СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТО-БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
METHOD OF PRODUCING STABILIZING ADDITIVE FOR PRODUCTION OF STONE MASTIC ASPHALT-CONCRETE MIXTURES

Изобретение относится к способу производства стабилизирующей добавки для асфальтобетона с применением отходов хлопчатобумажных производств.
В настоящее время в отечественном дорожном строительстве наиболее перспективным материалом для строительства сети современных автомобильных дорог является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Этот материал отличается улучшенными показателями надежности и долговечности, а также стойкостью к влиянию температуры и влаги.
Особенностью щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС) является большое содержание щебня (60 - 80%), что существенно увеличивает объем пустот между зернами щебеночного каркаса. Пустоты заполняются дробленым песком и минеральным порошком. Величина пустот минеральной части является нормируемой величиной. Дробленый песок, минеральный порошок и вяжущее образуют мастичную часть щебеночно-мастичного асфальтобетона, требования к остаточной пористости которого также нормируется. При увеличении соотношения крупная фракция щебня/мелкая фракция щебня увеличиваются показатели сдвигоустойчивости ЩМАС, но также увеличивается и количество пустот минеральной части, которые нужно заполнить вяжущим. Действие стабилизирующих добавок, являющихся обязательным компонентом таких смесей, направлено на обеспечение непосредственного соприкосновения зерен крупного заполнителя друг с другом и удержание вязкотекучего битума, находящегося  в межзерновом пространстве, не оказывая при этом отрицательного влияния на свойства вяжущего и ЩМА. Вид и свойства этих добавок имеют большое значение для обеспечения требуемого содержания вяжущего и повышения качества асфальтобетонной смеси.
Известно использование гранулированной на пресс-грануляторе стабилизирующей добавки, содержащей в качестве структурообразователя волокна целлюлозно-бумажных отходов и связующего на основе битумной эмульсии и отработанного синтетического масла (патент РФ на изобретение №2700858, опубл. 23.09.2019).
Недостатком известного решения является сложность изготовления и применения добавки в условиях низких и высоких температур. В жаркую погоду, как правило хранящаяся на открытом воздухе, стабилизирующая добавка подвержена слипанию, особенно та ее часть, что расположена в нижней части биг-бегов, в которые производителями фасуется почти вся стабилизирующая добавка. Происходит это по причине размягчения битума, в связи с чем повышается липкость стабилизирующей добавки и затрудняется и даже делается невозможной подача ее пневмотранспортом в минеральную  смесь непосредственно на месте производства ЩМАС. При низких же температурах, в отсутствие работ по укладке  или ремонту дорожного полотна, битумную эмульсию производители не выпускают.
Известна стабилизирующая  добавка  (патент РФ на изобретение №2631819, опубл. 26.09.2017) в  виде  гранул,  включающая целлюлозное волокно и продукт взаимодействия высших карбоновых кислот с  полиэтиленполиамином  и  органическим  растворителем.
Недостатки известного решения: сложность получения трехкомпонентного вяжущего, привязка к отходам масложировых производств, чего не имеется во многих субъектах РФ, резко отрицательное воздействие на здоровье персонала применяемых органических растворителей, в частности, толуола.
Известна гранулированная на пресс-грануляторе стабилизирующая добавка  (патент РФ на изобретение №2542010, опубл. 20.02.2015) для  щебеночно-мастичной  асфальтобетонной  смеси,  включающая парафин в качестве органического  вяжущего,  целлюлозно-бумажные отходы для структурообразования, известняковый  минеральный  порошок и  воду.
Действительно использование в качестве связующего парафина устраняет эффект слипания гранул, однако парафин воздействуя на битум в ЩМАС ухудшает показатели уложенного асфальтобетона в зимний период, делая его более хрупким и уменьшая показатели трещиностойкости. Также парафин, являясь  производной переработки нефти имеет  различные показатели по чистоте, что может отрицательно повлиять на стабильность качества выпускаемой стабилизирующей добавки.
Известна стабилизирующая добавка VIATOP 66, представляющая  собой гранулированную смесь серого цвета без запаха, которая на 66 % состоит из целлюлозного волокна и на 34% из дорожного битума. Основным недостатком стабилизирующей добавки VIATOP 66 является то, что она производится из макулатуры, являющейся дорогим сырьем с перспективой ежегодного уменьшения ее количества.
