РЕЗИНИРОВАННАЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНАЯ АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ
RUBBER STONE-MASTIC ASPHALT MIX

Изобретение относится к строительству автомобильных дорог и аэродромов и может быть использовано при устройстве верхних слоев дорожных одежд.
Специфика структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) предусматривает в их составе повышенное содержание щебня, битума и минерального порошка, что позволяет создать материал, устойчивый к образованию трещин и деформаций сдвига. При этом в процессе производства щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей в них добавляют различные стабилизирующие добавки, основное назначение которых - удерживать битумное вяжущее, не адсорбируемое поверхностью минерального заполнителя, и предотвращать расслоение ЩМА смеси в процессе ее приготовления, хранения, транспортирования и укладки.
В большинстве составов в качестве стабилизирующих добавок в ЩМА смесях используются свободные или гранулированные волокна (целлюлозные, полимерные или иные), которые в необходимом количестве подаются в смесь при ее приготовлении. К их числу относятся специально выпускаемые для дорожного строительства импортные добавки на основе целлюлозных волокон, например «VIATOP», «ТОРСЕL», «ANTROCEL» и др. Недостатком таких добавок является высокая стоимость и необходимость дополнительной технологической операции при приготовлении ЩМА смесей по введению в битум адгезионной добавки для улучшения сцепления вяжущего с поверхностью минерального материала.
Таким образом, использование в составе ЩМА прочного щебня с улучшенной (кубовидной) формой зерен, повышенного содержания битума и минерального порошка, дорогих стабилизирующих, а также адгезионных добавок делает этот материал значительно дороже традиционных асфальтобетонов.
Известен ряд изобретений (пат. РФ 2312116, пат. РФ 2273615, пат. РФ 2274617), которые решают задачи повышения качества и снижения стоимости стабилизирующей добавки, не улучшая свойств ЩМА.
Основным направлением улучшения свойств ЩМА является введение в стабилизирующую добавку различных полимерных компонентов, однако это не решает проблемы снижения стоимости ЩМА.
Известен стабилизатор для ЩМА, включающий волокно целлюлозы и окисленный атактический полипропилен (пат. РФ 2348662). Данный состав обеспечивает стабильность ЩМА смеси при хранении, транспортировке и укладке, обеспечивает более высокий уровень адгезионных свойств битума или битумного вяжущего с минеральными компонентами смеси при ее приготовлении, повышает водостойкость ЩМА без предварительной модификации битума. Однако он не оказывает влияния на его прочностные характеристики.
Известен ЩМА с использованием в его составе добавки, включающей вяжущее, резиновую крошку, минеральное масло и полимер (пат. РФ 2222559). При этом в качестве вяжущего используют битумную эмульсию, в качестве полимера - полиакриламид и дополнительно в качестве структурообразователя - волокна целлюлозы и алюмосиликат. Однако в техническом решении изобретения приведен состав смеси и только одно из ее свойств - стекание, поэтому не ясен эффект, оказываемый добавкой на основные свойства ЩМА.
Известны стабилизирующие битумно-резиновые композиции для асфальтовых покрытий, в которых резина используется в виде мелкой крошки (пат. Японии 279573, пат. США 5683498) для улучшения эксплуатационных характеристик покрытия. Недостатком данных композиций является то, что ничем не закрепленная в смеси резиновая крошка неизбежно будет выделяться из покрытия в процессе эксплуатации.
Известен полимерно-армирующий гранулированный стабилизатор для ЩМА, включающий битум, полиамидное волокно, полимерно-армирующую добавку из отхода гидроизоляции трубопроводов, а в качестве адгезива - поверхностно-активное вещество катионного типа (пат. РФ 2272795). Существенным недостатком является использование большого количества дорогостоящих материалов и многоступенчатой технологии приготовления стабилизатора.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения по технической сущности и достигаемому результату являются ЩМА смеси для дорожного строительства по ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия», включающие дорожный битум (5,5-7,5%), щебень (40-95%), песок из отсевов дробления (5-30%), минеральный порошок (10-20%) и стабилизирующую добавку (0,2-0,5%). В данном случае стабилизирующая добавка в основном обеспечивает только устойчивость смеси к расслоению.
