Способ производства полимерного холодного асфальта из фрезерованного старого асфальтобетона
METHOD OF PRODUCING POLYMER COLD ASPHALT FROM MILLED OLD ASPHALT CONCRETE

Изобретение относится к области дорожно-строительных материалов, в частности, к получению холодной асфальтобетонной всепогодной смеси из старого асфальтобетона для использования при ремонте асфальтобетонного дорожного покрытия и получения покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами.
В последнее время большое внимание уделяется использованию отходов промышленности для производства строительных материалов. Утилизация старого асфальтобетона дает не только экологический эффект, но и расширяет сырьевую базу производства строительных материалов в дорожном строительстве, где объемы поставок сырья (щебня и битума) для приготовления асфальтобетонных смесей значительно превышают объемы поставок в других отраслях строительной промышленности.
В настоящее время производители холодных асфальтов (холодной асфальтобетонной смеси) используют технологию, при которой в качестве инертного сырья используются новые каменные материалы, как правило, одной фракции и свежего битума. Высокие трудозатраты при данной технологии связаны с подвозом каменных материалов их сушкой при температурах выше 250°С для максимального испарения воды, необходимого для дальнейшего контакта (адгезии), пропитки каменного материала битумом. После просушки каменного материала требуется его выгрузка и выдержка при температуре окружающей среды для того, чтобы дать остыть материалу до температуры ниже 100°С, поскольку контакт каменного материала с полимерами, находящимися в вяжущем, при большей температуре не возможен в виду моментальной полимеризации. Таким образом, остывшие каменные материалы (щебень) необходимо повторно загрузить в АБЗ и при повторном цикле добавить вяжущее состоящие из нового битума, разжижителя и полимера. Подвоз битума специальным транспортом с подогревом, его хранение в подогретом жидком виде влечет за собой высокие трудозатраты и, как следствие, повышает трудоемкость процесса приготовления холодного асфальта.
Кроме того, использование данной технологии в дождливую погоду и при отрицательных температурах невозможно.
Наличие в получаемом продукте при данной технологии каменного материала (щебня), как правило, одной фракции, отсутствие строительного песка, снижает механическую прочность полученной продукции и как следствие срок службы дорожного покрытия, изготовленного с использованием указанной продукции.
Известен способ приготовления асфальтобетонной смеси для регенерации асфальтобетонного покрытия, который заключается в следующем (Патент РФ №2164900, 28.06.1999). Перемешивают щебень и песок с нагреванием до температуры 210-280°C. Отдельно нагревают битум до рабочей температуры 160°C. Далее смешивают указанные компоненты между собой с добавлением дробленного асфальтобетона и минерального порошка и осуществляют перемешивание в течение 3-7 с.
Недостатком указанного способа является его энергоемкость поскольку для осуществления способа требуется нагревать битум, песок и щебень до высоких температур, при этом битум нагревают отдельно от щебня и песка для чего требуется дополнительное оборудование, что, в свою очередь, также существенно повышает трудоемкость способа, в особенности, при выполнении работ непосредственно в месте ремонта дорожного покрытия.
Кроме того, для смешения со старым асфальтобетоном требуется доставка дополнительных количеств щебня, песка, битума, подвоз которого осуществляется специальным транспортом с подогревом, что существенно повышает трудоемкость способа.
Другим недостатком указанного способа является то, что к новым каменным материалам добавляется свежий битум и снятый старый асфальт, в котором находится старый (окислившийся битум). Таким образом, при смешении указанных компонентов не достигается полного восстановления свойств старого битума, что приводит к снижению физико-механических свойств готового асфальта. Частичное восстановление свойств старого битума происходит за счет нового добавленного битума, что, в конечном счете, снижает показатели нового битума такие, как пенетрация, количество смол, асфальтенов и, что приводит к понижению качества получаемого асфальтобетона.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в разработке простого способа изготовления холодной асфальтобетонной смеси для высококачественного ямочного ремонта (не требующего использования сложного оборудования и нагрева асфальтобетонной смеси) дорожного покрытия, в том числе, непосредственно на месте осуществления ремонта дорожного покрытия.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в упрощении способа изготовления холодной асфальтобетонной смеси за счет снижения его трудоемкости, повышении физико-механических свойств готового продукта (асфальтобетонной смеси), а также дорожного покрытия (асфальта), получаемого на основе указанного материала.