Известна стабилизирующая добавка  (патент на изобретение №2273615, опубл. 10.04.2006) в  виде  гранул  для  щебеночно-мастичного асфальтобетона,  включающая органическое  вяжущее  и  структурообразователь,  причем  органическое  вяжущее выбирают  из  группы:  деготь,  битум  или  битумная  эмульсия,  а  в  качестве структурообразователя  используют  пух  подвальный  и/или  пух  распыл, представляющий  собой  отход  хлопчатобумажного  производства  при  следующем соотношении  компонентов  состава. Способ получения добавки включает добавление в пух подвальный и/или пух распыл с размерами частиц 0,1-2,0 мм органического вяжущего, перемешивание до получения однородной смеси и гранулирование с помощью экструдера.
Известные стабилизирующие добавки, содержащие в своем составе органическое связующее в виде дегтя, битума  или  битумной эмульсии, не могут производится в условиях отрицательных температур и  эффективно использоваться из-за их слипания при высоких (30°С и более) температурах. Производство водно-битумной эмульсии в большинстве российских регионов производится лишь в строительный сезон, что делает невозможным производство стабилизирующей добавки с ее применением в зимний период.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простого способа получения стабилизирующей добавки круглогодичного производства и использования для щебеночно-мастичного асфальтобетона с использованием отходов хлопчатобумажного производства.
Технический результат - простой способ производства эффективной стабилизирующей добавки для ЩМАС с возможностью круглогодичного производства и использования.
Технический результат достигается тем, что способ получения стабилизирующей добавки для  щебеночно-мастичного асфальтобетона включает смешение измельченного хлопчатобумажного волокна, полученного из отходов хлопчатобумажного производства с водной дисперсией, содержащей 5-50%  стирол-акрилового латекса, гранулирование смеси  на плоскоматричном грануляторе с последующим охлаждением готовых гранул, при следующем  соотношении компонентов, мас.%:
Хлопчатобумажное волокно
70-90
Водная дисперсия латекса
10-30
В зависимости от факторов производства ЩМА: типов асфальтобетонных заводов, типа используемого в производстве ЩМАС материалов, отличаются и требования к стабилизирующей добавке. Может потребоваться разная степень устойчивости к перетиранию гранул каменным материалом, различные модифицирующие воздействия на битум. Поэтому расход вяжущего при производстве гранул, и соответственно его содержание в конечном продукте может быть различным. При этом в зависимости от параметров работы установки по производству стабилизирующей добавки содержание собственно латекса в дисперсии может изменяться от 5 до 50% , что на практике приводит к содержанию латекса в грануле от 0,5 до 30%.  Чем больше содержание в стабилизирующей добавке целлюлозных волокон,  тем выше стабилизирующие свойства. Чем больше содержание в стабилизирующей добавке латекса, тем значительнее модифицирующее воздействие на битум.
Описание осуществления способа:
В качестве вяжущего для производства гранул стабилизирующей добавки использовали водную дисперсию латекса с содержанием последнего 5-50 %.
Отходы хлопчатобумажных производств поставляют в виде тюков прессованного хлопчатобумажного волокна различающихся по размерам и массе.
Тюки  подают на измельчающее устройство или цепь устройств. Далее осуществляется дезинтеграция этих тюков на волокна. Для этой цели используют различные виды шредеров, измельчителей, стригальных машин и мельниц, либо в единичном варианте, либо в цепи устройств.
Наиболее оптимальной длиной волокна на выходе является длина не более 2 мм.
Далее осуществляют транспортирование разволокнённого сырья в плоскоматричный  гранулятор, что осуществляется различными способами, которые могут включать в себя пневматическую, шнековую, грайферную, ковшовую  и др. подачи. Одновременно с этим, путем подачи водной дисперсии латекса в транспортную линию,  осуществляется смешение сырья с водным раствором латекса для сохранения формы конечного продукта. Смешение сырья осуществляется в следующем соотношении, мас.%:
Хлопчатобумажное волокно
70-90
Водная дисперсия латекса
10-30
В процессе гранулирования сырья гранулы нагреваются за счет сил трения, в результате чего происходит испарение воды из гранул и их частичное обезвоживание  и из плоскоматричного гранулятора выходят горячие гранулы, транспортируемые в охладители, где осуществляется их охлаждение до комнатной  температуры.
В охладителе также осуществляется дальнейшее обезвоживание гранул. В результате охлаждения, и соответственно обезвоживания,  влажность гранул достигает 5-10%, что примерно соответствует влажности исходного сырья, при этом содержание воды  уменьшается, содержание собственно латекса остается в прежнем количестве.
