ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНАЯ АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
CRUSHED STONE MASTIC ASPHALT CONCRETE MIXTURE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области дорожного строительства, а именно к производству щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, используемых для устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
Известна щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь по ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия» с использованием в качестве вяжущего дорожного битума, волокнистой целлюлозной добавки, а также других добавок, способных сорбировать (удерживать) битум при технологических температурах, не оказывая отрицательного воздействия на вяжущее и смеси.
Недостатком данной щебеночно-мастичной смеси является недостаточно высокая прочность при 50°С, невысокие значения коэффициента водостойкости при длительном водонасыщении.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (ЩМАС) по ОДМ 218.3.001-2006 (ОДМ 218.3.001-2006. Методические рекомендации по применению полимерно-дисперсного армирования асфальтобетонов с использованием резинового термоэластопласта (РТЭП). Издание второе, переработанное. - М.: ФГУП «Информавтодор». - 2006. - 33 с.). Для данной ЩМАС в качестве вяжущего используется битум, а в качестве стабилизирующей (битумоудерживающей) добавки используется РТЭП. Возможно дополнительное введение целлюлозных или других волокнистых стабилизирующих добавок. РТЭП согласно ТУ 5718-001-79259416-2006 представляет собой многокомпонентную композицию на основе полиолефинового полимерного носителя, содержащую дорожный битум.
Недостатком указанной ЩМАС с добавкой РТЭП является недостаточная устойчивость к расслаиванию в процессе транспортирования и загрузки-выгрузки, определяемая по показателю отекания вяжущего в соответствии с ГОСТ 31015-2002. После введения в ЩМАС дополнительно к РТЭП волокнистых стабилизирующих добавок показатель отекания соответствует требованиям ГОСТ 31015-2002, но однородность ЩМАС, оцениваемая по коэффициенту вариации показателя предела прочности при сжатии при температуре 50°С и по значениям средней плотности становится низким, что снижает длительную водостойкость и долговечность покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА).
Предполагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении однородности ЩМАС и ЩМА, его длительной водостойкости и долговечности.
Технический результат достигается введением в ЩМАС адгезионной азотсодержащей добавки. Отличие предлагаемой ЩМАС состоит в том, что смесь, включающая щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок, битум и смесь резинового термоэластопласта и волокнистой целлюлозной добавки, дополнительно содержит адгезионную азотсодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
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,
при этом объемное соотношение резинового термоэластопласта и волокнистой целлюлозной добавки составляет соответственно 30-70% и 70-30%.
Введение адгезионной азотсодержащей добавки позволяет улучшить однородность распределения в битуме РТЭП и волокнистой целлюлозной добавки, получить более однородные битумные пленки и более однородную структуру ЩМАС и ЩМА.
Под адгезионной азотсодержащей добавкой подразумевается добавка, улучшающая сцепление битума с кислыми горными породами, которая имеет в своем составе катионактивные азотсодержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые содержат амиды, амины, диамины, полиамины, четвертичные аммониевые соединения, амидоамины, имидазолины и их производные, а также смеси этих соединений и т.п.
Введение адгезионной азотсодержащей добавки в битум изменяет растворяющую способность углеводородной дисперсионной среды битумной дисперсной системы. Молекулы и мицеллы азотсодержащих ПАВ частично адсорбируются на поверхности дисперсных битумных частиц (асфальтенов и их ассоциатов), частично находятся в углеводородной дисперсионной среде. В процессе перемешивания РТЭП и волокнистой целлюлозной добавки с битумом часть молекул и мицелл азотсодержащих ПАВ, а также битумные частицы с адсорбированным слоем ПАВ будут адсорбироваться на поверхности надмолекулярных структур полимерных компонентов РТЭП и на поверхности волокон целлюлозной стабилизирующей (битумоудерживающей) добавки, блокируя полярные группы, что приведет к уменьшению межмолекулярного взаимодействия и облегчит распределение полимерных компонентов РТЭП и волокон в битуме.
Технический результат достигается также способом получения щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, который включает введение в асфальтосмеситель щебня и песка из отсевов дробления с t=150-195°С и перемешивание, введение ненагретого минерального порошка и перемешивание, введение смеси резинового термоэластопласта и волокнистой целлюлозной добавки и перемешивание, введение битума с t=110-165°C и перемешивание, причем после введения минерального порошка и перемешивания вводится смесь резинового термоэластопласта и волокнистой целлюлозной добавки в соотношении резиновый термоэластопласт - 30-70% по объему, волокнистая целлюлозная добавка - 70-30% по объему, при этом смесь РТЭП и волокнистой целлюлозной добавки получается после введения их раздельно в разделенный на две части приемный бункер линии гранулированных добавок и перемешивания в процессе транспортирования по винтовому конвейеру, а в битум до его подачи в асфальтосмеситель вводится и однородно распределяется в нем адгезионная азотсодержащая добавка.
Проведены испытания ЩМАС с использованием предлагаемого соотношения компонентов и предлагаемого способа получения ЩМАС.