Недостатками известных ЩМА смесей следует признать низкие значения предела прочности (при 20°С достаточно 2,0-2,5 МПа; при 50°C - 0,6-0,7 МПа) и коэффициента водостойкости при длительном водонасыщении (0,75-0,90), а также их высокую стоимость.
Технической задачей предлагаемого изобретения является получение устойчивых к расслоению резинированных щебеночно-мастичных асфальтобетонных (РЩМА) смесей с улучшенными физико-механическими свойствами и меньшей себестоимостью за счет использования вторичного сырья, а также уменьшение экологического ущерба за счет утилизации отходов: бывших в употреблении автомобильных шин и линейного полиэтилена низкой плотности.
Сущность изобретения заключается в том, что резинированная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь для дорожного строительства, включающая дорожный битум, щебень, песок из отсевов дробления, минеральный порошок и стабилизирующую добавку, при этом в качестве минерального порошка смесь содержит резиновую крошку размером до 1 мм, а в качестве стабилизирующей добавки - вторичный линейный полиэтилен низкой плотности, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Щебень
60-84
Дорожный битум
5,5-7,5
Резиновая крошка
1,0-1,8
Вторичный линейный
полиэтилен низкой плотности
0,2-0,8
Песок из отсевов дробления
остальное
Введение мелкодисперсной резиновой крошки совместно с полиолефиновым компонентом (вторичный линейный полиэтилен низкой плотности) взамен минерального порошка способствует улучшению всего комплекса физико-механических свойств ЩМА смеси. Такой эффект связан с особенностью получаемой структуры: щебеночный каркас связан нетрадиционным асфальтовым вяжущим (минеральный порошок и битум), а резино-полимерно-битумным вяжущим, более устойчивым к образованию трещин и пластических деформаций. Кроме того, резиновая крошка выполняет здесь еще и роль стабилизатора, и предложенная ЩМА смесь получается дешевле, т.к. в ней используется вторичное сырье вместо минерального порошка и дорогих стабилизирующих добавок. Применение резиновой крошки - продукта переработки изношенных автомобильных шин, способствует их утилизации, что имеет большое экологическое и экономическое значение. Это связано, прежде всего, с тем, что изношенные шины являются источником длительного загрязнения окружающей среды. К тому же резина огнеопасна и не подвергается биологическому разложению, а куча резиновых покрышек представляет собой достаточно удобное место для проживания целых колоний грызунов и насекомых, многие из которых являются источником инфекционных заболеваний.
Переработка шин предпочтительна потому, что 80% мирового запаса шин созданы из синтетического каучука, который получают из нефти - невозобновляемого природного ресурса. Технология утилизации шин, а не их складирование, захоронение и сжигание имеет важное экономическое значение, так как в этом случае сохраняются природные запасы ценного сырья, улучшается экологическая обстановка и исключается утрата больших площадей земель под свалки резиновых отходов.
Характеристики исходных материалов
1. Щебень.
Щебень - неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью свыше 5 мм, получаемый дроблением горных пород, гравия и валунов, попутно добываемых вскрышных и вмещающих пород или некондиционных отходов горных предприятий по переработке руд (черных, цветных и редких металлов металлургической промышленности) и неметаллических ископаемых других отраслей промышленности и последующим рассевом продуктов дробления.
Для приготовления РЩМА смесей использовался щебень гранитный производства ОАО "Павловскгранит" Воронежской области. Основные свойства щебня представлены в таблице 1.
Таблица 1
Основные свойства щебня ОАО "Павловскгранит"
Порода
Марка по дробимости
Марка по истираемости
Марка по морозостойкости
Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, % по массе
Содержанее дробленных зерен, % по массе
Гранит
1200
И1
F50
Не более 15
Не менее 85
2. Песок из отсевов дробления гранитного щебня.
Песок - осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зерен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество - диоксид кремния).
