РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
RESOURCE-CONSERVING STONE MASTIC MIXTURE FOR CONSTRUCTION AND REPAIR OF ROADWAY PAVINGS

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и аэродромов и может быть использовано при устройстве верхних слоев дорожных одежд.
Срок службы дорожных покрытий автомобильных дорог высших технических категорий должен быть не менее 16-18 лет. Однако используемые в настоящее время горячие асфальтобетонные смеси в процессе эксплуатации покрытия через 5-7 лет выводят его из строя: образуются трещины, происходит частичное разрушение слоя, появляются выбоины, различные деформации, наплывы, волны, колеи.
В связи с этим огромную роль приобретает необходимость обеспечения повышенной долговечности и качества выполняемых работ и используемых материалов путем сокращения расхода дорожно-строительных материалов и энергетических ресурсов при их производстве и применении. Значительную долю материальных и энергетических затрат дорожных организаций при этом составляют процессы укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей, сокращения процессов их старения и энергозатрат при строительстве и ремонте покрытий.
Для получения такого эффекта особый интерес представляют внедряемые в последнее время так называемые «теплые» смеси, позволяющие снизить на 30-50°С температуру укладки и уплотнения горячих асфальтобетонных смесей. Под теплым асфальтобетоном традиционно в СССР было принято понимать смеси, получаемые с использованием жидких или разжиженных вяжущих по ГОСТ 9128-84 и укладываемые при температуре 50-80°С.
Существенным недостатком подобных смесей является то, что получаемые таким способом смеси после уплотнения и охлаждения обычно не набирают проектную плотность, прочность и необходимую ровность покрытия и, как правило, не соответствуют необходимым требованиям.
В последнее время появились новые технологии «теплых» смесей, позволяющие снизить температуру приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонов на вязких дорожных битумах (с глубиной проникания иглы 40-130·0,1 мм) на 30-50°C ниже, чем при работе с обычными горячими составами по ГОСТ 9128-2009.
Данные технологии позволяют при необходимости путем использования некоторых модифицирующих добавок понижать температуры производства, улучшать удобоукладываемость и уплотнение асфальтобетонных смесей при одновременном повышении их качественных показателей со значительным уменьшением энергозатрат и улучшением охраны окружающей среды. К числу подобных добавок относятся наиболее распространенные CECABASE RT945 (Франция), REDISETTMWMX (Швеция), EVOTHERM (США) и др. За счет временного понижения вязкости вяжущего такие модифицирующие добавки способствуют повышению способности вязких битумов улучшать обволакивание зерен каменного материала, снижая затраты энергии на перемешивание при приготовлении и облегчая процесс укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси, повышая прочность и плотность покрытия.
Известна асфальтобетонная смесь (патент RU 2303576 C2, C04B 26/26, опубликованный 27.07.2007), включающая песок, минеральный порошок, отсев дробления щебня - фракция 0-5 мм, нефтяной битум, резиновый модификатор, поверхностно-активное вещество - КАДЭМ-ВТ, полимерную добавку СЕВИЛЕН (ПД), шлам химводоочистки ТЭЦ и нефтяной гудрон (НГ). Однако смесь необходимо нагревать в течение 3-х часов при температуре до 150°C. При более низких температурах приготовление смеси в работе не рекомендуется.
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (патент RU 2474595, C08L 95/00, опубликовано 10.02.2013), содержащая щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум, смесь резинового термоэластопласта, волокнистую целлюлозную добавку, адгезионную азотсодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Щебень
65,0-75,0
Песок из отсевов дробления
5,0-17,0
Минеральный порошок
10,0-20,0
Битум
5,5-7,5
Резиновый термоэластопласт
0,2-0,6
Волокнистая целлюлозная добавка
0,2-0,6
Адгезионная азотсодержащая добавка
0,05-0,15
В качестве стабилизирующей добавки в этой смеси в работе использовался широко применяемый стабилизатор «VTATOP».
