АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ
ASPHALT-CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов и может быть использовано для устройства покрытий автомобильных дорог, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий во всех климатических зонах.
Известна асфальтобетонная смесь, содержащая стандартные компоненты: отсев дробления щебня, песок, минеральный порошок, нефтяной битум. При этом смесь содержит дополнительные компоненты: вулканизированный каучук и композит модифицирующих компонентов, состоящий из метасиликата кальция игольчатой структуры, смолы эпоксидной, нитрозоаминного соединения, фенольной смолы и/или канифоли, которые находятся между собой в соотношении по массе в %: метасиликат кальция игольчатой структуры - 24%, смола эпоксидная - 2%, нитрозоаминное соединение - 1%, фенольная смола и/или канифоль - 4%, вулканизированный каучук (резиновая крошка) - 69%, при следующем соотношении: стандартные компоненты по массе в % - 98,5-99,5, дополнительные компоненты по массе в % 0,5-1,5. (Патент РФ №2381194 С1, дата приоритета 08.09.2008, дата публикации 10.02.2010, автор Колеров B.C., RU)
Недостатком известной смеси является низкая водостойкость (коэффициент водостойкости 0,85-0,97).
Известна также асфальтобетонная смесь, содержащая в качестве минерального материала известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок, в качестве связующего вязкий битум, в качестве структурирующего компонента шлам химводоочистки ТЭЦ, а в качестве пластифицирующей и структурирующей добавки СВБ-М - масляный раствор синтетического высокомолекулярного полибутадиенового каучука модифицированного при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной вязкий битум - 5-6,5; масляный раствор синтетического высокомолекулярного полибутадиенового каучука модифицированного СВБ-М - 0,15-0,30; шлам химводоочистки ТЭЦ-2 - 2-4; известняковый щебень фракции 5-20 мм - 25-35; минеральный порошок - 1-3; песок фракции до 5 мм - остальное. (Патент РФ №2119465 C1, дата приоритета 14.04.1997, дата публикации 27.09.1998, авторы Илиополов С.К. и др., RU)
Недостатком этой смеси является низкая водостойкость (коэффициент водостойкости 0,97-0,99) и небольшое значение прочности при 50°C (2,45-2,55 МПа).
Наиболее близким аналогом предлагаемой асфальтобетонной смеси можно признать асфальтобетонную смесь для дорожного строительства, содержащую известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок, вязкий нефтяной битум и полимерную добавку. В качестве полимерной добавки эта смесь содержит вторичный полиэтилентерефталат в виде б/у пластиковых бутылок, при следующем соотношении компонентов, мас.%: известняковый щебень фракции 5-20 мм - 35-45; нефтяной вязкий битум - 5,0-5,5; минеральный порошок из доломитовых или известняковых пород - 3-8; указанная полимерная добавка - 0,1-0,25 от массы битума; песок фракции до 5 мм - остальное. (Патент РФ №2262492 C1, дата приоритета 06.04.2004, дата публикации 20.10.2005, авторы Котенко Н.П. и др., RU, прототип)
Недостатками прототипа являются: большое значение прочности при 0°C, так как высокое значение прочности при 0°C является причиной низкой эластичности асфальтобетона при отрицательных температурах, что может привести к образованию трещин в зимних условиях в дорожных покрытиях (предел прочности при сжатии при 0°C равен 14 МПа); высокое водопоглощение (1,6%); небольшая прочность при 50°C (предел прочности при 50°C равен 2,5 МПа); низкая водостойкость (коэффициент водостойкости равен 0,98).
Задача, решаемая посредством предлагаемых составов асфальтобетонных смесей, состоит в расширении сырьевой базы путем использования отходов при получении цемента (пыли-уноса) для получения асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами на основе новых составов смесей.
Технический результат, получаемый при реализации асфальтобетонных смесей предлагаемых составов, состоит в повышении предела прочности при 50°С, морозостойкости, водостойкости и снижении водонасыщения.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата асфальтобетонная смесь, содержащая нефтяной битум, известняковый щебень фракции 5-20 мм, песок фракции до 5 мм, минеральный порошок и полимерную добавку, согласно изобретению в качестве полимерной добавки содержит жидкий дивинилпипериленовый каучук СКДП-Н и дополнительно этилсиликат-40 при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной битум - 4,9-6,6; известняковый щебень указанной фракции - 25-40; песок указанной фракции - 43-64,5; минеральный порошок - 5-10; жидкий каучук СКДП-Н - 0,1-0,7; этилсиликат-40 - 0,1-0,7.
Для осуществления изобретения производят подготовку компонентов и их испытание в соответствии с требованиями стандартов:
- ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», МНТКС, Москва, 2010;
- ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства», МНТКС, Москва, 1998;
- ГОСТ Р 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей», МНТКС, Москва, 2003;
- ГОСТ 222245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие», МНТКС, Москва, 1991.
