Модификатор асфальтобетонной смеси и способ его получения
MODIFIER OF ASPHALT-CONCRETE MIXTURE AND METHOD FOR ITS PREPARATION

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно - к составу модификатора асфальтобетонной смеси и способу его получения и может быть использовано при устройстве покрытий автомобильных дорог и мостов во всех климатических зонах.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ 2120922 «Активированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси». Сущностью является активированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси, включающий минеральный материал карбонатных пород, второй жировой гудрон и органическую добавку, отличающийся тем, что в качестве органической добавки используется растворимая древесная смола при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Минеральный материал - 97,8 - 98,2
Второй жировой гудрон - 0,5 - 1,3
Растворимая древесная смола - 0,9 - 1,3
Недостатком известного активированного минерального порошка является то, что при повышении прочности асфальтобетона увеличивается его хрупкость, что снижает долговечность асфальтобетона при низких температурах окружающей среды и тем самым препятствует его применению по назначению. Следующим недостатком является то, что известный аналог не обеспечивает при использовании в асфальтобетонной смеси требуемых прочностных характеристик асфальтобетона при сжатии при 50°С и обладает низкой водостойкостью, что препятствует его применению по назначению.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ 2196750 «Модифицированная асфальтобетонная смесь». Сущностью является асфальтобетонная смесь, включающая песок, минеральный порошок, полимерную структурирующую добавку и нефтяной битум, отличающаяся тем, что содержит нефтяной вязкий битум, в качестве полимерной структурирующей добавки содержит резиновый термоэластопласт и дополнительно поверхностно-активную, пластифицирующую добавку - талловый пек и отсев дробления щебня фракции 0-5 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Песок - 16,0 - 20,0
Минеральный порошок - 10,0 - 15,0
Резиновый термоэластопласт - 0,5 - 1,0
Нефтяной вязкий битум - 5,0 - 6,5
Талловый пек - 0,3 - 0,5
Отсев дробления щебня фракции 0-5 мм - 57,0 - 68,2
Недостатком известного технического решения является относительно невысокий показатель прочности асфальтобетонных смесей со структурирующей добавкой в виде резинового термоэластопласта и таллового пека при 50 °C (1,31-1,65 МПа), характеризующий теплоустойчивость и сдвигоустойчивость смесей, что особенно важно для южных регионов страны. Также недостатком является нетехнологичность приготовления смесей из-за необходимости предварительно модифицировать битум таловым пеком.
2
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ 2377262 «Модифицирующая композиция для  асфальтобетонных смесей и способ получения модифицированной асфальтобетонной смеси», Сущностью по отношению к композиции является модифицирующая композиция для асфальтобетонных смесей, включающая измельченный резиновый вулканизат, отличающаяся тем, что в качестве измельченного резинового вулканизата композиция содержит активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм и с величиной удельной геометрической поверхности не менее 5000 м/г, полученный путем термомеханического измельчения резинового вулканизата в присутствии антиагломератора, выбранного из группы парафин, озокерит и галогенсодержащие спирты-теломеры в количестве 0,1-2,0% от массы резинового вулканизата, при этом композиция дополнительно содержит метасиликат игольчатой структуры, инициатор гелеобразования, выбранный из группы 4-нитро-N-метиланилин, N-метил-N,4-динитрозоанилин, N-(2-метил-2-нитропропил)-4-нитрозоанилин, N-нитрозодифениламин, и по меньшей мере, один структурирующий агент с повышенным индукционным периодом структурирования не менее 30 мин при температуре 160°С, выбранный из группы олигомерная эпоксиэфирная смола, эпоксидно-диановая смола, поликонденсационная смола, способствующая образованию разветвленных или сетчатых структур, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
активный резиновый порошок – 65 - 90
метасиликат игольчатой структуры – 4,0 - 25,0
инициатор гелеобразования – 1,0 - 4,5
структурирующий агент или структурирующие агенты – 1,7 - 6,0