Недостатком указанной щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси являются ее высокие температуры укладки и уплотнения. Согласно известным требованиям (см. ГОСТ 31015-2002, табл. 3), в соответствии с которыми приготовлена эта смесь, температура ее при укладке (при использовании битума БНД 60/90) должна быть не менее 145°C. Температура же уплотнения смеси с использованием резинового термоэластопласта в соответствии с рекомендациями ОДМ 218.3.001-2006 (п.8.8) рекомендуется не ниже 140°C.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение температур укладки и уплотнения ЩМА (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси) с сохранением необходимых физико-механических показателей свойств и снижением процессов старения и энергозатрат при строительстве и ремонте дорожных покрытий.
Достигается это за счет разработки «теплых» щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей с повышенными водо-, сдвиго- и трещиностойкостью, более устойчивых к процессам старения при использовании в работе температур на 30-50°С ниже, чем при приготовлении горячих ЩМА смесей.
Сущность изобретения заключается в том, что щебеночно-мастичная смесь для строительства и ремонта дорожных покрытий, содержащая минеральный материал, дисперно-армирующую добавку - резиновый термоэластопласт РТЭП, и дорожный битум, при этом битум модифицирован добавками «Азол 1003» и поверхностно-активным веществом EVOTHERMJ-1, при их следующем соотношении масс.%:
битум БНД 60/90
98,6-99,3
«Азол 1003»
0,3-0,7
поверхностно-активное вещество EVOTHERMJ-1
0,4-0,7,
при следующем соотношении компонентов, масс.%:
минеральный материал
93,50-94,20
дисперсно-армирующая добавка -
резиновый термоэластопласт РТЭП
0,2-0,4
модифицированный битум БНД 60/90
5,6-6,1.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем: возможность понижения температур укладки и уплотнения ЩМА при значительном сохранении физико-механических свойств, вплоть до 90°C, с сокращением при этом процессов ее старения и энергозатрат при устройстве дорожного покрытия.
Применение энергосберегающего поверхностно-активного вещества EVOTHERMJ-1 обеспечивает временное понижение вязкости системы, способствуя более полному обволакиванию минерального материала вяжущим, и возможность понижения температуры укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси на 30-50°C, вплоть до 90°C.
Использование в работе адгезионной поверхностно-активной добавки катионного типа «Азол - 1003» позволяет повысить водоустойчивость разрабатываемой смеси, обеспечивая сцепление битума с кислым и ультракислым гранитным щебнем.
Хемосорбционные процессы и молекулярно-поверхностные явления, связанные с адсорбцией вяжущего, изменяют структуру пограничных слоев битума и влияют на свойства щебеночно-мастичной смеси, повышая ее прочность, водо-, сдвиго- и трещиностойкость, а также температуру ее приготовления, укладки и уплотнения.
Смеси с добавками РТЭП, EVOTHERMJ-1 и «АЗОЛ 1003» по показателям свойств даже при температуре уплотнения образцов, равной 90°C, соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002 и в ряде случаев превышают их (обеспечивая продление долговечности службы покрытий. Так показатели прочности при сжатии при 20 и 50°C и стекания превышают требования на 70-75%, а коэффициент длительной водостойкости увеличивается до 10%, значительно улучшаются показатели сцепления и др.
Анализ известных технических решений показал, что применение щебеночно-мастичных смесей со стабилизирующими добавками (в нашем случае с РТЕП и VLATOP) известно. Однако эти смеси значительно теряют свои свойства при пониженных температурах (как отмечено ниже 140 145°C), что делает невозможным их использование при укладке и уплотнении при указанных температурах. Заявляемые же смеси при таком понижении температуры, т.е. при меньшем расходе энергоресурсов, характеризуются показателями свойств, которые более чем в 2 раза превышают свойства известных традиционных ЩМА. Повышаются прочностные показатели при 20° и 50°C, показатели водонасыщения, сцепления, стекания и др., что способствует улучшению сдвиго-, водо- и коррозионной устойчивости дорожного покрытия.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1. Минеральные материалы
В качестве минерального материала использовались гранитный щебень Павловского карьера Воронежской области фракции 5-10 мм, отсев дробления щебня фракции 0-5 мм и минеральный порошок. В таблице 1 приведен зерновой состав этих материалов и подобранный состав щебеночно-мастичной смеси (готовая смесь), которая удовлетворяет требованиям к щебеночно-мастичным смесям по ГОСТ 31015-2002.