Указанный технический результат достигается в способе изготовления холодной асфальтобетонной смеси, заключающемся в том, что снятый с верхней части дорожного покрытия асфальтобетон нагревают до 40-60°С, осуществляют его смешение с 0,5-5% вяжущего, включающего разжижитель и модификатор, при этом модификатор содержит термопластичный стирольный эластомер, масло теплоноситель АМТ-300, полиэтиленполиамин, смесь жирных кислот растительных масел при следующем соотношении компонентов, мас.%:
термопластичный стирольный эластомер - 2-30,
масло теплоноситель АМТ-300 - 42-91,
полиэтиленполиамин - 3-12,
смесь жирных кислот растительных масел - 4-16,
причем содержание модификатора в вяжущем составляет 5-35%.
Модификатор получают путем перемешивания термопластичного стирольного эластомера, масла теплоносителя АМТ-300, полиэтиленполиамина и смеси жирных кислот растительных масел до однородного состояния при температуре 100-200°С.
В качестве термопластичного стирольного эластомера в составе модификатора может быть использован дивинилстирольный эластопласт.
В качестве смеси жирных кислот растительных масел для изготовления модификатора используют жирные кислоты растительных масел, получаемые в процессе производства хлопкового масла (жирные кислоты насыщенные 27%: пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, миристиновая; мононенасыщенные 19%: олиновую; полиненасыщенные 54 %: линолеваю и линоленовую).
Масло теплоноситель АМТ-300 представляет собой масло, вырабатываемое на основе экстракта тяжелого газойля каталитического крекинга.
Масло АМТ-300 применяют в качестве теплоносителя в закрытых системах, исключающих контакт горячего масла с воздухом http://rosneftlubricants.ru/netcat_files/products_pds/AMT-300.pdf.
В качестве разжижителя используют дизельное топливо.
В результате исследований было установлено существенное влияние количественного и качественного состава модификатора в составе вяжущего на физико-механические свойства как получаемого при реализации настоящего способа продукта, так и дорожного покрытия, изготавливаемого из него.
В процессе работы были разработаны серии холодных смесей, полученные смешением гранулята с вяжущими, модификаторы которых отличаются компонентным составом или содержат различное соотношение компонентов. Были исследованы физико-механические свойства указанных смесей, а также асфальтобетонных образцов на их основе.
В таблице 1 приведены примеры составов 10-ти образцов модификаторов.
Образцы составов модификатора для гранулята по Примерам 3,4,5,7 соответствуют заявляемому изобретению.
Таблица 1
Компоненты модификатора
№ Примера
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
термопластичный стирольный эластомер
1,9
59,05
30
15
2
35
10
15
15
15
масло теплоноситель АМТ-300
97
38
42
70
91
25
74
-
70
73
полиэтиленполиамин
0,01
0,05
12
5
3
20
8
5
-
12
смесь жирных кислот растительных масел
1,09
2
16
10
4
20
8
10
10
-
масло И20
-
-
-
-
-
-
-
70
-
-
полипропиленполиамин
-
-
-
-
-
-
-
-
5
-
Сравнение физико-механических свойств холодных смесей и асфальтобетонных образцов из холодных смесей, изготовленных путем смешения гранулята с образцами вяжущих, отличающихся составом модификаторов (составы по примерам 1-10), проводили на основе полученных показателей предела прочности при сжатии, сцепления, водонасыщения, трещиноустойчивости, слеживаемости (таблица 2).
Таблица 2
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Показатель
Предел прочности при сжатии, 20°C, МПа
Сцепление<sup>2)</sup>
Водонасыщение
Трещиноустойчивость при 0ºС
Слеживаемость,число ударов
Пример 1
0,2
2/4 (не выдерживает)
15
4*10<sup>-4</sup>
15
Пример 2
0,1
1/4 (не выдерживает)
0,4
5,1*10<sup>-4</sup>
18
Пример 3
0,45
4/4 (выдерживает)
1,8
6,8*10<sup>-4</sup>
4
Пример 4
0,4
3/4 (выдерживает)
5
6,9*10<sup>-4</sup>
1
Пример 5
0,5
4/4 (выдерживает)
8
6,85*10<sup>-4</sup>
3
Пример 6
0,15
2/4 (не выдерживает)
19
3*10<sup>-4</sup>
11
Пример 7
0,44
3/4 (выдерживает)
2
6,91*10<sup>-4</sup>
1
Пример 8
0,11
1/4 (не выдерживает)
17
3,3*10<sup>-4</sup>
15
Пример 9
0,1
1/4 (не выдерживает)
13
4,3*10<sup>-4</sup>
12
Пример 10
0,15
1/4  (не выдерживает)
18
3,8*10<sup>-4</sup>
10
1) Холодные смеси были получены в результате смешения гранулята с модификатором (Примеры 1-10),
2) Сцепление не менее 3/4.
