СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ДОБАВКА ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ТОРФА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НЕЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЯ
STABILISING ADDITIVE FOR PEAT-BASED ASPHALT-CONCRETE MIXTURE (VERSIONS) AND METHOD OF PRODUCING STRUCTURE-FORMING AGENT THEREFOR

Группа изобретений относится к области производства и применения строительных материалов на основе битумно-минеральных композиций, в частности к стабилизаторам щебеночно-мастичных асфальтобетонных (ЩМА) и асфальтобетонных (АБ) смесей для дорожных покрытий, аэродромов, коммунальных и промышленных коммуникаций и площадей.
Различие между смесями ЩМА и АБ состоит в основном в том, что ЩМА содержит по сравнению с АБ больше битума и дорогостоящие наполнители для повышения степени заполнения пустот между частицами минерального наполнителя и используется для верхней относительно тонкой части дорожного полотна, а АБ используется для формирования нижней части дорожного полотна при более низких технико-экономических требованиях.
Верхний слой покрытий наиболее подвержен внешним воздействиям (при перепаде климатических условий, от солнечного излучения, влияния химических и биологических факторов) и должен, чтобы им противостоять, удовлетворять соответствующим требованиям по прочности, влаго-, термо- и морозостойкости и связанным с ними трещиностойкости, а также по адгезии вяжущего к минеральным наполнителям. Для этого используют модифицирующие функциональные добавки к битумам и исходным смесям.
Существующие добавки к ЩМА можно разделить на два типа: 1) полимерные и пластполимерные; 2) волокнистые структурообразователи с органическими компонентами (стабилизирующие добавки).
В частности, к первой группе относятся технические решения по патентам: США №4829109, РФ №2158742, РФ №2196750, РФ №2149848, РФ №2119464. Их недостатком является высокая стоимость, повышенная липкость смесей ЩМА или выпадение полимерных частиц из дорожного покрытия при нагрузках, и поэтому относительно редко используются.
Стабилизаторы смесей ЩМА (вторая группа добавок) широко используются на практике. Например, известна стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона (пат. РФ №2273615, МПК: С04В 26/26, C08L 95/00, 20/11/2005). Она имеет гранулированную форму и включает органическое вяжущее и структурообразователь, причем органическое вяжущее выбирают из группы: деготь, битум или битумная эмульсия, а в качестве структурообразователя используют пух подвальный и/или пух распыл, представляющий собой отход хлопчатобумажного производства (ХБП) при следующем соотношении компонентов состава, мас.%: указанный отход 60…90, органическое вяжущие - остальное. Недостатком его является малотоннажность отходов ХБП.
Относится ко второй группе стабилизаторов стабилизирующая добавка для смесей ЩМА и способ его получения (пат. РФ №2312116, МПК: C08L 95/00, С04В 26/26, 24.11.2006). Выполненная в виде гранул добавка включает битум и структурообразователь, представляющий собой предварительно обработанную льняную солому (ПОЛС), при соотношении ПОЛС: битум как (1…3):(1…2) соответственно. Добавка может дополнительно содержать реагент Неозон Д при соотношении компонентов, мас.%: стабилизирующая добавка 95…99 и Неозон Д - остальное. Неозон Д (N-фенилнафтиламин) является катионоактивное ПАВ, обеспечивающее адгезию битума к льняному волокну. Недостатком этой добавки, сдерживающим должное применение, является сложная, дорогостоящая и экологически не безопасная технология подготовки льняной соломы, включающая замочку, механохимическую обработку в растворе щелочи с добавками ПАВ, отмывку, сушку, дробление, утилизацию промывочных вод и т.д., что по затратности близко к производству целлюлозно-льняного волокна. Процесс битумирования волокна также довольно затратен, капиталоемок применительно к целлюлозному волокну и почти так же к асбесту. Кроме того, используемый Неозон Д относится к сильным аллергенам, что создает дополнительные проблемы в производстве и использовании стабилизаторов.
