СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ГИДРАТАЦИОННОГО ТВЕРДЕНИЯ
METHOD FOR PREPARATION OF HYDRAULIC HARDENING ROAD CONCRETE MIXES

Изобретение относится дорожно-строительным материалам, технологии их приготовления и может быть использовано в дорожном и аэродромном строительстве.
Известна композиция (а.с. СССР №168343, МПК С04В 26/26, бюл. №37, 1991 г.) для устройства покрытий автомобильных дорог, включающая нефтяной гудрон, шлакощелочное вяжущее, содержащие 97 мас.% молотого доменного отвального шлака и 3 мас.% соды, в качестве минеральной добавки - сульфат аммония, воду и доменный отвальный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нефтяной гудрон
5-6
Шлакощелочное вяжущее
6-7
Сульфат аммония
0,5-0,8
Вода
5-6
Доменный отвальный шлак
- остальное
Композицию готовят простым смешением вышеуказанных компонентов. Недостатки аналога: недостаточна прочность покрытия и ограниченная область применения.
Лучшие результаты достигаются в способе приготовления органоминеральной смеси с использованием водного раствора хлористого кальция. (а.с. СССР №1535872, МПК C08L 95/00, бюл. №2, 1990 г.).Сущность способа заключается в том, что кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК) растворяли в растворе алюмината натрия при соотношении 1:(0,05-0,45), где концентрация КОСЖК и алюмината натрия в растворе составляла 5-55 мас.%. Полученный раствор в количестве 2-8 мас.% вводили в минеральный материал, обработанный гудроном, и перемешивали в течение 30 с. В полученную смесь вводили 40%-й раствор хлористого кальция в количестве 1-8 мас.% и также перемешивали 30 с.
Недостатком способа-аналога является использование алюмината натрия и хлористого кальция только как инертных материалов естественного происхождения. При этом двухступенчатое введение композиционных составляющих смеси значительно усложняет технологический процесс производства смеси.
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ приготовления асфальтобетона, включающий смешение крупного и мелкого заполнителя со шлаковым минеральным порошком, введение в смесь водного раствора активной добавки и нагретого до 120-140°С битума. В качестве добавки используют гидроксиды натрия, калия силикатные или не силикатные соли слабых кислот с плотностью β=1,08-1,35 г/см, которые вводят в смесь параллельно с нагретым битумом (пат. РФ №2151117, МПК С04В 26/26, бюл. №17, 2000 г.).
Получают композицию состава, мас.%:
Шлаковый минеральный порошок
6,0-18,0
Нефтяной вязкий или жидкий битум
4,5-9,0
Активная добавка (от массы мин смеси)
0,15-2,50
Минеральный крупный и мелкий заполнитель
- остальное
Недостатками способа-прототипа являются низкие физико-механические показатели асфальтобетона, неоднородность смеси и сложность их приготовления.
Задачей создания изобретения является разработка способа приготовления асфальтобетонной смеси гидратационного твердения, позволяющего повысить прочность и долговечность асфальтобетонного покрытия.
3
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, а именно общих с прототипом, таких как способ приготовления асфальтобетонной смеси гидратационного твердения, включающий смешение минерального заполнителя со шлаковым минеральным порошком и битумным компонентом вяжущего, и отличительных существенных признаков, таких как к смеси минерального заполнителя со шлаковым минеральным порошком вводят битумный компонент вяжущего в количестве 6-12% в виде предварительно приготовленной битумной эмульсии, содержащей, мас.%: битум нефтяной и раствор эмульгатора в соотношении 35-65 или 65-35, после чего производят перемешивание полученной смеси, причем для приготовления битумной эмульсии в диспергатор параллельно подают битум, нагретый до температуры 90-140°С, и водный раствор эмульгатора с плотностью β=1,08-1,40 г/см и температурой 40-80°С, после измельчения до микронных капель эмульсию подают в накопительную емкость для последующей подачи в смеситель для приготовления асфальтобетонной смеси гидратационного твердения, а в качестве эмульгатора для битумной эмульсии используют содощелочной плав или кальционированную соду в виде полупродуктов или щелочесодержащих отходов промышленности.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить от использования изобретения следующий технический результат - повысить прочность и долговечность асфальтобетонного покрытия.
Отличительной особенностью предлагаемого способа от традиционного (ГОСТ 9128-97) является то, что асфальтобетон обладает свойством твердеть в эксплуатационный период дорожного покрытия, при этом прочностные показатели через определенный период превышают ГОСТ 9128-97.