В зависимости от технологических параметров, таких, например, как толщина матрицы гранулятора или разность угловых скоростей роликов и матрицы гранулятора, количество подаваемого для производства гранул вяжущего может существенно варьироваться по количеству.
Могут применяться различные типы охладителей – горизонтальные и вертикальные, с принудительной подачей или откачкой воздуха и без таковых, с движущимися частями охладителя или неподвижными, с использованием различных полок, тарелок или без них, с подачей охлажденного газа или использованием газа с температурой окружающей среды и т.д.
Охлажденные  гранулы подаются к дозирующему устройству. Дозирование, может быть осуществлено как весовым, так и объемным методом, при этом используются либо весы с установленной на них тарой, либо оттарированный бункер, при наполнении которого гранула ссыпается в тару.
Примеры осуществления способа:
Пример 1
В качестве вяжущего использовали водную дисперсию стирол-акрилового латекса марки Novopol 110 с содержанием латекса 50 мас.%.
Хлопчатобумажные волокна, полученные в результате предварительной  обработки  отходов хлопчатобумажного производства в количестве до  80%масс. из промежуточного бункера поступают в  транспортную линию. Количество водной дисперсии подаваемой в массу движущегося по транспортной линии разволокнённого сырья составило 20 мас.%.
Далее смесь подавалась в плоско-матричный гранулятор, на выходе из которого были получены гранулы, подаваемые в горизонтальный охладитель барабанного типа с принудительной откачкой из него теплого и всасыванием воздуха с температурой окружающей среды. В результате охлаждения влажность гранул достигла 5%, при этом содержание собственно вяжущего составило 10%.
Аналогично были приготовлены составы по примерам 2-3. В таблице 1 содержатся сведения о количественном соотношении сырья, а также параметрах готового продукта. Также в таблице 1 приведены сведения о параметрах продукта, полученного в соответствии с патентом РФ №2273615.
Таблица 1
Пример 1
Пример 2
Пример 3
ГОСТ 31015
Аналог по патенту №2273615
Количество подаваемой водной дисперсии, мас.%
30
20
10
-
Содержание латекса в водной дисперсии, мас.%
10
30
50
-
Хлопчатобумажное волокно, мас.%
70
80
90
70
Битум, мас.%
-
-
-
30
Водонасыщение, %
2,20
2,47
1.96
1,0-4,0
Предел прочности при сжатии, при температуре:20°C, МПа50°C, МПа
4,21,12
3,951,26
4,751,63
Не менее 2,00,60
Водостойкость при длительном водонасыщении,%
0,91
0.92
0,88
Не менее 0,75
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения, не менее
0,98
0,99
0,99
Не менее 0,20
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре +50 °C, МПа
0,25
0,33
0,35
Не менее 0,16
Устойчивость к расслаиванию (стекания вяжущего), не более %
0,15
0,09
0,13
Не более 0,2
0,1
Заявляемый способ обладает следующими преимуществами:
В предлагаемом способе производства была использована водная дисперсия латекса, которая обеспечивает улучшенные качественные показатели готовой гранулы, а также имеет технологические преимущества при ее производстве:
- высокая водостойкость и низкое водопоглощение, препятствующее набору гранулами влажности, что важно при хранении на открытом воздухе, что повсеместно встречается в условиях строительства дорог;
- хорошая проникающая способность, позволяющая уменьшить расход вяжущего при производстве гранулы;
- устойчивость к механическим воздействиям, возникающим при транспортировке стабилизирующей добавки;
- быстрый набор твердости, позволяющий затаривать гранулу сразу после ее охлаждения;
- низкая цена по сравнению с аналогами.
Полученные гранулы обладают хорошей устойчивостью к слипанию при высоких температурах, что позволяет избегать сбоев с подачей СД в загрузочный бункер и в транспортные линии асфальтобетонных заводов,  не вызывая сбоев технологических процессов.
Дополнительным преимуществом применения латексных дисперсий является их положительное влияние на свойства битума в ЩМА – повышение пенетрации и сдвигоустойчивости при положительных температурах и снижение хрупкости и повышение трещиностойкости  при отрицательных температурах, т.е. модифицирующее действие.
Использование в заявляемом  решении плоскоматричного гранулятора вместо экструдера является более эффективным, поскольку он  является более экономичным, простым в эксплуатации, доступным и производительным механизмом, получившим широкое применение в производстве кормов.