Используемый минеральный порошок удовлетворяет требованиям ГОСТ 52129-2003.
2. Минеральный порошок
В работе использовался активированный минеральный порошок (производитель завод Славянск-на-Кубани). В таблице 2 приведены показатели его физико-механических свойств.
Таблица 1
Зерновые составы минеральных материалов и подобранный состав ШМА смеси
Материалы
Содержание материала,%
Размер зерен, мельче, мм
15
10
5
2,5
1,25
0,63
0,315
0,16
0,071
Гранитный щебень фр. 5-10 мм
100
100
96,1
14
7,5
5,05
4,94
4,14
3,84
1,64
Отсев дробления 0-5 мм
100
100
99,7
84,7
59,1
48,5
31,6
18,5
8,7
1,9
Минеральный порошок мм
100
100
100
100
100
100
99,85
99,05
94,13
80,1
100
Состав смеси
Гранитный щебень фр. 5-10 мм
9
9,00
8,60
1,30
0,70
0,50
0,40
0,40
0,30
0,10
Отсев дробления 0-5 мм
66
66,00
65,80
55,90
39,00
32,00
20,90
12,20
5,70
1,30
Минеральный порошок мм
25
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
25,00
24,80
23,50
20,00
100
Готовая смесь
100
100,00
99,40
82,20
64,70
57,50
46,30
37,40
29,50
21,40
Таблица 2
Физико-механические показатели свойств минерального порошка
Наименование показателей
Значение показателей
Зерновой состав, % по массе мельче 1,25 мм
100
«0,315»
99,05
«0,071»
88,1
Пористость, %, не более
29
Набухание образцов из смеси порошка с битумом, %, не более
0,9
Влажность, % по массе, не более
0,3
Плотность истинная, г/см<sup>3</sup>
2,56
Используемый минеральный порошок удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 52129-2003.
2. Битум
Использовался вязкий дорожный битум БНД 60/90 (производитель Саратовское НПЗ). В таблице 3 приведены его физико-механические свойства. По показателям свойств используемый битум удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90.
Таблица 3
Физико-механические показатели вязкого дорожного битума, используемого для приготовления асфальтобетонной смеси
№ п/п
Наименование показателей
Нормы для битума марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90
Показатели битума
1
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при:
25°C
61-90
72
0°с
не менее 20
25
2
Температура размягчения битума, °C
не ниже 47
49
3
Растяжимость битума при 25°C, см
не менее 55
87
4
Температура хрупкости, °C
не выше - 15
-20
5
Индекс пенетрации
от -1,0 до +1,0
-0,5
6
Изменение температуры размягчения после прогрева, °C
не более 5
4
4. Дисперсно-армирующая добавка РТЭП
РТЭП разработан в ДорТрансНИИ РГСУ и выпускается научно-производственным предприятием ООО «ДорНИИ» в соответствии с ТУ 5718- 001- 7925941- 2006. В его состав входят полиолефиновый модификатор, дробленая шинная резиновая крошка с размером зерен до 1 мм, битумное вяжущее и антиоксиданты, взятые в определенном соотношении. Такая композиция характеризуется наличием значительного количества ненасыщенных связей, свойственных резинополиолефиновым соединениям. За счет потенциала этих связей происходит активное взаимодействие модификатора РТЭП со структурообразующими битумными частицами, главным образом асфальтенами ароматических соединений, с изменением коллоидной структуры вяжущего. Физико-механические показатели РТЭП приведены в таблице 4
Таблица №4
Физико-механические показатели резиносодержащего термоэластопласта РТЭП
Наименование показателей
Норма
Значение показателя
1. Цвет
черный
черный
2.Температура размягчения добавки, °C
Не выше 140
132
3.Увеличение температуры размягчения битума БНД 60/90 с 5-процентным содержанием добавки, %
Не менее 15
17
4. Эластичность битума с 5-процентным содержанием добавки при температуре 25°C, %
Не менее 40
56
5. Адгезионная добавка «Азол 1003»
«Азол1003» представляет собой высокоэффективную жидкую композицию из продуктов лесохимических производств и фосфатидов растительных масел. Относится к малоопасным веществам 4-го класс опасности по ГОСТ 12.1007.