Известен также относящийся ко второй группе и имеющий коммерческий успех стабилизатор смеси ЩМА, производимый фирмой J. Reetten meier & Sohne под торговой маркой Viatop 66 (Смирнов Е. Щебеночно-мастичный асфальтобетон, 2003 г., №1, с.13 - http://www.new chemistry.ru). Он принят в качестве прототипа предлагаемой стабилизирующей добавки. Авторитет фирмы послужил основанием для включения стабилизаторов Viatop, отличающихся между собой только по происхождению целлюлозного волокна, даже в нормативные документы на ЩМА в РФ. Стабилизатор Viatop 66 представляет собой цилиндрические гранулы (2…10 мм) мелковолокнистой целлюлозы (66%), агломерированной дорожным битумом (10%). Его недостатком является высокая стоимость и отсутствие предпосылок устойчивости качества асфальта в период эксплуатации.
Задачей группы изобретения является создание стабилизирующей добавки для смесей ЩМА и АБ, которая обеспечивала бы высокие показатели дорожного покрытия при низкой стоимости и простоте ее производства из доступного дешевого сырья, имеющего большие объемы запасов.
Для решения поставленной задачи с указанным техническим результатом стабилизирующая добавка для ЩМА смеси включает природный волокнистый структурообразователь и битум. Отличительной особенностью патентуемой стабилизирующей добавки является то, что в качестве структурообразователя взята средневолокнистая гумусо-битумная составляющая из сухого измельченного торфа фракции не более 2,5 мм и добавлена адгезионная присадка при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный измельченный торф 50…100 и адгезионная присадка 0…50 (Вариант 1).
Возможны модификации стабилизирующей добавки: в качестве структурообразователя взята средневолокнистая составляющая сухого торфа крупностью не более 2,5 мм (40…70%) и пылевая его фракция не более 0,02 мм (10…30%); при этом может быть использована амидоаминированная, эфироаменированная или малеинированная указанная пылевая фракция, дополнительно введен дорожный битум до 20%, а качестве адгезионной присадки взято катионактивное или амфотерное ПАВ.
Для возможности реализации вещества дан способ получения структурообразователя из торфа, характеризующийся тем, что составляют исходную сырьевую смесь из равных по массе частей низинного, верховного и переходного слоев торфа или один из видов торфов с исходной влажностью до 50%, удаляют крупные растительные остатки и посторонние предметы путем просеивания на грохоте с проходом решета по крупности 4…5 мм,, сушат полученную массу при температуре 105…115°С до влажности 2…4%, измельчают ее, например, на молотковой дробилке до крупности не более 2,5 мм и разделяют с помощью циклона на две фракции - средневолокнистую и пылевую с крупностью соответственно не более 2,5 мм и 0,02 мм, затем производят досушивание обеих фракций до влажности ниже 2%.
Для эффективности реализации способа даны его модификации, касающиеся составов веществ и режимов при обработке фракций измельченного торфа.
Дан 2-й вариант стабилизирующей добавки для возможности использования в АБ смеси. Она включает природный структурообразователь и битум. Ее отличительной особенностью является то, что в качестве структурообразователя взята гумусобитумная пылевая фракция из сухого измельченного торфа крупностью менее 0,02 мм и добавлена адгезионная присадка, например «ДАД-1 или другие, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный измельченный торф 50…100% и указанная адгезионная присадка 0…50%.