Сущностью по отношению к способу является способ получения модифицированной асфальтобетонной смеси, включающий смешивание щебня, песка, минерального порошка при повышенной температуре и введение битума и модифицирующей композиции, отличающийся тем, что сначала при температуре 140-150°С смешивают компоненты минеральной составляющей асфальтобетонной смеси: щебень, песок и минеральный порошок, а затем вводят битум, разогретый до температуры 140-150°С, и одновременно с введением битума или непосредственно после его введения вводят модифицирующую композицию в количестве от 0,32-3,5% от массы минеральной составляющей асфальтобетонной смеси и при температуре 150-180°С, при этом в качестве модифицирующей композиции используют композицию, содержащую компоненты:
A) активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм и с величиной удельной геометрической поверхности не менее 5000 см2/г, полученный путем термомеханического измельчения резинового вулканизата в присутствии антиагломератора, выбранного из группы парафин, озокерит и галогенсодержащие спирты-теломеры, в количестве 0,1-2,0% от массы резинового вулканизата,
Б) метасиликат игольчатой структуры,
B) инициатор гелеобразования, выбранный из группы 4-нитро-N-метиланилин, N-метил-N,4-динитрозоанилин, N-(2-метил-2-нитропропил)-4-нитрозоанилин, N-нитрозодифениламин,
Г) по меньшей мере, один структурирующий агент с повышенным индукционным периодом структурирования не менее 30 мин при температуре 160°С, выбранный из группы олигомерная эпоксиэфирная смола, эпоксидно-диановая смола, поликонденсационная смола, способствующая образованию разветвленных или сетчатых структур, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
активный резиновый порошок
65-90
метасиликат игольчатой структуры
4,0-25,0
инициатор гелеобразования
1,0-4,5
структурирующий агент или структурирующие агенты
1,7-6,0
К недостаткам известного технического решения следует отнести сложный технологический процесс получения композиции и дорогостоящие модифицирующие добавки.
Целью и техническим результатом заявленного технического решения является разработка модификатора асфальтобетонных смесей и способа его получения,  включающего (модификатор) механоактивированный нефтяной кокс до дисперсности от 10 до 15 мкм и смесь нефтяного битума и полимерной добавки, в виде полиэтиленового окисленного воска,  обеспечивающего (модификатор) при его использовании улучшение комплекса физико-механических характеристик дорожного полотна:
- снижение водонасыщения,
- повышение длительной водостойкости,
- увеличение предела прочности при сжатии при температуре 50 °С,
- снижение хрупкости, увеличение трещиностойкости при 0 °С,
Сущностью заявленного технического решения является модификатор для асфальтобетонной смеси, состоящий из механоактивированного нефтяного кокса с дисперсностью от 10 до 15 мкм в количестве 70% мас., и смеси нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, в количестве 30% мас., при массовом соотношении воск : битум = 1:30 соответственно. Способ получения модификатора асфальтобетонной смеси по п.1, заключающийся в том, что на этапе 1 готовят 30% мас. смеси нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, для чего подают смесь в обогреваемый смеситель в соотношении воск : битум = 1:30 и перемешивают при температуре 120-140 °С до полной однородности состава; на этапе 2 берут 70% мас. предварительно механоактивированного до дисперсности 10 –15 мкм нефтяного кокса, подают его порционно в обогреваемый смеситель с приготовленной на этапе 1 смесью нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, смесь доводят до полной однородности состава, полученный модификатор асфальтобетонной смеси направляют в гранулятор, где получают конечный продукт в виде гранул необходимого гранулометрического состава.
При этом заявитель поясняет, что, хотя в соответствии с формулой изобретения массовое соотношение воска и битума = 1:30 соответственно, выход за заявленные пределы также является работоспособным, однако при соотношении воска и битума меньшем, чем 1:30 соответственно, наблюдается ухудшение качества модификатора, вследствие повышенной липкости при получении товарных образцов гранул, а соотношение воск : битум более, чем 1:30 соответственно, приводит к ряду технических сложностей процесса гранулирования, а также к повышению себестоимости конечного продукта.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг, на которой приведена Таблица физико-механических показателей асфальтобетонной смеси с использованием заявленного модификатора, полученного по заявленному способу.
Поставленная цель и заявленный технический результат достигается за счет разработки модификатора асфальтобетонной смеси и способа его получения, отличающийся от аналогов тем,  что в составе модификатора используется механоактивированный нефтяной кокс и связующая добавка.
