СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОЙ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОЙ СМЕСИ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD FOR PRODUCTION OF COLD ORGANIC MINERAL MIXTURE FOR ROAD PAVEMENTS

Изобретение относится к производству дорожно-строительных материалов, а именно к способам приготовления холодных органоминеральных смесей на основе минеральных наполнителей и органических вяжущих.
Холодными смесями называют такие, для приготовления которых используют жидкие дорожные битумы и исходные материалы нагревают до высоких температур. Холодные смеси, в отличие от горячих, укладываемых при температуре не менее 120°С, укладывают при температурах окружающей среды не ниже 5°С без специального подогрева.
Известен способ приготовления холодных асфальтобетонных смесей по патенту RU №2190579 на изобретение путем смешения минеральной части с жидким битумно-каучуковым вяжущим, состоящим из подогретого до температуры 170-190°С битумом, 10-15 мас.% сланцевым маслом, раствором каучука.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [авторское свидетельство СССР №707945], который заключается в смешении жидкого нефтяного битума марок СГ 70/130, МГ 70/130, а также более вязкого битума БНД 200/300 с отходами дробления литого шлакового щебня, разогретого до температуры 105-120°С, в зависимости от вязкости используемого битума.
Известен также способ приготовления песчаного асфальтобетона по патенту RU №2174498 на изобретение, включающий в себя следующие операции: обработку продуктов отсева камнедробления производства серы в холодном состоянии нефтешламом, нагрев до 100-110°С и смешение с предварительно разогретым до температуры 80-90°С битумом до получения однородной массы. В качестве органического вяжущего применяют жидкий нефтяной битум марки МГ 70/130.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [авторское свидетельство СССР №1214626] путем смешения нагретых до 120-130°С минеральных материалов с активирующим компонентом в виде нагретой до температуры 150-160°С смеси, содержащей 70-75% отхода регенерации поглотительного масла и 25-30% полистирола, в количестве 1,5-4,5% от минеральных материалов с нефтяным вяжущим. В качестве вяжущего используют нефтяной жидкий битум марки МГ 130/200 или жидкое нефтяное вяжущее.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [авторское свидетельство СССР №453417], включающий последовательное введение и перемешивание при температуре 60°С жидкого нефтяного битума, эпоксидной смолы марки ЭД-5, полиэтиленполиамина и наполнителя в виде смеси щебня, песка и минерального порошка.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [авторское свидетельство СССР №1458343] путем активации песка 8-12 мас.% раствора полиэтиленовой пленки в тетрохлорметане в соотношении 1:10 при температуре 60-65°С и смешении его с черным вяжущим в виде нефтяного гудрона.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [патент RU №2046771 на изобретение] путем нагрева минеральных материалов до температуры 110-120°С, смешения их с модифицирующей смесью, состоящей из остатка производства ионола на стадии ректификации - Агидола-80, а затем с жидким битумом марки МГ 70/130.
Известен также способ приготовления холодной асфальтобетонной смеси [патент RU №2186746 на изобретение], включающий в себя нагрев щебенисто-песчаной смеси до 90-160°С и рассев на крупную и мелкую фракцию. Разжижители - мазут, нефтяной гудрон в количестве 1,6-3% с температурой 60°С перемешивают с крупной фракцией заполнителя 10 секунд, затем вводят вязкий нефтяной битум БНД 90/130, нагретый до 90-130°С, и перемешивают 15-20 секунд, туда же подают мелкий заполнитель и минеральный порошок, смесь перемешивают 30 секунд.
Недостатки известных способов заключаются в следующем. Ряд описанных способов требуют особого оборудования, особых условий техники безопасности по причине их вредности, что удорожает производство. Другая группа способов основана на использовании редко встречающихся в регионах составляющих, характерных только для остатков тех или иных специфических химических производств. Еще одним и главным недостатком вышеперечисленных способов является необходимость подогрева участвующих в процессе приготовления смесей минеральных материалов, что требует дополнительных затрат энергии. Нагрев смесей до высоких температур сопровождается нанесением экологического ущерба окружающей среде и ухудшением условий труда работающего персонала
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ приготовления битумоминеральной смеси [авторское свидетельство СССР №883221], который осуществляют следующим образом: дозируют минеральные материалы - известняковый щебень фракции 5-15 мм, известняковые высевки с модулем крупности 2,1, известняковый минеральный порошок и загружают в смеситель. Затем подают воду с температурой 20-70°С в количестве 12-14% от минеральных материалов и перемешивают в течение 1 мин. В полученную смесь вводят вязкий битум, нагретый до 160°С, и перемешивают в течение 50 секунд до полного диспергирования битума и получения однородной асфальтобетонной смеси. Данная технология является наиболее экологичной, трудо- и энергосберегающей, поскольку минеральные компоненты не подогреваются до начала процесса смешения.
