Модифицирующая композиция для асфальтобетонной смеси
MODIFYING COMPOSITION FOR ASPHALT-CONCRETE MIXTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к дорожно-строительным материалам, а именно к модифицирующей композиции для асфальтобетонной смеси, и может быть использовано при устройстве покрытий автомобильных дорог, мостов, аэродромов и гидротехнических сооружений.
Уровень техники
В условиях происходящего за последние годы резкого увеличения автотранспортных, климатических и техногенных нагрузок наблюдается исчерпание возможностей окисленных битумов, как вяжущих материалов, которые традиционно и наиболее широко используются в составе асфальтобетонов для дорожных покрытий.
Обычно дорожные битумы имеют интервал пластичности, как правило, не выше 60-65°C, что явно недостаточно для устройства верхних слоев покрытий в климатических условиях большинства регионов России. Кроме того, у вязких дорожных битумов практически отсутствуют упругие свойства, от которых зависит устойчивость композиционных материалов, каковым является асфальтобетон, к разрушению под действием циклической нагрузки. Поэтому битумные вяжущие принципиально требуют модификации и улучшения физико-механических свойств, поскольку по самой своей природе не могут обеспечить необходимую стойкость асфальтобетонных покрытий дорог в условиях увеличивающихся транспортных нагрузок.
Наиболее устойчивы к старению и стабильны во времени битумы, получаемые по прямогонным вакуумным технологиям при невысоких температурах. В России, в силу сложившихся обстоятельств, широко развилась технология получения битумов по методу барботажного окисления (окислительного дегидрирования). У таких «выжатых» окисленных битумов сильно уменьшена стабильность свойств и устойчивость к старению. Уменьшается устойчивость к воздействию воды, снижаются адгезионные свойства. Поэтому важнейшей задачей модификации таких битумов становится исправление не только физико-механических, но и химических свойств.
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. Наиболее распространенным способом улучшения пластоэластических свойств битумных материалов в настоящее время является их модификация с помощью каучуков и термоэластопластов (блоксополимеров стирольного ряда, в основном СБС-типа). Повышение качества и долговечности дорожных вяжущих материалов, герметиков и мастик, применяемых для строительства и ремонта автомобильных мостов и аэродромных покрытий, гидроизоляции сооружений и транспортных конструкций, защиты подземных стальных трубопроводов и металлоконструкций, а также при проведении кровельных работ, является одним из наиболее эффективных путей продления сроков службы объектов и сокращения затрат материальных, энергетических и трудовых ресурсов на их ремонт и содержание.
Особенно актуальным является использование модифицированных битумных материалов повышенного качества при строительстве и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями в районах с суровым континентальным климатом и низкими зимними температурами. Наибольшими потенциальными возможностями для улучшения свойств битумных вяжущих обладает крошка из резин общего назначения, в том числе шинная.
Резина, по сравнению с каучуками, намного более устойчива к окислительному воздействию кислорода воздуха. Она отличается высокой устойчивостью к воде и солевым растворам. Кроме того, важной особенностью резиновой крошки, особенно шинной, является присутствие в ее составе специальных химических веществ - антиоксидантов и антистарителей. Их присутствие сможет обеспечить повышение устойчивости вяжущего материала к окислительной деградации в условиях эксплуатации. Замедлит процессы старения при эксплуатационных температурах и в условиях нагрева до высокой технологической температуры. Получаемые резиновые порошки, удовлетворяющие приведенным выше показателям, достаточно быстро диспергируются в битуме, вводимом в асфальтобетонную смесь, и не приводят к увеличению времени изготовления этих смесей. Кроме того, подобные резиновые порошки, их принято называть активными, сохраняют основные физико-химические свойства шинных резин, что обеспечивает им способность соединения на молекулярном уровне с нефтяными битумами.
Известна модифицирующая композиция (RU 2377262, 27.12.2009), включающая активный резиновый порошок с высокой удельной поверхностью, полученный термомеханическим измельчением, с размером частиц не более 0,8 мм, в присутствии антиагломератора, например галогенсодержащего спирта-теломера, наполнитель - метасиликат игольчатой структуры, инициатор гелеобразования и структурирующий агент.