В результате исследований было установлено, что образцы смесей, а также асфальтобетонных образцов в патентуемом количественном и качественном составе (по примерам 3-5, 7) характеризуются повышенными физико-механическими свойствами.
При этом значительно более высокое значение слеживаемости холодной смеси обеспечивает улучшение удобоукладываемости материала, что приводит к снижению трудоемкости при осуществлении ремонтных работ. Повышение предела прочности при сжатии, сцепления, трещиноустойчивости асфальтобетонных образцов приводит к существенному увеличению прочности готового дорожного покрытия. Кроме того, значения водонасыщения для холодных смесей регламентированы и должны лежать в пределе от 1,0 до 9,0, при котором продукт характеризуется оптимальной пористостью, при которой дорожное покрытие обладает повышенной морозостойкостью и, как следствие, повышенной прочностью.
Также было отмечено, что существенное влияние на физико-механические свойства образцов смесей, а также асфальтобетонных образцов оказывает выбор компонентного состава модификатора в составе вяжущего для приготовления холодной смеси. Выбор компонентов модификатора для изготовления холодного асфальта по настоящему способу неслучаен. Было показано, что именно при данном компонентном составе модификатора удалось получить холодную смесь, обладающую лучшими физико-химическими характеристиками, что также приводит к повышению прочности дорожного покрытия, улучшению удобоукладываемости материала, и, как следствие, к снижению трудоемкости при осуществлении ремонтных работ.
Кроме того, было установлено, что химическая природа масла, используемого в составе модификатора, играет важную роль. Добавление к смеси термопластичного стирольного эластомера, жирных кислот растительных масел, полиэтиленполиамина масла теплоносителя АМТ-300 в соотношениях по настоящему способу позволяет получить модификатор, обеспечивающий высокую прочность холодной асфальтобетонной смеси за счет повышения физико-механических свойств: предела прочности при сжатии, сцепления, трещиноустойчивости, водонасыщения. При этом, использование вместо масла теплоносителя АМТ-300 других видов масел, например, масла И-20А в составе модификатора привело к снижению физико-механических свойств как холодной смеси, так и дорожного покрытия.
Была также отмечена аналогичная зависимость при использовании в составе модификатора смеси жирных кислот растительных масел в сочетании с полиэтиленполиамином, а именно, повышение физико-механических характеристик холодной смеси и дорожного покрытия. В то время, как при использовании в составе модификатора других аминов, например, полипропиленамина в сочетании со смесью жирных кислот растительных масел или этилентолиамина в отсутствии смеси жирных кислот растительных масел не приводит к повышению физико-механических свойств холодной смеси и дорожного покрытия.
Кроме того, сочетание компонентов в модификаторе и их количественное соотношение обеспечивают получение вяжущего, при использовании которого в настоящем способе, получают холодную смесь (холодный асфальт) и дорожное покрытие на ее основе, характеризующиеся высокой прочностью при эксплуатации в условиях низких температур (до -40ºС). Вероятно, полученный положительный результат обусловлен достижением синергетического эффекта при реакции компонентов модификатора между собой.
Таблицы 3, 4 иллюстрируют результаты определения прочности асфальтобетонных образцов на основании показателей: предел прочности при сжатии (отражающий механическую прочность асфальтобетона) и порог хрупкости (отражающий порог наступления хрупкости при минусовой температуре, обычные требования которого – 20 градусов).
