Способ приготовления асфальтобетонной смеси для покрытий
METHOD FOR PREPARATION OF ASPHALT CONCRETE MIXTURE FOR COATINGS

Изобретение относится к производству дорожно-строительных материалов, а именно к способам приготовления асфальтобетонных смесей на основе наполнителей и органических вяжущих.
Известен способ приготовления асфальтобетонной смеси, описанный в патенте RU на изобретение №2647740. Способ включает «сухое» перемешивание обезвоженных компонентов при температуре 160-190°С: щебня, песка из отсева дробления и минерального порошка. Затем в полученную подогретую смесь добавляют предварительно приготовленное стабилизированное вяжущее и осуществляют «мокрое» перемешивание до полного обволакивания стабилизированным вяжущим каменных материалов.  Приготовление осуществляют в следующей последовательности: в нагретый до 160°С битум марки БНД 60/90 вводят талловое масло, дивинилстерольный термоэластопласт ДСТ-30-01 и перемешивают в течение 30 минут в лопастной мешалке. Затем добавляют эпоксидную смолу и полиэтиленполиамин, продолжают перемешивание до растворения дивинилстирольного термоэластопласта ДСТ-30-01 в битуме.
Недостатком данного способа является повышенная стоимость производства смесей, а также соблюдение для персонала безопасных условий труда при приготовлении смеси с названными составляющими компонентами вяжущего, а также при укладке асфальта на дороге.
Известен также способ приготовления асфальтобетонной смеси [патент RU №2186746 на изобретение], включающий нагрев щебенисто-песчаной смеси до 90-160°С и рассев на крупную и мелкую фракции. Разжижители - мазут, нефтяной гудрон в количестве 1,6-3% с температурой 60°С перемешивают в смесителе 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.
Недостатком описанного выше способа является удлиненность (затянутость) процесса за счет предварительных подготовки, подогрева и смешения одной части заполнителя с крупной фракцией с мазутом и гудроном, что удорожает производство в целом.
Известен также способ приготовления асфальтобетонной смеси, описанный в патенте RU на изобретение №2156227. Осуществляют смешивание нагретых минеральных материалов, включающих песок, щебень и минеральный порошок, с битумом и армирующим заполнителем. В качестве армирующего заполнителя вводят базальтовые волокна длиной 2-40 мм, диаметром 150 - 200 мкм, в количестве 0,8 - 1,1% от массы минеральных материалов, которые равномерно добавляют в минеральный порошок посредством ёмкости-дозатора и вводят в смеситель до начала процесса основного перемешивания.
Наиболее близким к заявляемому является способ приготовления асфальтобетонной смеси, описанный в патенте RU на изобретение №2465231. Способ включает предварительное сухое смешивание минерального порошка и армирующего волокнистого наполнителя, содержащего 0,1-0,15 мас.% полиакрилонитрильной фибры (ПАН-фибры) и 0,01-0,15 мас.% углеродного волокна (сверх 100% от массы минерального материала) в смесителе при скорости смешивания от 200 до 1500 об/мин. Затем вводят предварительно полученную смесь минерального порошка и указанного армирующего волокнистого наполнителя в перемешиваемые нагретые щебень и мелкий заполнитель с последующей подачей нагретого битумного вяжущего, преимущественно нефтяного битума марки БНД 60/90. Предварительное смешивание минерального порошка и указанного армирующего волокнистого наполнителя осуществляют при нагреве до температуры 45-120°С.
Недостатком наиболее близкого аналога является одновременное введение ПАН-фибры и минерального порошка, что в свою очередь не позволяет получить однородную смесь за счет неравномерного распределения ПАН-фибры в общем объеме смеси, и, как следствие, влияет на снижение прочности и устойчивости получаемого асфальтобетонного покрытия к воздействию статических и динамических транспортных нагрузок.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа приготовления асфальтобетонной смеси, позволяющего обеспечить повышение устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе приготовления асфальтобетонной смеси для покрытий, включающем введение фиброволокон, вначале в смеситель вводят сухие предварительно нагретые до температуры  140-180°С в соотношении %:
щебень
20-60
фиброволокно одного из видов:
базальтовое, полиакрилонитрильное
смесь базальтового и полиакрилонитрильного волокна
при следующем соотношении компонентов
от общего количества введенного фиброволокна, %:
полиакрилонитрильное волокно 60-95
базальтовое волокно 5-40
0,07-0,6
песок
- остальное
продолжают перемешивание в течение 30-60 секунд; затем вводят битум нефтяной дорожный вязкий одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200, при его температуре 110-140°С в количестве 0,2-1,8%, продолжая перемешивание в течение 15-20 секунд; после чего в смеситель, продолжая перемешивание в течение 10-15 секунд, вводят нагретый до температуры порядка 180°С минеральный порошок в количестве 4-12% от общего количества производимой смеси; завершают процесс введением нагретого до температуры 140-160°С битума нефтяного дорожного вязкого одной из марок: БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60 в количестве 3,4-11,4%, после чего перемешивают смесь в течение 20-30 секунд.