6. Поверхностно-активное вещество EVOTHERMJ-1
1
Инновационная энергосберегающая добавка комплексного действия EVOTHERMJ1 разработана MeadWestvaco Corporation (США специально для понижения температуры уплотнения асфальтобетонных смесей. Добавка представляет собой продукт реакции конденсации полиаминов жирных кислот таллового масла и модифицированной продукта реакции конденсации полиаминов жирных кислот таллового масла 2,2 - иминодиэтанола. ЕVOTHERMJ-1 характеризуется следующими показателями свойств:
температура кипения
≥200°C
температура вспышки в закрытом тигле
143°C
удельная плотность
0,99 г/см<sup>3</sup>
относительная интенсивность парообразования
≤1
растворимость в воде
полная
вязкость, сП, при 30°C
500
25°C
1000
10°C
3500
pH
10-12
Пример. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены 5 вариантов составов полимерно-стабилизированных щебеночно-мастичных смесей (таблица 5). В качестве материалов использовались вышеописанные компоненты: минеральный материал, битум, резиновый термоэластопласт РТЭП, адгезионная добавка «Азол 1002», поверхностно-активное вещество ЕVOTHERMJ-1.
Приготовление щебеночно-мастичной смеси ЩМА-10 производили в следующем порядке. Добавки «EVOTHERMJ-1» и «АЗОЛ- 1003» вводились в разогретый до 150-160°C битум и перемешивались с ним в лабораторной установке для модифицирования битума до однородного состояния смеси в течение 15 минут. Приготовленное таким способом модифицированное вяжущее затем подавалось в лабораторный асфальтосмеситель на разогретые до 180-190°C минеральные материалы (щебень, отсев дробления, минеральный порошок) с добавкой РТЭП, введенной до подачи вяжущего при «сухом» перемешивании с минеральными материалами в течение 1 мин. Затем производилось «мокрое» перемешивание смеси в течение 30-40 сек. Далее из смеси готовились цилиндрические образцы под давлением 40 МПа, диаметром 71,4. Результаты сравнительных испытаний сведены в таблицу №6. Приготовление и испытание смеси «Прототип» осуществлялось в соответствии с ГОСТ 31015 при температурах 165 и 130°C (см. табл.6).
Из приведенных в таблице 6 данных следует, что заявляемая щебеночно-мастичная смесь по своим физико-механическим показателям свойств более чем в 2 раза превышает свойства известных традиционных ЩМА. Ее можно укладывать и уплотнять при температурах значительно более низких (в интервале 90-165°C), чем этого требуют горячие асфальтобетонные смеси согласно ГОСТ 31015-2002, не ниже 145°C. При меньшем расходе энергоресурсов они характеризуются повышенными показателями свойств: увеличиваются прочностные показатели при 20° и 50°C, показатели водонасыщения, сцепления, стекания и др., что способствует улучшению сдвиго-, водо- и коррозионной устойчивости дорожного покрытия.