Как показали исследования, возможность использования в стабилизирующей добавке для ЩМА смесей волокнистой составляющей и других компонентов природного торфа в качестве структурообразователя обусловлено тем, что волокно торфа сформировано и существует в широком диапазоне природных условий (в том числе экстремальных), вследствие чего является устойчивым к различного рода физико-химическим воздействиям, а также благодаря в значительной степени наличию в торфе природного битума (до 15% экстрагируемого бензолом), торфяного воска, гумуса и гуминовых кислот. Несмотря на высокую влагоемкость торфа, он легко подвергается сушке практически до нулевого содержания влаги (из-за гидрофобности волокон и других составляющих, высокоразвитой поверхности испарения в пространственной структуре этого материала). Сухой торф легко подвергается измельчению на малоэнергетических измельчителях, измельченный торф легко смешивается с расплавленным битумом. Вследствие хрупкости при обычных температурах гумусо-битумо-воскового компонента сухого торфа он в большей степени измельчается при дроблении и может быть частично отделен от волокнистой части компонентов при фракционировании на ситах или циклонах с фильтрами, что обеспечивает возможность регулирования содержания волокон и других компонентов торфа. Таким образом имеется возможность замены этих компонентов (при необходимости) на другие вещества, например, на дорожный битум. Содержащиеся в торфе гуминовые кислоты и, частично, окисленный торфяной битум химически реакционноспособны и могут быть подвергнуты различным химическим модификациям, например, аминированию или малеинированию с целью приданию им свойств катионоактивных или амфотерных ПАВ, способствующих адгезии битума на минеральных (кислого типа) наполнителях ЩМА и АБ смесей. Существует возможность и, в ряде случаев, целесообразность усиления адгезионной активности битума к минеральным наполнителям ЩМА и АБ смесей путем введения в стабилизирующие добавки на основе торфа различных адгезионных присадок, в частности присадки типа ДАД-1 или известные другие присадки, для асфальтобетона, что легко осуществимо в связи с достаточно высокой маслоемкостью стабилизаторов на основе торфа. Все указанные возможности апробированы при разработке настоящей группы изобретений с использованием методик по ГОСТу 31015-02 и ГОСТу 12801-98.
Результаты испытаний составов ЩМА и АБ смесей с введенными в них предлагаемыми стабилизирующими добавками даны в таблице, в которой отражены требования ГОСТов и даны средние значения показателей (с точностью ± 5%) составов прототипа и изобретения. В эксперименте в качестве базового состава была взята смесь ЩМА-10, включающая (по массе): битум 6,5%, щебень 70%, песок из отсева дробления 18,8%, минеральный порошок 11,5% с дозами стабилизирующих добавок по прототипу и по предлагаемому изобретению 0,4% к массе минеральной композиции. Адгезионная активность оценивалась по ГОСТу 12801-98 при дозе стабилизирующих добавок 0,5% к массе битума с использованием Павловского гранита в качестве тест-материала минеральной части.
Сущность патентуемой группы изобретений раскрыта с необходимой для их реализации полнотой в нижеприведенных примерах, в которых даны варианты (с модификациями) стабилизирующих добавок на основе торфа, способ (с модификациями) получения структурообразователя и конкретные составы стабилизирующих добавок для экспериментальных образцов ЩМА и АБ смесей.
Пример 1. Способ получения из торфа структурообразователя с возможностью использования в стабилизирующей добавке для ЩМА смеси состоит в том, что составляют сырьевую смесь из равных по массе частей низинного, верховного и переходного слоев торфа или берется один из видов торфов с исходной влажностью до 50%, удаляют крупные растительные остатки и посторонние предметы путем просеивания на грохоте с проходом решета по крупности 4…5 мм, сушат полученную массу при температуре 105…114°С до влажности 2…4%, измельчают ее, например, на молотковой дробилке до крупности не более 2,5 мм и разделяют с помощью циклона на две фракции - средневолокнистую и пылевую с крупностью соответственно не более 2,5 мм и 0,02 мм. Если влажность полученных фракций составляет 2% и выше, проводят досушивание до влажности ниже 2%. Пылевая фракция (98% ее выхода из рукавного фильтра циклона проходит через сито 0,02 мм) состоит из разрушенной межволоконной массы торфяного гумуса, битума, смолистых, восковых и других органических веществ с относительно малым содержанием мелких волокон. Смешение этих двух фракций в пропорции их выхода при сухом измельчении (при любых подобных приемах измельчения) представляет собой сыпучий продукт, сохраняющий все компоненты исходной смеси торфа, и поэтому его правомерно определить как сухой измельченный торф с размером частиц не более 2,5 мм.