Наиболее близкой к заявляемой является модифицирующая композиция по RU 2458083, 10.08.2012, на основе активного резинового порошка, включающая наполнитель - молотую слюду или смесь молотой слюды и диатомита, например, мусковит или флогопит адгезив, выбранный из фенольноформальдегидных смол (смола 101 к, Яркопол 100, Яркопол ПО, ФЛ-326), и структурирующую добавку, выбранную из ФР-12, СФ-280, октофор 10S, резорцинформальдегидной смолы. Использование указанных модифицирующих композиций приводит к улучшению многих эксплуатационных показателей, например морозостойкости, стойкости к циклическим нагрузкам, что способствует увеличению срока их эксплуатации. Однако асфальтобетон с использованием указанных модифицирующих композиций имеет не достаточную величину водостойкости при длительном водонасыщении, сцепления при сдвиге, что не благоприятно сказывается на сдвигоустойчивости покрытия и увеличивает возможность колееобразования.
Асфальтобетонное покрытие летом в жаркую погоду может нагреваться до температуры более +70°C. Поэтому нижний предел водонасыщения, как правило, ограничивает количество вяжущего в асфальтобетонной смеси с той целью, чтобы была обеспечена требуемая сдвигоустойчивость при повышенных летних температурах (недостаточная сдвигоустойчивость приводит к появлению таких деформаций на покрытии дорог, как колея).
Раскрытие сущности изобретения
Целью настоящего изобретения является получение модифицирующей композиции для различных типов асфальтобетонных смесей, вводимой непосредственно при изготовлении смеси и повышающей эксплуатационные характеристики асфальтобетонов, а именно увеличение температурного интервала эксплуатации 76-82°C, снижение колееобразования, трещинообразования и увеличение водостойкости, что в свою очередь обеспечивает решение проблемы утилизации использованных автомобильных покрышек, долговечность дорожных покрытий, увеличение межремонтных сроков эксплуатации автодорог, экономию бюджетных средств, выделяемых на текущее обслуживание и капитальный ремонт дорожных покрытий.
Технический результат, достигаемый использованием заявленного изобретения, заключается в повышении прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона при высоких температурах, увеличении пределов прочности при сжатии при 20°C и 50°C, сдвигоустойчивости по сцеплению, увеличении температурного интервала до 82°C, уменьшении колееобразования, коэффициента длительной водостойкости.
Указанный технический результат достигается применением модифицирующей композиции для асфальтобетонной смеси на основе активного резинового порошка, включающей наполнитель - молотую слюду и диатомит, адгезив и структурирующий агент и кубовый остаток полифторированных спиртов-теломеров, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
активный резиновый порошок
60-75
молотая слюда
15-25
диатомит
2-9
адгезив
1-3
структурирующий агент
1-3
указанный кубовый остаток
0,5-1,5
В качестве активного резинового порошка используют резиновый порошок - продукт переработки шин и/или резинотехнических изделий, полученный термомеханическим измельчением, или резиновый порошок, химически активированный нефтяным маслом, или их смесь с размером частиц не более 1 мм.
В качестве структурирующего агента используют дисульфидалкилфенолформальдегидную смолу, предпочтительно ФР-12, СФ-280, октофор 10S, резорцинформальдегидную смолу.
В качестве адгезива используют фенольноформальдегидную смолу, предпочтительно смолу 101 к, Яркопол 100, Яркопол 110, ФЛ-326.
В качестве молотой слюды используют мусковит или флогопит с размером частиц не более 0,63 мм и диатомит с размером частиц не более 0,3 мм.
Фторорганическая добавка в виде кубового остатка полифторированных спиртов-теломеров (КОСТ), ТУ-6-02-884-79, оказывает неожиданное действие на свойства асфальтобетонной смеси и обеспечивает в сравнении с известным аналогом высокую гидрофобность и, соответственно, пониженное водопоглощение.
Для улучшения свойств асфальтобетонных смесей и получаемых на их основе дорожных покрытий достаточно введения от 0,3 до 0,7 мас. % модифицирующей композиции от массы минеральной составляющей асфальтобетонной смеси в зависимости от типа смеси. В то время как известные модифицирующие композиции вводятся в количестве более 1,0 мас. % от массы минеральной составляющей асфальтобетонной смеси.
