СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ И ЕЕ СОСТАВ
CEMENT AND ASPHALT-CONCRETE MIXTURE PREPARATION METHOD AND ITS COMPOSITION

Область техники
Изобретение относится к технологии приготовления цементно-асфальтобетонной смеси и ее составу и может быть использовано для дорожного строительства.
Предшествующий уровень техники
Известен способ приготовления цементно-асфальтобетонной смеси (ближайший аналог - авторское свидетельство №193562, кл. E01C 7/18, публ. 13.03.1967. Бюл.7) и ее состав, включающий минеральный материал, битумную эмульсию, воду и портландцемент. В процессе приготовления цементно-асфальтобетонной смеси в заполнители вводят битумную эмульсию в количестве 7-11% свыше 100% общего веса сухих составляющих цементно-асфальтобетонной смеси, а затем в полученную смесь вводят портландцемент в количестве 7-15% от веса сухих составляющих цементно-асфальтобетонной смеси.
Недостатками известного способа приготовления и состава цементно-асфальтобетонной смеси являются: большое количество комплексного вяжущего - битумной эмульсии и портландцемента, что увеличивает себестоимость продукции; низкие физико-механические показатели, выраженные в недостаточной прочности покрытия из цементно-асфальтобетонной смеси.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения направлена на обеспечение эффективного процесса получения цементно-асфальтобетонной смеси с повышенными физико-механическими свойствами.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа и состава, заключается в снижении количества комплексного вяжущего; в улучшении физико-механических показателей цементно-асфальтобетонной смеси, в частности в повышении водостойкости и длительной водостойкости; в повышении сопротивляемости материала попеременному замораживанию и оттаиванию; в повышении модуля деформации и прочности.
Технический результат достигается тем, что в способе приготовления цементно-асфальтобетонной смеси, включающем смешение минерального материала с битумной эмульсией, портландцементом и водой, смешение осуществляется в две стадии: на первой стадии раздельно приготовляют черный щебень с использованием битумной эмульсии в количестве 1-5% свыше 100% от общего веса сухих составляющих, и цементно-песчаный раствор с применением портландцемента в количестве 2-14% от веса сухих составляющих и водой при водоцементном соотношении 0,2-0,5, а на второй стадии смешивают приготовленные черный щебень с цементно-песчанным раствором.
Также технический результат достигается тем, что в составе цементно-асфальтобетонной смеси, включающей минеральный материал, битумную эмульсию, воду и портландцемент, в качестве минерального материала используют щебень и песок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Щебень
40-72
Песок
26-58
Портландцемент
2-14
Битумная эмульсия (сверх 100%)
1-5
Водоцементное соотношение (без учета воды,
присутствующей в битумной эмульсии)
0,2-0,5
В составе цементно-асфальтобетонной смеси в качестве минерального материала может быть использован асфальтогранулят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Асфальтогранулят
30-100
Щебень и песок
0-70
В составе цементно-асфальтобетонной смеси может быть использован щебень фракции 5-20 мм и песок.
Сущность технического решения, а именно способа приготовления цементно-асфальтобетонной смеси поясняется технологической схемой.
Материал, полученный из цементно-асфальтобетонной смеси, представляет собой скелет из мелких частиц минерального материала (песка), соединенных цементным вяжущим, и непрерывного кластера из битумного связующего на поверхности частиц крупного минерального заполнителя (щебня). Структурообразование в нем протекает в трех направлениях:
а) образование связей при уплотнении между частицами крупного заполнителя благодаря адсорбирующимся на них битумным слоям (после распада эмульсии);
б) образование структурных связей в цементно-песчаном растворе, который заполняет пространство между крупным заполнителем и создает объемный скелет, что повышает прочность материала, которая в меньшей мере (по сравнению с ближайшим аналогом) зависит от температуры;
в) образование структурных связей на поверхности крупного заполнителя, имеющего битумную пленку (после распада эмульсии), с цементно-песчаным раствором.
На технологической схеме представлен предлагаемый способ приготовления цементно-асфальтобетоной смеси.
