Способ повышения прочностных свойств дорожного битума
METHOD FOR INCREASING STRENGTH OF PROPERTIES OF ROAD BITUMEN

Изобретение относится к  области дорожного строительства и может быть использовано для производства асфальтобетонной смеси, применяемой в качестве конструктивных слоев дорожной одежды.
Битум в асфальтобетоне является и вяжущим, и гидроизолирующим  материалом. При этом работоспособность битумного вяжущего во многом зависит от прочности сцепления его с поверхностью минеральных материалов и общей прочности его в асфальтобетоне. Дорожный битум должен обладать высокой адгезионной способностью в широком диапазоне температур, чтобы прочно удерживать минеральную составляющую асфальтобетона в общей массе. Это особенно важно при интенсивном движении автомобильного транспорта, возрастающем ежегодно на 10-12%. Наиболее распространенные виды разрушений асфальтобетонных покрытий происходят вследствие недостаточной адгезионной прочности на границе раздела фаз между битумом и минеральной поверхностью. Кроме того, срок службы дорожного покрытия зависит от характера действующих на него нагрузок. Так нагрузки, от  действия движущегося транспорта, изгибают дорожное полотно и носят циклический характер.  При циклических нагрузках важна прочность всего монолита дорожного покрытия. Поэтому под повышением прочностных свойств дорожного битума понимается не только повышение его адгезии с минеральными материалами, но и повышение его когезионных связей, определяющих прочность свойств самого объемного битума.
Известен способ повышения адгезии битума к каменным материалам путем введения в состав битума различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). [Руководство по применению поверхностно активных веществ при устройстве асфальтобетонных покрытий.  Министерство транспорта Российской Федерации государственная служба дорожного хозяйства (РОСАВТОДОР). Москва. 2003].
Наиболее эффективные из них  это:  ДАД-1; Амдор-10; Адгезол 3-тд; Evotherm, как повышающие адгезию битума к каменному материалу [Выбор адгезионных добавок для повышения термостабильности битума. А.И. Траутваин, В.В. Ядыкина, Д.В. Землякова. БГТУ им. Шухова.№1(13),2014, с.225-240].
К недостаткам ПАВ,  перечисленных в данном документе, можно отнести:
- ограничения в температурно-временном режиме приготовления смеси;
- ограничения во времени реализации;
- ухудшение экологии;
- дефицитность сырьевых ресурсов и их высокая стоимость.
Существующие на сегодняшний день ПАВ направлены на повышение адгезии битума к минеральным наполнителям асфальтобетонной смеси. Их применение не затрагивает когезионные связи, обеспечивающие объемную прочность битума, а, следовательно, и общую прочность слоя асфальтобетонного дорожного покрытия. Как указывалось выше, битум находится в асфальтобетонной смеси не только в пленочном, но и в объемном состоянии. Расположение этих объемов носит локальный характер в общей массе этого материала. При этом когезионная прочность этих объемов оказывает большое влияние на срок службы дорожного покрытия, особенно от нагрузок имеющих циклический характер.
При таких нагрузках разрушение дорожного покрытия начинается в местах наименее прочных, в точках локализации объемного битума. Как известно прочность пленочного битума намного выше прочности объемного [Дорожный асфальтобетон. А. М. Богуславский, И. В. Королев, Н. В. Горелышев, Л. Б. Гезенцвей; Под ред. Л. Б. Гезенцвея. - 2-е изд., перераб. и доп. М. Транспорт. 1985. - 350 с.].
Таким образом, основным недостатком битумов с ПАВ является то, что это не приводит к повышению общей прочности битумов.
В качестве прототипа предлагаемому изобретению рассматривается    способ повышения прочностных свойств битума [Пути экономии битума в дорожном строительстве. И. В. Королев,  М, Транспорт, 1986, с.149],   путем снижениям доли объемного битума в общей массе асфальтобетонной смеси, благодаря двух стадийному способу её приготовления. Этот способ заключается в том, что на первой стадии, осуществляется приготовление вяжущего путем ввода в горячий битум тонкодисперсного минерального порошка, обладающего большой удельной поверхностью. Первая стадия заканчивается тщательным перемешиванием в смесителе этих компонентов до их гомогенного состояния. Суть этого способа повышения прочностных свойств битума заключается в переводе, объемного битума в пленочный, который адсорбируется  на поверхностях частиц минерального порошка, обладающих большой удельной поверхностью. Далее наступает вторая стадия, где объединяются гомогенное вяжущее и заполнитель асфальтобетона, а затем тщательно  перемешиваются до получения товарного продукта – асфальтобетонной смеси. При этом количество битума, необходимого для этой операции, требуется меньше, чем при обычном, одностадийном приготовлении асфальтобетонной смеси, когда все её составляющие перемешиваются одновременно.