Таблица №5
Составы модифицированных щебеночно-мастичных смесей с использованием РТЭП, EVOTHERM и АЗОЛ
№ п/п
Составы щебеночно-мастичной смеси ЩМА-15, масс.%
Составы модифицированного битума, мас.%
Минеральный материал
Модифиц битум БНД 60/90
РТЭП
Битум БНД 60/90
ПАВ «Азол»
Evoth erm
Viatop
AMДОР-10
1
94.65,
5.20
0,15
98,65
1.1
0,25
-
-
2
94,20
5,6
0,20
98,60
0,7
0,7
-
-
3
94,0
5,7
0,30
99,0
0,55
0,45
-
-
4
93,50
6.1
0,40
99,30
0,30
0,40
-
-
5
93,30
6,3
0,45
99,25
0,25
0,30
-
-
6 прототип
92,6
6,5
0,4
-
-
-
0,4
0,1
Таблица №6
Физико-механические показатели модифицированных щебеночно-мастичных смесей с модифицирующими добавками РТЭП, EVOTHERM и АЗОЛ.
№ составов
Наименование показателей
Пористость минеральной части, %
Остаточная пористость, %
Водонасыщение, %
Предел прочности при сжатии, МПа
Сдвигоустойчивость, МПа
Предел прочности на растяжение при 0°С, МПа
Устойчивость смеси к расслаиванию по показателю стекания вяжущего, %
При 20°C
При 50°C0
Сцепление при сдвиге при 50°C
Требования ГОСТ 31015-2002 к ЩМА-15 для II и III ДКЗ
От 15 до 19
От 1,5 до 4,5
От 1,0 до 4,0
Не менее 2,2
Не менее 0,65
Не менее 0,18
От 2,5 до 6,0
От 0,07 до 0,15
Требования ГОСТ 31015-2002 к ЩМА-15 для III и IV ДКЗ
От 15 до 19
От 2,0 до 4,5
От 1,5 до 4,0
Не менее 2,5
Не менее 0,70
Не менее 0,20
От 3,0 до 6,5
От 0,07 до 0,15
Температура 175°C
1
17,6
2,95
1,70
5,97
2,19
0,42
5,14
0,08
2
17,5
2,62
1.67
5,68
2,04
0,40
4,98
0,09
3
17,3
2,49
1,60
5,42
1,88
0,38
4,86
0,10
4
17,0
2,48
1,55
5,24
1,57
0,34
4,61
0,11
5
16,7
2,35
0,91
5,03
1,31
0,30
4,35
0,12
Температура 165°C
1
17,7
3,03
1,83
5,83
2,15
0,37
4,01
0,09
2
17,6
2,86
1,80
5,62
1,99
034
4,73
0,10
3
16,9
2,79
1,75
5,28
1,84
0,31
4,52
0,11
4
16,6
2,62
2,72
4,90
1,76
0,30
4,41
0,12
5
16,5
2,40
1,59
4,68
1,44
0,28
4,29
0,13
прототип
16,3
3,25
3,05
4,62
1,09
0,22
3,28
0,14
Температура 130°C
1
17,9
3,09
2,92
4,82
1,95
0,31
4,57
0,10
2
17,7
3,05
2,87
4,76
1,87
0,29
4,34
0,11
3
17,5
3,01
2,61
4,65
1,73
0,27
4,11
0,13
4
17,4
2,85
2,56
4,56
1,67
0,26
4,03
0,13
5
16,8
2,75
2,10
4,41
1,36
0,25
3,95
0,14
прототип
20,3
5,7
6,9
3,21
0,54
0,15
2,4
0,15
Температура 90-100°C
1
18,0
3,31
3,11
4,62
1,80
0,28
4,15
0,15
2
17,8
3,23
3,15
4,44
1,75
0,26
4,06
0,14
3
17,6
3,12
3,04
4,25
1,50
0,25
3,94
0,14
4
17,4
3,04
2,73
4,17
1,42
0,24
3,87
0,13
5
19,5
2,89
2,57
3,88
0,88
0,23
3,81
0,13
Температура 80°С
1
19,8
5,6
4,23
2,75
0,95
0,17
3,48
0,22
2
19,7
5,5
4,15
2,58
0,89
0,16
3,24
0,24
3
19,7
5,5
4,09
2,40
0,74
0,15
3,01
0,25
4
19,6
5,3
4,05
2,21
0,67
0,14
2,83
0,28
5
19,5
5,2
4,02
2,14
0,60
0,12
2,78
0,30