В качестве минерального материала использован щебень и песок. Из технологической схемы видно, что на первой стадии раздельно друг от друга приготовляются черный щебень и цементно-песчаный раствор. Черный щебень приготовляется следующим образом: щебень из расходного бункера дозируется и поступает в первую смесительную установку, куда подается битумная эмульсия в количестве 1-5% свыше 100% от общего веса всех сухих составляющих - указанные компоненты перемешиваются. Цементно-песчанный раствор приготовляется следующим образом: песок из расходного бункера дозируется и поступает во вторую смесительную установку, куда подается портландцемент в количестве 2-14% от веса сухих составляющих и вода при водоцементном соотношении 0,2-0,5 без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии, - указанные компоненты перемешиваются. На второй стадии предлагаемого способа приготовленный черный щебень вводится во вторую смесительную установку и перемешивается до однородной массы с приготовленным цементно-песчанным раствором. Необходимо предусмотреть, чтобы производительность второй смесительной установки была примерно в 2 раза выше, чем производительность первой смесительной установки, так как в ней происходит смешение большего количества материала (и черного щебня, и цементно-песчанного раствора). После этого приготовленная цементно-асфальтобетонная смесь должна быть доставлена на объект строительства, распределена и уплотнена. При этом все эти операции должны быть выполнены до начала момента схватывания портландцемента по ГОСТ 31108-2003.
Состав цементно-асфальтобетонной смеси, приготавливаемой вышеописанным способом, включает в себя минеральный материал, битумную эмульсию, воду и портландцемент, при этом в качестве минерального материала используют щебень и песок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Щебень
40-72
Песок
26-58
Портландцемент
2-14
Битумная эмульсия (сверх 100%)
1-5
Водоцементное соотношение (без учета
воды, присутствующей в битумной эмульсии)
0,2-0,5
С целью утилизации ранее использованного дорожного покрытия в качестве минерального материала может быть использован асфальтогранулят, щебень и песок при следующем соотношении, мас.%:
Асфальтогранулят
30-100
Щебень и песок
0-70
Асфальтогранулят - вторичное сырье, получаемое при переработке ранее использованного дорожного покрытия.
Для получения цементно-асфальтобетонной смеси, используемой в качестве верхних слоев дорожного покрытия, желательно использовать щебень фракции 5-20 мм и песок.
Для экспериментальной проверки способа приготовления цементно-асфальтобетонной смеси и ее состава были подготовлены пять составов цементно-асфальтобетонной смеси (см. таблицу №1); сравнение проводили с ранее указанным ближайшим аналогом (см. авторское свидетельство №193562), состав которого взяли в пределах, указанных в его описании, при этом в качестве заполнителя или минерального зернистого материала, указанного в ближайшем аналоге, была взята смесь щебня и песка.
Таблица 1
Наименование компонента
Количество, % по массе
Ближайший аналог
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
1
2
3
4
5
6
7
Щебень фракции 5-20 мм
67
40
48
48
48
72
Песок
58
41,5
38
38
26
Минеральный порошок
18
0
0
0
0
0
Портландцемент
15
2
10,5
14
14
2
Битумная эмульсия, сверх 100%
11
1
2,5
1
5
5
Водоцементное соотношение (без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии)
0,0
0,5
0,35
0,5
0,2
0,2
Физико-механические свойства определяли на цилиндрических образцах диаметром 71 мм, получаемых уплотнением смеси в стальной форме под давлением 40 МПа, и на образцах-балочках размером 100×100×400 мм. Формы и методика изготовления образцов соответствуют ГОСТ 12801-98. Изготовленные образцы выдерживались 26 суток в камере воздушно-влажного хранения, а затем 2 суток в воде - с погружением образцов в воду на 1/3 высоты в первые сутки и полным погружением во вторые сутки. После этого образцы испытывали на сжатие при различных температурах и на растяжение при изгибе по методикам ГОСТ 12801-98. Коэффициент водостойкости и длительной водостойкости цементно-асфальтобетона определяли на образцах после твердения в течение 28 суток в нормальных для цементобетона условиях по методике ГОСТ 12801-98.