Недостатком такой технологии является то обстоятельство, что данном случае, перевод объемного битума в пленочный происходит не в полной мере.  Во-вторых, теоретически трудно точно рассчитать объем битума необходимого для перевода его в пленочное состояние, поэтому его вводят с небольшим запасом. Во-вторых, в процессе уплотнения слоя асфальтобетонной смеси в дорожном покрытии, под действием уплотняющей нагрузки, происходит сближение частиц и агрегатов между собой. При этом, в местах контакта частиц заполнителя, пленки битума  начинают деформироваться, перетекая из мест более напряженных в места менее напряженные, заполняя поровое пространство уплотняемой смеси. Таким образом, образуются локальные концентрации объемного битума. Его прочность, как указывалось выше, меньше, чем прочность  пленочного. Поэтому локальные концентрации объемного битума являются слабым местом в дорожном покрытии и источником его разрушения под действием внешних циклических нагрузок.
Задачей настоящего изобретения является  повышение прочностных свойств дорожного битума.
Для решения поставленной задачи в способе повышения прочностных свойств дорожного    битума, состоящий в добавлении  в битум упрочняющего компонента,   в качестве этого компонента используют железный сурик в количестве не менее 1% от массы  битума, который вводят в последний до объединения его с минеральным материалом.
Технический результат изобретения заключается в том, что введение в битум железного сурика, частицы которого обладают магнитными свойствами, обеспечивает структурирование свободных объемов битума в асфальтобетонном покрытии, ведущее в конечном итоге к повышению его прочности.
На, прилагаемых к изобретению, чертежах даны следующие изображения:
- фиг. 1 – график  изменения прочности битума в зависимости от процентного содержания в нем железного сурика;
- фиг.  2 – локальный объем свободного битума с частицами  железного сурика.
Для лучшего понимания сущности предлагаемого способа ниже дается характеристика упрочняющего компонента, в качестве которого использован железный сурик.
2
3
Сурик железный представляет собой пигмент (порошок) природного происхождения,  красно-коричневого, желтовато-красного или кирпичного цвета. Основным компонентом железного сурика является оксид железа (FeO), содержание которого достигает 65 – 95%. Остальная часть – примеси кремнезема и глинистых веществ. Процесс производства железного  сурика осуществляется по технологии прокаливания лимонитовой руды или солей железа посредством кислородо-воздушных сред. После того, как состав оксида железа достигнет вышеуказанного уровня, он проходит этап измельчения. Измельчение осуществляется на специальном оборудовании - дробилках, а затем, с последующим разделением разделение на фракции – на  грохотах. Затем пигмент упаковывают в емкости из металла или другую тару.
о
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Предварительно в ограниченный объем битума  определенной массы с температурой в диапазоне 140-160С вводится железный сурик в количестве, обеспечивающем его 25%-ое содержание по отношению к отобранном массе битума. К общей массе битума одного замеса асфальтобетонной смеси указанный процент (25%) железного сурика должен обеспечить не менее 1%-ое его содержание. Затем  осуществляют тщательное перемешивание битума и железного сурика до получения гомогенной битумной смеси. Полученный концентрат добавляют в оставшееся количество битума, необходимое для получения  одного замеса смеси, осуществляя окончательное перемешивание. Полученное вяжущее  вводят в смеситель совместно с минеральным материалом и завершают процесс приготовления асфальтобетонной смеси, которая становится готовой для укладки в дорожное покрытие.
В лабораторных условиях были выполнены ряд экспериментов подтверждающих эффективность заявленного способа.
Так одно из исследований касалось выяснения влияния количества железного сурика  в битуме на прочность соединения (склеивания) объектов из минерального материала друг с другом.
о
о
Три куба  шлифованного гранита, равной величины (40х30х20 мм), склеивались битумным вяжущим с определенной толщиной слоя вяжущего так, чтобы средний куб выступал относительно крайних на некоторую величину по высоте. Склеенная триада, устанавливалась на пресс, где она нагружалась на средний куб, при температуре 20С, так, что происходил сдвиг среднего куба относительно крайних, вызывающий разрушения слоя. В каждом опыте определялось  сопротивление разрушению как  усилие разрушения деленное на площадь склеенной поверхности. Эта величина, в Мпа, принята в качестве оценки прочности соединения. Опыты проводились с добавлением в битум, разогретый  до 140-160С, железного сурика в процентах: 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0 от массы битума. Результаты испытаний представлены графиком на фиг.1, из которого видно,  что прочность  соединения битума с включениями железного сурика к граниту увеличилась  примерно в 3,5 раза по сравнению с прочностью битума (0,04МПа) без железного сурика. Было установлено, что при увеличении содержания сурика в битуме в диапазоне от 0,2 – 0,8% имеет место незначительное изменение прочности в сторону увеличения. Скачок прочности отмечается при 1%-ом содержании сурика, после которого происходит ее прогрессивное нарастание да 2%-го содержания, а затем отмечается стабилизация величины прочности, приближающаяся к 0,15МПа. Таким образом, оптимальным количественным содержанием железного сурика в битуме является диапазон от 1%  до 2%, но не менее 1%.