Для приготовления модификатора асфальтобетонной смеси могут быть использованы следующие компоненты:
- механоактивированный нефтяной кокс с дисперсностью в диапазоне от 10 до 15 мкм. При этом заявитель поясняет, что значения дисперсности от 10 до 15 мкм не являются значениями дисперсности разных проб (интервалом значений), а характеризуют гранулометрический состав каждой пробы (то есть каждая проба состоит из частичек размером до 10 до 15 мкм), поэтому заявителем не приведены примеры осуществления заявленного способа с различными значениями дисперсности;
- нефтяные битумы, соответствующие по своим показателям битумам дорожного, строительного, изоляционного, кровельного и других назначений;
- полиэтиленовый окисленный воск – это продукт, полученный путем окисления гомополимерных полиэтиленовых восков. Сродство структур битума и воска обусловлено наличием карбоксильных и гидроксильных групп в составе полимерного звена. Идентичность строения обеспечивает максимальную совместимость этих структур на молекулярном уровне с образованием единой полимерной матрицы, что приводит к кардинальному изменению качественных характеристик битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси в целом. В качестве полимерной составляющей могут использоваться следующие синтетические каучуки: СЭВ (сополимер этилена и винилацетата), полученные совместной полимеризацией этилена и винилацетата при высоком давлении; бутилкаучуки; СБС (стирол-бутадиен-стирольный термоэластопласт, ДСТ (дивинилстирольный термоэластопласт), АПП (атактический полипропилен, ИПП (изотактический полипропилен), низкомолекулярный полиэтилен.
Получение модификатора асфальтобетонной смеси включает в себя следующие этапы по заявленному способу:
Этап 1. Получение вяжущего в виде смеси нефтяного дорожного битума (далее – битум) и полиэтиленового окисленного воска (далее – воск) в обогреваемом смесителе.
Этап 2. Порционная подача в смеситель из бункера-накопителя заданного количества механоактивированного нефтяного кокса (далее – кокс) при интенсивном перемешивании. Смесь доводят до полной однородности состава.
Этап 3. Направление полученного модификатора в гранулятор с целью получения конечного продукта в виде гранул.
Далее приводятся конкретные примеры выполнения заявленного технического решения.
Заявителем был получен заявленный модификатор асфальтобетонной смеси с различными соотношениями кокс : вяжущее, различными соотношениями воск : битум в вяжущем и различными температурами смешивания с целью подбора оптимальных соотношений и оптимальной температуры для достижения заявленного технического результата – см. Примеры 1 – 6.
Пример 1. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 70:30, и воск : битум = 1:30 соответственно, при температуре 120 °С.
На Этапе 1 получают 30% вяжущего в виде смеси нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска в соотношении воск : битум = 1:30.
Для приготовления, например, 1 кг модификатора асфальтобетонной смеси, готовят 0,30 кг (300 г) вяжущего, из них берут, например, 9,67 г воска и 290,32 г битума (в соотношении воск : битум = 1:30). Смешивание производят, например, в обогреваемом смесителе, при температуре, например, 120 °С, до полной однородности состава.
Заявитель поясняет что при температуре ниже 120 °С битум получается не пластичным и не подвергается смешению.
На Этапе 2 берут 70% мас. предварительно механоактивированного до дисперсности 10 –15 мкм нефтяного кокса, например, 0,70 кг на 1 кг модификатора асфальтобетонной смеси. Порционно подают нефтяной кокс из бункера-накопителя в обогреваемый смеситель с вяжущим при интенсивном перемешивании при температуре, например, 120 °С. Смесь доводят до полной однородности состава. При этом получают соотношение кокс : вяжущее = 70 : 30.
Получают заявленный модификатор асфальтобетонной смеси (см. Таблицу на Фиг).
На Этапе 3 полученный модификатор асфальтобетонной смеси направляют в гранулятор, где получают конечный продукт в виде гранул необходимого гранулометрического состава.
Пример 2. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 70:30, и воск : битум = 1:30 соответственно при температуре 140 °С.
