АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ НА НАНОМОДИФИЦИРОВАННОМ ВЯЖУЩЕМ
BITUMEN-CONCRETE MIXTURE ON NANO-MODIFIED BINDER

Изобретение относится к автодорожной отрасли, к получению материалов дорожностроительного назначения с использованием вяжущего на основе битума с применением в качестве модификатора битума резиновой крошки из отходов резин общего, в том числе шинного назначения, которая механоактивирована совместно с наноцеолитом, с целью разработки наиболее экономичной эффективной асфальтобетонной смеси с лучшими физико-механическими свойствами с одновременным решением актуальных вопросов утилизации изношенных шин и экологической защиты окружающей среды.
Уровень техники
Известно (1. Иванов С.Р., Круглова М.Ю., Платонова О.В., Оладов Б.Н. Современное состояние термических методов переработки изношенных шин и резиносодержащих отходов. - М., 1985, 2. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. - М.: Колос, 2003. - 230 с.), что к моменту утраты резиновыми изделиями их эксплуатационных качеств сама полимерная матрица претерпевает сравнительно малые структурные изменения и может быть использована для вторичной переработки.
Возможность использования дробленной резины в асфальтобетоне (АБ) отражена в (3. «Пособии по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов». - М.: МинТрансСтрой, 1991). В этом случае снижаются динамические воздействия на нижележащие слои и уменьшается возможность копирования трещин и других дефектов перекрываемых слоев и решается вопрос утилизации резиновых отходов.
Битум, производимый для строительной индустрии, в большинстве своем не соответствуют современным требованиям к вяжущим материалам. Одним из важнейших направлений повышения долговечности и качества таких материалов стало введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом для практики направлении.
Известны изобретения (4. Горелик Р.А., Балыбердин В.Н., Слепая Б.М., Лернер М.И. Модифицирующая композиция для асфальтобетонных смесей и способ получения модифицированной асфальтобетонной смеси. RU 2377262 и 5. Горелик Р.А., Балыбердин В.Н., Слепая Б.М., Лернер М.И. Модифицирующая композиция для асфальтобетонных смесей. ЕА 201001076 А1), в которых асфальтобетонная смесь содержит стандартные компоненты: отсев дробления щебня, песок, минеральный порошок и нефтяной битум. В качестве модифицирующей добавки используется активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм, полученный путем термомеханического измельчения резинового вулканизата. При этом они также содержат дополнительные компоненты: метасиликат кальция игольчатой структуры, смолу эпоксидную нитрозоаминного соединения, фенольную смолу и/или канифоль, 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.
Технический результат - снижение температурной чувствительности и повышение усталостной долговечности при увеличении водостойкости, морозостойкости, устойчивости к воздействию водно-солевых растворов, снижение вязкости и повышение пластичности асфальтобетонной смеси при отрицательных температурах.
К недостаткам указанной композиции следует отнести сложный технологический процесс и дорогостоящие модифицирующие добавки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой композиция является асфальтобетонная смесь (6. Христофорова А.А., Соколова М.Д., Лебедев А.В., Давыдова М.Л., Макаров Н.М., Морова Л.Я. Наномодифицированная асфальтобетонная смесь. RU 2466161), содержащая щебень, отсев щебня, песок фракции, нефтяной битум, в которой нефтяной битум модифицирован механоактивированной резиновой крошкой (РК) размером 0,75 мм и наношпинелью магния в соотношении по процентному составу:
Битум марки БНД 90/130
100%
Резиновая крошка
7% от массы битума
Наношпинель магния
5% от массы битума
К недостатку указанной композиции следует отнести высокую стоимость наношпинели магния.
Задачей предлагаемого изобретения является получение вяжущего материала, техническим результатом использования которого является улучшение эксплуатационных характеристик материала для автомобильных дорог, экономическая выгода и защита окружающей среды.
Раскрытие изобретения
Для приготовления асфальтобетона применялся нефтяной битум марки БНД 90/130 (далее - битум). В предлагаемом изобретении в качестве модификатора битума выбрана резиновая крошка из отработанных шин, полученная на режущей мельнице с использованием сита 0,25 мм, механоактивированная совместно с природным цеолитом.
Цеолиты - широко распространенные полезные ископаемые, используются благодаря нанопористой структуре в качестве адсорбентов, молекулярных сит, катализаторов, наполнителей и т.д. Возможность их использования в асфальтобетонных смесях обусловлена высокой адсорбционной способностью и активностью, проявляющейся при механоактивации, что дает возможность улучшить взаимодействие на границе раздела фаз «битум - резиновая крошка».
Механоактивацию проводили в шаровой планетарной мельнице с центробежным ускорением 60 g, при соотношении «загружаемый материал» : «мелющие тела» 1:15 в течение 2 минут.
Механоактивация приводит к диспергированию резиновой крошки (табл.1) и цеолита (табл.2).
Таблица 1
Фракционный состав порошков резиновой крошки по данным ситового анализа
Активация, мин
0
2
Область размеров, мм
0-0,335
0,335-0,71
0,71-1
1,0-1,4
>1,4
0-0,335
0,335-0,71
0,71-1
1,0-1,4
>1,4
Доля фракции, %
5,0
54,1
32,3
6,7
1,9
8,6
87,1
2,2
1,4
0,7
Таблица 2
Фракционный состав порошков природных цеолитов по данным динамического светорассеяния
Активация, мин
0
2
Область размеров, м
(0,15-1,75)·10<sup>-3</sup>
(30-169)·10<sup>-9</sup>
(169-3000)·10<sup>-9</sup>
Доля фракции, %
100%
6
94
Поведение битума моделируется испытанием на температуру хрупкости и температуру размягчения, разница которых условно выражает деформативную способность, когда вяжущее находится в вязкопластичном состоянии. Поэтому при проведении стандартных испытаний модифицированного связующего особое внимание уделяли определению температуры размягчения и температуры хрупкости битумов.