Для приготовления щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМАС-15 использовался гранитный щебень фр. 5-10 мм и фр. 10-15 мм, гранитный отсев от дробления горных пород, известняковый минеральный порошок. Гранулометрический состав минеральных материалов приведен в таблице 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав минеральных материалов
Наименование материалов
Зерновой состав (остатки на сите с отверстием, мм), в % по массе
№ п/п
15
10
5
2,5
1,25
0,63
0,315
0,16
0,071
менее 0,071
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
Щебень гранит. фр. 10-15 мм ОАО «Гайворонский спецкарьер»
1,6
95,2
2,8
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,4
2
Щебень гранита. фр. 5-10 мм ОАО «Гайворонский спецкарьер»
0,6
94,8
4,0
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,5
3
Отсев гранит. ОАО «Павловскгранит»
0,9
4,4
24,8
11,4
15,2
11,9
9,2
8,2
14,0
4
Минеральный порошок ОАО «Гурово-бетон»
0,1
0,4
9,3
12,7
77,5
В качестве вяжущего использовался вязкий дорожный битум БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90. Состав минеральной части ЩМАС-15 следующий; мас.%: щебень фр. 10-15 мм - 56, щебень фр. 5-10 мм - 18, отсев фр. 0-5 мм - 13, минеральный порошок - 13. Оптимальное количество битума в смеси составляло 6% от массы минеральной части смеси. Содержание каждой гранулированной добавки РТЭП и Viatop 66 в ЩМАС-15 составляло 0,42% от массы минеральной части, а содержание адгезионной добавки «АМДОР-10» составляло 1,5% от массы битума.
Гранулированная добавка РТЭП соответствовала требованиям ТУ 5718-001-79259416-2006, гранулированная волокнистая целлюлозная добавка Viatop 66 соответствовала требованиям ГОСТ 31015-2002 и ТУ 5718-001-18268513-01, а адгезионная азотсодержащая добавка «АМДОР-10» соответствовала требованиям ТУ 0257-003-35475596-96. Показатели свойств добавки приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели свойств адгезионной азотсодержащей добавки «АМДОР-10»
№ п/п
Наименование показателей
Требования по ТУ
Результаты испытаний
1
2
3
4
1
Внешний вид
Вязкая жидкость коричневого цвета
Вязкая жидкость коричневого цвета
2
Сцепление с минеральным материалом битума, содержащего 0,4% добавки
Не хуже контрольного образца №1
Соответствует контрольному образцу №1
3
Кислотное число, мг КОН/г добавки, не более
15
9,0
4
Массовая доля воды, не более
2,0
Отсутствует вода
5
Температура текучести, °С, не более
10
7
6
Аминное число, г HCl с массовой долей 100% на 100 г добавки, не менее
20,0
26,1
ЩМАС-15 была получена с использованием лабораторного смесителя, а также на асфальтосмесительной установке периодического действия с двухвальным лопастным смесителем, оборудованной линией подачи гранулированных добавок.
Пример 1. Приготовление ЩМАС-15 с использованием лабораторного смесителя производилось следующим образом. Отдозированные компоненты смеси, за исключением минерального порошка и добавок, нагревались до требуемых температур: щебень и отсев до t=165°C, битум до t=155°C. Внутренняя поверхность лабораторного смесителя прогревалась до температуры 155°С.
Для получения ЩМАС №1 щебень и отсев загружали вручную в смеситель и перемешивали, далее загружали минеральный порошок и перемешивали, вводили добавку РТЭП и перемешивали 30 секунд, затем вводили битум и перемешивание продолжалось в течение 3 минут до образования однородной смеси. Общее время перемешивания составляло 4,5 минут.
При получении ЩМАС №2 в состав ЩМАС №1 одновременно с добавкой РТЭП вводилась дополнительно добавка Viatop 66. Последовательность введения компонентов, температурный режим и время перемешивания было аналогично ЩМАС №1.
При получении ЩМАС №3 использовался состав ЩМАС №2 с изменением, а именно: в разогретый до t=155°C битум добавлялось предварительно требуемое количество добавки «АМДОР-10». Последовательность введения компонентов, температурный режим и время перемешивания были аналогичны составам ЩМАС №1 и ЩМАС №2.