Проводят получение заявленного модификатора по Примеру 1, при этом смешивание нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска и далее  смешивание нефтяного кокса с вяжущим производят при температуре, например, 140 °С (см. Таблицу на Фиг).
Заявитель поясняет что при температуре выше 140 °С происходит крекинг битума (крекинг – это реакции расщепления углеродного скелета крупных молекул при нагревании).
Получают заявленный модификатор асфальтобетонной смеси.
Пример 3. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 70:30, и воск : битум = 1:30 соответственно при температуре 130 °С.
Проводят получение заявленного модификатора по Примеру 1, при этом смешивание нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска и далее  смешивание нефтяного кокса с вяжущим производят при температуре, например, 130 °С.
Получают заявленный модификатор асфальтобетонной смеси (см. Таблицу на Фиг).
Пример 4. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 65:35, и воск : битум = 1:27 соответственно
Готовят модификатор асфальтобетонной смеси по Примеру 3, при этом берут соотношение (% мас.) кокс : вяжущее = 65:35. Вяжущую смесь готовят из нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска в соотношении воск : битум = 1:27 (см. Таблицу на Фиг).
Пример 5. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 70:30 и воск : битум = 1:25 соответственно.
Готовят модификатор асфальтобетонной смеси по Примеру 3,  при этом берут соотношение (% мас.) кокс : вяжущее = 70:30. Вяжущую смесь готовят из нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска в соотношении воск : битум = 1:25 (см. Таблицу на Фиг).
Пример 6. Получение модификатора асфальтобетонной смеси с соотношениями кокс : вяжущее = 65:35 соответственно и воск : битум = 1:25 соответственно.
Готовят модификатор асфальтобетонной смеси по Примеру 3, при этом берут соотношение (% мас.) кокс : вяжущее = 65:35 соответственно. Вяжущую смесь готовят из нефтяного дорожного битума и полиэтиленового окисленного воска в соотношении воск : битум = 1:25 (см. Таблицу на Фиг).
Асфальтобетонная смесь с заявленным модификатором была испытана в соответствии с ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия» в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации. Результаты физико-механических показателей представлены в Таблице на Фиг.
Как видно из Таблицы на Фиг., все показатели асфальтобетонной смеси с заявленным модификатором удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2013. При этом асфальтобетонная смесь с модификатором по Примерам 1 - 3 показала лучшие физико-механические показатели по сравнению с асфальтобетонной смесью с  модификатором по Примерам 4 - 6.
Исходя из указанного выше, заявитель включил в формулу изобретения состав и способ получения модификатора по Примерам 1 - 3, а именно – соотношение кокс : вяжущее = 70:30, соотношение воск : битум = 1:30, температура смешивания 120-140 °С.
Основываясь на приведенных выше экспериментальных данных, можно сделать заключение о том, что заявителем достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат, а именно - разработан модификатор асфальтобетонных смесей и способ его получения на основе механоактивированного нефтяного кокса и смеси нефтяного дорожного битума с полиэтиленовым окисленным воском, который при соотношении кокс : вяжущее = 70:30 и воска : битума в вяжущем = 1:30 соответственно обеспечивает улучшение физико-механических характеристик конечного асфальтобетонного покрытия.
Полученные показатели характеризуют повышение основных характеристик асфальтобетонной смеси при использовании коксового порошка по сравнению с аналогом.
Как видно из Таблицы, использование заявленного модификатора, полученного по заявленному способу,  при приготовлении асфальтобетонной смеси обеспечило по сравнению с аналогом  по патенту РФ №2120922 улучшение таких характеристик как:
- снижение водонасыщения с 2,74 до 1,5;
- повышение водостойкости асфальтобетонной смеси с 0,93 до 0,97 при требовании ГОСТ не меньше 0,85;
- увеличение предела прочности асфальтобетона при сжатии при 50 °С с 1,15 до 1,25 при требовании ГОСТ не менее 1,0;
- увеличение трещиностойкости при 0 °С с 3,8 до 4,5.
Все показатели асфальтобетонной смеси с использованием заявленного модификатора удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2013* «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов».
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к  изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.