Таблица 3
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Предел прочности при сжатии   асфальтобетонного образца, МПа
-5
-10
-15
-30
-40
-45
Пример 1
0,20
0,19
0,19
0,19
0,15
0,10
Пример 2
0,10
0,10
0,10
0,09
0,08
0,07
Пример 3
0,43
0,41
0,40
0,40
0,40
0,38
Пример 4
0,40
0,40
0,40
0,40
0,40
0,37
Пример 5
0,49
0,48
0,45
0,45
0,44
0,41
Пример 6
0,14
0,14
0,13
0,12
0,10
0,10
Пример 7
0,42
0,41
0,40
0,40
0,40
0,36
Пример 8
0,10
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
Пример 9
0,10
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
Пример 10
0,13
0,12
0,11
0,09
0,09
0,09
Таблица 4
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Порог хрупкости асфальтобетонных образцов, ºС
Пример 1
-18
Пример 2
-15
Пример 3
-40
Пример 4
-40
Пример 5
-40
Пример 6
-15
Пример 7
-40
Пример 8
-17
Пример 9
-13
Пример 10
-19
Использование модификатора с указанным компонентным и количественным составом позволяет осуществлять процесс восстановления битума в составе старого асфальтобетона при низких температурах с получением высококачественной холодной смеси для изготовления дорожного покрытия с повышенной прочностью. Как правило, при низких температурах вяжущим не удается разрушить пленку окислов, образовавшуюся на старом битуме. Однако, оптимальный компонентный и количественный состав модификатора для снятого с верхней части дорожного покрытия асфальтобетона (старого асфальтобетона), обеспечивает полное восстановление свойств битума в составе асфальтобетона при нагреве битума (асфальтобетона) до 40ºС, когда наступает начальная стадия его пластичности. При добавлении вяжущего с модификатором в указанный момент (при нагреве битума до 40ºС) происходит активное разрушение пленки окислов и полное восстановление пенетрации битума. Кроме того, снижается уровень смол и асфальтенов, восстанавливается цепь углеводородов, нарушенная в процессе старения битума в старом асфальте. Возможность полного восстановления свойств старого битума в составе старого асфальтобетона позволяет получать получить высококачественную холодную смесь для изготовления дорожного покрытия с высокими физико-механическими свойствами из старого асфальтобетона.
Кроме того, возможность существенного снижения температуры нагрева битума в составе гранул асфальтобетона при реализации способа получения асфальтобетонной смеси, обеспечиваемая использованием модификатора с указанным компонентным и количественным составом, приводит к упрощению настоящего способаза счет снижения энергоемкости способа и, как следствие, его трудоемкости. Для осуществления настоящего способа требуется минимум оборудования. Кроме того, настоящий способ исключает подвоз дополнительного каменного материала (помимо асфальтобетона) в качестве компонента смеси, что существенно снижает трудоемкость способа.
В таблице 5 приведены результаты определения температуры восстановления битума в составе старого асфальтобетона, используемого для изготовления холодной смеси.
Таблица 5
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Температура разогрева асфальтобетонного гранулята, при которой число пенетрации битума с составе старого асфальтобетона составляет  15 ед. после обработки  модификатором, ºС
Пример 1
120
Пример 2
110
Пример 3
40
Пример 4
41
Пример 5
39
Пример 6
120
Пример 7
40
Пример 8
130
Пример 9
160
Пример 10
120
1) Холодные смеси были получены в результате смешения гранулята с модификатором (Примеры 1-10).
Экспериментально было установлено, что существенное влияние на механическую прочность образцов асфальтобетонных смесей имеет содержание модификатора в вяжущем и содержание вяжущего в смеси с асфальтобетонным гранулятом.
В таблице 6 приведены результаты испытания асфальтобетонных образцов, демонстрирующие зависимость их механической прочности от содержания модификатора (мас.%) в составе вяжущего.
Таблица 6
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Предел прочности при сжатии   асфальтобетонного образца, 20°C, МПа
1%
3%
5%
20%
35%
40%
Пример 1
0,2
0,2
0,2
0,21
0,22
0,22
Пример 2
0,1
0,1
0,1
0,2
0,21
0,22
Пример 3
0,35
0,31
0,45
0,41
0,48
0,31
Пример 4
0,34
0,30
0,4
0,40
0,45
0,30
Пример 5
0,33
0,36
0,5
0,46
0,49
0,34
Пример 6
0,1
0,1
0,15
0,16
0,16
0,10
Пример 7
0,32
0,32
0,44
0,41
0,47
0,35
Пример 8
0,1
0,1
0,11
0,11
0,1
0,1
Пример 9
0,1
0,1
0,1
0,11
0,1
0,1
Пример 10
0,1
0,1
0,15
0,1
0,1
0,1
Таблица 7 демонстрирует результаты, отражающие зависимость механической прочности образцов асфальтобетонной смеси от содержания (мас.%) вяжущего в смеси с асфальтобетонным гранулятом.