На основе последнего создана стабилизирующая добавка для ЩМА смеси, в которой в качестве структорообразователя взят вышеназванный измельченный тоф и добавлена адгезионная присадка при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный измельченный торф 50…100, адгезионная присадка 0…50. Эта добавка является первым ее вариантом. В рамках этого же варианта в качестве сухого измельченного торфа используются смеси средневолокнистой (до 2,5 мм) и пылевой (менее 0,02 мм) фракций измельченного торфа с добавками адгезионной присадки в сооношениях компонентов, мас.%: средневолокнистая фракция 40…70, пылевая фракция 10…30, адгезионная присадка 0…50. Для образца №1 ЩМА смеси была взята стабилизирующая добавка, содержащая 100 мас.% сухого измельченного торфа.
Пример 2. Модификация способа получения из торфа структурообразователя с возможностью использования в стабилизирующей добавке для ЩМА смеси состоит в том, что осуществляют амидоаминирование торфяных гуминовых кислот и оксидов пылевой фракции измельченного торфа органическими аминами, содержащих более двух аминогрупп, в частности полиэтиленполиаминами (ПЭПА), в количестве 10% от массы указанной пылевой фракции, тщательно перемешивают, перетирая ее без термообработки с учетом неизбежного активирования реакции в условиях высокотемпературного процесса приготовления ЩМА и АБ, и смешивают со средневолокнистой фракцией, полученной по примеру 1. При этом в качестве измельченного торфа взята средневолокнистая фракция не более 2,5 мм и амидоаминированная пылевая фракция крупностью менее 0,02 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: средневолокнистая фракция 40…70, амидоаминированная пылевая фракция 10…30 и адгезионная присадка 0…50.
Для образца №2 ЩМА смеси была взята стабилизирующая добавка, содержащая 70 мас.% средневолокнистой фракции и 30 мас.% пылевой фракции, обработанной ПЭПА.
Пример 3. Модификация способа получения из торфа структурообразователя состоит в том, что амидоаминирование осуществляют ПЭПА в количестве 10% от массы пылевой фракции измельченного торфа с прогревом полученного состава при температуре 130…140°С в течение 4 часов с периодическим перемешиванием и контролем процесса по изменению кислотного числа титрованием навески аликвотной части. Полученный продукт смешивают со средневолокнистой фракцией, как в примере 2, и в качестве стабилизирующей добавки используют для приготовления образца №3 ЩМА смеси.
Пример 4. Модификация способа получения из торфа структурообразователя состоит в том, что осуществляют эфироаминирование или малеинирование торфяных гуминовых кислот и оксидов пылевой фракции измельченного торфа органическими аминами, в частности смесью моно-, ди- и триэтаноламинов (ТЭА), или соответственно, малеиновым ангидридом, в количестве 10% от массы указанной пылевой фракции без термообработки, тщательно перемешивают, перетирая ее, и смешивают со средневолокнистой фракцией, полученной по модификации примера 2, при этом смесь готовят, используя вместо ПЭПА триэтаноламин (ТЭА) или малеиновый ангидрид.
Для образца №4 ЩМА смеси была взята стабилизирующая добавка, содержащая 70 мас.% средневолокнистой фракции и 30 мас.% пылевой фракции, обработанной ТЭА.