Существенным отличием является и то, что в смеси присутствует жидкая фаза с химическими веществами - эмульгаторами. Диспергированный битум в растворе эмульгатора в композиции с активным минеральным порошком представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, образующее искусственный камень.
Причинно-следственная связь отличительных признаков с техническим результатом предлагаемого решения заключается в следующем.
По условиям механического износа асфальтобетонные покрытия должны служить 30-40 лет, однако нередко их разрушение происходит значительно раньше, через 6-8 лет. Важнейшими факторами, сокращающими сроки службы дорожного покрытия, являются старение битума, где доминирующей причиной является его окисление, упруго-хрупкая структура, дробление и истирание минерального скелета смеси, морозная деструкция покрытия.
Воздействие на покрытие солнечного света, ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха и воды приводит к старению битума, в результате понижается когезия, адгезия и пластичность, деформативная способность падает, трещинообразование возрастает. В предлагаемом способе процесс старения битума затормаживается за счет высокомолекулярных композиций смеси, где многовалентные катионы не только снижают с поверхности битума потенциал отрицательного знака, но и перезаряжают, в результате сорбционный процесс в системе «минерал-битум» активизируется.
2
Структурообразующая смесь приготавливается на битумоминеральном вяжущем веществе (битум + минеральный порошок), где минеральный порошок представляет собой дисперсный шлак с удельной поверхностью 2600-4000 cм/г.
Битум в смесь вводят с битумной эмульсией, где одной фазой является вода, а другой - битум, именуемой «масло-в-воде» или вода - дисперсная фаза, содержащейся в виде отдельных капель в масле (в/м).
Кроме воды и битума эмульсия содержит третий компонент, придающий агрегативную устойчивость, под названием «эмульгатор». В качестве эмульгатора использую содощелочной плав, кальционированную соду или другие виды щелочсодержащих солей с рН>7, представляющие полупродукт или отход химической промышленности.
Основным условием протекания химических процессов является наличие щелочной среды, что свидетельствует об определенном сходстве процессов окаменения силикатных систем, позволяющее использовать известные положения о процессах гидратационного твердения минеральных вяжущих, в том числе битумоминерального.
Диспергированный битум в растворе электролита перезаряжается положительным потенциалом, и вследствие образования химической связи между молекулами шлакового минерального порошка и хемосорбента образуется битумоминеральное вяжущее вещество гидратационного твердения, где битум в упаковке твердеющего вещества приобретает устойчивый характер против старения.
Битумные эмульсии (катион-, анионактивные), получившие название дорожные, до сих пор используются способом разлива лишь для обработки поверхности основания в целях обеспечения сцепления устраиваемого покрытия с основанием, ухода за свежеуложенным цементобетоном и цементогрунтом, закрепления откосов транспортных сооружений. В доступных источниках нет сведений о способе приготовления смеси гидротационного твердения с применением битумной эмульсии.
Длительность воздействия на покрытие транспортных нагрузок приводит к дезинтеграции минерального скелета смеси с образованием новых поверхностей с разрывом сплошности битумной пленки.
Асфальтобетон гидратационного твердения с упругопластическими свойствами и усиленным адгезионным контактом зерен минерального скелета смеси проявляет способность сопротивляться линейным деформациям и разрушению покрытия от воздействия транспортных динамических нагрузок.
Прилипанию битума к минеральному материалу в значительной мере препятствует пленка воды на его поверхности. Удалить воду из минеральной смеси, приобретенную из окружающей среды способом испарения, когда температура в смеси не превышает 100°С, не представляется возможным.
Наиболее эффективным является способ химический, где вода адсорбируется с жидкой фазой (электролитом) битумной эмульсии, перезаряжается положительным потенциалом, и в результате гидролиза и гидролизации битумоминеральное вяжущее вступает в адгезионный контакт с поверхностью каменного материала.
В смеси гидратационного твердения эмульгаторы смягчают поверхности минерального материала, где за счет молекулярных сил битума и минерального вяжущего вещества повышается адгезионный контакт, улучшаются условия их перемешивания, подвижность при укладке, открывается возможность использования влажных минеральных материалов без просушивания.
Определяющим критерием оценки долговечности дорожного покрытия является морозостойкость. Минеральный скелет, измельченный под динамическими нагрузками транспорта до каменной мелочи и порошка, впитывает значительное количество воды, а в процессе замерзания образуется лед, увеличивающийся в объеме более чем на 9% и разрушающий структуру асфальтобетонного покрытия.