Для приготовления РЩМА смесей использовался песок из отсевов дробления гранитного щебня: марка по прочности - 1000, содержание глинистых частиц, определяемых методом набухания, - не более 0,5%.
3. Дорожный битум.
3
Битумы (от лат.bitumen - горная смола) - твердые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях, плотностью 0,95-1,50 г/см.
Для приготовления РЩМА смесей использовался нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90. Основные свойства битума представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические показатели битума БНД 60/90
Глубина проникания иглы, 0,1 мм
Температура размягчения по кольцу и шару, °C
Растяжимость, см
Температура хрупкости, °C
Температура вспышки, °C
Изменение температуры размягчения после прогрева, °C
при +25°C
при 0°C
при +25°C
при 0°C
75
23
43
>100
5,0
-17
235
3
4. Вторичный линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП-В) изготавливается из бывшей в эксплуатации стрейч-пленки путем ее дробления, отмывки от посторонних примесей и регранулирования. Его физико-химические показатели приведены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические показатели вторичного линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП-В)
Плотность, кг/м<sup>3</sup> при 23°C при 20°C
918-923920-925
Показатель текучести расплава при 190°C и нагрузке 2,16 кг, г/10 мин
1,5-2,4
Разброс показателя текучести расплава в пределах партии, %, не более
±10
Количество включений, шт., не более
20
Отношение показателя текучести расплава ПТР<sub>21,6</sub>/ПТР<sub>2,16</sub>
20-35
Предел текучести при растяжении, МПа, не менее
10
Прочность при разрыве, МПа, не менее
28
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее
700
5. Резиновая крошка.
Резиновая крошка - продукт переработки изношенных автомобильных шин.
Использовалась резиновая крошка с размером частиц до 1 мм, изготовленная в соответствии с ТУ 38-108035-97.
Пример. Для экспериментальной проверки заявленных составов были приготовлены 5 вариантов смесей. Образцы изготавливались следующим образом: в предварительно нагретые до 190°C минеральные материалы (щебень и песок из отсевов дробления) вводились гранулы вторичного полиэтилена. Смесь перемешивалась в лабораторной мешалке в течение 1 минуты. Затем в нее подавались битум и резиновая крошка, и смесь дополнительно перемешивалась в течение 2 минут. После этого из нее готовились цилиндрические образцы диаметром 71,4 мм по ГОСТ 12801-98. Готовились традиционные смеси по ГОСТ 31015-2002 с добавкой Viatop на битуме БНД 60/90 и разработанные резинированные смеси с различным процентным содержанием резиновой крошки от 0,8 до 2,0 с шагом 0,2% и вторичного линейного полиэтилена низкой плотности от 0,1 до 1,1 с шагом 0,2% при их суммарном содержании 1,9-2,1% от массы минерального материала. Из проведенных сравнительных испытаний и анализа полученных результатов установили, что асфальтобетонные смеси предлагаемых составов обладают более лучшими физико-механическими свойствами по сравнению со смесями прототипа.
Наилучшие показатели предлагаемой асфальтобетонной смеси наблюдались при введении резиновой крошки в пределах от 1,0 до 1,8% от массы минерального материала и вторичного линейного полиэтилена низкой плотности в пределах от 0,2 до 0,8%.
Исследуемые составы смесей и результаты испытаний асфальтобетонов приведены в таблице 4.
Из результатов, приведенных в таблице 4, видно, что образцы из предлагаемого состава характеризуются повышенными показателями предела прочности при 20 и 50°C, сцепления при сдвиге и коэффициента длительной водостойкости.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что предложенный РЩМА характеризуется повышенной по сравнению с прототипом деформационной устойчивостью, трещиностойкостью и водостойкостью.
Кроме того, разработанный состав обеспечивает утилизацию изношенных автомобильных шин, что в современном мире, где число автомобилей неуклонно растет, приобретает большое экологическое и экономическое значение.
Предложенный РЩМА за счет применения вторичного сырья вместо минерального порошка и дорогих стабилизирующих добавок значительно дешевле аналогов.