонной смеси компонентов в примере включал:
щебень – 50,5%;
минеральный порошок – 5,25%;
вязкий битум БНД 60/90 – 4,95%;
вязкий битум МГ 40/70  -  0,55 %;
песок –  32,55%;
вода – 6%
ПАН-волокно – 0,2%.
Таблица 2 демонстрирует сравнительные характеристики составов:
- без добавления фиброволокна с одним видом битума марки БНД 60/90;
- с добавлением ПАН-волокна с оптимальной длиной нарезки 12 мм плотностью 0,56 текс и вяжущего, состоящего в данном примере из пары битумов марок БНД 60/90 и МГ 40/70.
Из таблицы 2 видно, что показатели асфальтобетона, изготовленные из холодной водосодержащей фибросодержащей смеси выше названного состава, несколько увеличиваются: предел прочности при 20 и 50°С примерно на 45%, показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения - на 31%, показатель сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге - на 45%, показатель водостойкости – на 11 %, показатель трещиностойкости – на 12%, по сравнению с асфальтобетоном, изготовленным без фиброволокна с одним видом битума.
Таблица 2
Вид применённой асфальтобетонной смеси
Водонасыщение, % по объему
Предел прочности на сжатие, МПа, при
Водостойкость
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50 <sup>о</sup>С, МПа
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0<sup> о</sup>С, МПа
температуре
20<sup>о</sup>С
50<sup>о</sup>С
Смесь с ПАН-волокном и парой выбранных битумов
6,1
3,5
2,32
0,99
0,42
0,85
4,8
Исходная смесь без фиброволокна
6,0
2,6
1,5
0,89
0,29
0,65
4,3
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.