На достижение технического результата оказывают влияние свойства исходных материалов.
Характеристика исходных материалов.
1. В качестве крупного заполнителя асфальтобетонной смеси использовался известняковый щебень фракции 5-20 мм Березовского карьера г.Красноярска. Зерновой состав и свойства щебня приводятся в таблице 1.
2. В качестве мелкого заполнителя применялся песок фракции 0-5 мм того же Березовского карьера г.Красноярска. Свойства и зерновой состав песка приводятся в таблице 1.
3. В качестве минерального порошка использовалась пыль-уноса Красноярского цементного завода. Свойства пыли-уноса и ее зерновой состав приводятся в таблице 1.
Таблица 1
Свойства минеральных заполнителей асфальтобетона
Наименование материалов
Процентное содержание частиц мельче сит, мм
Плот-ность,г/см<sup>3</sup>
Удельная поверхность, см<sup>2</sup>/г
15
10
5
2,5
1,25
0,63
0,31 4
0,14
Щебень
100
41,6
5,6
1,6
1,1
0,7
0,4
0,16
2,73
1,5
Песок
-
-
100
71
63,7
50,2
37,4
7,6
2,54
180,6
Пыль-уноса
-
-
100
99,5
99
98,6
98,1
95,6
2,93
5115,1
Как видно из таблицы 1, пыль-уноса по зерновому составу отвечает требованиям ГОСТ Р 52129-2003 и может использоваться в качестве минерального порошка в асфальтобетоне. Возможно также использование других минеральных порошков, отвечающих требованиям ГОСТ Р 52129-2003.
4. В качестве вяжущего применялся битум марки БНД 60/90 Ачинского НПЗ. Свойства битума в сравнении с требованиями ГОСТ 222245-90 приводятся в таблице 2.
Таблица 2
Свойства битума
Наименование показателей
Свойства
Требования ГОСТ
1. Температура размягчения по «КиШ», °С
48
не ниже 47
2. Глубина проникания иглы, мм·10<sup>-1</sup>
при 25°C
64,3
61-90
при 0°C
29,3
не менее 20
3. Растяжимость, см
при 25°C
больше 1 м
не менее 50
при 0°C
7,5
не менее 3,5
4. Водопоглощение под вакуумом, %
0,45
-
5. Температура хрупкости по Фраасу, °C
-20
не выше -15
Как видно из таблицы, битум по всем показателям отвечает требованиям ГОСТ.
5. В качестве полимерной добавки применялся жидкий каучук СКДП-Н по ТУ 2294-076-05766741-97, который является продуктом совместной полимеризации бутадиена с пипериленом в соотношении 50:50. Каучук СКДП-Н вырабатывается из недефицитного сырья и может быть доступен строительным организациям. Этот каучук имеет низкую температуру стеклования, легко совмещается с битумом при использовании обычного смесительного оборудования, так как его можно вводить в битум без подогрева. Кроме того, он имеет хорошую диффузионную способность, благодаря чему получаются однородные смеси его с битумом. В процессе приготовления битумополимерных композиций происходит реакция полимеризации каучука СКДП-Н при воздействии относительно невысоких температур. Введение каучука в асфальтобетон будет приводить к повышению морозостойкости и водостойкости асфальтобетона.
Свойства каучука приводятся в таблице 3.
Таблица 3
Свойства каучука СКДП-Н
Показатели
Свойства
1. Плотность при 20°C, г/см<sup>3</sup>
0,65
2. Содержание летучих компонентов, %
5
3. Динамическая вязкость при 25°C, П
87
4. Температура стеклования, °C
-80
5. Молекулярная масса, а.е.м.
1600
6. Внешний вид
Прозрачная масса
2
6. В связи с тем, что каучук СКДП-Н жидкий, он будет снижать прочность асфальтобетона при 50°C и увеличивать водопоглощение. С целью улучшения показателей по водопоглощению и теплостойкости в битумно-каучуковое вяжущее дополнительно вводили этилсиликат-40. Кроме этилсиликата-40, выпускаются этилсиликаты марок 32 и 50. Этилсиликаты - это техническое название олигомерных этиловых эфиров ортокремниевой кислоты, содержащие в основном смесь линейных полимеров. В зависимости от степени полимеризации, следовательно, от содержания кремния (в пересчете на SiO) этилсиликаты классифицируются на марки. С повышением марки увеличивается вязкость этилсиликатов. Был выбран этилсиликат-40, который содержит более высокомолекулярные продукты, поэтому в большей степени, чем этилсиликат-32, будет улучшать свойства битума, и он более жидкий, чем этилсиликат-50, поэтому будет лучше совмещаться с битумом. Этилсиликат-40 (ЭТС-40) выпускается по ГОСТ 26371-84. Этилсиликат - 40 - прозрачная, маловязкая жидкость. Обладает повышенной термостойкостью и может использоваться при температурах от -60 до +6°C. Этилсиликат-40 является эффективной универсальной добавкой, улучшающей эластичность при отрицательных температурах и водостойкость асфальтобетона, а также прочность сцепления битума с минеральными заполнителями. Этилсиликат-40 в битуме выполняет двойную роль: одновременно является пластифицирующей и структурирующей добавкой. При приготовлении композиций этилсиликат-40 в битуме находится в жидком состоянии, растворяется в маслах битума, увеличивая содержание морозостойкой части битума, т.е. выполняет роль пластифицирующей добавки. Затем в присутствии воды происходит его гидролиз в битуме. Этилсиликат-40 в битуме образует эластичный каркас из полимерных продуктов. Поэтому введение этилсиликата-40 в битум совместно с каучуком СКДП-Н приводит к еще большему увеличению водостойкости и морозостойкости, а также к снижению водонасыщения и увеличению прочности при 50°C асфальтобетона. Свойства этилсиликата-40 приводятся в таблице 4.