Пример 5. Модификация способа получения из торфа структурообразователя состоит в том, что эфироаминирование или малеинирование осуществляют ТЭА или, соответственно, малеиновым ангидридом в количестве 10% от массы пылевой фракции измельченного торфа с прогревом полученного состава при температуре 115…120°С в течение 3 часов с периодическим перемешиванием и контролем процесса по изменению кислотного числа титрованием навески аликвотной части. Продукты реакций смешивают со средневолокнистой фракцией, как в примере 2, и в качестве стабилизирующей добавки используют для приготовления образца №5 ЩМА смеси.
Пример 6. Модификация способа получения из торфа структурообразователя состоит в том, что в смесь средневолокнистой и пылевой фракций вводят дорожный битум до 20% от их массы, нагревают полученный состав до температуры 150°С, перемешивают, охлаждают и дробят до получения крошки. Полученную смесь при содержании 56% средневолокнистой фракции, 24% пылевой фракции и 20% дорожного битума в качестве стабилизирующей добавки используют для приготовления образца №6 ЩМА смеси.
Пример 7. Для получения из торфа структрурообразователя смешивают 56% средневолокнистой фракции (пример 1), 24% пылевой фракции с ПЭПА (пример 2) и 20% дорожного битума, нагревают (пример 6), перемешивают, охлаждают и дробят до крошки. Последнюю используют в качестве стабилизирующей добавки для приготовления образца №7 ЩМА смеси.
Пример 8. Для получения из торфа структурообразователя смешивают 56% средневолокнистой фракции (пример 1), 24% пылевой фракции с ТЭА (пример 4) и 20% дорожного битума, нагревают (пример 6), перемешивают, охлаждают и дробят до крошки, которою используют в качестве стабилизирующей добавки, для приготовления образца №8 ЩМА смеси.
Пример 9. Стабилизирующую добавку для использования в образце №9 ЩМА смеси готовят, как в примере 7, используя вместо простой смеси (пример 2) продукт амидоаминирования пылевой фракции (пример 3).
Пример 10. Стабилизирующую добавку для использования в образце №10 ЩМА смеси готовят, как в примере 8, используя вместо простой смеси (пример 4) продукт эфироаминирования или малеинирования (по примеру 5).
Пример 11. Модификация способа получения из торфа структурообразователя состоит в том, что в смесь фракций из измельченного торфа добавляют адгезионную присадку (амфотерное фосфор-азотосодержащее ПАВ, например применяемую для асфальтобетона присадку ДАД-1 по СТО 22320188-001-2009) в количестве до 50 мас.%, перемешивают смесь при подогреве 80…90°С, измельчают фрикционным вальцеванием и просеивают на сите 2,5 мм, остаток на сите возвращают на доизмельчение, если его доля составляет более 2%.
Структурообразователь по вышеуказанному способу получают из 90 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1) и 10 мас.% присадки ДАД-1 и как стабилизирующую добавку используют в образце №11 ЩМА смеси.
Пример 12. В образце №12 ЩМА смеси используют стабилизирующую добавку, полученную по способу примера 11 на базе структурообразоваля из 70 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1) и 30 мас.% присадки ДАД-1.
Пример 13. В образце №13 ЩМА смеси используют стабилизирующую добавку, полученную по способу примера 11 на базе структурообразователя из 50 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1) и 50 мас.% присадки ДАД-1.
Пример 14. В образце №14 ЩМА смеси используют стабилизирующую добавку, полученную по способу примера 11 на базе структурообразователя из 40 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1) и 60 мас.% присадки ДАД-1.
Пример 15. В образце №15 ЩМА смеси используют стабилизирующую добавку на базе обработанного по примеру 11 структурообразователя из 40 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1), 30 мас.% продукта, полученного по способу примера 7, 20 мас.% присадки ДАД-1 и 10 мас.% дорожного битума.
Пример 16. В образце №16 ЩМА смеси используют стабилизирующую добавку на базе обработанного по примеру 11 структурообразователя из 40 мас.% сухого измельченного торфа (по примеру 1), 30 мас.% продукта, полученного по примеру 10, и 10 мас.% дорожного битума.