Дополнительно модифицирующая композиция может содержать от 0,3 до 1,0 мас. % вспенивающего агента (порообразователя), который способствует быстрому перемешиванию модификатора с битумом. Модифицирующую композицию вводят в асфальтобетонную смесь после ввода битума согласно действующим технологиям. Вспенивающий агент, как правило, выбирается из известных агентов, таких как азодикарбонамидов и азоизобутилонитрилов. В частности, используются вспенивающие агенты с температурой разложения 140-160°С.
Дополнительно модифицирующая добавка может содержать от 0,3 до 1,0 мас. % антиоксиданта для повышения сопротивления смесей многократным деформациям. Антиоксидант выбирают, как правило, из нафтанов, ацетонанилов, анилинонафталинов. В частности, используются нафтаны, предпочтительно нафтам-2 (неозон Д) и параоксинеозон.
Осуществление изобретения
Для исследования свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона готовили следующий состав с использованием модифицирующей добавки на основе резинового порошка:
щебень фр. 10-15, к-р «Первоуральский»
50 мас. %
щебень фр. 5-10, к-р «Первоуральский»
22 мас. %
отсев дробления, к-р «Заготовка»
16 мас. %
минеральный порошок
12 мас. %
модифицирующая композиция
0,4 мас. %
битум БНД 90/130
5,1 мас. %
Модифицирующую композицию вводят в асфальтобетонную смесь после ввода битума согласно действующим технологиям. Результаты испытаний асфальтобетона ЩМА-15 при содержании модифицирующей добавки на основе резинового порошка приведены в таблице 1.
Результаты исследования свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона показывают, что применение модифицирующей добавки на основе резинового порошка в исходный состав ЩМА-15 в количестве 0,5 мас. % сверх 100% минеральной части приводит к существенному улучшению свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона: увеличивается предел прочности при сжатии при 50°С до 1,62 МПа; увеличивается сдвигоустойчивость по углу внутреннего трения до 0,95 и по сцеплению до 0,33 МПа.
Результаты испытаний асфальтобетона по прототипу и по изобретению при содержании модифицирующей композиции на основе резинового порошка 0,0, 0,3, 0,5 и 0,7 мас. % приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что оптимальное содержание модификатора в асфальтобетоне - 0,5 мас. % сверх 100% минеральной части. Увеличились пределы прочности при сжатии при 50°С и сдвигоустойчивость по сцеплению. Температурный интервал увеличился с 76°С до 82°С (температуры, при которых асфальтобетон имеет предел прочности при сжатии 1,0 МПа - значение, нормируемое ГОСТ 9128).
Асфальтобетонное покрытие летом в жаркую погоду может нагреваться до температуры более +70°С. Поэтому нижний предел водонасыщения, как правило, ограничивает количество вяжущего в асфальтобетонной смеси с той целью, чтобы была обеспечена требуемая сдвигоустойчивость при повышенных летних температурах (недостаточная сдвигоустойчивость приводит к появлению таких деформаций на покрытии дорог, как колея). В то же время пониженное количество вяжущего в смеси приводит к низкой водостойкости, особенно при длительном водонасыщении, и, соответственно, к недостаточной коррозионной устойчивости асфальтобетона в покрытии автомобильных дорог. Асфальтобетон на основе изверженных горных пород имеет высокую величину средней плотности и очень низкое значение водонасыщения. Однако снижать количество вяжущего в смеси в данном случае нецелесообразно: показатели предела прочности при сжатии при 50°С и сдвигоустойчивости по сцеплению при 50°С значительно превышают требуемые ГОСТ 9128-2009.
Кроме того, применение модификатора на основе резинового порошка существенным образом увеличивает температурный (рабочий) интервал асфальтобетона.
Применение модифицирующей добавки на основе резинового порошка приводит к повышению прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона при высоких температурах, к уменьшению величины колеи. Для асфальтобетона типа А увеличились пределы прочности при сжатии при 20°С на 4,8%; при 50°С - на 10,8%; сдвигоустойчивость по сцеплению на 13,3%. Повысился коэффициент длительной водостойкости с 0,88 до 0,93. Температурный интервал увеличился с 76°С до 82°С. Глубина колеи уменьшилась на 30,3%.
Для асфальтобетона ЩМА-15 увеличились пределы прочности при сжатии при 20°С на 19%; при 50°С - на 16,8%; сдвигоустойчивость по сцеплению на 13,2%. Глубина колеи уменьшилась на 6,8%.