Таблица 4
Свойства этилсиликата-40
Наименование показателей
Свойства
1. Содержание SiO<sub>2</sub>, %
40
2. Плотность при 20°C, г/см<sup>3</sup>
1,05
3. Продолжительность гелеобразования, мин
180-280
4. Массовая доля тетраэтоксисилана, %
10-15
5.Температура самовоспламенения, °C
240
6.Температура замерзания, °C, ниже
-60
Технологический процесс приготовления асфальтополимербетонных смесей состоит: из подготовки битума и приготовления полимербитумного вяжущего, рассева и нагрева минеральных материалов, дозирования ингредиентов и их смешения. Приготовление битума заключается в его расплавлении, обезвоживании путем нагрева при температуре 100-110°C до прекращения выделения пены и нагреве до рабочей температуры 150-160°C. Приготовление полимербитумного вяжущего заключается в перемешивании разогретого до рабочей температуры битума с каучуком СКДП-Н и этилсиликатом-40. Вначале производят перемешивание битума с каучуком СКДП-Н при температуре 150-160°C. Для этого каучук небольшими порциями при непрерывном перемешивании вливают в битум. После введения всего количества каучука необходим прогрев смеси при рабочей температуре не менее 3-4 часов. Затем смесь охлаждают до температуры 100-110°C при постоянном перемешивании вводят этилсиликат-40. Прогрев смеси после введения всего количества этилсиликата-40 допускается не более 15-20 мин.
Подготовка минеральных составляющих заключается в подогреве песка и щебня до температуры 120-130°C. Минеральный порошок подается в холодном состоянии. Температура перемешивания полимербитумного вяжущего с минеральными материалами должна составлять 110-120°C. Время перемешивания должно составлять 1-2 мин.
Качество асфальтобетона определялось по методикам ГОСТа 12801-98 и сравнивалось со свойствами асфальтобетона из прототипа.
Преимущества предлагаемых составов асфальтобетонных смесей с применением жидкого каучука и этилсиликата-40 показаны на составах мелкозернистых смесей, которые по своим гранулометрическим составам удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2009, предъявляемым к смесям типа «Б». Готовили четыре состава асфальтобетонной смеси. Составы асфальтобетонной смеси приводятся в таблице 5.
Таблица 5
Составы асфальтобетонной смеси
Компоненты
Содержание составов, мас.%
1
2
3
4
Битум
4,9
5,3
5,1
6,6
Щебень
25
30
35
40
Песок
64,5
57,0
50,5
43
Пыль-унос
5
7
8
10
Каучук СКДП-Н
0,1
0,6
0,7
0,2
Этилсиликат-40
0,5
0,1
0,7
0,2
Свойства указанных составов асфальтобетона в сравнении со свойствами асфальтобетона из прототипа приводятся в таблице 6.
Таблица 6
Свойства асфальтобетонных смесей
Наименование показателей
Предлагаемые составы
Прототип
1
2
3
4
Предел прочности при сжатии при 50°C, МПа
2,7
2,8
3,1
2,9
2,5
Предел прочности при сжатии при 0°C, МПа
5,8
5,9
5,4
5,0
14
Коэффициент водостойкости
1,2
1,5
1,4
1,3
0,98
Водонасыщение, % объема
0,44
0,46
0,68
0,52
1,6
Из таблицы 6 следует, что асфальтобетонная смесь предлагаемого состава обладает значительно более высоким значением коэффициента водостойкости, чем этот же показатель у прототипа. Это объясняется тем, что прочность асфальтобетона в воде больше, чем на воздухе за счет того, что этилсиликат-40 в воде гидролизуется с образованием полимерных гелевых продуктов гидролиза, структурирующих битум. Также у предлагаемого состава асфальтобетона достигнуты лучшие значения по прочности при 50°C и водопоглощению. Кроме этого, предел прочности при сжатии при 0°C у предлагаемых составов меньше, чем у прототипа, что свидетельствует об их лучшей эластичности и трещиностойкости при отрицательной температуре.