Пример 17. Дан второй вариант стабилизирующей добавки для АБ смеси, включающей природный структурообразователь и битум, отличающийся тем, что в качестве структурообразователя взята гумусобитумная фракция из сухого измельченного торфа крупностью менее 0,02 мм и добавлена присадка при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный измельченный торф 50…100 и адгезионная присадка, например ДАД-1 (0…50%). Стабилизирующую добавку для использования ее в образце №17 АБ смеси готовят, смешивая 70 мас.% сухого измельченного торфа крупностью менее 0,02 мм (пылевая фракция) с 30 мас.% присадки ДАД-1 и ведя обработку полученного состава аналогично способу примера 11.
Сыпучие продукты, получаемые по примерам 1-17, могут быть подвергнуты гранулированию на пресс-грануляторе с диаметром матриц от 2 до 6 мм с получением цилиндрических гранул длиной от 3 до 8 мм.
Предлагаемая группа изобретений расширяет арсенал средств в области стабилизаторов ЩМА и АБ смесей для дорожных покрытий (как верхней, так и нижней части дорожного полотна), потому что имеет при низкой стоимости материала хорошие показатели составов, превышающие (как видно из таблицы) показатели прототипа.
Таблица
Средние показатели составов ЩМА смесей со стабилизирующими добавками (№1…17 образцов с использованием изобретения соответствуют № примеров по тексту)
№ п/п
Наименование показателей
Требование ГОСТ 31015-02 (ЩМА) и ГОСТ 12801-98 (АБ)*
Viatop 66 (прототип)
1
2
3
4
5
1
Стекание вяжущего, мас.%
0,07-0,15
0,14
0,13
0,13
0,12
0,12
0,12
2
Водонасыщение, об.%
1,0-4,0
2,2
2,5
2,3
2,4
2,5
2,2
3
Водостойкость при длительном водонасыщении, отн.ед.
0,85 не менее
0,95
0,98
0,98
0,98
1,2
0,99
4
Предел прочности при сжатии (20°С), МПа
2,2 не менее
4,9
4,8
5,0
5,0
5,1
5,1
5
Предел прочности при сжатии (50°С), МПа
0,65 не менее
1,5
1,4
1,5
1,6
1,5
1,6
6
Коэффициент внутреннего трения, отн.ед.
0,93 не менее
0,93
0,95
1,0
1,2
1,1
1,3
7
Сцепление при сдвиге (50°С), МПа
0,15 не менее
0,27
0,27
0,3
0,32
0,3
0,32
8
Трещиностойкость (предел прочности на расколе (0°С)), МПа
2,5-6,0
3,3
3,2
3,6
3,8
3,4
3,6
9
Адгезия битума к граниту (сцепление вяжущего с минеральной частью смеси), %
50* не менее
55
55
80
85
80
80
Продолжение таблицы
№ п/п
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
0,13
0,10
0,10
0,10
0,11
0,13
0,13
0,14
0,15
0,13
0,12
0,14
2
2,2
2,5
2,4
2,3
2,2
2,3
2,2
2,2
3,8
2,3
2,4
2,3
3
0,95
1,3
1,2
1,1
1,3
1,2
0,99
0,95
0,87
0,97
1,4
0,98
4
5,2
5,4
5,3
5,4
5,4
5,3
5,1
4,9
4,0
4,9
5,5
5,2
5
1,5
1,6
1,6
1,5
1,7
1,6
1,6
1,5
0,65
1,7
1,8
1,6
6
0,94
1,3
1,2
1,3
1,4
1,3
1,2
0,94
1,1
1,2
1,5
1,3
7
0,28
0,33
0,35
0,35
0,37
0,36
0,32
0,27
0,2
0,28
0,37
0,3
8
3,4
3,6
3,3
3,7
3,5
3,6
3,4
3,3
3,3
3,4
3,7
3,4
9
65
80
85
80
80
85
88
88
90
75
70
90