Шлаковый минеральный порошок в растворе электролита представляет пластичное тесто плотной структуры с замкнутыми микропорами. Присутствие электролитов в микро- и макропорах битумоминерального вяжущего вещества понижает температуру замерзания жидкой фазы, в результате значительно повышается морозостойкость асфальтобетонного покрытия, сохраняется подвижность и удобоукладываемость смеси при охлаждении до -15°С, что позволяет вести дорожно-строительные работы в зимних условиях. Как показали наши исследования, в процессах циклического замораживания асфальтобетона гидратационного твердения деструкция начинает происходить лишь после 90-110 циклов. При последующем замораживании до 130 циклов физико-механические свойства изменяются в сторону уменьшения (до нормативного) в зависимости от вида концентрации раствора эмульгатора.
Указанные выше отличительные признаки каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи - разработать способ приготовления асфальтобетонной смеси гидратационного твердения, позволяющий повысить прочность и долговечность асфальтобетонного покрытия, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Примеры осуществления изобретения
Настоящее изобретение конкретно иллюстрируется следующими примерами осуществления изобретения, которые иллюстрируют, но не ограничивают объем использования изобретения.
Пример 1. Приготовление битумной эмульсии.
3
Для приготовления битумной эмульсии в диспергатор параллельно подают битум, нагретый до температуры 115°С, и водный раствор эмульгатора с плотностью β=1,08-1,40 г/см и температурой 55°С. После измельчения до микронных капель эмульсию подают в накопительную емкость для последующей подачи в смеситель для приготовления асфальтобетонной смеси.
Пример 2. Приготовление асфальтобетонной смеси гидратационного твердения.
Берут 900 кг/т минерального заполнителя и 100 кг/т шлакового минерального порошка (на одну тонну смеси), смешивают, затем к полученной смеси добавляют 12% предварительно приготовленной (как в примере 1) битумной эмульсии, содержащей, мас.%:
Битум нефтяной
35
Раствор эмульгатора, например содощелочной плав
65
Содощелочной плав - плавленая смесь щелочей представляет собой побочный продукт содового производства, отвечающий требованиям ТУ 6=18-45-77. В содощелочной плав входят силикаты и карбонаты щелочных металлов, гидроксиды натрия (калия).
Полученную смесь перемешивают в течение 90 с до однородной массы, пригодной для укладки.
2
В качестве минерального заполнителя используют природные или искусственные каменные материалы, а в качестве минерального порошка - дисперсный шлак с удельной поверхностью 2600-4000 cм/г. Если взять раствор эмульгатора меньше 35 мас.%, то происходит замедление процесса твердения, если взять больше 65 мас.%, то происходит быстрое твердение, а это приведет к деструктивным последствиям: деформации покрытий и образованию микро- и макротрещин.
Пример 3. Приготовление асфальтобетонной смеси гидратационного твердения.
Приготовление смеси как в Примере 2, но используется эмульгатор следующего состава, мас.%:
Битум нефтяной
65
Раствор эмульгатора, например кальционированная
сода в виде полупродуктов или отходов
промышленности с щелочесодержащей фазой
35
Кальционированная сода техническая или карбонат натрия ГОСТ 10689-75.
В таблице 1 приведены примеры составов полученных смесей.
Компоненты, мас.%:
Примеры составов:
1
2
3
Минеральный заполнитель
86
79
73
Шлаковый минеральный порошок
8
12
15
Битумная эмульсия
6
9
12
Если добавить в смесь раствор битумной эмульсии меньше 6% от оптимальной, то недостаточное количество жидкой фазы не обеспечивает гидратационного твердения смеси, а также образуется жесткая смесь пористой структурой асфальтобетона, если взять больше 12%, то в результате перенасыщенной жидкой фазы образуется излишне пластичная нетехнологичная смесь для уплотнения.
В таблице 2 приведены показатели свойств асфальтобетонов.
Наименование показателя
Значения для составов
ГОСТ9128-97
1
2
3
Предел прочности при сжатии, Т=20°С, МПа, плотных типов А, Б, В, для 11 и 111 дорожно-климатических зон
1,0/4,5
1,1/5,0
1,3/5,7
0,9 (А)
1,0/5,5
1,3/6,3
1,5/7,2
1,0 (Б)
1,2/6,6
1,5/7,6
1,7/8,7
1,2 (В)
Примечание: над чертой - значения свойств асфальтобетона, под чертой - то же в возрасте 90 суток, испытанного по ГОСТ 12801-98.
Предлагаемый способ получения асфальтобетонной смеси является простым по исполнению, технологичным, позволяющим утилизировать отходы химической промышленности, получить дорожное покрытие повышенной прочности и долговечности со значительным экономическим эффектом.