Как видно из табл.3, температура размягчения исходного битума не отвечает требованиям ГОСТ 11506-73 (не ниже 43°C). Модификация битума неактивированной резиновой крошкой позволяет повысить температуру размягчения на 4°C, применение технологии механоактивации повышает показатель на 6°C.
Таблица 3
Температура размягчения битума и битума, модифицированного резиновой крошкой
Температура размягчения, °C
Неактивированная резиновая крошка
Активированная резиновая крошка
Битум
40
битум + резиновая крошка 0,25 мм
44
46
Исследование температуры хрупкости битума (табл.4) показало, что все значения соответствуют ГОСТ 11507-78. Температура хрупкости битума, модифицированного резиновой крошкой, механоактивированной совместно с цеолитом, понижается еще на 2° относительно требований ГОСТ.
Таблица 4
Температура хрупкости битума и битума, модифицированного резиновой крошкой
Температура хрупкости, °C
Неактивированная резиновая крошка
Активированная резиновая крошка
Битум
-19
битум + резиновая крошка 0,25 мм
-17
-20
Таким образом, показано, что применение механоактивированной резиновой крошки позволяет расширить интервал пластичности стандартного битума на 7°C.
Далее представлены результаты испытаний основных физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонных смесей (табл.5).
Таблица 5
Основные физико-механические показатели асфальтобетона
Серии
p<sub>m</sub>, г/см<sup>3</sup>
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>m</mi><mi>M</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, г/см<sup>3</sup>
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>M</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
W, %
R<sub>сж</sub>, МПа/кН
R<sub>р</sub>, МПа/кН
АБ базовый
2,28
2,13
19,16
13,48
0,856
5,25
1,79
РК 0,25 неакт. + цеолит неакт.
2,33
2,17
17,44
11,65
0,530
5,64/-
1,33/-
РК 0,25 акт + цеолит акт.
2,34
2,18
17,06
11,25
0,459
5,59/-
1,35/-
Известный аналог
-
-
-
-
-
5,4/21,5
4,4/21,8
где: p<sub>m</sub>, - средняя плотность уплотненного материала, <maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>m</mi><mi>M</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
- средняя плотность минеральной части, V<sup>М</sup> - пористость минеральной части, V<sup>0</sup> - остаточная пористость, W - водонасыщение, R<sub>сж</sub> - предел прочности при сжатии, R<sub>р</sub> - предел прочности на растяжение при расколе.
Видно, что пористость образцов, содержащих модифицированную резиновую крошку, снижается до 17%. Такая же динамика улучшения показателя наблюдается для плотности уплотненного материала и водонасыщения. Наименьшим водонасыщением обладают образцы, содержащие модифицированную резиновую крошку (ниже, чем показатель типового асфальтобетона на 46%). Прочностные характеристики изменяются незначительно.
На основании проведенных исследований была разработана рецептура модифицированной асфальтобетонной смеси (табл.6) и технология введения модифицирующих добавок в асфальтобетонную смесь.
Таблица 6
Состав модифицированной асфальтобетонной смеси
Наименование компонента
Содержание компонента, %
предлагаемый
Известный аналог
Битум БНД 90/130
93,0 от массы резинобитумной смеси
100 мас.%
Резиновая крошка
7,0 от массы резинобитумной смеси
7 от массы битума
Цеолит
2,0 от массы резиновой крошки
-
Наношпинель магния
-
5 от массы битума.
Пример:
Для получения заявляемой асфальтобетонной смеси на наномодифицированном вяжущем на 1 тонну минеральной части (щебень 300 кг, отсев щебня 500 кг, песок 200 кг) ингредиенты вяжущего берутся в следующем количестве: нефтяной битум БНД 90/130 - 65,1 кг; резиновая крошка, полученная с использованием сита 0,25 мм - 4,802 кг; природный цеолит - 0,098 кг. Резиновую крошку совместно с предварительно дегидратированным цеолитом активируют в шаровой планетарной мельнице с центробежным ускорением 60 g, при соотношении загружаемый материал : мелющие тела 1:15 в течение 2 минут. Битум нагревают до температуры 120-130°C, вводят в него резиновую крошку с цеолитом при перемешивании до гомогенизации вяжущего. Минеральные компоненты асфальтобетонной смеси, находящиеся в смесителе, нагревают до температуры 130-140°C и смешивают с модифицированным вяжущим. Далее асфальтобетонную смесь укладывают на подготовленное основание дорожной одежды и прессуют.
Смесь готовится в соответствии с требованиями государственного стандарта по технологическому регламенту. Дополнительными технологическими операциями в стандартной технологической схеме являются предварительная механоактивация резиновой крошки совместно с природным цеолитом в активаторе типа шаровой планетарной мельницы и введение модифицирующей добавки в битум при механическом смешении.
Таким образом, показано, что модификация битума активированной резиновой крошкой позволяет улучшить свойства асфальтобетона на его основе. Наиболее важным особенно для регионов с большим годовым и суточным разбросом температур и частым переходом через точку замерзания воды (0°C) является значительное снижение водонасыщения и расширение интервала пластичности вяжущего материала.