Однако и данному способу присущи недостатки: расход энергии, связанный с необходимостью подогрева воды, замедленные сроки формирования и низкие свойства получаемых из смеси покрытий по причине повышенной температуры (20-70°С) и излишнего количества вводимой в смесь воды (12-14%), что объясняется исследованиями, проведенными в последующем авторами заявляемого изобретения.
Задачей заявляемого изобретения является снижение энерго- и трудозатрат осуществления способа при улучшении технологических параметров смесей и повышении показателей водонасыщения, набухания, морозостойкости и сдвигоустойчивости покрытий, устраиваемых из смесей по заявленному способу.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе приготовления холодной органоминеральной смеси для дорожных покрытий, при котором смешивают наполнитель исходного сырья с водой в смесителе, затем вводят в смеситель нагретое до 140-160°С органическое вяжущее и продолжают перемешивать до полного диспергирования вяжущего и получения однородности смеси, процесс ведут без подогрева как компонентов наполнителя исходного сырья с температурой их 5-18°С, так и воды, при этом количество входящих компонентов подчинено соотношению:
4-11% воды
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
на 100% наполнителя
3-9% органического вяжущего
Кроме того, заявляется способ с вышеперечисленными операциями, в котором в качестве наполнителя исходного сырья в смеситель вводят минеральные компоненты: щебень, песок, минеральный порошок.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в наполнитель исходного сырья вводят частицы старого асфальтобетонного покрытия в количестве до 70% наполнителя от общего его количества.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в состав наполнителя исходного сырья вводят цемент в количестве 1-10% от общего количества наполнителя исходного сырья.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в качестве органического вяжущего вводят нефтяной битум.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в качестве органического вяжущего вводят сланцевый битум.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в качестве органического вяжущего вводят составленное вяжущее, включающее одновременно нефтяной и сланцевый битумы.
Заявляется также способ с вышеперечисленными операциями, в котором в качестве органического вяжущего вводят составленное вяжущее, включающее одновременно нефтяной битум и каменноугольный деготь.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание изобретения, является то, что в указанном интервале температур и количестве входящей в смесь воды установлено улучшение технологических параметров смеси, показателей водонасыщения, набухания, морозостойкости и сдвигоустойчивости покрытий, устраиваемых из смесей.
Кроме того, технология приготовления материалов с дисперсными органическими вяжущими имеет значимые достоинства: энергосбережение, так как отпадает необходимость в высушивании и нагреве минеральных составляющих; ресурсосбережение, за счет исключения из технологической линии сушильного барабана, форсунки, топочного хозяйства, пылеуловительной установки, грохота, необходимости их обслуживания, снижения металлоемкости завода, расхода минерального порошка и др.; экологическая безопасность, так как благодаря холодному и влажному приготовлению смесей исключается выброс в атмосферу пыли, различных окислов, канцерогенных углеводородов и др.
Преимущество получаемых материалов с дисперсным битумом перед материалами на эмульсиях заключается в отсутствие необходимости заблаговременного производства эмульсий на специальном оборудовании с использованием дефицитных, дорогостоящих поверхностно-активных эмульгаторов, нередко приобретаемых за рубежом.
Заявляемая в способе технология позволяет получать широкий спектр материалов с дисперсными вяжущими.
Частичная или полная замена щебня в частном случае применения измельченным старым асфальтом позволяет получать холодные регенерированные асфальтовые смеси для устройства дорожных покрытий и оснований со свойствами, не уступающими материалам, приготавливаемым из традиционного сырья. По аналогии можно приготавливать и применять холодные органоминеральные смеси из природных нефте- и битумосодержащих горных пород (асфальты, асфальтиты, киры и т.п.)
В результате замены некоторого количества минерального порошка цементом получается материал, сочетающий свойства цементного и асфальтового бетона - цементо-асфальтобетон для дорожных одежд, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. При полной замене минерального порошка цементом получается цементобетон с добавками органических вяжущих. Установлена принципиальная возможность производства органоминеральных смесей с дисперсными вяжущими из несвязных, рыхлых пород (грунты, песчано-гравийные смеси и т.п.).
Технология позволяет использовать в дисперсном состоянии все известные, применяемые в дорожном строительстве органические вяжущие: нефтяные и сланцевые битумы, смолы, каменноугольные и другие виды дегтей и т.п.