Таблица 7
Асфальтобетонный образец из холодной смеси<sup>1)</sup>
Предел прочности при сжатии   асфальтобетонного образца, 20°C, МПа
0,1%
0,5%
2%
5%
8%
Пример 1
0,2
0,2
0,2
0,18
0,14
Пример 2
0,15
0,13
0,1
0,1
0,1
Пример 3
0,31
0,48
0,45
0,43
0,32
Пример 4
0,35
0,48
0,4
0,45
0,34
Пример 5
0,35
0,44
0,5
0,43
0,35
Пример 6
0,16
0,15
0,15
0,14
0,4
Пример 7
0,30
0,40
0,44
0,43
0,35
Пример 8
0,11
0,11
0,11
0,12
0,1
Пример 9
0,1
0,1
0,1
0,12
0,1
Пример 10
0,13
0,14
0,15
0,16
0,15
Важно отметить, что при изготовлении модификатора использование смеси жирных кислот растительных масел предпочтительно, поскольку было выявлено, что модификатор, содержащий смесь указанных кислот обеспечивает повышенные физико-механические свойства асфальтобетонным образцам.
В таблице 8 представлены результаты исследования асфальтобетонных образцов, полученных на основе модификатора, содержащего как одну жирную кислоту, так и смеси жирных кислот растительных масел.
Для этого готовили серию модификаторов, состав которых соответствует рецептуре модификатора по Примеру 3, однако при идентичном количественном содержании всех компонентов варьировали качественный состав жирных кислот растительных масел.
Таблица 8
Состав жирных кислот растительных маселв модификаторепо Примеру 3
Предел прочности при сжатии   асфальтобетонного образца, 20°C, МПа
Пальмитиновая
0,40
Стеариновая
0,40
арахиновая
0,39
миристиновая
0,38
олеиновая
0,39
линолевая
0,39
линоленовая
0,40
Пальмитиновая 50%, линолевая 50%
0,43
Пальмитиновая 27%, олеиновая 19%, линоленовая 54%
0,45
Заявляемую холодную асфальтобетонную смесь получают следующим образом. Снимают фрезой старый асфальтобетон. Для изготовления асфальтобетонной смеси используют гранулят асфальтобетона с размером 2 -18 мм, поскольку данная грануламетрия наилучшим образом обеспечивает плотность и механическую прочность получаемого полимерного холодного асфальта и обеспечивает однородность с ремонтируемым верхним слоем асфальта при ямочном ремонте. В полученном грануляте изначально находятся битум (как правило, высоких марок) в твердом состоянии, все фракции щебня и строительного песка, соответствующие верхнему слою асфальта. Далее 1000 кг асфальтового гранулята разогревают до 40-60ºС, что обеспечивает начальную пластичность битума. Кроме того, в результате нагрева испаряется несвязанная вода. Готовят модификатор для битума следующим образом: смешивают термопластичный стирольный эластомер, масло теплоноситель АМТ-300, полиэтиленполиамин, смесь жирных кислот растительных масел при следующем соотношении компонентов, мас.%: термопластичный стирольный эластомер – 2-30, масло теплоноситель АМТ-300 – 42-91, полиэтиленполиамин – 3-12, смесь жирных кислот растительных масел – 4-16.
Далее, для получения высококачественной холодной асфальтобетонной смеси для ямочного ремонта, из расчета на одну тонну гранулята готовится вяжущее, состоящее из модификатора и дизельного топлива, при содержании модификатора 5-35% масс. (например, смешивают 5 кг модификатора и 17 литров (14,5 кг) дизтоплива). Вяжущее разогревается до 65-70 градусов. Содержание вяжущего в смеси с асфальтобетонным гранулятом составляет 0,5-5% масс.То есть, на одну тонну гранулята разогретого до 40-60ºС добавляют 0,5-5% масс. (например, 21 литр (17,4 кг) вяжущего и перемешивают в течении 45 секунд.
Введение модификатора в гранулят позволяет полностью восстановить свойства битума до начальных величин и получить холодную смесь для изготовления высококачественного дорожного покрытия.
Таким образом, способ позволяет получить холодную асфальтобетонную смесь путем регенерации старого асфальтобетона, снятого с верхней части дорожного покрытия при обработке модификатором.