Органоминеральная смесь для дорожного покрытия
ORGANOMINERAL MIXTURE FOR ROAD SURFACE

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 асфальтобетонные смеси можно перевозить на большие расстояния без риска потери качества или изменения потребительских свойств. На складах они могут храниться длительный период без потери качества.
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, RU №2530812, 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 и, как следствие, добавление стоимости изготавливаемой смеси.
Небезразлична в холодной асфальтобетонной смеси роль такого компонента для заявляемого решения, как вода, поскольку она влияет на качество смачивания компонентов. Поэтому все привлечённые в данной заявке 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 в виде перевода категории полученного дорожного покрытия в сторону более высокого качества.
Известна смесь (патент RU №2530812), состоящая из 0,3 мас.% базальтового волокна; 1,4 мас.% воды; 0,3 мас.% пластифицирующей добавки и остальное - минерального наполнителя, в том числе песка.
Известна также водосодержащая органоминеральная смесь (авторское свидетельство SU № 1778100), содержащая базальтовую фибру в количестве 6,5-11% от массы общей смеси, а также вяжущее, воду, наполнитель и добавку органического пластификатора.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения является водосодержащая смесь (патент RU №2447035), которая содержит базальтовое волокно 0,20-0,55 мас.%; воду 2,30-3,70 мас.%; битум БНД 90/130 3,40- 5,50 мас.%; катионный эмульгатор «КАДЭМ-ВТ» 0,40-0,50 мас.%; стабилизирующую добавку «ОКСИПАВ-А.30 0,20-0,40 мас.% и минеральный материал - остальное. В состав последнего входит гранитный щебень, отсев дробления, минеральный порошок и др.
Недостатком выше названных патентов, в том числе и ближайшего аналога, является многокомпонентность вяжущего и вызванная этим сложность обеспечения гармоничного соединения их в общем составе асфальтобетонной смеси. Стоит отметить, что базальтовая фибра пока не получила широкого практического применения в асфальтобетонных смесях в РФ, несмотря на действующие методические рекомендации по технологии армирования асфальтобетонных покрытий добавками базальтовых волокон при строительстве и ремонте автомобильных дорог (Утверждено распоряжением Росавтодора № ОС-12-р от 11.01.2002). Опыт широкого распространения изготовления смесей с добавками базальтовой фибры на серийно выпускаемых смесителях асфальтобетонных заводов в РФ также пока отсутствует, в том числе, и по выше изложенным причинам.
Задачей заявляемого изобретения является получение холодной водосодержащей смеси для изготовления асфальтобетонного покрытия с повышенными показателями сдвигоустойчивости, водостойкости, трещиностойкости и пределом прочности без повышения сложности получения смеси.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что органоминеральная смесь для дорожного покрытия включает следующие компоненты при их соотношении, %:
щебень
20-60
минеральный порошок
4-12
вода
3-12
органическое вяжущее
4-12
базальтовое волокно с плотностью 54-240 текс
и длиной нарезки 12-18 мм
0,07-0,6
песок
остальное,
при этом органическое вяжущее – составное из двух видов битумов нефтяных 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
85-95
совместно с 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 базальтовым волокном с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм. Сочетание любой из выявленных и составленных Заявителем пар битумов, представленных выше, с водой и базальтовым 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, а также способствуют энергосбережению, экологической безопасности и экономической эффективности.
Последующее изложение материала будет представлено с привлечением таблиц 1 и 2, где в таблице 1 представлен показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения в МПа, в таблице 2 – физико-механические показатели свойств фибросодержащего асфальтобетона с добавкой базальтового волокна.
Проведенные Заявителем исследования по подбору оптимальных количеств входящих в вяжущее битумов и сравнению с существующими композициями вяжущего показал преимущества заявляемого вяжущего в 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. По результатам исследований композиционных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием базальтового волокна, можно сделать вывод, что с увеличением длины нарезки базальтового волокна, превышающей выше рекомендуемые Заявителем размеры, качество смеси ухудшалось. Например, при длине нарезки свыше 1 мм в смеси уже замечались комочки, что вызывало ухудшение качества смеси. С уменьшением длины нарезки от 12мм и меньше – не проявлялось улучшение свойств. Оптимальными для обеспечения качества смеси оказалось ПАН-волокно плотностью 54-240 текс с длиной нарезки 12-18 мм. Вследствие этого достигалась полная совместимость базальтового волокна с другими компонентами смеси и его более равномерное и однородное распределение между минеральными компонентами смеси с последующим повышением показателя сдвигоустойчивости покрытия впоследствии (таблица 1).
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 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;
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); КО (2,5-7,5); PO (не более 0,5); SO (не более 0,5); прочие породы (не более 5);
- вода.
Состав водосодержащей асфальтобетонной смеси компонентов в примере включал:
щебень – 51%;
минеральный порошок – 5%;
вязким битумом БНД 60/90 – 4,95%;
вязким битумом МГ 40/70  -  0,55 %;
песок –  32,1%;
вода – 6%
базальтовое волокно– 0,4%.
Таблица 2 демонстрирует сравнительные характеристики составов:
- без добавления фиброволокна и одним видом битума марки БНД 60/90;
- с добавлением базальтового волокна с оптимальной длиной нарезки 15 мм и плотностью 240 текс и вяжущего, состоящего из пары битумов марок БНД 60/90 и МГ 40/70 с разной вязкостью.
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 базальтовым волокном с парой выбранных битумов
5,8
3,5
2,2
0,99
0,39
0,87
5
Исходная смесь без фиброволокна
6,3
2,6
1,6
0,92
0,28
0,67
4,5
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 36%, показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения - на 30%, показатель сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге - на 40%, показатель водостойкости – на 8 %, показатель трещиностойкости – на 11%, по сравнению с асфальтобетоном, изготовленным без фиброволокна.
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.