Процессы структурообразования в материалах с дисперсными вяжущими начинаются на стадии смешения, продолжаются и заканчиваются в дорожной одежде. Смесь представляет собой гетерогенную необратимую систему открытого типа, протекающие в ней процессы происходят в направлении уменьшения суммарной избыточной энергии, достижения устойчивого равновесия. Скорость протекания этих процессов обусловливается составом, свойствами, температурами исходных материалов, погодными условиями (солнце, ветер, температура воздуха и др.). Пределом формирования структуры является образование бинарной системы «битум - минеральные составляющие».
Производство органоминеральных смесей с дисперсными вяжущими может осуществляться современными машинами и оборудованием. Мешалки могут применяться свободного и принудительного действия. Последние предпочтительнее, а для грунтовых смесей обязательные.
Транспортирование смесей, распределение в слои дорожных покрытий и уплотнение может осуществляться обычными способами.
Органоминеральные материалы с дисперсными вяжущими целесообразно применять с учетом составов и свойств в различных конструктивных слоях дорожных одежд на дорогах всех технических категорий в III-V дорожно-климатических зонах.
Заявляемый способ заключается в следующем. Компоненты наполнителя исходного сырья: щебень, песок, минеральный порошок с температурой их 5-18°С, продиктованной низкими температурами нахождения минеральных составляющих в естественных условиях, например ранней весной или поздней осенью, без подогрева и высушивания подают в мешалку. Одновременно с минеральными материалами в мешалку подают воду с температурой 5-18°С в количестве 4-11% от массы наполнителя исходного сырья и перемешивают с минеральными составляющими порядка 15 секунд. Затем в мешалку одновременно подают предварительно нагретое вяжущее в количестве 3-9% от массы наполнителя исходного сырья с температурой 140-160°С в зависимости от вязкости используемого битума и перемешивание продолжают, как правило, 20-50 секунд до полного диспергирования битума и получения однородности смеси. В процессе перемешивания в объеме смеси получают прямую медленнораспадающуюся битумную эмульсию на твердых эмульгаторах, роль которых выполняют обычно применяемые в дорожном строительстве минеральные порошки. Температура готовой смеси при выходе из смесителя, как правило, не превышает 40°С. Главным показателем качества полученной смеси является дисперсность битума. Степень дисперсности определяют визуально, она считается удовлетворительной, если при размыве смеси водой не наблюдаются комки, нити и сгустки битума. Для количественной оценки дисперсности битума применяют микроскопический метод.
Для приготовления смесей применяют щебень и гравий из плотных горных пород, шлаков, а также нефте- и битумосодержащих горных пород (асфальтиты, киры) фракций 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм или в виде смесей смежных фракций в количестве 30-60%; песок природный или искусственный высевок в виде отходов дробления горных пород в количестве 20-60% от общей массы наполнителя; негидрофобный минеральный порошок с содержанием частиц мельче 0,071 мм не менее 70% в количестве 4-16% от общей массы наполнителя. Зерновой состав смеси подбирают исходя из условия обеспечения минимальной межзерновой пустотности.
Для приготовления смесей в качестве добавки наполнителя исходного сырья в ряде случаев вводят старый асфальт (фрезерованный гранулят, дробленый лом). Исходя из необходимости введения в смесь достаточного количества минерального порошка и высевок, которые обеспечивают диспергирование битума, максимальное содержание старого асфальта не должно превышать 70% от общей массы наполнителя.
В регионах, где не наблюдается дефицита нефтяного сырья, для приготовления смесей в качестве органического вяжущего в смесь вводят обычно применяемые в дорожном строительстве нефтяные битумы. Например, вязкие битумы марок БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 и жидкие битумы марок СГ 70/130, СГ 130/200.
В регионах, где отмечается наличие месторождения горючих сланцев и продуктов их переработки при дефиците нефтяного сырья, для приготовления органоминеральных смесей в качестве органических вяжущих рекомендуется применять сланцевые битумы, например, марок БС 90/130, БС 130/200, БС 200/300.
Проведенными исследованиями было установлено, что значительного повышения адгезии органических вяжущих к минеральным материалам и некоторого улучшения водных свойств (водонасыщения и водостойкости) получаемого материала можно добиться путем одновременного введения в смесь нефтяного и сланцевого битумов. Нефтяной и сланцевый битумы в количественном соотношении 10-90% каждого вяжущего от общего его количества с температурой 140-160°С одновременно вводят в смеситель. В процессе перемешивания происходит раздельное независимое диспергирование их твердым эмульгатором - минеральным порошком. В объеме асфальтовой смеси образуют смешанную, медленнораспадающуюся битумную эмульсию на твердом эмульгаторе.