Образцы из ЩМАС-15 были изготовлены в соответствии с ГОСТ 12801-98. Испытание образцов проводилось по ГОСТ 12801-98 и ГОСТ 31015-2002. Результаты испытаний образцов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Показатели физико-механических свойств ЩМАС
№ п/п
Наименование показателей
Значения показателей
для ЩМАС №1
для ЩМАС №2
для ЩМАС №3
По ОДМ 218.3.001-2006
1
2
3
4
5
6
1
Средняя плотность, г/см<sup>2</sup>
2,50
2,49
2,49
-
2
Водонасыщение, % по объему
1,87
2,84
2,70
1,0-4,0
3
Пористость минеральной части, %
16,45
16,78
16,30
15-19
4
Остаточная пористость, %
3,20
3,60
3,40
1,5-4,5
5
Предел прочности при сжатии, МПа
при температуре 20°С
3,30
3,43
3,60
не менее 2,7
при температуре 50°С
1,29
1,00
1,27
не менее 0,75
6
Сдвигоустойчивость: коэффициент внутреннего трения
0,93
0,94
0,94
не менее 0,93
сцепление при сдвиге при температуре 50°С, МПа
0,26
0,31
0,30
не менее 0,22
7
Трещиностойкость - предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С, МПа
4,6
4,0
3,8
2,5-6,0
8
Водостойкость при длительном водонасыщении
0,94
0,98
1,02
не менее 0,85
9
Стекание вяжущего, % по массе
2,69
0,13
0,11
не более 0,3
10
Однородность смеси: коэффициент вариации предела прочности при сжатии при температуре 50°С, МПа
0,16
0,18
0,13
не более 0,16
11
Расхождение по значениям средней плотности
0,03
0,04
0,02
не более 0,03 г/см<sup>2</sup>
Из данных таблицы 3 следует, что стекание вяжущего для ЩМАС №1 с добавкой РТЭП значительно превосходит допустимые значения. Введение в эту смесь добавки Viatop 66 (ЩМАС №2) приводит к снижению показателя стекания до допустимых пределов и увеличению водостойкости при длительном водонасыщении. Введение в ЩМАС №2 добавки «АМДОР-10» приводит к увеличению водостойкости при длительном водонасыщении и незначительному снижению показателя стекания вяжущего. Однородность смеси ЩМАС №1 снижается при введении в нее добавки Viatop-66 (смесь ЩМАС №2). Введение добавки «АМДОР-10» позволяет повысить однородность ЩМАС №3 по сравнению со смесями ЩМАС №1 и ЩМАС №2.
Пример 2. ЩМАС №1 (см. пример 1) приготавливали в асфальтосмесительной установке, оборудованной линией подачи в смеситель гранулированных стабилизирующих добавок. Отдозированные щебеночные и песчаные фракции с температурой 165°С подавались в смеситель, туда же поступал отдозированный минеральный порошок, перемешивание продолжалось 3 секунды. РТЭП через приемный бункер и питатель транспортировался по винтовому конвейеру и после дозирования поступал в смеситель. Перемешивание минеральной части смеси с РТЭП продолжалось 7 секунд. Затем в смеситель подавалась отдозированная порция битума с температурой 155°С и перемешивание продолжалось 30 секунд. Готовая ЩМАС №1 выгружалась из смесителя и из нее формовались образцы по ГОСТ 12801-98, определялось стекание, водостойкость при длительном водонасыщении, однородность смеси.
При получении ЩМАС №2 (см. пример 1) в асфальтосмесительной установке РТЭП и Viatop 66 подавались и дозировались раздельно в две секции приемного бункера линии гранулированных добавок, перемешивались в процессе транспортирования по винтовому конвейеру. Последовательность введения компонентов, температурный режим и время перемешивания аналогично ЩМАС №1. Готовая ЩМАС №2 выгружалась из смесителя и из нее формовались образцы, определялось стекание, водостойкость при длительном водонасыщении, однородность смеси.
ЩМАС №3 (см. пример №1) в асфальтосмесительной установке приготавливалась также, как ЩМАС №2 с изменением, а именно: в расходную битумную емкость добавлялось предварительно требуемое количество добавки «АМДОР-10» и распределялось в битуме насосом-смесителем в течение 30 минут до однородного состояния. Последовательность введения компонентов, температурный режим и время перемешивания были аналогичны приготовлению составов ЩМАС №1 и №2. Готовая ЩМАС №3 выгружалась из смесителя, и из нее формовались образцы по ГОСТ 12801-98, определялось стекание, водостойкость при длительном водонасыщении, однородность смеси.
Результаты определения стекания, длительной водостойкости и однородности приведены в таблице 4.
Таблица 4
Показатели стекания, длительной водостойкости и однородности ЩМАС
№ п/п
Наименование показателей
Значение показателей
для ЩМАС №1
для ЩМАС №2
для ЩМАС №3
по ОДМ 218.3.001-2006
1
2
3
4
5
6
1
Стекание вяжущего, % по массе
1,94
0,15
0,13
не более 0,3
2
Водостойкость при длительном водонасыщении
0,96
0,99
1,1
не менее 0,85
3
Однородность смеси: коэффициент вариации предела прочности при сжатии при температуре 50°С
0,16
0,19
0,14
не более 0,16
4
Расхождение по значениям средней плотности
0,03
0,04
0,01
не более 0,03 г/см<sup>3</sup>
Из данных таблицы 4 следует, что стекание вяжущего для ЩМАС №1 с добавкой РТЭП значительно превосходит допустимые значения. Введение в эту смесь добавки Viatop 66 (ЩМАС №2) приводит к снижению показателя стекания до допустимых пределов и увеличению водостойкости при длительном водонасыщении. Введение в ЩМАС №2 добавки «АМДОР-10» приводит к увеличению водостойкости при длительном водонасыщении, стекание вяжущего незначительно снижается. Однородность смеси ЩМАС №1 снижается при введении в нее добавки Viatop 66 (смесь ЩМАС №2). Введение добавки «АМДОР-10» позволяет повысить однородность ЩМАС №3 по сравнению со смесями ЩМАС №1 и ЩМАС №2.