Кроме того заявляется способ, в котором в качестве фиброволокна выбирают полиакрилонитрильное волокно (ПАН-волокно) с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм.
Заявляется также способ, в котором в качестве фиброволокна выбирают базальтовое волокно с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм.
Кроме того заявляется способ, в которомфиброволокно до введения в смеситель вспушивают.
Заявляется также способ, в котором наряду с вышеописанными признакамифиброволокно вводят в смеситель методом вдувания (вдуванием).
Кроме того заявляется способ, в котором фиброволокно и минеральный порошок вводят порциями в процессе приготовления смеси.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание изобретения, является то, что в указанном интервале температур с учетом подобранного оптимального времени перемешивания, а также набора и количества входящих в смесь компонентов, установлено улучшение технологических параметров смеси, в том числе устойчивости к внешним нагрузкам и сдвигоустойчивости покрытий, устраиваемых из смесей.
При температуре введения вяжущего свыше 160°С проявляется термодеструкция (старение) битума. Раздельное поэтапное введение битума в смесь щебня с песком и фиброволокном, а затем введение минерального порошка и оставшегося битума в смеситель, позволяет исключить термодеструкцию и старения битума. Очевидно, что при отсутствии в разогретой смеси минерального порошка  явление термодеструкции (старения) битума будет более выраженным.
Следует отметить, что образование изучаемой поверхности при производстве асфальтобетонной смеси происходит при повышенных температурах (порядка 120 – 160°С), когда битум находится в жидкотекучем состоянии и его вязкость мала. По этой причине смачивание волокон фибры битумом упрощается, а также возникает возможность образования химических связей между структурами битума и поверхностью волокна. Дальнейшее уплотнение давлением асфальтобетонной смеси при ее укладке в дорожную одежду при более низких температурах (80 – 100°С) также может усилить эти процессы.
При температурах, выше температур осуществления заявляемого способа могут образоваться комья, сгустки и происходит спекание фиброволокна с минеральным порошком. Понижение температуры смеси ниже 100°С также приводит к повторному образованию комьев и ухудшению качества полученной ранее смеси.
При производстве фибросодержащих асфальтобетонных смесей происходит «конкуренция» за битум между минеральным порошком и фиброволокном. Минеральный порошок из всех компонентов асфальтобетонной смеси имеет наибольшую удельную поверхность - порядка 90% от общего количества, поэтому обладает худшей смачиваемостью. Для решения данной проблемы в заявляемом изобретении применяют раздельное введение битума, а именно, после введения фиброволокна осуществляют смачивание компонентов смеси первый раз битумом нефтяным дорожным вязким одной из марок: БНД 200/300, БНД 130/200 до введения минерального порошка. Непосредственно после введения минерального порошка в асфальтобетонную смесь вводят вторую - большую часть вяжущего, представляющего собой более вязкий битум одной из марок: БНД 90/130, БНД 60/90 или БНД 40/60.
Кроме того введение в смесь фиброэлементов, как описано выше, позволяет добиться их равномерного распределения – дисперсии в смеси и получить композиционный материал с более высокими физико-механическими показателями, такими как сдвигоустойчивость, водостойкость, трещиностойкость и предел прочности в готовом конструктивном элементе - слое асфальта. Эффективность способа введения предварительно обработанного волокна в смесь, например, смеси с парой - ПАН-волокна и базальтовой фиброй в качестве компонентов смеси для улучшения показателей физико-механических свойств асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог Заявителем экспериментально доказана.
С увеличением длины нарезки фиброволокна в смеси путаются его нити, провоцируя неоднородности, особенно это проявляется при длине нарезки свыше 18 мм для базальтового волокна и для ПАН-волокна, при которых смесь приобретает форму кома (сгустка), что, в свою очередь, вызывает проблему при перемешивании и укладке в производственных условиях. При длине нарезки базальтового волокна менее 12 мм и ПАН-волокна менее 6 мм возникает проблема с разделением фиброволокон на отдельные нити в процессе вспушивания.
Осуществление способа показано с привлечением примеров по компонентам, проверок конкретных качественных показателей асфальтобетонных смесей, изготовленных в соответствии с заявляемым изобретением.