Установлено также, что одновременное введение в смесь нефтяного битума и каменноугольного дегтя способствует некоторому снижению водонасыщения и набухания получаемых материалов и не приводит к снижению их прочности. Возможно и введение вяжущего, полностью состоящего из каменногоугольного дегтя марок Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6
Проведенными исследованиями было установлено, что ускорения протекания процессов структурообразования и улучшения дорожно-технических свойств покрытий (повышения прочности и водостойкости) можно добиться путем введения в смесь цемента в количестве 1-10% от общей массы наполнителя.
Заявляемый способ приготовления холодной органоминеральной смеси позволяет устраивать покрытия при температуре воздуха не ниже +5°С.
Пример 1
Способ в соответствии с заявленной технологией осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Щебень известняковый фракции 5-10 мм - 55%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Песок - 35%
с температурой
Минеральный порошок - 10%
18°С
Вода - 9%
Битум нефтяной марки БНД 90/130 - 6%
с температурой 150°С
Свойства полученной органоминеральной смеси:
Объемная масса, г/см<sup>3</sup>
2,18
Водонасыщение, % по объему
9,0
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре 20°С
3,2
50°С
1,4
Коэффициент водостойкости
0,98
Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении
0,88
Пример 2
Способ в соответствии с заявленной технологией осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Старый асфальт фракции 5-15 мм - 50%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Щебень гранитный - 35%
с температурой
Высевки гранитные - 8%
15°С
Минеральный порошок - 7%
Вода - 7%
Битум нефтяной БНД 90/130 - 3,5%
с температурой 150°С
Свойства полученной органоминеральной смеси:
Объемная масса, г/см<sup>3</sup>
2,23
Водонасыщение, % по объему
7,20
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре 20°С
2,4
50°С
0,9
Коэффициент водостойкости
0,97
Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении
0,81
Полученная органоминеральная смесь и контрольные лабораторные образцы удовлетворяют предъявляемым стандартным требованиям по всем параметрам.
Пример 3
Способ в соответствии с заявленной технологией осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Старый асфальт фракции 5-15 мм - 50%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Высевки гранитные - 40%
с температурой
Минеральный порошок - 10%
5°С
Вода - 6%
Общее содержание вяжущих - 5%
(битум сланцевый БСД 90/130 - 60%,
битум нефтяной БНД 90/130 - 40%)
с температурой 160°С
Свойства полученной органоминеральной смеси:
Объемная масса, г/см<sup>3</sup>
2,21
Водонасыщение, % по объему
6,96
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре 20°С
2,4
50°С
1,4
Коэффициент водостойкости
0,99
Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении
0,83
Полученная органоминеральная смесь и контрольные лабораторные образцы удовлетворяют предъявляемым стандартным требованиям по всем параметрам.
Пример 4
Способ в соответствии с заявленной технологией осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Старый асфальт фракции 5-10 мм - 60%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Песок - 30%
с температурой
Минеральный порошок - 10%
5°С
Вода - 6%
Битум нефтяной марки БНД 90/130 - 5%
с температурой 150°С
Свойства покрытия (значения для вырубок), полученного на основе органоминеральной смеси:
Водонасыщение, % по объему
7,7
Набухание, % по объему
1,17
Коэффициент морозостойкости
0,58
Сдвигоустойчивость, кН
22·10<sup>3</sup>
Пример 5
Способ в соответствии с заявленной технологией осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Старый асфальт фракции 5-10 мм - 60%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Песок - 30%
с температурой
Минеральный порошок - 10%
10°С
Вода - 6%
Битум нефтяной марки БНД 90/130 - 5%
с температурой 150°С
Свойства покрытия (значения для вырубок), полученного на основе органоминеральной смеси:
Водонасыщение, % по объему
8,2
Набухание, % по объему
1,28
Коэффициент морозостойкости
0,52
Сдвигоустойчивость, кН
20·10<sup>3</sup>
Пример 6
Пример приведен для сравнения заявляемого способа приготовления смеси с наиболее близким аналогом (SU 883221) и демонстрации преимуществ получаемых из смеси покрытий. Способ в соответствии с наиболее близким аналогом (SU 883221) осуществляли при следующем составе исходных материалов:
Старый асфальт фракции 5-10 мм - 60%
<img file="00000001.tif" he="8" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
Песок - 30%
с температурой
Минеральный порошок - 10%
20°С
Вода - 13%
Битум нефтяной марки БНД 90/130 - 5%
с температурой 150°С
Свойства покрытия (значения для вырубок), полученного на основе органоминеральной смеси:
Водонасыщение, % по объему
14,7
Набухание, % по объему
6,0
Коэффициент морозостойкости
0,32
Сдвигоустойчивость, кН
14·10<sup>3</sup>