Сравнительные физико-механические свойства материалов, полученных в результате испытаний, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели
Ближайший аналог
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
1
2
3
4
5
6
7
Предел прочности при сжатии, t=0°C, t=20°C, t=50°C, МПа:
R<sup>0</sup> <sub>сж</sub>
12,31
3,7
13,62
14,5
12,7
9,8
R<sup>20</sup> <sub>сж</sub>
5,65
3,15
10,94
12,9
9,1
3,5
R<sup>50</sup> <sub>сж</sub>
1,52
2,91
8,23
9,72
7,6
2,63
Предел прочности на растяжении при изгибе R<sub>20</sub>, МПа
1,24
2,35
3,81
3,84
2,95
2,29
Средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
2430
2340
2390
2410
2420
2390
Модуль деформации, МПа
290
340
960
1150
790
320
Коэффициент водостойкости
0,91
0,92
0,97
0,98
0,95
0,94
Коэффициент длительной водостойкости
0,78
1,01
1,03
1,04
1,01
0,95
Уменьшение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов, %
14,51
12,23
8,34
7,85
9,15
12,1
С целью утилизации ранее использованного дорожного покрытия в состав цементно-асфальтобетонной смеси в качестве минерального материала может быть дополнительно введен асфальтогранулят. Полученные составы смесей отражены в таблице 3, а физико-механические свойства, полученные в результате испытаний этих материалов, представлены в таблице 4.
Таблица 3
Наименование компонента
Количество, % по массе
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
Состав 6
1
2
3
4
5
6
7
Щебень фракции 5-20 мм
39,2
0,0
35,0
0,0
36,2
0,0
Песок
29,4
0,0
25
0,0
26,5
0,0
Асфальтогранулят фракции 0-20 мм
29,4
98,0
26
86
26,8
89,5
Портландцемент
2,0
2,0
14
14
10,5
10,5
Битумная эмульсия, сверх 100%
1,0
5,0
1,0
5,0
2,5
2,5
Водоцементное соотношение (без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии)
0,5
0,2
0,5
0,2
0,35
0,35
Таблица 4
Показатели
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
Состав 6
1
2
3
4
5
6
7
Предел прочности при сжатии, t=0°C, t=20°C, t=50°C, МПа:
R<sup>0</sup> <sub>сж</sub>
3,5
3,4
12,22
11,85
12,4
12,2
R<sup>20</sup> <sub>сж</sub>
3,1
3,0
9,84
7,19
8,71
8,4
R<sup>50</sup> <sub>сж</sub>
2,72
2,61
7,13
4,72
7,26
6,86
Предел прочности на растяжении при изгибе R<sub>20</sub>, МПа
2,31
2,25
3,65
3,21
2,73
2,52
Средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
2320
2330
2370
2380
2410
2400
Модуль деформации, МПа
320
330
930
1150
760
750
Коэффициент водостойкости
0,91
0,92
0,95
0,98
0,94
0,93
Коэффициент длительной водостойкости
1,01
0,97
1,03
1,01
1,01
1,01
Уменьшение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов, %
13,15
13,23
8,74
8,85
9,76
10,05
Использование предложенного состава и способа приготовления цементно-асфальтобетонной смеси обеспечивает по сравнению с существующими способами и составами, в частности с ближайшим аналогом, следующие преимущества: уменьшено количество комплексного вяжущего; повысились водостойкость и длительная водостойкость, сопротивляемость материала попеременному замораживанию и оттаиванию; увеличились модуль деформации, прочность на растяжение при изгибе и прочность материала при высоких эксплуатационных температурах, в частности при температуре 50°C прочность образцов цементно-асфальтобетона по сравнению с ближайшим аналогом возросла до 2,61-9,72 МПа. Модуль деформации полученного дорожного покрытия занимает промежуточное значение между асфальтобетоном и цементобетоном. Его деформативность выше деформативности цементобетона более чем в 10 раз, поэтому толщины слоев заявленного дорожного покрытия могут значительно уменьшиться, что снизит материалоемкость и финансовые затраты.
Предлагаемый способ приготовления цементно-асфальтобетонной смеси и ее состав являются простыми по исполнению, технологичными, позволяют утилизировать ранее использованное дорожное покрытие и получить дорожное покрытие повышенной прочности и долговечности со значительным экономическим эффектом.