В работающий смеситель вносили сухие, предварительно нагретые до температуры 140-180°С щебень и песок. Нагрев этих компонентов осуществляли со скоростью 10-12°С в минуту. Затем в смеситель добавляли фиброволокно. Соотношение введенных компонентов следующее:
щебень
20-60
фиброволокно
0,07-0,6
песок
остальное
В течение 30-60 секунд выполняли «сухое» перемешивание вышеназванных компонентов, после чего в смесь вводили битум нефтяной дорожный вязкий при его температуре 110-140°С в количестве 0,2-1,8%. До введения минерального порошка вводили битум одной из имеющихся в наличии марок: БНД 200/300 (ГОСТ 22245-90) или БНД 130/200 (ГОСТ 33133-2014). Перемешивание продолжали в течение 15-20 секунд. Продолжая перемешивание в течение 10-15 секунд, в смеситель вводили минеральный порошок при его температуре 10-180°С в количестве 4-12% от общего количества производимой смеси. Завершали способ введением нагретого до температуры 140-160°С битума нефтяного дорожного вязкого в количестве 3,4-11,4%. В качестве последнего добавляли битум одной из имеющихся в наличии марок: БНД 90/130, БНД 60/90 или БНД 40/60 (ГОСТ 22245-90). Готовую смесь перемешивали в течение 20-30 секунд.
Рекомендовано введение фиброволокна и минерального порошка в смеситель порциями для ускорения процесса перемешивания с получением однородной смеси.
Фиброволокно вводили в смеситель преимущественно вдуванием. Для обеспечения максимальной дисперсии (степени однородности распределения) волокон в объёме асфальтобетонной смеси предварительно распушивали фиброволокно, находящееся в ровингах, до отдельных волокон. В качестве фиброволокна вводили, например, базальтовое волокно с плотностью 54-240 текс и длиной нарезки 12-18 мм или полиакрилонитрильное волокно с плотностью 0,17-0,77 текс и длиной нарезки 6-18 мм.
Вводили в асфальтобетонную смесь в качестве фиброволокна – совместно базальтовое волокно и полиакрилонитрильное волокна при следующем соотношении компонентов от общего количества введенного фиброволокна, %:
полиакрилонитрильное волокно
60-95
базальтовое волокно
5-40
Из фибросодержащей асфальтобетонной смеси, приготовленной в соответствии с заявляемым способом, по методике ГОСТ 12801-98 изготавливали образцы для лабораторных испытаний. Полученные Заявителем результаты лабораторных испытаний физико-механических показателей образцов асфальтобетона приведены в Таблице в сравнении с образцами, полученными при введении битума в один прием, всей навеской.
Таблица
№№ п/п
Наименование показателей
Ед. измерения
Фактические показатели по образцам асфальтобетона
Образец с введением битума сразу всей навеской
Образец, изготовленный в соответствии с заявляемым способом
1
Средняя плотность переформованного образца
г/см<sup>3</sup>
2,42
2,43
2
Водонасыщение
%
3,18
3,0
3
Показатель прочности при сжатии соответственно при 50°С, R50
МПа
1,6
2,5
4
Трещиностойкость
МПа
5,5
6,2
56
<b>Сдвигоустойчивость: </b>Коэффициент внутреннего трения, tgφСцепление при сдвиге, C<sub>л</sub>
-МПа
0,830,45
0,920,56
На основании данных экспериментального исследования эффективности заявляемого способа поэтапное введение битума дорожного вязкого обеспечивает более эффективное смачивание им компонентов асфальтобетонной смеси, что способствует улучшению физико-механических показателей асфальтобетонного покрытия.
Для фибросодержащего асфальтобетонного покрытия показатель прочности при сжатии соответственно при 50°С увеличивается на 56 %, трещиностойкость - на 13%, сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения  увеличивается на 11%, а сцепление при сдвиге - на 24%.
Для осуществления заявляемого способа использовался щебень гранитный Потаповского карьера Ростовской области и известняковый щебень Жигулёвского карьера Самарской области. Применяли щебень фракций от 5 мм до 10 мм, св. 10 мм до 15 мм, св. 15 мм до 20 мм.
Кроме того использовали речной песок производства ОАО «Саратовское речное транспортное предприятие» с модулем крупности 1,20, класс II.
В качестве органического вяжущего применяли битумы Саратовского нефтеперерабатывающего завода.
Для обработки фиброволокна применяли разработанный в Поволжском учебно-исследовательском центре «ВОЛГОДОРТРАНС» ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» опытный образец установки для производства композиционных фибросодержащих асфальтобетонных смесей, которая позволяет подготовить волокнистые материалы (базальтовая, полиакрилонитрильная и др. виды фиброволокна) для введения  их в состав асфальтобетонных смесей с целью армирования, увеличения показателей физико-механических свойств и долговечности дорожных покрытий. В состав установки входят специально разработанные устройство для вспушивания (расщепления) фиброволокна и устройство для его вдувания в смеситель асфальтобетонного завода.