В другом исследовании проведены  сравнительные испытания адгезионной прочности соединения  «битум - гранит» с  различной модификацией битума, предоставленными  предприятием АБЗ-1 (Санкт-Петербург) (см. таблица 1).
Результаты испытаний  различных модификаций битума представлены в таблице.
Таблица 1
№ п/п
Битум/ битум +модификатор
Прочность соединения без термостатиро-вания, Мпа
Прочность соединения после термостати-рования, (140<sup>о</sup>С в течение 72 часов)
1
БНД 60/90(битум)
0,048
0,081
2
Битум+ 1% минеральный порошкок
0,091
Не термост.
3
Битум + АМДОР-10
0,085
Не термост.
4
Битум + 1% железный сурик
0,161
0,468
Как видно из результатов испытаний добавка, в виде 1% содержания  железного сурика  увеличивает прочность соединения по сравнению с широко применяемым модификатором АМДОР-10, а также с применением минерального порошка почти в два раза. Важно отметить, что прочность соединения после термостатированния, дает увеличение прочности в 5 раз. Последний показатель очень важен для дорожного битума, который  должен обладать высокой прочностной способностью в широком диапазоне температур.
2
3
2
3
2
3
Упрочняющий компонент  в виде порошка железного сурика представляет собой оксид железа - FeO. Кристаллическая решетка оксида железа FeO ,    как основного элемента в составе железного сурика,  может модифицироваться и проявлять различные свойства  при внешних воздействиях: давление, температура. Так в ромбоэдральной альфа-фазе (α-FeO ) оксид железа является антиферромагнетиком ниже температуры 260 К; от этой температуры и до 960 K  - это— слабый ферромагнетик. При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной)  намагниченностью. [Горная энциклопедия в 5 томах Год: 1984-1991 Автор: Козловский Е.А. (ред.) Язык: Русский Издательство: Советская энциклопедия ISBN: 5-82870-007-Х].
Согласно классической теории электромагнитных явлений источником магнетизма являются электрические макро - и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента — спина.
Интенсивность  изменения  свойств полимерного материала, в частности, нефти зависит от направления спина магнитного центра ассоциата. Общее направление спинов всех взаимодействующих молекул и частиц нефтяной системы связано с суммарным магнитным полем в данной области пространства. Наложение внешнего воздействия, в том числе магнитного поля, на полимерную  систему, приводит к изменению направления молекул и частиц этой системы  [Дифференциация нефти в магнитном поле. Галимов Р. А., Кротов В. В., Марданшин Р. Н. 2010. / Вестник Казанского технологического университета].
Взаимодействие  ферромагнетиков 1 с компонентами собственно битума приводит к концентрации полимерных цепей 2 битума в поверхностном слое 3 частицы  порошка железного сурика (фиг.2) и увеличению адсорбционной активности частиц порошка железного сурика.
Возрастание адсорбционной активности проявляется в изменении кинетики и энергии активации адсорбционно-десорбционных процессов. Так на зернах порошка сурика, наблюдается эффект избирательной диффузии жидких углеводородов. Наряду с адсорбционным взаимодействием, охватывающим граничный слой битума, изменяется структура битума вследствие влияния магнитных сил  вокруг зерен железного сурика. Это влияние распространяется перпендикулярно поверхности частицы. Битум и его составляющие асфальтены, масла, смолы, попадая в зону их действия, претерпевают структурные изменения. Его высокомолекулярные соединения, проявляя «эстафетное действие», образуют цепочки, перпендикулярные к поверхности этих зерен. Эти цепочки напоминают собой ориентированные структуры типа «жидких кристаллов». Прочность связи звеньев цепочки по мере удаления от зерна падает и по мере удаления, битум приобретает объемные свойства. Но поскольку частиц железного сурика в битуме находится много, то влияние магнитного поля действующего вокруг этих частиц,  подвергает структурированию весь объем свободного битума, который не связан адгезионными силами с поверхностью минеральных зерен. Другими словами повышается когезионная  и общая прочность битума в составе асфальтобетонов. Исследования позволили в ориентированном слое битума выделить три зоны с характерными структурой и физико-механическими свойствами; твердообразная; структурированная; диффузная (фиг.2) Твердообразная зона, граничащая с поверхностью магнитных частиц, в основном представлена адсорбционным слоем.
Практически исследовано влияние  ферромагнетиков  в составе битума на поверхностную энергию и адгезионное взаимодействие с поверхностью каменного материала. С помощью метода  инфракрасной спектрометрии исследовался слой  вяжущего (битум +1% железного сурика) на минеральной поверхности. В результате установлено, что чем ближе к поверхности минерала, тем более сжатыми оказываются межатомные связи.  В результате уплотнения и сближения атомных связей возрастает прочность таких соединений как битум, модифицированный добавлением не менее 1%  железного сурика.